交通擁堵收費(fèi)的建模與仿真研究

交通擁堵收費(fèi)的建模與仿真研究

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)汽車產(chǎn)量迅速增長(zhǎng)，交通擁堵日益嚴(yán)重。近幾年,我國(guó)一些大中型城市為解決城市交通擁堵問(wèn)題,紛紛出臺(tái)治堵方案。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于征收交通擁堵費(fèi)來(lái)緩解城市交通擁堵的措施仍在擬定當(dāng)中。交通擁堵收費(fèi)即“擁堵費(fèi)”,是指在對(duì)部分區(qū)域道路使用者收取的一定費(fèi)用,其本質(zhì)上是一種交通需求管理的經(jīng)濟(jì)手段,即利用價(jià)格杠桿來(lái)限制城市道路高峰期的車流密度,提高整個(gè)城市交通的運(yùn)營(yíng)效率。國(guó)外部分城市如新加坡、倫敦、紐約、首爾等城市已開(kāi)征交通擁堵費(fèi),并取得了緩解交通擁堵、提升公共交通質(zhì)量的實(shí)施效果。然而,我國(guó)社會(huì)各界對(duì)于征收交通擁堵費(fèi)的方案仍存在爭(zhēng)議。一些學(xué)者認(rèn)為,收取擁堵費(fèi)是可以有效緩解交通擁堵。部分民眾則質(zhì)疑擁堵費(fèi)對(duì)城市交通的調(diào)節(jié)能力,并認(rèn)為會(huì)影響到民眾的福利。針對(duì)上述意見(jiàn)分歧,有必要對(duì)該政策進(jìn)行模擬分析研究。本文將通過(guò)分析城市不同群體的出行特征來(lái)仿真研究征收交通擁堵費(fèi)的影響。一、—征收交通擁堵費(fèi)的理論及實(shí)踐近年來(lái),我國(guó)城市經(jīng)濟(jì)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(jìn)。城市化進(jìn)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(wàn)輛,2012年達(dá)到520萬(wàn)輛,增長(zhǎng)了近170萬(wàn)輛。考慮到北京的購(gòu)車搖號(hào)政策,若沒(méi)有政策調(diào)控,則2012年北京的汽車保有量會(huì)比520萬(wàn)輛有大幅增加。城市汽車保有量的快速上升,既導(dǎo)致我國(guó)不少城市路面交通的擁堵,也對(duì)城市空氣治理構(gòu)成了挑戰(zhàn)。我國(guó)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(jī)會(huì)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(fèi)將提升自駕車出行的交通成本,在公共交通發(fā)達(dá)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(huì)成本,又能夠提升公共交通的運(yùn)營(yíng)效率。事實(shí)上,國(guó)外不少城市已有征收交通擁堵費(fèi)的實(shí)踐,新加坡、英國(guó)、美國(guó)等國(guó)家都相繼在主要城市開(kāi)征了擁堵費(fèi)。倫敦征收擁堵費(fèi)后,每天進(jìn)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(dāng)前國(guó)外征收擁堵費(fèi)的城市及其實(shí)施情況可見(jiàn)表1。當(dāng)前,我國(guó)北京、上海、天津等城市也在研究交通擁堵收費(fèi)問(wèn)題,試圖減輕城市交通擁堵?tīng)顩r。但征收交通擁堵費(fèi)是否有效緩解交通擁堵情況,提升公共交通運(yùn)營(yíng)效率,本文在理論和實(shí)踐的基礎(chǔ)上,試圖通過(guò)仿真分析,科學(xué)評(píng)價(jià)擁堵管理政策的實(shí)施效益。二、模擬分析對(duì)交通費(fèi)用政策實(shí)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(diǎn),交通擁堵定價(jià)作為一種交通需求管理政策,從宏觀層面對(duì)交通資源的使用者———私家車直接產(chǎn)生影響。這種影響會(huì)對(duì)收入不同、性格不同、文化背景不同、時(shí)間價(jià)值不同等的各個(gè)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(fèi)路口的分布以及收費(fèi)路口的數(shù)量等情況會(huì)對(duì)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(dòng)便呈現(xiàn)出不同的路網(wǎng)狀況,各個(gè)個(gè)體和子系統(tǒng)在追求自身的優(yōu)化的同時(shí),不可避免地與其他個(gè)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(shí)間價(jià)值的含義。對(duì)于出行者來(lái)說(shuō),在路途所花費(fèi)的時(shí)間存在價(jià)值。首先,出行者在路途或者交通擁堵中“堵塞”所占用的時(shí)間,其價(jià)值相當(dāng)于其同樣的時(shí)間直接或間接參與勞動(dòng)所能形成、創(chuàng)造的價(jià)值,是一種機(jī)會(huì)成本。其次,出行者的時(shí)間價(jià)值還與其消費(fèi)偏好、對(duì)舒適性的要求、路途長(zhǎng)久的承受能力、經(jīng)濟(jì)的承受能力等價(jià)值取向有關(guān)。不同類型的出行者的時(shí)間價(jià)值不同,相同的出行者在不同的條件下的時(shí)間價(jià)值也會(huì)發(fā)生變化?！