交通擁堵收費的建模與仿真研究

交通擁堵收費的建模與仿真研究

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國汽車產(chǎn)量迅速增長，交通擁堵日益嚴重。近幾年,我國一些大中型城市為解決城市交通擁堵問題,紛紛出臺治堵方案。目前國內(nèi)對于征收交通擁堵費來緩解城市交通擁堵的措施仍在擬定當中。交通擁堵收費即“擁堵費”,是指在對部分區(qū)域道路使用者收取的一定費用,其本質(zhì)上是一種交通需求管理的經(jīng)濟手段,即利用價格杠桿來限制城市道路高峰期的車流密度,提高整個城市交通的運營效率。國外部分城市如新加坡、倫敦、紐約、首爾等城市已開征交通擁堵費,并取得了緩解交通擁堵、提升公共交通質(zhì)量的實施效果。然而,我國社會各界對于征收交通擁堵費的方案仍存在爭議。一些學(xué)者認為,收取擁堵費是可以有效緩解交通擁堵。部分民眾則質(zhì)疑擁堵費對城市交通的調(diào)節(jié)能力,并認為會影響到民眾的福利。針對上述意見分歧,有必要對該政策進行模擬分析研究。本文將通過分析城市不同群體的出行特征來仿真研究征收交通擁堵費的影響。一、—征收交通擁堵費的理論及實踐近年來,我國城市經(jīng)濟快速發(fā)展,城市道路、公共交通等城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也突飛猛進。城市化進程的加快一方面使得城市人口不斷增加,另一方面也導(dǎo)致城市居民收入增加,城市汽車保有量也快速上升。以北京市為例,北京市2008年汽車保有量為350.4萬輛,2012年達到520萬輛,增長了近170萬輛?？紤]到北京的購車搖號政策,若沒有政策調(diào)控,則2012年北京的汽車保有量會比520萬輛有大幅增加。城市汽車保有量的快速上升,既導(dǎo)致我國不少城市路面交通的擁堵,也對城市空氣治理構(gòu)成了挑戰(zhàn)。我國北京、上海、廣州等一二線城市的早晚高峰堵車成為常態(tài),城市生活的機會成本上升,影響了居民工作效率和生活幸福感。從理論上看,征收交通擁堵費將提升自駕車出行的交通成本,在公共交通發(fā)達的情況下可以引導(dǎo)城市居民選擇公共交通出行,既可以減少路面擁堵,節(jié)約社會成本,又能夠提升公共交通的運營效率。事實上,國外不少城市已有征收交通擁堵費的實踐,新加坡、英國、美國等國家都相繼在主要城市開征了擁堵費。倫敦征收擁堵費后,每天進入倫敦市中心的小汽車減少20%-30%,公交車提速25%,其成效顯著。當前國外征收擁堵費的城市及其實施情況可見表1。當前,我國北京、上海、天津等城市也在研究交通擁堵收費問題,試圖減輕城市交通擁堵狀況。但征收交通擁堵費是否有效緩解交通擁堵情況,提升公共交通運營效率,本文在理論和實踐的基礎(chǔ)上,試圖通過仿真分析,科學(xué)評價擁堵管理政策的實施效益。二、模擬分析對交通費用政策實施效果的影響(一)各群體出步量及單次出行方式的影響因素按復(fù)雜性科學(xué)的觀點,交通擁堵定價作為一種交通需求管理政策,從宏觀層面對交通資源的使用者———私家車直接產(chǎn)生影響。這種影響會對收入不同、性格不同、文化背景不同、時間價值不同等的各個群體產(chǎn)生不同的效應(yīng)。不同的出行者收入狀況決定了其不同的出行方式,道路資源、收費路口的分布以及收費路口的數(shù)量等情況會對出行者路徑選擇產(chǎn)生較大的影響。因此,多因素多主體的互動便呈現(xiàn)出不同的路網(wǎng)狀況,各個個體和子系統(tǒng)在追求自身的優(yōu)化的同時,不可避免地與其他個體、系統(tǒng)與環(huán)境相互作用與影響。1.不同類型的出步性比較——出行者時間價值的含義。對于出行者來說,在路途所花費的時間存在價值。首先,出行者在路途或者交通擁堵中“堵塞”所占用的時間,其價值相當于其同樣的時間直接或間接參與勞動所能形成、創(chuàng)造的價值,是一種機會成本。其次,出行者的時間價值還與其消費偏好、對舒適性的要求、路途長久的承受能力、經(jīng)濟的承受能力等價值取向有關(guān)。不同類型的出行者的時間價值不同,相同的出行者在不同的條件下的時間價值也會發(fā)生變化?！杖胨綄r間價值的影響。出行者收入水平不同,時間價值有較大差異。高收者對單位節(jié)約道路上的時間價值的評價明顯超過低收入者。因此,出行者收入越高,時間價值越高。出行者的收入水平在很大程度上決定了其對出行方式選擇的范圍。