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城市交通拥挤收费问题的研究论文摘要 城市交通拥挤收费问题的研究 摘要 城市交通拥挤收费问题是在城市道路资源空前紧张，城市交通日益恶化的情况下提出来的， 作为交通需求控制的一项重要策略，它既能对交通出行行为进行有效的宏观调控，又能为交通 设施的建设和维护筹集一定的资金。然而，交通拥挤收费问题不仅仅是一个交通问题，更重要 的还是一个关于社会经济、政策、环境和出行心理等等要素的问题，因而对于如何去正确认识 交通拥挤收费、制定交通拥挤收费方案和实施交通拥挤收费就显得尤其必要和迫切。 论文通过运用交通工程学、微观经济学和博弈论的知识，首次系统的对城市交通拥挤收费 问题进行了详细阐述，主要研究内容有： l 、对于已有一些交通拥挤收费模型进行分析、归纳和整理，从中透析出这些模型的内在特 征和功用，为进一步的研究提供必要的经验。 2 、对交通拥挤和交通拥挤收费的基本演变和本质概念进行深入的剖析，指出交通拥挤收费 实乃缓解拥挤的良好措施。l l j 3 、对交通拥挤收费问题的经济学原理和进化动态原理进行深刻的研究，指出拥挤收费的合 理性及其在缓解拥挤过程中是如何发挥作用的。1 2 】 4 、建立基于进化动态理论的简单拥挤定价模型。 5 、对城市交通拥挤收费策略的应用实施进行研究，提出了必须遵循的几大原则，并指出我 国实施拥挤收费必须解决的一些问题。 关键词：交通拥挤，交通拥挤收费，定价模型，微观经济学，博弈论，进化动态 【l l 交通拥挤问题的研究在山东交通学院学报v 0 1 1 1 ，1 4 0 3 上发表 【2 1 交通拥挤收费进化动态性原理的研究在中国公路学报 上发表，( 待刊) 同济大学一申请硕士学位论文 t h er e s e a r c ho fu r b a nt r a f f i cc o n g e s t i o np r i c i n gi s s u ed i s s e r t a t i o na b s t r a c t t h er e s e a r c ho fu r b a nt r a f f i cc o n g e s t i o np r i c i n gi s s u e b yl i l i n - b o t h es c h o o lo f t r a f f i ca n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g a b s t r a c t u r b a nt r 缅cc o n g e s t i o np r i c i n gh a sb e e np u tf o r w a r du n d e rt h es i t u a t i o nt h a tt h e c i t yt r a f f i ch a sw o r s e n e di n c r e a s e d l ya n dt i l er o a dr e s o u r c eh a sb e c o m eu n p r e c e d e n t e d a b s e n c e a sa ni t e mo fi m p o r t a n tt a c t i c so fd e m a n dc o n t r o l so ft r a f f i c ，c o n g e s t i o np r i c i n g c a l ln o to n l yc a r r yo ne f f e c t i v em a c r o a d j u s t m e n t sa n dc o n t r o l st ot r a f f i cb e h a v i o r , b u t a l s or a i s ec e r t a i nf u n df o rt r a f f i cc o n s t r u c t i o na n dm a i n t e n a n c eo ff a c i l i t y h o w e v e r , t h e t r a f f i cc o n g e s t i o np r i c i n gi sn o tm e r e l yat r a m cp r o b l e m ，m o r ei m p o r t a n t ，i ta l s o ，a tl a r g e e x t e n t , i n v o l v e st r i pp s y c h o l o g y , s o c i a le c o n o m y , p o l i c y , e n v i r o n m e n ta n ds oo n t h e r e f o r e ，i t 驼e m se s p e c i a l l ye s s e n t i a la n du r g e n tt oh o wt ok n o wt r a 伍cc o n g e s t i o n p r i c i n g ，m