（交通运输规划与管理专业论文）基于平衡配流的城市交通拥挤收费费率研究.pdf

中文摘要 摘要：随着城市交通需求和机动车保有量的不断增加，城市交通的供需矛盾日益 突出，交通拥挤现象也越来越严重。仅仅用扩大交通供给的方法已经无法有效解 决城市交通拥挤问题，因此交通拥挤条件下的交通需求管理方式越来越受到关注。 城市交通拥挤收费作为交通需求管理的一项重要措施，已经成为一个研究的热点。 本文通过对拥挤收费费率影响因素分析，着重研究了小汽车和公交车两种交通方 式并存条件下的平衡交通流的拥挤收费问题。 论文首先综述了城市交通拥挤收费的理论，利用交通工程学理论阐述了交通 拥挤收费的基本原理。在此基础上分析了拥挤收费的本质，探讨了拥挤收费技术 的可行性，并通过对不同交通方式的时空消耗作比较分析，对不同交通方式的出 行优势距离进行了分析，研究了交通拥挤收费对象确定原理。同时还对交通拥挤 收费进行了类型分析。这些都为后面的交通拥挤收费费率的研究奠定了基础。 通过借鉴已有的交通流分配模型的成果，本文系统考虑了拥挤收费对出行方 式选择行为的影响，将l o g i t 模型引入拥挤收费理论，着重对多种交通方式并 存条件下的平衡交通流的拥挤收费问题进行了研究，在确定广义费用函数的基础 上研究了收费费率确定方法。在运用平衡配流理论进行研究的基础上提出了混合 交通下路径选择、方式选择和拥挤收费的组合模型。 可以证明收费费率模型的等价性，即证明模型的解既能使出行需求量在交通 工具之间的分担比例满足l o g i t 模型，又能使车流的路径选择行为各自满足 w a r d r o p 用户平衡原理。最后给出模型的算法，并通过算例分析拥挤收费的费率对 交通产生的影响。 关键词：交通拥挤收费；网络平衡；广义费用函数；收费费率；l o g i t 模型；方 式划分 分类号：u 4 9 1 a bs t r a c t a b s t r a c t ：f o rs e v e r a ld e c a d e s g r o w t ho ft r a f f i cv o l u m e sa n dt h em o t o rv e h i c l e si n u r b a nt r a f f i c ，t h er e s u l th a sb e e nar e l e n t l e s si n c r e a s ei nt r a f f i cc o n g e s t i o n i tc o u l dn o t s o l v et h ep r o b l e mo n l yt h r o u g he x p a n d i n gc a p a c i t yb yb u i l d i n gn e wr o a d so ru p g r a d i n g e x i s t i n go n e s t r a f f i cd e m a n dm a n a g e m e n ti st h e r e f o r em o r ea n dm o r ea t t e n t i o n u r b a n c o n g e s t i o nc h a r g i n ga sat r a f f i cd e m a n dm a n a g e m e n tm e a s u r e s ，a reb e i n gm o r ea n d m o r ec o n c e r n e d i nt h i sp a p e r , t h ei m p a c to fc o n g e s t i o nc h a r g i n gr a t eo ff a c t o ra n a l y s i s ， f o c u s i n go nt h ec o e x i s t e n c eo fav a r i e t yo fm o d e so ft r a n s p o r tu n d e rt h ec o n d i t i o n so f t h eb a l a n c eo ft r a f f i cf l o wc o n g e s t i o nc h a r g e sw e r es t u d i e d t h i sp a p e rf i r s ts u m m a r i z e st h et h e o r yo fc o n g e s t i o np r i c i n g , a n dt h e ni n t r o d u c e s s o m ee s s e n t i a lm i c r o e c o n o m i ct h e o r y , a n a l y z e se c o n o m i cc h a r a c t e r i s t i co fr o a d s t h e p r i n c i p l ea n de s s e n c eo fc o n g e s t i o np r i c i n gi si l l u s t r a t e d t h i sp a p e rt h e na n a l y z