交通拥堵收费的建模与仿真研究

交通拥堵收费的建模与仿真研究

随着我国经济的快速发展，我国汽车产量迅速增长，交通拥堵日益严重。近几年,我国一些大中型城市为解决城市交通拥堵问题,纷纷出台治堵方案。目前国内对于征收交通拥堵费来缓解城市交通拥堵的措施仍在拟定当中。交通拥堵收费即“拥堵费”,是指在对部分区域道路使用者收取的一定费用,其本质上是一种交通需求管理的经济手段,即利用价格杠杆来限制城市道路高峰期的车流密度,提高整个城市交通的运营效率。国外部分城市如新加坡、伦敦、纽约、首尔等城市已开征交通拥堵费,并取得了缓解交通拥堵、提升公共交通质量的实施效果。然而,我国社会各界对于征收交通拥堵费的方案仍存在争议。一些学者认为,收取拥堵费是可以有效缓解交通拥堵。部分民众则质疑拥堵费对城市交通的调节能力,并认为会影响到民众的福利。针对上述意见分歧,有必要对该政策进行模拟分析研究。本文将通过分析城市不同群体的出行特征来仿真研究征收交通拥堵费的影响。一、—征收交通拥堵费的理论及实践近年来,我国城市经济快速发展,城市道路、公共交通等城市基础设施建设也突飞猛进。城市化进程的加快一方面使得城市人口不断增加,另一方面也导致城市居民收入增加,城市汽车保有量也快速上升。以北京市为例,北京市2008年汽车保有量为350.4万辆,2012年达到520万辆,增长了近170万辆。考虑到北京的购车摇号政策,若没有政策调控,则2012年北京的汽车保有量会比520万辆有大幅增加。城市汽车保有量的快速上升,既导致我国不少城市路面交通的拥堵,也对城市空气治理构成了挑战。我国北京、上海、广州等一二线城市的早晚高峰堵车成为常态,城市生活的机会成本上升,影响了居民工作效率和生活幸福感。从理论上看,征收交通拥堵费将提升自驾车出行的交通成本,在公共交通发达的情况下可以引导城市居民选择公共交通出行,既可以减少路面拥堵,节约社会成本,又能够提升公共交通的运营效率。事实上,国外不少城市已有征收交通拥堵费的实践,新加坡、英国、美国等国家都相继在主要城市开征了拥堵费。伦敦征收拥堵费后,每天进入伦敦市中心的小汽车减少20%-30%,公交车提速25%,其成效显著。当前国外征收拥堵费的城市及其实施情况可见表1。当前,我国北京、上海、天津等城市也在研究交通拥堵收费问题,试图减轻城市交通拥堵状况。但征收交通拥堵费是否有效缓解交通拥堵情况,提升公共交通运营效率,本文在理论和实践的基础上,试图通过仿真分析,科学评价拥堵管理政策的实施效益。二、模拟分析对交通费用政策实施效果的影响(一)各群体出步量及单次出行方式的影响因素按复杂性科学的观点,交通拥堵定价作为一种交通需求管理政策,从宏观层面对交通资源的使用者———私家车直接产生影响。这种影响会对收入不同、性格不同、文化背景不同、时间价值不同等的各个群体产生不同的效应。不同的出行者收入状况决定了其不同的出行方式,道路资源、收费路口的分布以及收费路口的数量等情况会对出行者路径选择产生较大的影响。因此,多因素多主体的互动便呈现出不同的路网状况,各个个体和子系统在追求自身的优化的同时,不可避免地与其他个体、系统与环境相互作用与影响。1.不同类型的出步性比较——出行者时间价值的含义。对于出行者来说,在路途所花费的时间存在价值。首先,出行者在路途或者交通拥堵中“堵塞”所占用的时间,其价值相当于其同样的时间直接或间接参与劳动所能形成、创造的价值,是一种机会成本。其次,出行者的时间价值还与其消费偏好、对舒适性的要求、路途长久的承受能力、经济的承受能力等价值取向有关。不同类型的出行者的时间价值不同,相同的出行者在不同的条件下的时间价值也会发生变化。——收入水平对时间价值的影响。出行者收入水平不同,时间价值有较大差异。高收者对单位节约道路上的时间价值的评价明显超过低收入者。因此,出行者收入越高,时间价值越高。