a k et r a f f i cc o n g e s t i o np r i c i n gs c h e m ea n di m p l e m e n ti t 1 1 1 et h e s i s ，、i t l lt h et r a f f i ce n g i n e e r i n g ，m i c r o e c o n o m i c sa n dg a m et h e o r y , f o rt h e f i r s tt i m e ，m a k e st h et r a f f i cc o n g e s t i o np r i c i n gag o o ds y s t e m a t i ca n a l y s i s t h em a i n r e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： l 、t 0a n a l y s es o m ee x i s t e n tc o n g e s t i o np r i c i n gm o d e l sa n dp u t t i n gt h e mi no r d e r f u r t h e r , t h et h e s i s ，t h r o u g ha n a l y s i so fi n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i ca n dm a i nf u n c t i o no ft h e s e m o d e l s ，o f f e r se s s e n t i a le x p e r i e n c ef o rf i l r t h e rr e s e a r c h 2 、t 0a n a l y s et h eb a s i cd e v e l o p m e n ta n dt h ee s s e n t i a lc o n c e p to ft h et r a 伍c c o n g e s t i o na n d t h et r a f f i cc o n g e s t i o np r i c i n gi nd e e p t h et h e s i sa l s os h o w st h a ti t , i nf a c t ， i sa l le s s e n t i a la n de f f e c t i v em e a s u r ef o r t h et r a f f i cc o n g e s t i o np r i c i n gs c h e m et oa l l e v i a t e t r a l 瞳cc o n g e s t i o n 3 、t 0m a k ear e s e a r c hf o re c o n o m i c sp r i n c i p l ea n de v o l v ed y n a m i cp r i n c i p l eo f t r a f f i cc o n g e s t i o np r i c i n g 啊托t h e s i sa l s op o i n t so u tt h er a t i o n a l i t yo fc h a r g ea n dh o wt h e p r i c i n gs c h e m em a k e s e f f e c t i v ei nt h ec o u r s eo fa l l e v i a t i n gc o n g e s t i o n 4 、t oe s t a b l i s h i n gt h es i m p l ec o n g e s t i o np r i c i n gm o d e lb a s e do nt h ee v o l v i n g d y n a m i ct h e o r y 5 、t 0m a k ear e s e a r c hf o rt h ei m p l e m e n to ft h ec o n g e s t i o np r i c i n gs c h e m ea n dp u t f o r w a r ds e v e r a lg r e a tp r i n c i p l e st h a tm u s tb ef o l l o w e d t h et h e s i sa l s op o i n t so u ts o m e p r o b l e m st h a tm u s tb es o l v e df o ro u rc o u n t r yt oi m p l e m e n ti t k e y w o r d s ：t r a f f i cc o n g e s t i o n , t r a f f i cc o n g e s t i o np r i c i n g ，p r i c i n g m o d e l ， m i c r o e c o n o m i c s ，g a m et h e o r y , e v o l v i n gd y n a m i ct h e o r y _ _ 。