e st h e n a t u r eo fc o n g e s t i o np r i c i n g , t oe x p l o r et h et e c h n i c a lf e a s i b i l i t yo fc o n g e s t i o np r i c i n g s p a c et i m ec o n s u m eo fd i f f e r e n tt r i p m a n n e r sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d a n d c o n g e s t i o np r i c i n go b j e c t sa r ea s c e r t a i n e d a tt h es a m et i m ea l s ot h et y p eo ft r a f f i c c o n g e s t i o nc h a r g e si sa n a l y z e d t h ec h a p t e rf o rt h ec o n g e s t i o nc h a r g er a t e sl a i dt h e f o u n d a t i o nf o rt h es t u d y b a s e do nt h ef o r m e rr e s u l to ft h i sr e s e a r c h ，t h ee f f e c to fc o n g e s t i o np r i c i n gt ot r i p c h o i c eh a sb e e nc o n s i d e r e d l o g i tm o d e li si n t r o d u c e di nc o n g e s t i o np r i c i n gt h e o r y ， f o c u s i n go nt h ec o e x i s t e n c eo fav a r i e t yo fm o d e so ft r a n s p o r tu n d e rt h ec o n d i t i o n so f m i x e dt r a f f i cb a l a n c et h ei s s u eo fc o n g e s t i o np r i c i n gh a v eb e e ns t u d i e d t h eg e n e r a l i z e d c o s t sf u n c t i o ni nd e t e r m i n i n gt h eb a s i so fr e s e a r c hm e t h o d st od e t e r m i n et h ef e er a t e s t h i sa r t i c l ei st h ei s s u eo fr o a dp r i c i n go nc o n g e s t i o ns t u d yw i t ht h eu s eo fb a l a n c e t h e o r yt os t u d yt h ep a t hs e l e c t i o nu n d e rm i x e dt r a f f i c ，t h ew a yt h es e l e c t i o na n d c o m b i n a t i o no fc o n g e s t i o np r i c i n gm o d e l i nt h ee n d ，t h ec a l c u l a t i o n so ft h em o d e lo na s i m p l et e s t i n gn e t w o r ka r ec a r r i e do u t a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e rp r o v e dt h ee q u i v a l e n c eo ft h er a t em o d e l ，w h i c hi s p r o o fo ft h es o l u t i o n ，w i l lb ea c c e p t a b l et om o d e lt r a v e ld e m a n di nt h et r a n s p o f l b e t w e e nt h es h a r et om e e tt h el o g i tm o d e l ，a n dc a nc h o o s et h ep a t ho ft r a f f i ct om e e t t h e i rw a r d r o pu s e rb e h a v i o rb a l a n c ep r i n c i p l e f i n a l l y , t h em o d e la l g o r i t h mi sg i v e n a n e x a m p l ei sg