一般而言,收入水平較低者不會選擇服務(wù)質(zhì)量高、費用高而難以承受的路線;收入水平較高者,在其承受能力范圍內(nèi)會選擇省時、便利、舒適性和服務(wù)水平都很高的路線;在出行者的承受能力范圍內(nèi),無論高低收入者都不會選擇便利性和服務(wù)水平都很差的路線?！召M費率對出行者行為的影響。收費費率對出行者行為的影響主要表現(xiàn)在以下兩個方面:一方面,高收入者對于擁堵費率最為不敏感,中等收入者對于擁堵費率較為敏感,而相對低收入者可能對擁堵費率特別敏感;另一方面,如果路網(wǎng)中存在著多條可替代路線,那么收費道路上的交通量對收費標準有較大的彈性,如果與收費道路平行或可替代的道路服務(wù)水平改善,通行能力增強,則會有更多的道路使用者選擇可替代路線。2.仿真的基本過程是相同的時間價值取向,主要包括同理念從單一到多元本文將駕駛者與車輛在仿真系統(tǒng)中抽象為獨立的Agent,其它輔助信息如道路收費站點也抽象為Agent,仿真過程由Agent之間的交流協(xié)作、Agent對道路擁堵收費的互動完成。車輛Agent特征體現(xiàn)如表2所示?！Ｐ图僭O(shè)。假設(shè)出行者都是理性的,都是基于自身的時間價值來判斷擁堵收費的大小并權(quán)衡是否繞行,在此基礎(chǔ)上,本模型有如下幾點假設(shè):(1)收入相對較低者即Car-3、Car-2類Agent在擁堵費較高時可選乘坐公交或延緩出行;(2)高等收入者Car-1類Agent因其對駕車出行具有剛性需求而始終駕車出行;(3)同一類出行者Agent具有相同的時間價值范圍;(4)出行者Agent可及時得到相關(guān)路況信息;(5)出行者繞行后不再返回到主交通道路;(6)設(shè)定不同收入水平的出行者Agent比例,其隨機地分布在所有Agent中;(7)不考慮信號燈、公共交通、交通事故、超車等情況發(fā)生;———道路環(huán)境假定。本文假定車輛Agent在路網(wǎng)的初始端產(chǎn)生并服從泊松分布。車輛Agent產(chǎn)生所遵循的模型如下:其中,tn表示第n輛車進入路網(wǎng)的時刻,λ表示車輛的到達率,rn表示(0,1)上服從均勻分布的隨機數(shù)。各類不同時間價值的車輛Agent隨機產(chǎn)生。本文仿真設(shè)置三條通往目的地的道路R1、R2、R3,R2是最便捷的主干道,R2和R3是可選擇的替代道路,其中R1為最不便捷道路(沒有特殊情況,agent不選擇該道路)。道路左側(cè)為出發(fā)地,右側(cè)為目的地。系統(tǒng)的環(huán)境邊界設(shè)置為:(1)charge為初始收取的擁堵費;(2)通過Ri到達終點的初始平均時間Ti(i=1,2,3);(3)Ri上路網(wǎng)容量為Ki(i=1,2,3);(4)常量TB為乘坐公交到達目的地的時間;(5)Agent只在道路上占用道路資源?！狝gent的分類及其屬性。首先,將出行者Agent按照收入水平分類,具體如表3所示。當出行者愿意為私家車出行節(jié)約的時間△t支付費用△c,那么該出行者的私家車出行時間價值(VT)可以表示為:VT=△c/△t。系統(tǒng)自動為每個Agent生成ID編號。仿真模型中,初始可接受擁堵費因Agent不同的收入級別和時間價值在一定的范圍內(nèi)隨機產(chǎn)生。公交系統(tǒng)系數(shù)作為Agent在多大概率上放棄私家車的出行改為公共交通方式取決于Agent的類型。———收費區(qū)域的事件描述。當出行者Agent遇到交通擁堵收費區(qū)域時,Agent面臨不同的選擇。出行者Agent根據(jù)自身時間價值與可接受的擁堵收費水平選擇是繳費通過還是改乘公交亦或轉(zhuǎn)向其他道路。當?shù)降竭_目的地后,到達目的地之后事件結(jié)束?！狝gent的行為規(guī)則。Agent判斷進入、不進入亦或退出擁堵收費區(qū)的決策函數(shù)分為兩種,按照先后順序依次為:(1)第一種函數(shù)———是否繳費通過函數(shù):I=1,2,3;j=A,B,C為收費點。當H(xi)、H(yi)、H(zi)的函數(shù)值為正數(shù)時,出行者Agent選擇繳費通過,否則不繳費換其他線路或改乘公交。第二種函數(shù)———時間與交通流量函數(shù):Y=t+a·f(x),其中,f(x)是擁堵程度的體現(xiàn),代表道路上的交通流量,t代表道路的最快通行時間,a是交通擁堵程度的系數(shù),由于時間價值的不同,故a的大小表示Agent對于交通擁堵的忍耐程度,a越大,對交通擁堵的忍耐力越小,VT的值越大,反之亦然。