_ - _ _ _ _ - - _ _ _ - _ - - _ - _ - i _ _ - - _ - - - _ _ _ 。_ i - _ _ - _ _ - - _ _ _ - 。i - - - _ _ 。_ - _ - 。- _ 。，_ _ _ _ i _ 。- _ _ 。- _ _ _ _ i - _ - _ _ _ - - - _ _ _ _ - _ _ _ - _ i - _ _ h _ - - _ _ _ 一 一 at h e s i ss u b m i r e dt ot h et o n g i iu n i v e r s i t yf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fs c i e n c ei i 声明尸明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成博士硕士学位论文= = 越立交通捆挞噬建闻题笪硒 究 。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未 加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名 。车年 月9j e l 城市交通拥挤收费问题的研究第一章绪论 第一章绪论 l - l 前言 随着城市交通的急速发展，城市的交通拥挤现象也变得越来越严峻，尤其是在发展中国家，由 于交通设施的增长速度远远落后于交通流量的增长，这一现象更为明显。对于交通拥挤现象的产生， 在尝试了增加道路设旌建设以扩大交通容量来满足交通的发展需求后，发现仅仅通过道路硬件设施 的建设是远远不能满足发展要求的，由此，学者们纷纷转向交通系统管理和交通需求管理的研究。 交通系统管理主要通过对交通流的管理把无序的交通状态有序化，以优化均衡为目标，对已有道路 资源进行充分的利用，从而有效地缓解交通增长给城市发展带来的压力；交通需求管理，是指采用 各种政策性的、技术性的和系统性的手段，对交通需求进行有效控制、调节和疏导的过程，以达到 减少不必要交通出行的目的如果说交通系统管理是对交通流的管理，那么交通需求管理便是对交 通源的管理，而本论文所研究的城市交通拥挤收费( c o n g e s t i o np r i c i n g ) 则是交通需求管理中的 一项重要措施。 城市交通拥挤收费的理念来自于道路收费，属于道路收费的一部分，但它又与广义上的道路收 费概念有着很大的差别。道路收费的出发点在于筹措建设资金或是获得营运利润，它最初起源于希 腊，兴起子英国，风行于欧美，其间经历了一个兴衰变化的历程，目前，世界上已有四十多个国家 具有收费道路1 。而交通拥挤收费的主要目标在于缓解交通拥挤( 当然也不排除筹资的效果) ，收 费仅仅是其达到目标的手段。目标的不同，导致收费的方式、范围、价格、政策等等都有差别，近 几年欧美发达国家在这方面进行了比较深刻的研究，运用微观经济学的方法，对有关需求和供给等 进行边际分析，在理论和实践上取得了显著成果，理论和实践证明，城市交通拥挤收费对于缓解城 市交通拥挤有着显著成效 交通拥挤收费属于交通经济学的范畴，我国对交通经济的研究一直未有足够的重视，尤其是对 于城市交通的经济分析尚停留在定性的阶段，还未有人对城市交通的经济利益和社会代价等进行全 面、系统的理论研究，在交通拥挤收费方面的研究更是微乎其微。现今中国城市交通需求和供给的 矛盾越来越突出，尤其是大城市交通全面紧张，近十年来虽然投入了大量的人力、物力、财力仍未 获得理想解决，交通规划可操作性差，城市交通建设缺乏指导，投资效益低下，其原因主要在于我 们长期以来并没有透彻的了解交通运行的内在规律，没能从交通运输建设和经营活动中的供求、布 局、竞争等方面去阐明相互关系和作用机制，很多交通经济的理论和实践问题没有得到应有的重视， 作为优化资源利用的交通拥挤收费措施的研究更是严重滞后于发展的需要。在周干峙院士为组长的 “发展我国大城市交通的研究”课题中2 ，董苏华先生( 中国城市规划设计研究院，1 9 9 6 ) 在“交 通经济问题的研究”专题中指出： 依据中国城市交通存在的问题和发展趋势，借鉴国外的相关经验，近期中国对交通经济的研究 同济大学一申请硕士学位论文 城市交通拥挤收费问题的研究 第一章绪论 应选择下列几个问题为突破口，以带动整个学科的发展： ( i ) 交通项目经济评价的指标体系； ( 2 ) 筹集交通项目资金的方法和途径； ( 3 ) 交通发展与土地利用合作开发的问题； “) 窑通翅量蝗鳌 显然，在我国，交通拥挤收费问题已经显著地摆在面前，作为一项能够有效缓解交通拥挤的措 施，有必要对其内在本质和应用作一番研究，本论文拟就从拥挤收费发展的历史出发，结合我国的 现状对交通拥挤收费概念、交通拥挤发生机理、交通拥挤收费方案及收费政策的实施等方面作一 些研究 1 2 交通拥挤定价问题的提出 