i v e nt oa n a l y z et h et r a f f i ci m p a c to f r a t eo fc o n g e s t i o np r i c i n g k e y w o r d s ：t r a f f i cc o n g e s t i o np r i c i n g ；n e t w o r ke q u i l i b r i u m ；g e n e r a l i z e dc o s t f u n c t i o n ；f e er a t e s ；l o g i tm o d e l ；m o d es p l i t c l a s s n 0 ：u 4 9 1 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：愈岛哥 签字日期： 。7 年占月日 翩虢劣撕伫 签字日期：7 年6 月功捆 | 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：飨j 蓼甘 签字日期： 劫。7 年月二2 ，日 4 9 致谢 本论文的工作是在导师张星臣教授的悉心指导下完成的，在此衷心感谢导师 张星臣教授对我的悉心指导。导师渊博的理论知识严谨的治学态度正直的处世原 则以及谦逊的学者风范，使我受益匪浅。导师对事业孜孜不倦的执着追求更使我 认识到科学之路的永无止境。导师教会我的不仅仅是做学问的方法，他还以自身 的一言一行教会了我做人的道理。他那求实务实的人生态度，对于我将来不管是 做学问还是待人处事都有莫大的益处。 两年的研究生学习期间，徐彬老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作， 在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向徐彬老师表示衷心的谢 意。 整个学业和论文期间，王伶俐、陈旭、赵虎、高国飞、李双、郑亚晶等同学 给予了我无私的帮助，在此表示衷心的感谢。和他们在一起共同学习生活的日子 充满了欢乐和感动，它将成为我人生中一段美好的回忆。 序 城市交通拥挤收费本身是一个备受争议的话题，其中的拥挤收费的费率制定 更加是受到争议，也是最难实施的。但是拥挤收费措施作为一项城市交通需求管 理的重要措施，确实能够对交通产生很大的影响。 目前交通拥挤是世界上很多大中型城市普遍面临的问题。交通拥挤导致居民 出行不便、交通事故增加、环境污染加剧、能源消耗增加，使城市整体运行效率 降低，阻碍城市的健康发展。缓解城市交通拥挤已经成为全世界交通科技工作者 和经济学家、社会学家共同关注的问题。 造成交通拥挤的根本原因是城市交通供求不平衡。但是缓解交通拥挤的实践 使人们认识到光靠修更多的道路，并不能从根本上、解决交通问题，道路建设无 法满足日益增长的交通需求。解决交通拥挤是一个系统工程，可以通过行政手段、 规划手段、经济手段、法律手段以及教育手段，而交通拥挤收费就是其中的一种 手段。国外已经有城市开始实施拥挤收费政策，但是针对中国的国情，拥挤收费 能不能够实施还有待民意的调查，还需要考虑社会的方方面面。 这几年生活在北京，切实体会到大城市交通拥挤问题的严重性，因此希望能 够通过交通需求管理来更好的解决城市交通拥挤问题。通过对国内外文献的查阅， 本文选定交通拥挤收费作相关的研究。交通拥挤收费在国内尚未实施，但是作为 一项有效地交通管理措施，已经在国外实施并且很好的缓解城市中心地区的交通 拥挤状况。城市交通拥挤收费给了我很大的启发，也引起了我极大的兴趣和热情， 并最终使我以拥挤收费这一新技术理论与实践为毕业论文题材。 1 1研究背景 1 绪论 交通拥挤是目前世界上多数大中城市普遍面临的问题。城市交通拥挤问题导 致居民出行不便、交通事故多发、环境污染加剧、能源消耗增加，使城市整体运 行效率降低，阻碍城市健康快速发展。 目前解决城市交通拥挤问题主要从增加交通供给和抑制交通需求两方面考 虑。各国政府为解决拥挤问题不断加大对道路等基础设施建设的投入，企图从加 强交通供给这一点出发来解决供求矛盾。然而近些年以来世界各国缓解交通拥挤 的实践使人们认识到，光靠修更多的道路，并不能从根本上解决交通问题，道路 建设无法满足日益增长的交通需求。针对这一现象，在1 9 6 2 年，美国著名的交通 管理工程师安东尼唐斯就提出了著名的“唐斯定律 ：新建道路最初固然降低了 出行时耗，但同时也诱发交通和转移交通需求，也就是说越修路越会发展交通的 欲望，因此单纯增加道路只会使交通拥挤现象变得更为严重。例如，美国拿国土 总面积2 的土地铺设公路，各城市将近一半的空间用于停车，而每年因交通拥挤 减少约1 6 8 0 亿美元的生产总值，超出自然灾害带来的损失。再如，法国曾大量建 设环城立交、高速公路、快车道和各类停车场，结果在巴黎有限的城区里，每年 进出车辆达3 0 0 万辆，交通拥挤造成的损失每年超过7 0 0 0 万个工作小时n 1 。 近年来“唐斯定律在中国也很明显地表现出来。为了改善日趋拥挤的交通 状况，各城市对道路基础设施建设投入了巨大的资源。但是城市道路的建设始终 跟不上车辆的发展，一段时间缓解的交通状况又开始恶化，许多城市特别是大城 市的交通拥挤仍然十分严重。