杖胨綄?duì)時(shí)間價(jià)值的影響。出行者收入水平不同,時(shí)間價(jià)值有較大差異。高收者對(duì)單位節(jié)約道路上的時(shí)間價(jià)值的評(píng)價(jià)明顯超過(guò)低收入者。因此,出行者收入越高,時(shí)間價(jià)值越高。出行者的收入水平在很大程度上決定了其對(duì)出行方式選擇的范圍。一般而言,收入水平較低者不會(huì)選擇服務(wù)質(zhì)量高、費(fèi)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(huì)選擇省時(shí)、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(wú)論高低收入者都不會(huì)選擇便利性和服務(wù)水平都很差的路線?！召M(fèi)費(fèi)率對(duì)出行者行為的影響。收費(fèi)費(fèi)率對(duì)出行者行為的影響主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:一方面,高收入者對(duì)于擁堵費(fèi)率最為不敏感,中等收入者對(duì)于擁堵費(fèi)率較為敏感,而相對(duì)低收入者可能對(duì)擁堵費(fèi)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(fèi)道路上的交通量對(duì)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)有較大的彈性,如果與收費(fèi)道路平行或可替代的道路服務(wù)水平改善,通行能力增強(qiáng),則會(huì)有更多的道路使用者選擇可替代路線。2.仿真的基本過(guò)程是相同的時(shí)間價(jià)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(dú)立的Agent,其它輔助信息如道路收費(fèi)站點(diǎn)也抽象為Agent,仿真過(guò)程由Agent之間的交流協(xié)作、Agent對(duì)道路擁堵收費(fèi)的互動(dòng)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(shí)間價(jià)值來(lái)判斷擁堵收費(fèi)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(diǎn)假設(shè):(1)收入相對(duì)較低者即Car-3、Car-2類Agent在擁堵費(fèi)較高時(shí)可選乘坐公交或延緩出行;(2)高等收入者Car-1類Agent因其對(duì)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(shí)間價(jià)值范圍;(4)出行者Agent可及時(shí)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(jī)地分布在所有Agent中;(7)不考慮信號(hào)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(jìn)入路網(wǎng)的時(shí)刻,λ表示車輛的到達(dá)率,rn表示(0,1)上服從均勻分布的隨機(jī)數(shù)。各類不同時(shí)間價(jià)值的車輛Agent隨機(jī)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(méi)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(fèi);(2)通過(guò)Ri到達(dá)終點(diǎn)的初始平均時(shí)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(dá)目的地的時(shí)間;(5)Agent只在道路上占用道路資源。———Agent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(dāng)出行者愿意為私家車出行節(jié)約的時(shí)間△t支付費(fèi)用△c,那么該出行者的私家車出行時(shí)間價(jià)值(VT)可以表示為:VT=△c/△t。系統(tǒng)自動(dòng)為每個(gè)Agent生成ID編號(hào)。仿真模型中,初始可接受擁堵費(fèi)因Agent不同的收入級(jí)別和時(shí)間價(jià)值在一定的范圍內(nèi)隨機(jī)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?！召M(fèi)區(qū)域的事件描述。當(dāng)出行者Agent遇到交通擁堵收費(fèi)區(qū)域時(shí),Agent面臨不同的選擇。出行者Agent根據(jù)自身時(shí)間價(jià)值與可接受的擁堵收費(fèi)水平選擇是繳費(fèi)通過(guò)還是改乘公交亦或轉(zhuǎn)向其他道路。當(dāng)?shù)降竭_(dá)目的地后,到達(dá)目的地之后事件結(jié)束?！狝gent的行為規(guī)則。Agent判斷進(jìn)入、不進(jìn)入亦或退出擁堵收費(fèi)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(fèi)通過(guò)函數(shù):I=1,2,3;j=A,B,C為收費(fèi)點(diǎn)。當(dāng)H(xi)、H(yi)、H(zi)的函數(shù)值為正數(shù)時(shí),出行者Agent選擇繳費(fèi)通過(guò),否則不繳費(fèi)換其他線路或改乘公交。