交通拥挤定价的理论思想，开始于p i g o u ( 1 9 2 0 ) 和k n i g h t ( 1 9 2 4 ) ，经由w a l t e r s ( 1 9 6 1 ) 、 s m e e d ( 1 9 6 4 ) 和s h a r p ( 1 9 6 6 ) 的发展走向成熟，其概念在于，出行者的每次出行除了自己必须支付的 基本出行费用以外，其出行还给其他出行者和社会造成了影响( 即产生了外部性) ，形成了边际社 会成本，这种出行受益大于支付的现象势必导致拥挤的产生，为了以示公平和缓解拥挤，需要征收 等价于出行边际社会成本与边际个人成本之差的费用，这样通过边际社会成本的内部化，使得出行 者在是否进入道路系统之前进行决策时不得不考虑到自己的进入对于其他出行者可能产生的负面 影响。按经济学的观点，这种对于拥挤的边际成本进行定价的方案确保了出行的有效性，所以边际 成本定价又被认为是处理拥挤的第一最优策略( t h ef i r s t - b e s ts t r a t e g y ) 3 然而，边际成本定价方案尽管在理论上是完善的，但实际应用起来还是有很多问题，诸如交通 信息发布的后效性问题、来自公众和政治的压力以及边际费用估算问题等。为此，许多研究者开始 研究各种各样的其他方法，相比如第一最优策略，这些方法叫第二最优定价方案( t h es e c o n d - b e s t s t r a t e g y ) ，第二最优定价方案一般只是在少数拥挤路段或区域实施收费行为。目前已经在很多城 市和地区得到了实际的应用。 1 3 国内外研究现状 交通拥挤定价( c o n g e s t i o np r i c i n g ) 作为一项缓解交通拥挤的策略，属于道路定价( r o a d p r i c i n g ) 的一部分，近年来受到国内外学者的广泛关注。决定交通拥挤定价的最初目的是经济上 的原因。涉及到拥挤道路的效率。随着研究的深入，交通拥挤定价的目标已扩展到减少环境污染影 响的范围。道路拥挤收费系统的理论已有很大的突破，提出了五种定价机制：收费境界线方案、区 域通行证制度，基于出行距离的收费方案、基于出行时间的收费方案和基于路段的收费方案，并建 立了相应的定价模型。交通拥挤的定价模型也己由静态模型向动态模型转化，k n i g h t 提出了基于边 际成本收费的静态模型5 ，v i c k r e y 应用确定性排队理论提出了道路收费系统的动态模型， h e n d e r s o n 首先在高峰期拥挤的动态模型中考虑了出行者属性的差异7 ，n e w e l l 考虑了出行者开始 同济大学一申请硕士学位论文 2 城市交通拥挤收费问题的研究 第一章绪论 工作时间、行驶时间费用和计划延误费用呈概率连续分布的情况。，c o h e n 研究了动态模型中引入时 变收费消除排队的福利效果，发现收费对于自领阶层的益处大于蓝领阶层9 ，a r n o t t 等分析了行驶 时间费用、理想到达时间、计划延误费用不同的出行者在时变收费下的福利效果1 0 ，同时，为了获 得对现有路网资源的最优化利用，w i l i a mhs a n d h o l m 开始引进博弈论的思想来分析出行者的出行 决策和出行行为，并运用其研究结果来采取相应的缓解措施 交通拥挤定价在探索了许多年后，被成功应用在公共航线定价、公共设施定价及其他交通运输 和私人经济领域，1 9 7 5 年新加坡区域通行证收费方案的成功实施使得交通拥挤定价真正从理论走向 了实践”，美国南加利福尼亚州s r 9 1 道路和旧金山海湾大桥上交通拥挤定价方案的实施也证实了 交通拥挤定价方案对于交通拥挤缓解所带来的积极作用”，还有其他一些国家( 特别是法兰西) 的 经验，也证明交通拥挤定价在高峰期间有效地削减了拥挤。美国高科技组织，包括国家科学院，对 交通拥挤定价给予很高的评价，在1 9 9 5 年的两卷报告中控制瓶颈( c u r b i n gg r i d l o c k ) 和收取高峰费用以缓解交通拥挤( p e a k p e r i o df e e st or e l i e v et r a f f i cc o n g e s t i o n ) ，科学 院对定价方案大为称赞，认为它是一个强大的工具，可以说服人们利用合乘、使用公交、使用电子 通勤、改变出行时段、变换出行路径、选择另外的出行目的地或避免出行等。此后众多的城市开 始实施交通拥挤定价系统，其中尤以奥斯陆( o s l o ) 、特隆赫姆( t r o n d h e i m ) 和马赛( m a r s e i l l e s ) 等城市比较成功，但也有一些应用失败的例子，如斯德哥尔摩( s t o c k h o l m ) 、巴塞罗那( b a r c e l o n a ) 和里昂( l y o n ) 。