例如，北京市修建了一环又一环的公路；上海市扩 建了两条主干道以及建造了高速磁悬浮列车线。由于“唐斯定律 的存在，这些 措施并未收到预期的效果。类似问题在中国其他大城市也不同程度地存在。显然， 现有的解决方案缺乏对交通所涉及的经济学以及税费政策层面的思考。解决城市 的交通拥挤现象，必须要有一种从减少对道路需求方面入手的新思路。因此，基于 需求管理的交通拥挤收费开始被采纳。 交通需求管理的内容包括实施时差出勤等，在时间上分散交通需求；开展智 能交通系统( i t s ) 的开发和研究，向驾驶员提供道路交通情报，促使交通需求在 空间上分散化；通过提高公交服务水平，促进人们利用大运量、高效的公共交通 导入拥挤道路使用收费政策，限制私人小汽车交通，促使用户转向公交系统；开 辟高占有率车( h o v ) 优先行驶的车道，推进多人合乘；停车管理等等幢1 。 在诸多交通需求管理的措施中，城市道路拥挤收费可以直接而有弹性的管理 交通需求。拥挤收费的具体描述为在一定的交通供给规模下，通过对行驶于拥挤 的道路或高峰时段的车辆征收的一项额外费用，利用价格机制的作用控制交通需 求总量，降低路段交通量饱和度，削减不合理的交通需求，以从空间和时间上来 疏散交通量，减少繁忙时段和繁忙路段的交通负荷口1 。同时，促使交通量向高容量 的交通系统( 主要是指公共交通系统) 转移、抑制私人小汽车交通量的增加、促 进小汽车的有效利用、推进多人合乘的实施，实现道路的最有效使用，使得交通 需求与当前的交通供给相适应，保证城市交通系统有效运行，让客货出行迅速、 安全的到达目的地，最终达到缓解交通拥挤，改善城市生态环境和居民生活环境 质量的目的h 1 。 经过长时间的研究与宣传，拥挤收费逐步得到重视与应用，新加坡、挪威、英 国、美国等国家部分城市已实施拥挤收费。我国一些大城市已经将道路拥挤收费 提上议程。之所以没有付诸于实施，是因为其相关政策及配套措施仍不完善，且 拥挤定价模型及技术手段仍不成熟。因此，深入研究城市道路拥挤收费的费率及 其影响，在理论上和实践上都有一定的意义。 1 2国内外研究现状 1 2 1国外研究状况 拥挤收费理论首先是由英国经济学家p i g o ua c 畸1 和k n i g h te h t e l 在2 0 世纪 2 0 年代提出，之后几乎没有发展。直到2 0 世纪6 0 年代，随着私人机动车在发达 的资本主义国家普及，产生严重的交通拥挤问题，急需利用经济学的理论缓解交 通阻塞问题，英国道路研究所的交通理论家s m e e d ，w a i t e r s 和s h a r p 等在p i g o u 和k n i g h t 的基础上对该理论进一步扩张展，拥挤收费理论逐渐成为交通经济学的 重要研究分支。 关于拥挤收费理论方面的文献很多，主要分为两个方面：第一最优拥挤收费 理论和第二最优拥挤收费理论口1 。第一最优收费理论认为拥挤收费的目标在于最大 化社会效益，采用系统最优的方法来分析收费的影响。主要模型是w a l t e r s 的边际 成本静态模型和v i c k e r y 的动态瓶颈模型。最初的拥挤收费研究都是围绕最优收费 理论进行的，即严格按照边际成本定价原理对每条道路都实施收费。而实际中由 于受到技术、政治、经济等因素制约，对每条道路都实施收费往往是不现实的。 因此，次优收费思想应运而生。次优收费是指仅对部分路段或路径收费来实现系 2 统优化的目标。j a n e t 等学者认为在详细路网的约束下，计算交通拥挤的近似真实 最优价格是一个次优定价问题，应当用两层规划方法构造决策支持系统来解决口1 。 第二最优收费理论主要是通过对道路网中发生拥挤的个别道路进行收费，采用不 同收费费率来影响道路使用者的出行时间和路径选择方式，使道路网上的交通流 重新分布并达到均衡。近年来，众多学者对其进行了改进和扩展，例如在动态模 型中考虑弹性需求；在一般的路网结构中研究动态收费等情形。 交通分配和道路收费分属于宏观和微观两个不同的领域，人们很少注意两者 关系的重要性。它们作为两个彼此独立的交通工程问题己经被分别研究，在各自 的轨道上向前发展。而在智能化运输系统被提出和接受之后，人们开始以一个新 的角度看待交通分配和道路收费的组合问题。y a n g 和l a n g 提出了一个求解并非所 有网络的路段都能收费的这类问题的最优收费算法馏1 。m a y 和m il n e 考虑了剑桥网 络的各种收费方案，包括基于时间、基于距离、基于拥挤的收费阳1 。l i 研究了应 用于新加坡道路收费系统拥挤收费的实践问题n 们。这些交通模型均是基于静态交 通均衡分配模型。 基于拥挤收费理论，一些国家率先开始拥挤收费的实践探索。然而，因为交 通拥挤收费涉及面广，牵涉到各方利益的调整，各种不利影响也不能事先完全预 测，所以除了新加坡在1 9 7 0 年代大规模实施外，其余各国城市都采取了非常审慎 的态度。目前，除新加坡外，英国伦敦、挪威特隆赫姆、加拿大多伦多等城市已 不同程度在部分区域或部分道路上采取交通拥挤收费，调节交通需求。其中尤以 2 0 0 3 年英国伦敦实施的城市交通拥挤收费影响最大，首次成功实现了在国际大都 市通过拥挤收费缓解交通拥挤状况。