第二種函數(shù)———時(shí)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(shí)間,a是交通擁堵程度的系數(shù),由于時(shí)間價(jià)值的不同,故a的大小表示Agent對(duì)于交通擁堵的忍耐程度,a越大,對(duì)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(fèi)用轉(zhuǎn)移比率仿真本仿真模型根據(jù)設(shè)定不同的收費(fèi)費(fèi)率,不同類型的車輛Agent對(duì)于不同費(fèi)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(jìn)行仿真并對(duì)仿真結(jié)果做分析。文中假設(shè)收取的費(fèi)用以10單位為基數(shù)并以此進(jìn)行仿真。1.車輛的轉(zhuǎn)移比率c假設(shè)收取的費(fèi)用以10單位為基數(shù)并以此進(jìn)行仿真,分別收取0、1、2、3、4倍基數(shù)的擁堵費(fèi)時(shí)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(fèi)能夠促進(jìn)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(shí)間價(jià)值的不同而增加。當(dāng)分別收取2、3、4倍基數(shù)的擁堵費(fèi)后,間接增加了道路R2的時(shí)間成本,車輛隨著交通擁堵費(fèi)的增收而轉(zhuǎn)向R1、R3道路,并在R1、R3道路中選擇時(shí)間價(jià)值成本最低的一條道路。同時(shí),遞增的擁堵費(fèi)收取引起了對(duì)不同階層的Agent的可轉(zhuǎn)移比率的提升。收取較低擁堵費(fèi)就可使低收入群體產(chǎn)生較高的車輛轉(zhuǎn)移率,而要對(duì)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(fèi)。2.實(shí)際交通擁堵費(fèi)的影響仿真模型分析了非高峰時(shí)段、高峰時(shí)段收取0、1、2、3、4、5、6倍基數(shù)擁堵費(fèi)的路網(wǎng)流量。仿真結(jié)果顯示:在非高峰時(shí)段,不征收擁堵費(fèi)時(shí),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(dòng),平均路網(wǎng)密度達(dá)49%,而R3路網(wǎng)密度在0%-16%的水平。收取交通擁堵費(fèi)能起到緩解R2擁堵的作用。當(dāng)收取2、3倍基數(shù)擁堵費(fèi)時(shí),隨著擁堵費(fèi)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(fèi)時(shí),R2、R3道路交通路網(wǎng)密度趨近;當(dāng)收取4倍基數(shù)擁堵費(fèi)時(shí),有部分的車輛被轉(zhuǎn)移到R1道路上。在高峰時(shí)段,不收取交通擁堵費(fèi)時(shí),由于R2道路到目的地最為便捷,道路路網(wǎng)流量達(dá)到80%以上,R1、R3路網(wǎng)密度均在20%、40%以下。當(dāng)收取1、2、3、4、5、6倍基數(shù)擁堵費(fèi)時(shí),隨著擁堵費(fèi)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(dāng)收取4倍基數(shù)擁堵費(fèi)時(shí),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(dāng)收取5倍基數(shù)以上的擁堵費(fèi)時(shí),部分car-2、car-3車輛Agent不能接受較高的擁堵費(fèi),而R1、R2、R3路網(wǎng)密度均有較小的改善。三、征收交通擁堵費(fèi)是一項(xiàng)特殊的交通路網(wǎng)本文從理論上及國(guó)外經(jīng)驗(yàn)借鑒上論證了征收交通擁堵費(fèi)的必要性。通過(guò)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(fèi)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(fèi)具有一定的必要性;(2)不同收入群體在征收交通擁堵費(fèi)的情況下具有不同的車輛轉(zhuǎn)移率;(3)收取適當(dāng)比例的交通擁堵費(fèi)能夠使得不同時(shí)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(fèi)的建議:轉(zhuǎn)移比率是指不能承受擁堵費(fèi)而轉(zhuǎn)移到其他道路上的車輛比率。1.交通擁堵費(fèi)調(diào)節(jié)出行者會(huì)根據(jù)衡量自身可接受的擁堵收費(fèi)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(fèi)作為交通流量的“調(diào)節(jié)器”,能夠調(diào)節(jié)整個(gè)交通路網(wǎng)的路網(wǎng)流量?？紤]到收取擁堵費(fèi)的邊際效應(yīng)遞降,因此,在制定權(quán)衡收取擁堵費(fèi)費(fèi)率時(shí),需綜合考慮路網(wǎng)資源的利用情況、收費(fèi)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(fèi)費(fèi)率能調(diào)節(jié)路網(wǎng)密度,使路網(wǎng)資源的利用狀況達(dá)到較均衡狀態(tài)。2.非高峰時(shí)段的緩堵效果分析從仿真結(jié)果可知,在不同時(shí)段收取擁堵費(fèi)的效用也不相同,在非高峰時(shí)