交通拥挤定价的研究正在得到广泛的推广1 5 ，此外，美国的一些城市如圣地亚哥、 休斯顿在h o v ( h i g ho c c u p yv e h i c l e ) 道路上也应用了拥挤定价方案使之成为h o t ( h i 曲o c c u p yt o l l ) 道路，即为了充分利用交通资源，允许低载率的车辆凭付费的方式进入h o v 道，而收取的费用将随 拥挤水平和时段进行变化 随着通信技术的发展及全球定位系统( g p s ) 的商业化应用，拥挤定价策略开始发生了新的变 革，出现了f a i r 道路( f a s ta n di n t e r t w i n e dr e g u l a rl a n e s ) ，f a i r 道路是指把一条拥挤道路 的不同车道进行柔性分离，变成两类车道，其中一类车道是常规车道，一类是快速车道，快速车道 可以提供非拥挤的车流服务，而这种服务是要收费的，常规车道不仅是免费的，而且可以获得相应 的现金补偿，现金通过卫星系统自动注入帐户，在下次使用高水平服务时可以直接使用。f a i r 道路 可以在高峰时运行更多的通勤人员，改善了运输系统的通行能力，适应了经济和社会发展的需求， 这一方案已经在纽约i - - 2 8 7 道上试行。 在国内，有关道路定价( r o a dp r i c i n g ) 的研究却很少，而交通拥挤收费的研究更是缺乏，至 于交通拥挤收费政策的应用也就难以述说了现有的一些收费政策，大多是道路的还贷收费和经营 收费，有些或许有一些交通拥挤收费内涵的收费，也都是自发而为，并不是有计划、有目的的行动。 大部分专家学者在道路收费研究中，往往着眼于收费系统“硬件”的研究。如，怎样提高收费自动 化水平，如何防止逃票和收费人员舞弊，收费制度的选择等，而对收费系统的“软件”缺乏系统的 同济大学一申请硕士学位论文 3 城市交通拥挤收费问题的研究 第一章绪论 研究，陈传德( 1 9 8 9 ) 、黄景江( 1 9 8 9 ) 、金正富( 1 9 9 0 ) 、束明鑫( 1 9 9 2 ) 、谈至明( 1 9 9 2 ) 、 尹良龙( 1 9 9 3 ) 、周国光( 1 9 9 6 ) 、丁岳唯( 1 9 9 9 ) 等对道路收费问题作了一些研究，但都只是涉 及到还贷收费和经营收费，其中丁岳唯提及了交通拥挤收费问题，但也只是一笔带过1 7 。还有其他 一些交通拥挤收费的文章散见于各个报刊，没有什么系统的研究。目前交通大发展带来的拥挤问 题越来越严重，作为在削减交通拥挤方面成效显著的交通拥挤收费策略已经很紧迫的摆在了我们的 面前，上海市为实行交通拥挤收费策略已经在作前期准备了，在这种情况下，对交通拥挤费收进行 系统的研究实为必要。 1 4 本论文的研究技术路线 本论文的研究涉及到微观经济学、交通工程学、博弈论与信息经济学等学科的知识，在研究过 程中主要应用归纳演绎归纳的研究方法，试图在大量文献参考的基础上，把国外成功的交 通拥挤收费理论和实践经验引进来，结合国内已有的研究和相关理论，建立适合本国情况的交通拥 挤收费理论。本论文主要运用博弈论、微观经济学和交通工程学的知识对交通拥挤的形成机制和交 通拥挤收费的基本原理进行了分析，在大量历史经验的基础上，为削减交通拥挤引入价格机制，并 对现存的价格机制进行综合分析，引入交通拥挤收费定价动态模型，并对交通拥挤收费的相关策略 进行评价，具体研究技术路线如图( 1 - 1 ) 1 5 拟解决的关键技术问题 ( 1 ) 交通拥挤收费本质的探讨 ( 2 ) 交通拥挤收费的基本原理 ( 3 ) 基于进化动态的交通拥挤收费定价模型 ( 4 ) 实施交通拥挤收费政策的思路 1 6 论文的基本内容 第一章绪论 第二章交通拥挤收费定价模型的回顾 第三章交通拥挤和交通拥挤收费 第四章交通拥挤收费的基本原理 第五章交通拥挤收费进化动态定价模型 第六章交通拥挤收费策略的应用 第七章结论 同济大学一申请硕士学位论文 4 城市交通拥挤收费问题的研究 第一章绪论 参考文献： 路线 1d a v i dm a t t h e wl c v i n s o n ，o nw h o mt h et o l lf a l l s ：am o d e lo f n e t w o r kf i n a n c i n g 【d 】。u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a , b e r k e l e y , s p r i n g1 9 9 8 ：2 1 - 5 0 2 周干峙等著。发展我国大城市交通的研究【m 1 ，中国科学院技术科学部院士咨询项目，北京：中国建筑工业出 版社，1 9 9 6 i 0 ：1 2 7 1 2 8 3r i c h a r dh m e m m e r i n k ，i n f o r m a t i o na n dp r i c i n gi nr o m t r a n s p o r t a t i o n 【m 】g e r m a n y ，s p r i n g e r - - v e d a g b e r k i n h e i d e l b e r g ，1 9 9 8 ：3 6 3 7 4m i l n e , d t h en e t w o r ke f f e c t so f a l t e r n a t i v er o a du s c rc h a r g i n gs y s