伦敦拥挤收费所获得的宝贵经验和出现的相 关问题，引起了世界范围内的瞩目。 在此，以新加坡和伦敦这两个在实施交通拥挤收费方面最具国际影响力的城 市为例进行分析研究，便于我国城市在今后的交通拥挤管理中有所对比参考。 1 新加坡拥挤收费的实施 1 9 7 0 年代初，新加坡人均g d p 突破1 0 0 0 美元年，人口达到2 0 0 多万人，社 会经济持续保持快速发展势头。随着城市规模迅速扩大，机动化需求不断增加， 公交系统既慢又不可靠，政府首先采取了各种措施改善公交服务，但仍无法抑制 私人小汽车快速增长，于是一种限制道路需求的、基于区域通行证的交通拥挤收 费系统1 9 7 5 年被用来抑制城市交通拥挤趋势。当局在城市中心设置了6 k r n 2 收费 区，早高峰2 小时除了公交车、高载客小汽车h g v 外，车辆进入收费区必须出示 购买的通行证。9 0 年代随着新加坡电子科技的进步，从1 9 9 8 年开始使用电子道 路收费系统( e l 心) 替换区域通行证a l s 。 1 9 7 0 年代新加坡拥挤收费实施效果非常明显。高峰小时进入收费区交通量立 3 即下降了4 5 ( 其中7 0 以上为单独驾车) ，平均车速从1 8 公里小时增加到3 5 公里小时，通过公交车上班的出行增加了近5 0 ，达到上班总出行的4 6 。汽车 合乘比例也大大提高。 2 伦敦拥挤收费的实施 早在上世纪六十年代伦敦就开始了拥挤收费政策研究，是世界上最早开展拥 挤收费研究的城市之一。上世纪九十年代中后期，伦敦市交通拥堵程度不断恶化， 拥堵几乎全天候发生，排队时间占旅行时间一半，行车速度低于1 5 公里小时。 政府和市民都普遍意识到需要采取新措施以减少交通拥堵。在这期间，伦敦市加 快了拥挤收费政策的研究进程，开展了多项拥挤收费研究。在实施拥挤收费之前， 伦敦市收集了大量的交通数据，交通数据主要包括道路交通、公共交通、车辆拥 有、交通拥挤、交通环境等情况，以分析实施拥挤收费政策的可行性，同时这些 数据也为日后进行拥挤收费政策的评价奠定了基础。通过调查研究，伦敦最终选 择了区域通行证的收费手段。 在市中心实行交通拥挤收费制度，规定每个工作日上午7 时到下午6 时半， 对驶入伦敦市中心( 约2 1 0 0 万平方米) 的每辆车征收5 镑( 约合人民币6 0 元) 的交通费。实施收费制度的第二天，伦敦共对2 4 万辆汽车征收了交通拥挤费，而 1 5 万一2 万的英国市民选择了绕道而行。伦敦市中心交通流量减少了大约2 0 ， 堵车时间下降4 0 左右，车行速度提高了3 0 。 1 2 2国内研究状况 我国的学者在交通拥挤收费方面的研究起步较晚，但是也取得了一定的研究 成果。从上世纪9 0 年代至今十几年的时间，在收费模型改进、社会福利分析和定 价方法确定方面取得了一些进展。其中以杨海和黄海军最具代表性。他们二人运 用最优控制理论对弹性需求下的瓶颈收费模型进行了研究；将边际收费原理推广 至一般网络，并在模型中考虑了路段通行能力的硬性约束，扩展了该理论的研究 范围；研究了搭车、h o v 专用线与收费的组合问题n 小切n 羽。晏克非研究了基于车 辆动态导航的拥挤定价问题。四兵锋、高自友的城市道路平衡配流理论则为城市 交通拥挤收费费率的确定做了基础性的分析n 4 1 。 目前国内关于拥堵收费的研究还仅仅处在理论阶段，国内还没有实施拥挤收 费的先例，但受国外城市的成功经验鼓舞，以及在城市交通拥挤压力日益增大的 情况下，部分特大城市( 例如上海、北京、深圳) 都先后对城市交通拥挤收费开 展了研究。但各地政府对待交通拥挤收费，总体上都采取“不急于实施、作为战 略储备措施加以研究的审慎态度。因为交通拥挤收费不仅会对交通量、交通现 4 状、城市公共交通、停车场等产生影响，同时它在社会福利、经济收入等方面也 会产生影响，对公众产生的影响也是巨大的，需要考虑各方面的因素。 1 3本文的研究意义和主要内容 1 3 1研究意义 交通拥挤收费是被城市交通管理部门和经济学家普遍看好的一项城市调控手 段，同时也是交通需求管理的重要内容。本研究在理论方面和实践方面都具有较 大的意义。在理论上，丰富了交通拥挤收费理论的相关研究，探讨了拥挤收费的 费率模型及其影响分析；实践上，本研究对调整交通结构，减少交通出行，实现 交通需求在时间和空间上的平衡方面有较大的实践意义。 1 3 2主要内容 本文研究的是城市交通拥挤收费费率，在充分分析和探讨现有理论和技术的 基础上，基于交通网络平衡理论，提出拥挤收费费率模型，重点研究方式选择和 交通分配组合模型。同时给出基于网络平衡分配的拥挤收费费率模型的具体算法， 然后通过算例进行分析。 论文各章节内容概括如下： 第1 章为绪论，阐述了本论文的研究背景、具体研究现状以及研究的意义。 第2 章综述了交通拥挤收费问题。首先引入城市交通拥挤收费的概念，简要 介绍了交通拥挤收费的经济学原理，分析了拥挤收费技术的可行性，并通过时空 消耗理论确定了交通拥挤收费对象和收费类型。 第3 章首先简单介绍了传统的道路收费费率测算方法，然后回顾了城市现有 的拥挤收费定价模型，并对城市交通网络平衡理论进行介绍。本章为建立平衡配 流的拥挤收费费率模型打下了理论基础。 第4 章是本文的研究重点。