出行者的收入水平在很大程度上决定了其对出行方式选择的范围。一般而言,收入水平较低者不会选择服务质量高、费用高而难以承受的路线;收入水平较高者,在其承受能力范围内会选择省时、便利、舒适性和服务水平都很高的路线;在出行者的承受能力范围内,无论高低收入者都不会选择便利性和服务水平都很差的路线。———收费费率对出行者行为的影响。收费费率对出行者行为的影响主要表现在以下两个方面:一方面,高收入者对于拥堵费率最为不敏感,中等收入者对于拥堵费率较为敏感,而相对低收入者可能对拥堵费率特别敏感;另一方面,如果路网中存在着多条可替代路线,那么收费道路上的交通量对收费标准有较大的弹性,如果与收费道路平行或可替代的道路服务水平改善,通行能力增强,则会有更多的道路使用者选择可替代路线。2.仿真的基本过程是相同的时间价值取向,主要包括同理念从单一到多元本文将驾驶者与车辆在仿真系统中抽象为独立的Agent,其它辅助信息如道路收费站点也抽象为Agent,仿真过程由Agent之间的交流协作、Agent对道路拥堵收费的互动完成。车辆Agent特征体现如表2所示。———模型假设。假设出行者都是理性的,都是基于自身的时间价值来判断拥堵收费的大小并权衡是否绕行,在此基础上,本模型有如下几点假设:(1)收入相对较低者即Car-3、Car-2类Agent在拥堵费较高时可选乘坐公交或延缓出行;(2)高等收入者Car-1类Agent因其对驾车出行具有刚性需求而始终驾车出行;(3)同一类出行者Agent具有相同的时间价值范围;(4)出行者Agent可及时得到相关路况信息;(5)出行者绕行后不再返回到主交通道路;(6)设定不同收入水平的出行者Agent比例,其随机地分布在所有Agent中;(7)不考虑信号灯、公共交通、交通事故、超车等情况发生;———道路环境假定。本文假定车辆Agent在路网的初始端产生并服从泊松分布。车辆Agent产生所遵循的模型如下:其中,tn表示第n辆车进入路网的时刻,λ表示车辆的到达率,rn表示(0,1)上服从均匀分布的随机数。各类不同时间价值的车辆Agent随机产生。本文仿真设置三条通往目的地的道路R1、R2、R3,R2是最便捷的主干道,R2和R3是可选择的替代道路,其中R1为最不便捷道路(没有特殊情况,agent不选择该道路)。道路左侧为出发地,右侧为目的地。系统的环境边界设置为:(1)charge为初始收取的拥堵费;(2)通过Ri到达终点的初始平均时间Ti(i=1,2,3);(3)Ri上路网容量为Ki(i=1,2,3);(4)常量TB为乘坐公交到达目的地的时间;(5)Agent只在道路上占用道路资源。———Agent的分类及其属性。首先,将出行者Agent按照收入水平分类,具体如表3所示。当出行者愿意为私家车出行节约的时间△t支付费用△c,那么该出行者的私家车出行时间价值(VT)可以表示为:VT=△c/△t。系统自动为每个Agent生成ID编号。仿真模型中,初始可接受拥堵费因Agent不同的收入级别和时间价值在一定的范围内随机产生。公交系统系数作为Agent在多大概率上放弃私家车的出行改为公共交通方式取决于Agent的类型。———收费区域的事件描述。当出行者Agent遇到交通拥堵收费区域时,Agent面临不同的选择。出行者Agent根据自身时间价值与可接受的拥堵收费水平选择是缴费通过还是改乘公交亦或转向其他道路。当到到达目的地后,到达目的地之后事件结束。———Agent的行为规则。Agent判断进入、不进入亦或退出拥堵收费区的决策函数分为两种,按照先后顺序依次为:(1)第一种函数———是否缴费通过函数:I=1,2,3;j=A,B,C为收费点。当H(xi)、H(yi)、H(zi)的函数值为正数时,出行者Agent选择缴费通过,否则不缴费换其他线路或改乘公交。