t e m s , p a p e rp r e s e n t e da tt h e2 1 s tf i r cs u n u n e r a n n u a l m e e t i n g , p r o c e e d i n g s o f s e m i n a rf 1 9 9 3 ：9 1 1 0 2 5k n i g i i t f h s o m ef a l | a c i e si nt h ei n t e r p r e t a t i o no f s o c i a lc o s t , q u a r t e r l yj o u r n a lo f e c o n o m i c s , 1 9 2 4 , 2 8 a ：5 8 2 - 6 0 6 同济大学一申请硕士学位论文 5 城市交通拥挤收费问题的研究第一章绪论 6v i c k r e y w s c o n g e s t i o n t h e o r y a n d t r a n s p o r t i n v e s t m e n t , a m e r i c a n e c o n o m i c r e v i e w , 1 9 9 6 3 4 ：4 1 4 4 3 1 7h e n d e r s o nj vr o a dc o n g e s t i o n ：ar e c o n s i d e r a t i o no fp r i c i n gt h e o r y j o u r n a lo f u r b a ne c o n o m i c sl ：3 4 6 - 3 6 5 8n e w e l lgt h em o r n i n gc o m m u t ef o rl i o n - i d e n t i c a lt r a v e l e r s t r a n s p o r t a t i o ns c i e n c e , 1 9 8 7 2 1 ( 2 ) ：7 4 - 8 8 9c o h e nyc o m m u t t e rw e l f a r eu n d e rp e a k - p e o dc o n g e s t i o nt o l l s ：w h og a i n sa n dw h ol o s e s 7 t h ei n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo f t r a n s p o r te c o n o m i c s ，1 9 8 7 ，1 4 ：2 4 0 - 2 6 3 10a m o t t d ep a l m aa n dl i n d s e y 艮t h ew e l f a r ee f f e c t so f e o n g c s t i o nt o l l sw i t hh e t e r o g e n e o u sc o m m u t e r s j o u r n a lo f t r a n s p o r te c o n o m i c sa n dp o l i c y , 1 9 9 4 ，2 8 ( 2 ) ：1 3 9 - 1 6 0 1 lw i l l i a mhs a n d h o l m e v o l u t i o n a r yi m p l e m e n t a t i o na n dc o n g e s t i o np r i c i n g t h er e v i e wo f c c o n o m i cs t u d i e s , o x f o r d , j u l2 0 0 2 - 6 6 7 6 8 9 12 李斌，黄海军，道路交通收费系统的研究【j l ，中国交通研究与探索，1 9 9 9 13s c h r i e n e r , j u d y ；a n g e l o , w i l l i a nj c o n g e s t i o np r i c m gi sc o m i n g , e n r h w w i l 小a s l l ，d e c1 9 ，1 9 9 4 ，n 0 2 3 3 ： 1 0 14f i n c h , g i n n y , c o n g e s t i o np r i c i n g ：r e d u c i n gt f a f f | ct h r o u g h 代d f 埘m i c s p u b l i cr o a d , n 0 6 0 ，w a s h i n g t o n , a u t u m n 1 9 9 6 ：4 5 15b j o mh u s m a n , s i r j ep 萏d 锄b ow l j k m a r k , w a y sa n dm e a n st oi n c r e a s et h e a c c e p t a n c eo f u r b a nr o a dp r i c i n g , f i n a l r