在分析影响拥挤收费费率因素的基础上，确定拥 挤收费下的不同交通方式出行者出行阻抗函数，考虑拥挤收费对用户出行方式选 择的影响，确定了收费条件下满足l o g i t 方式选择和用户最优的费率模型。 第5 章给出了模型的求解算法，并通过一个算例进行拥挤收费的影响分析。 第6 章是结论和展望，对本文的研究内容进行了总结，发现不足之处。并提 出文章进一步需要研究的内容。 论文的研究框架见图1 1 。 5 图1 1 论文的框架图 f i g 1 1f r a m eo ft h i sd i s s e r t a t i o n 6 2 城市交通拥挤收费问题综述 2 1城市道路拥挤收费含义 2 1 1交通拥挤的界定 交通拥挤是指某一时空由于交通需求和供给产生矛盾引起的交通滞留现象， 主要是道路交通设施所能提供的交通容量不能满足当前交通需求量，而又得不到 及时疏通的结果。 目前各国对于交通拥挤的具体定义和界定标准尚无统一定论。一般都是用延 误时间或是滞留车队长度来表示交通拥挤的状态。为了明确交通拥挤的定义，首 先对某交通系统随着外来交通量的加入，交通密度、行驶速度以及车流量之间的 相互作用如何变化这一过程作简要分析。如图2 1 所示，a b 为自由流区，随着外 界车辆不断加入该系统，交通量不断增加，当车辆之间行驶的空间越来越小时， 行驶的车辆不得不放慢速度，车流也就进入了b c 稳定流区。在b c 区内，随着外 界车辆的不断加入该系统，导致的结果仍然是交通量不断增加、交通密度不断增 大，车辆之间行驶的空间变得更加狭小，车流也进入了c d 非稳定流区，直至交通 流达到道路交通饱和容量：即以= q ，此时仍然允许外界车辆进入该交通系统， 在车速继续下降的同时，交通量非但不能够增加，而且出现下降，道路空间资源 使用效率随之降低。最后，随着交通拥挤的进一步加剧，整个交通系统处于停滞 状态，陷入瘫痪，交通量为零。 纷 v b v c v d q 流量( v e l 油) 图2 1 车速与流量关系图 f i g 2 1r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p e e da n df l o w 7 根据以上分析，可以得出d 点是交通需求等于交通供给的点。而从交通工程 学的角度来讲，道路交通密度达到一定程度后，行驶的车辆之间出现相互干扰， 从而造成车速下降，用户成本上升。所以可以认为交通拥挤在b 或c 点开始发生。 b 点是自由流区与稳定流区的分界点，c 点是稳定流区与非稳定流区的分界点，但 无论对于自由流、稳定流与非稳定流还只是限于特征的描述、缺乏量化的概念， 在实际的应用中b 点或c 点仍然是一个模糊的概念。 本文的交通拥挤收费就是基于b 点以后的拥挤状况下对道路实行拥挤收费。 在我国公安部与建设部共同颁布的2 0 0 3 年版“城市道路交通管理评价指标体 系 中，不同类型的城市主干道平均车速分级如表2 1 所示。 表2 1主干道平均车速评价标准( k i n h ) t a b 2 1t h ea v e r a g et r a v e l m gs p e e do fn l ee v a l u a t i o nc r i t e r i at r u n k 评价标准等级四五 特大型和a 类城市趁8 【2 5 2 8 )【2 2 ，2 5 )【1 9 ，2 2 )【0 ，1 9 ) b 类城市之3 l 【2 8 ，3 1 )【2 5 ，2 8 )【2 2 ，2 5 )【0 ，2 2 ) c 、d 类城市兰3 4 【3 1 ，3 4 )【2 8 ，3 1 )【2 5 ，2 8 )【0 , 2 5 ) 在该指标体系中，用城市主干道上机动车的平均行程速度来描述城市主干道 的交通拥挤程度，具体如表2 2 所示。 表2 2 交通拥挤程度判别表( k m h ) t a b 2 2d e t e r m i n en l ed e g r e eo ft r a f f i cc o n g e s t i o nt a b l e ( k m h ) 拥挤程度畅通轻度拥挤拥挤严重拥挤 机动车平均行程速度 3 0 2 0 ，3 0 ) 1 0 ，2 0 ) 0 ，1 0 ) 其中，主干道平均车速是指中心城区主干道上机动车的平均行程车速。行程 车速是指车辆通过某段道路的长度与通过该条道路所需的总时间之比( 包括中间 停车时间和延误时间) ，平均行程车速是出行车辆行程速度的算术平均值。 而在实际当中，驾驶员通常把车辆过多的道路，时走时停的驾驶条件及由于 机动性受到限制而造成的低效率和不舒适等情况都看作是交通拥挤。由于不同的 国家之间、同一国家不同城市之间、同一城市不同道路之间都有着比较大的差异， 因此，如何判定一个城市的交通是否出现拥挤，还应该依据交通工程学的基本原 理，结合城市自身的情况确定。 2 1 2城市道路拥挤收费的内涵 城市道路交通拥挤收费不同于传统意义上的道路收费，传统意义上的道路收 费在我国最初出现在2 0 世纪8 0 年代，收费地点主要集中在新建高速公路或桥梁 隧道等处，其收费目的主要是为了缓解公路建设资金的短缺问题，收取的费用大 部分用于偿还贷款本息；而城市道路拥挤收费是在城市交通严重拥挤的情况下， 通过对使用者收费来引导和调节交通需求，达到缓解交通拥挤的目的，增加财政 收入只是副产品。 