第二种函数———时间与交通流量函数:Y=t+a·f(x),其中,f(x)是拥堵程度的体现,代表道路上的交通流量,t代表道路的最快通行时间,a是交通拥堵程度的系数,由于时间价值的不同,故a的大小表示Agent对于交通拥堵的忍耐程度,a越大,对交通拥堵的忍耐力越小,VT的值越大,反之亦然。(二)不同银行间费用转移比率仿真本仿真模型根据设定不同的收费费率,不同类型的车辆Agent对于不同费率的转移比率、路网总流量的变化情况采用Starlogo-TNG软件进行仿真并对仿真结果做分析。文中假设收取的费用以10单位为基数并以此进行仿真。1.车辆的转移比率c假设收取的费用以10单位为基数并以此进行仿真,分别收取0、1、2、3、4倍基数的拥堵费时交通量转移量逐渐上升,仿真结果显示,收取交通拥堵费能够促进主干道上车辆的转移,car-1、car-2、car-3的转移比率不同,转移比率随着三种Agent的时间价值的不同而增加。当分别收取2、3、4倍基数的拥堵费后,间接增加了道路R2的时间成本,车辆随着交通拥堵费的增收而转向R1、R3道路,并在R1、R3道路中选择时间价值成本最低的一条道路。同时,递增的拥堵费收取引起了对不同阶层的Agent的可转移比率的提升。收取较低拥堵费就可使低收入群体产生较高的车辆转移率,而要对高收入群体产生同样的车辆转移率则需要收取更高的拥堵费。2.实际交通拥堵费的影响仿真模型分析了非高峰时段、高峰时段收取0、1、2、3、4、5、6倍基数拥堵费的路网流量。仿真结果显示:在非高峰时段,不征收拥堵费时,主道路上的资源被占用率较高。R2路网密度一直在20%-60%之内的较高的水平波动,平均路网密度达49%,而R3路网密度在0%-16%的水平。收取交通拥堵费能起到缓解R2拥堵的作用。当收取2、3倍基数拥堵费时,随着拥堵费的增加,R2路网密度明显提升,R3路网密度明显降低;收取3倍基数拥堵费时,R2、R3道路交通路网密度趋近;当收取4倍基数拥堵费时,有部分的车辆被转移到R1道路上。在高峰时段,不收取交通拥堵费时,由于R2道路到目的地最为便捷,道路路网流量达到80%以上,R1、R3路网密度均在20%、40%以下。当收取1、2、3、4、5、6倍基数拥堵费时,随着拥堵费的增加,R2道路上车流量逐渐降低,R1、R3道路密度逐渐增加;当收取4倍基数拥堵费时,R1、R2、R3的平均路网密度较均匀,R1、R2、R3的路网密度分别为37%、47%、57%;当收取5倍基数以上的拥堵费时,部分car-2、car-3车辆Agent不能接受较高的拥堵费,而R1、R2、R3路网密度均有较小的改善。三、征收交通拥堵费是一项特殊的交通路网本文从理论上及国外经验借鉴上论证了征收交通拥堵费的必要性。通过仿真建模,本文从复杂自适应系统的角度分析了不同交通拥堵费情况下的交通路网的整体状况及不同收入群体的车辆转移情况。研究发现:(1)征收交通拥堵费具有一定的必要性;(2)不同收入群体在征收交通拥堵费的情况下具有不同的车辆转移率;(3)收取适当比例的交通拥堵费能够使得不同时段的路网流量更加合理。基于上述研究结论,本文提出如下收取交通拥堵费的建议:转移比率是指不能承受拥堵费而转移到其他道路上的车辆比率。1.交通拥堵费调节出行者会根据衡量自身可接受的拥堵收费水平以及不同道路的路况情况,理智地选择最合适的道路。因此,交通拥堵费作为交通流量的“调节器”,能够调节整个交通路网的路网流量。考虑到收取拥堵费的边际效应递降,因此,在制定权衡收取拥堵费费率时,需综合考虑路网资源的利用情况、收费主道路上的最低可接受路网密度的大小,使得制定的拥堵费费率能调节路网密度,使路网资源的利用状况达到较均衡状态。2.非高峰时段的缓堵效果分析从仿真结果可知,在不同时段收取拥堵费的效用也不相同,在非高峰时