e p o r tf o rp u b l i c a t i o n , j u n e2 0 0 0 ：6 16t h e f e d e r a lh i g h w a y a d m i n i s t r a t i o n ( f h m a ) ，v a l u e p r i c i n g p i l o t p r o 伊绷n - _ n o t i c e o f g r a n t o p p o r t u n i t i e s , o c t o b e r1 7 ，2 0 0 i 17 丁岳唯，路网收费及费额分配理论研究西安公路交通大学博士学位论文1 9 9 9 同济大学一申请硕士学位论文 6 城市交通拥挤收费问题的研究 第二章交通拥挤收费定价模型的回顾 第二章交通拥挤收费定价模型的回顾 交通拥挤的发生往往具有时空特性，即拥挤不是在任何时间和任何地点都会发生，这样的现象 表明道路资源在利用的过程中并没有得到有效的发挥。交通拥挤的缓解不仅仅在于提供充足的道路 资源，更主要的是在于运用交通控制措施来均衡交通的发生，在一个最大的范围内对交通进行有效 调节，让路段流量始终保持在一个相对均衡的状态，使高峰不再成其为高峰交通拥挤收费的经济 学原理表明( 这一原理将在第四章中进行详细阐述) ，实行拥挤收费不仅可以在不影响道路用户综 合付出的条件下达到控制要求，而且极大的提高了道路系统的运作效率，同时由于车流速率能保持 在一个较好的行驶速度上，对城市环境的改善也有显著的作用，从而可以产生良好的经济效益和社 会效益。 交通拥挤发生的时空特性使得在对交通拥挤收费问题进行分析的过程中出现了三种基本类型： 一是仅在空间维上对交通拥挤收费问题进行考虑，这样的做法避开了收费与拥挤的互动影响，使问 题简单化，尽管它能体现边际用户所造成的外部性影响，适合稳态条件下的交通网络，但并不能反 映实际的交通运行情况，这种考虑所获得的收费方式称之为静态收费；二是仅在时间维上对交通收 费问题进行考虑，因为捕捉到了交通费用时变规律，它能反映出出行用户对于费率大小的敏感度， 但由于避开了交通配流和道路网络结构的复杂性，因而对于整个路网系统而言它并不能做出正确的 评估，以致缺乏了应有的效力，这种考虑下的收费称之为时变收费，时变收费属于动态收费的一种， 是不完全动态收费；三是将时间维和空间维结合起来进行全面的考虑，对于路网结构和交通配流进 行综合的分析，使系统运作效率最优化，这种考虑下的收费称之为动态收费。 本章将对以往一些与交通拥挤和收费有关的模型进行系统的回顾和分析，分门别类，大致都可 归入到上述三种情况之中，由于交通拥挤收费静态模型和动态模型一般都是建立在交通网络均衡模 型的基础之上，因而在对其进行论述之前，有必要对路网均衡模型做一个基本介绍。 2 1 交通网络均衡模型 集合r 表示道路网络中的所有0 一d 对，r = l ，2 。，芦 ，尺中的每一个对象域，- 表示网络中 的某一个0 - - d 对，r r 。如果把出行者对于所有0 - - d 对之间每一路径的选择视为一个战略f ，s 表示所有0 - - d 对之间的战略集合。则有s = l ，2 ，。f ，s 7 表示0 - - d 对，之间的战略集合， s = us 7 且s s ，刀表示所有0 - - d 对的战略总数，刀7 表示。一d 对厂之间的战略数，刀= ：疗7 。 r e r 怎 x 是选择战略f ( f s ) 的出行者数，向量肘表示所有o d 对之间的出行总量， m= ( 朋1 ，m 2 ，m 7 ) ，m 7 表示0 - - d 对，之间的出行量，显然一个典型的战略分布可以表示成：工x 。 同济大学一申请硕士学位论文 7 城市交通拥挤收费问题的研究第二章交通拥挤收费定价模型的回顾 = x 群：葺= m 。 f e s 有限集矽。甚谚包括所有。一d 对之间可能的路径，每一个战略f ( i s ) 对应一个完整的路 径谚( 谚) ，让p ( 伊) = ( i s ：伊谚) 表示包含路段9 的路径集。 表示路段9 的交通容量，材p o ) 表示路段9 上的交通流量，有： ( x ) = _ ( 2 1 ) ，e p ( 矿) 路段成本函数c 口作为道路出行者总量的函数，反映了道路上的延误，因为一些街道比其他道 路更易于产生延误，所以不同的路段有着不同的成本函数，使用路径的总延误由路径上所有道路的 延误总和来决定，所以有： c ( x ) = q ( ( x ) ) ( 2 2 ) 事崎 因为m 7 表示o d 对r ( r 胄) 之间的需求交通量，在固定需求情况下，无论网络条件如何， m 7 是一个常数，在弹性需求下。0 一d 对间的流量总会受到道路交通服务水平的影响，假定o d 对，之间的需求交通量m 7 是0 - - d 对，间出行成本的函数，有： m ，- d ，( 从) - ，r( 2 3 ) 这里所是o - - d 对，r 之间路径的最小出行时间，4 ( ) 是0 - - d 对，( ，r ) 之间的需求 函数，其反函数为仇。( ) ，一般来说，d ，( ) 是关于o - - d 对，之间最短路径以的正的、连续可 微和严格递减的函数。 