城市道路交通拥挤收费是指对于在特定时段驶入特定路段的车辆实行收费， 促使出行者重新选择自己的出行行为，以此从时间和空间上来限制、调节城市道 路交通流量，减轻繁忙路段在繁忙时段的道路交通负荷，同时还将抑制私人小汽 车的使用，促使客流向高容量的公交系统转移，达到缓解交通拥挤的目的。机动 车使用者在高峰时段在高峰路段行驶时，通过支付额外的费用来抵消他所产生的 负外部效应n 副。 道路拥挤收费的目的是在一定的交通供给规模下，控制交通需求总量，削减 不合理的交通需求。通过对拥挤区域或拥挤路段征收一定的拥挤费用的手段，使 得交通需求在时间和空间上再分配，实现交通供给与交通需求在一定时间内的平 衡，保证城市交通系统有效运行，让客货出行迅速、安全得到达目的地，缓解城 市交通拥挤、改善城市生态环境和居民生活环境质量。 城市交通拥挤收费的最终目标是要实现交通需求与当前的交通供给相适应， 缓解交通拥挤。主要的目标是： ( 1 ) 减少交通源的产生 从交通源头开始，对交通需求进行全过程的主动控制是道路拥挤收费的一个 重要目标。交通需求在每次出行前都有一个出行选择过程，这一过程实际上也是 一次个人出行的成本效益分析过程。如果我们对某些交通拥挤路段或区域实行了 拥挤收费，那么就是提高了交通出行者进入该区域或路段的出行成本。人们在选 择进入该路段或区域时，就会重新考虑是否进行这次出行。 ( 2 ) 改变交通结构 同国外一些大城市相比较，我国目前的城市公共交通在客运交通中所占比例 过低。随着我国经济的发展，私人小汽车大大增长，如果不采取有效的措施改变 其在交通结构中的大幅度比例增长趋势，城市交通结构将会变得更加不合理。因 此改变交通需求者的出行交通方式，使更多的出行者选择公共交通，减少城市道 路时空消耗，应该成为交通拥挤收费的目标之一。 ( 3 ) 改变交通时间结构 城市交通在时间分布上呈现马鞍形状，即有一个早高峰和晚高峰组成。一般 通过高峰时段收费措施，促使弹性交通需求避开高峰时间，利用平峰时间出行， 9 从而达到“削峰填谷的目的，实现交通需求在时间上的平衡。 ( 4 ) 改变交通空间结构 城市交通网络纵横交错，从出发点到达目的地，路线往往有很多条，且有长 有短，人们在出行选择时往往选择近路，导致了交通热线的产生，也就出现了交 通热线经常性的拥挤和堵塞，近路往往欲速则不达。于是就存在交通空间调控的 可能性。通过对交通热线征收拥挤费，引导消费者选择交通冷线，可以使有限的 道路资源得到充分利用。 2 2交通拥挤收费经济学原理 根据经济学原理，当生产某种产品的所产生的边际效益大于生产他所需要的 边际成本时，进行扩大生产来增加产品的数量，对企业是有利的；当生产某种产 品的所产生的边际效益小于生产他所需要的边际成本时，压缩生产减少产品的数 量，对企业是有利的；当生产某种产品的所产生的边际效益等于生产他所需要的 边际成本时，可以产生最高的资源利用率和最大的社会经济效益，使得企业获利 最大或者损失最小，这时候的资源配置就达到了最优配置。此原理虽然主要是针 对企业所做的论述，但是它同样也可以用来分析交通拥挤产生的内在经济成因。 一般来说在交通拥挤较严重的交通系统中各用户的最优线路选择未必带来系 统的最好结果，这是因为用户在选择出行路径和出发时间时，往往只考虑自己能 感知或者说自己将付出的成本。当道路的通行能力充足时，这种“自私”的行为 不会影响到其他人的出行。但是，当交通流量接近通行能力时，拥挤程度上升， 道路上每新增加一个出行单位都会使系统中所有成员的利益受损。此时，如果大 家都坚持原来的出行计划，不另择它路或改变出发时间，就会使交通系统拥挤不 堪，直到瘫痪。如果硬逼某一部分人改变行驶路径和出发时间也是不可能的，最 好的办法是用经济手段。用户之所以坚持在拥挤路段出行，就在于他们仅仅考虑 自己的感知成本或者平均可变成本即边际个人成本，而没有支付他们给其他用户 所带来的外部不经济，即用户没有为其出行支付全部社会费用即边际社会成本， 还可以包括由交通导致的环境污染。用户对出行成本的错误感知或部分支付，将 导致网络的潜在需求过高和交通量的无节制增长，从而造成路网中某些路段上流 量达到饱和或过饱和状态，引起交通拥挤和排队，产生资源的浪费。 经济学家相信，缓解城市交通拥挤的一个最直接、经济上最有效的办法就是 对拥挤路段的使用者收费，付费的人还可以在原来的路段上和时段上行驶，不想 付费的人就另择他路或改变出发时间。这样，原来的拥挤的路段就被缓解了。 随着经济发展、社会进步以及人们生活水平的不断提高，机动车用户的时间 l o 价值也随之提高，从而时间费用将在用户费用中占有更大的比重，用户更加注重 旅行时间的节省。对于时间价值高的用户而言，交纳一定的费用获得优先使用道 路的权利，用节省的时间获得更大的收益，他们是乐于接受的。通过交通拥挤收 费，利用经济杠杆作用，使时间价值较高的使用者在高峰时间利用拥挤道路这一 稀缺资源，时间价值较低的用户避开高峰时段或乘坐公共交通或绕道行驶。 w a l t e r s ( 1 9 6 1 ) 是第一个将经济学原理运用到路网拥挤收费的科学家。他应 用经济学中的经典的边际收费理论，评价了一段公路网络的税收制度的效果。 