(二)不同銀行間費用轉(zhuǎn)移比率仿真本仿真模型根據(jù)設(shè)定不同的收費費率,不同類型的車輛Agent對于不同費率的轉(zhuǎn)移比率、路網(wǎng)總流量的變化情況采用Starlogo-TNG軟件進行仿真并對仿真結(jié)果做分析。文中假設(shè)收取的費用以10單位為基數(shù)并以此進行仿真。1.車輛的轉(zhuǎn)移比率c假設(shè)收取的費用以10單位為基數(shù)并以此進行仿真,分別收取0、1、2、3、4倍基數(shù)的擁堵費時交通量轉(zhuǎn)移量逐漸上升,仿真結(jié)果顯示,收取交通擁堵費能夠促進主干道上車輛的轉(zhuǎn)移,car-1、car-2、car-3的轉(zhuǎn)移比率不同,轉(zhuǎn)移比率隨著三種Agent的時間價值的不同而增加。當分別收取2、3、4倍基數(shù)的擁堵費后,間接增加了道路R2的時間成本,車輛隨著交通擁堵費的增收而轉(zhuǎn)向R1、R3道路,并在R1、R3道路中選擇時間價值成本最低的一條道路。同時,遞增的擁堵費收取引起了對不同階層的Agent的可轉(zhuǎn)移比率的提升。收取較低擁堵費就可使低收入群體產(chǎn)生較高的車輛轉(zhuǎn)移率,而要對高收入群體產(chǎn)生同樣的車輛轉(zhuǎn)移率則需要收取更高的擁堵費。2.實際交通擁堵費的影響仿真模型分析了非高峰時段、高峰時段收取0、1、2、3、4、5、6倍基數(shù)擁堵費的路網(wǎng)流量。仿真結(jié)果顯示:在非高峰時段,不征收擁堵費時,主道路上的資源被占用率較高。R2路網(wǎng)密度一直在20%-60%之內(nèi)的較高的水平波動,平均路網(wǎng)密度達49%,而R3路網(wǎng)密度在0%-16%的水平。收取交通擁堵費能起到緩解R2擁堵的作用。當收取2、3倍基數(shù)擁堵費時,隨著擁堵費的增加,R2路網(wǎng)密度明顯提升,R3路網(wǎng)密度明顯降低;收取3倍基數(shù)擁堵費時,R2、R3道路交通路網(wǎng)密度趨近;當收取4倍基數(shù)擁堵費時,有部分的車輛被轉(zhuǎn)移到R1道路上。在高峰時段,不收取交通擁堵費時,由于R2道路到目的地最為便捷,道路路網(wǎng)流量達到80%以上,R1、R3路網(wǎng)密度均在20%、40%以下。當收取1、2、3、4、5、6倍基數(shù)擁堵費時,隨著擁堵費的增加,R2道路上車流量逐漸降低,R1、R3道路密度逐漸增加;當收取4倍基數(shù)擁堵費時,R1、R2、R3的平均路網(wǎng)密度較均勻,R1、R2、R3的路網(wǎng)密度分別為37%、47%、57%;當收取5倍基數(shù)以上的擁堵費時,部分car-2、car-3車輛Agent不能接受較高的擁堵費,而R1、R2、R3路網(wǎng)密度均有較小的改善。三、征收交通擁堵費是一項特殊的交通路網(wǎng)本文從理論上及國外經(jīng)驗借鑒上論證了征收交通擁堵費的必要性。通過仿真建模,本文從復(fù)雜自適應(yīng)系統(tǒng)的角度分析了不同交通擁堵費情況下的交通路網(wǎng)的整體狀況及不同收入群體的車輛轉(zhuǎn)移情況。研究發(fā)現(xiàn):(1)征收交通擁堵費具有一定的必要性;(2)不同收入群體在征收交通擁堵費的情況下具有不同的車輛轉(zhuǎn)移率;(3)收取適當比例的交通擁堵費能夠使得不同時段的路網(wǎng)流量更加合理?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)論,本文提出如下收取交通擁堵費的建議:轉(zhuǎn)移比率是指不能承受擁堵費而轉(zhuǎn)移到其他道路上的車輛比率。1.交通擁堵費調(diào)節(jié)出行者會根據(jù)衡量自身可接受的擁堵收費水平以及不同道路的路況情況,理智地選擇最合適的道路。因此,交通擁堵費作為交通流量的“調(diào)節(jié)器”,能夠調(diào)節(jié)整個交通路網(wǎng)的路網(wǎng)流量?？紤]到收取擁堵費的邊際效應(yīng)遞降,因此,在制定權(quán)衡收取擁堵費費率時,需綜合考慮路網(wǎng)資源的利用情況、收費主道路上的最低可接受路網(wǎng)密度的大小,使得制定的擁堵費費率能調(diào)節(jié)路網(wǎng)密度,使路網(wǎng)資源的利用狀況達到較均衡狀態(tài)。2.非高峰時段的緩堵效果分析從仿真結(jié)果可知,在不同時段收取擁堵費的效用也不相同,在非高峰時