2 1 _ l 用户决策均衡模型( t h ed e t e r m i n i s t i cu s e r 童“i l i b r i 恤m o d e l ) 如果所有路网用户对于路网交通状况有着完全和准确的信息，并试图使得他们的个人出行时间 最小化，对于连接程度高的路网而言，即使所有路段的拥挤不断升高，在经过一段时间后，交通流 量分布也会趋于稳定，这就是有名的用户决策均衡，相关的原理就是w a r d r o p 第一原理。 w a r d r o p 第一原理的叙述如下： 在道路网的利用者都知道网络的状态并试图选择最短路径时，网络会达到这样一种均衡状态， 每对o - - d 点之间各条被利用的路径走行时间都相等而且是最小的走行时间，而没有利用路径的 走行时间都大于或等于这个最小的走行时间。 满足w a r d r o p 原理的道路网交通均衡，也即d u e 条件下的交通流分配实际上是交通出行者之间 同济大学一申请硕士学位论文8 城市交通拥挤收费问题的研究 第二章交通拥挤收费定价模型的回顾 的一个纳什均衡，在这个纳什均衡条件下，没有人能够通过单方面的路径改变来减少出行时间。下 面将对固定需求和弹性需求下的d u e 模型分别进行简单描述，详情请参( x i a o n i n gz h a n g ，2 0 0 3 ) 1 固定需求的用户决策均筏模型( t h ef i x e d - d e m a n dd u ej t o d e l ) 在固定需求网络条件下，假定每一0 一d 对，的需求量伪7 是一常量，每一路段的出行成本函数 c ，对于自身流量甜是非负、连续可微和严格递增的，有q ( “) 1 0 ，c ；( “) o ，那么d u e 条件下的 路段流量分布可以通过下列模型进行求解： 目标函数： 约束条件： 哑n 荟r q ( x 冲 ( x ) = 薯 ，e p ( ，) yx 。= 朋7 一 o j e s 7 毛0 ， 根据已知假设，必有下列条件成立： ，尺 f s 而( c ，( 工) 一，) = 0 i s 7 ，r c ，( x ) 一所0 i s 7 ，月 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 变量，是与方程( 2 6 ) 有关的拉各朗日乘数，其物理意义表示0 - - d 对，之间的最小出行成本。 显然，由上述条件，可以用数学方式对w a t 第一原理进行如下阐述： jp 旧曼伍? d r ，o p i es t , ，r( 2 1 0 ) ! x ，= 0 = ，c ：( x ) 方程( 2 1 0 ) 表明均衡状态下，任意o - - d 对之间路径交通流的出行时间等于该均衡状态下0 一d 对之间最小的出行时间，而没有流量的路径，其上面的行驶时间必定大于最小出行时间。 这是一个凸规划问题，因为目标函数相对于路径流量是严格的凸函数，所以必定存在唯一解。 然而，目标函数相对于路径流量并不是严格凸函数，这意味着对于路径流量函数存在多个解，现在， 对于这一个问题存在多种解法，不过，最为常用的还是f r a n k - w o l f e 算法，详情参考( 刘灿齐，2 0 0 1 ) 2 弹性需求的甬户决策均餐模理( t h ee l a s t i c - d e m a n dd u eu o d e d 在更为一般的情况下，o - - d 对，( ，仨只) 的出行率脚7 并不是常数，而是道路服务水平的函 同济大学一申请硕士学位论文9 城市交通拥挤收费问题的研究第二章交通拥挤收费定价模型的回顾 数，有，= d ，( 所) ，更进一步的说，相对于所而言，d ，( ) 是一个非负、严格递减和连续可微 的函数。弹性需求下路段出行成本函数的假设与固定需求一样，因而，对于弹性需求条件，路网的 用户决策均衡下路段流量的分配可通过下述模型求解： 目标函数： 约束条件： 卿荟r q ( x ) 出一m rf 研1 ( x 汹 ( 工) = y 置2 肌7 一 f e r 毛0 ， ，r f s ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 根据已知假设，除了具备条件( 2 8 ) 一( 2 9 ) 以外，尚有下列条件成立： 肌7 ( ，一d f l ( 朋7 ) ) = 0 ， ，r( 2 1 5 ) 以一d _ 1 ( 肌7 ) 0 ， ，r( 2 1 6 ) 显然，上述条件意味着： 如训，2 _ 伽“，湖，r ( 2 - 【坍7 = 0 j 以d f l ( 肌7 ) 方程( 2 1 7 ) 表示如果o - - d 对之间的出行率为o ，意味着路径出行成本太高，以致无法吸引出 行 注意到目标函数也是严格的凸规划，意味着对于o - - d 出行率和路段流量存在唯一解。弹性需 求模型的算法与固定需求模型算法一样取得了重大进步，甚至一些应用在固定需求模型的算法也能 用来解决弹性需求的问题。除了简洁的凸规划组合方法，图论法也能有效的解决弹性需求问题，如 零成本溢流公式和过度需求公式，在这种情况下，通过对路网增加辅助节点和线段，可以把弹性需 求问题转化为固定需求问题。 均衡分配原理是w