d a f e r m o s 和s p a r r o w ( 1 9 7 1 ) 开发了一个静态拥挤收费模型，用于确定一般道路 网络的费用，并提出了两种不同的拥挤收费模式：基于路段的收费模式和基于行 驶路径的收费模式。同时还应用边际收费理确定了当路网上存在多用户情况下的 拥挤收费机制，并制定了基于路段和路径的拥挤收费模式。s m i t h 在理论上证明了 当路阻函数和需求函数满足某种平滑条件时，边际收费原则最优化。他的推论结 果后来被推广到更一般的情况：不同路段的阻抗函数有相互影响的情形，或不同 的o d 间需求函数有相互影响的情形n 町。 。 边际收费理论可以用图2 2 表示。 _ f 蓉 罴 j i h g 流量 图2 2 拥挤收费经济原理图 f i g 2 2e c o n o m i cp r i n c i p l eo f c o n g 铭f i o np n c i n g 曲线a c 表示在一定的交通需求量下路网上每个旅行者的平均出行费用，曲线 m c 表示单个旅行者所带来所有路网用户的边际费用，即边际社会费用。由于拥挤 效应，曲线a c 是一个相对于交通量的单调递增函数，而曲线a c 和m c 之间的差值 反映了那个交通量水平下的拥挤费用。另一方面，交通需求函数相对于交通量而 言是一个严格递减的函数。曲线i d 代表需求函数的反函数，它也是一个严格递减 的函数。 在没有收费的情况下，当供应和需求达到均衡时的交通量趋向于d 。然而在整 个路网和社会的角度而言，最优的交通量应该是e 。因为这时候的边际社会费用等 于需求函数的逆函数值。在这种情况下，从经济学上来说社会效益得到最大化。 相反，在没有收费的情况下，有一个相当于面积a b c 的效益损失。所以，在经典 的边际收费方案中，拥挤收费额应等于边际私人费用和边际社会费用之间的差值。 也就是图中的线段b k 。 上图虽然代表一个由单一路段连接两个节点的简单网络，但边际收费的原理 可以用来分析整个路网的收费策略。在确定性均衡分配原则下，如果在每个路段 上收取一个边际费用，这种收费方式便可以把用户均衡状态引导为系统最优解。 在边际收费模式中，每个人所缴纳的费用等于他的出行所产生的对整个路网的附 加拥挤量。 在固定需求模式下，我们的目标是把路网上的总体旅行时间最小化，这种旅 行时间最小化就是系统最优。然而，考虑弹性需求时，就不能以最小化路网行程 时间为目标。因为可以通过在每个路段上附加一个无穷大的收费使得整个网络没 有一个用户，此时路网的总体旅行时间为零。显然，这种在现实生活中是不可取 的。因此，在弹性需求情况下，优化的目标应该是路网用户的社会净效益最大。 在拥挤收费中，社会净效益的最大化是整个系统的优化目标。为了达到系统 最优，每个用户不仅要负担他本次旅行的时间费用，还要付出一定的货币费用， 且其额度应等于他施加于其他人的拥挤。基于这个道理，为了达到系统最优而在 每个路段上征收的费用应等于用户外部附加费用。 拥挤收费的本质就是利用杠杆作用将城市道路交通拥挤产生的负外部效应通 过收费的形式内部化，限制机动车使用者高峰时段出行，纠正过度或不经济的使 用道路的状况，实现城市交通资源的最优利用。 2 3交通拥挤收费的技术可行性 2 3 1道路收费技术发展历程 自从出现收费道路以来，收费技术经历了从低级到高级、从功能简单到丰富 完善的过程。除无任何设备的人工收费方式外，目前的收费方式概括起来有两大 类：半自动收费和电子收费。道路收费技术发展历程如图2 3 所示。 1 2 图2 3 收费技术发展历程 f i g 2 3t h ec o l l l 8 eo ft e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tf e e s 8 0 年代以前，国外城市道路拥挤收费采用的是人工收费方式。如新加坡1 9 7 5 年采用的就是区域通行证( a l s ) 的收费方式。人工收费是指靠收费员分辨车型、 发卡、按里程计收费用、开票验证、保管现金、统计数据和结帐的收费方法。半 自动收费是指在道路入口处由人工识别车型、发卡，在出口通过仪器来读卡、显 示收费金额，人工进行收费、付费放行的收费方法。 这两种收费方式对车辆的识别和检验都必须停车进行，具有两个不利的因素： 一是为建设收费亭而必须占用珍贵的城市土地资源；二是驶入车辆在缴纳拥挤费 是必须停车，从而造成交通停顿，产生延误。但它同时具有操作方便、简单、实 用以及可借鉴性较强的优势。 2 3 2电子收费系统( e t c ) 8 0 年代以后，信息技术飞速发展，使城市道路拥挤全自动收费有了技术保障。 电子收费系统( 简称e t c ) ，是利用微波( 或红外或射频) 、电子、计算机、通信 和网络、传感、图像识别等高新技术的设备和软件( 包括管理) 所组成的先进系 统，以实现车辆无需停车即可自动收取道路通行费用的收费方法n 刖。 按照实现的技术手段，e t c 可分为三种：n 们 基于d s r c 的电子收费技术 1 3 韭壶窑适盍堂亟主堂僮监童撼直窑逼翅垃蝗萤闻题堡蓬 i 燃 蔺 f 南由诗 蓄_ _ 寓 轨。 $ 耐办* 拈卷# 图24 基于d s r c 的城市交通拥挤收费系统设各 f i g 2 4 e q u i p m e n