動態交通擁堵收費技術與費率特征研究

于潔涵 宋奇文 楊敬鋒

（1.廣州交通信息化建設投資營運有限公司，廣東 廣州 510620；2.廣州市公共交通數據管理中心，廣東 廣州 510620）

1 引言

交通出行者對交通服務需求的不斷增長已遠遠超出交通規劃者的預期。引起交通擁擠的主要原因是交通的需求和供給之間的不平衡以及交通流量的時間不均衡性。隨著城市中心區路網建設的成熟，通過新建或拓展道路來緩解交通壓力在目前城市規劃和經濟條件約束下已難以持續，符合目前實際情況的有效辦法主要是加強交通需求管理。道路擁堵收費作為交通需求調控的有效方法已被廣泛研究并逐步應用到交通管理中，在國外探索中雖然一直備受質疑但效果明顯。交通擁堵收費通過對行駛于擁堵道路或高峰路段的車輛征收額外費用，通過價格機制調節交通需求，抑制交通出行產生，從而緩解交通擁堵。

歐洲最先對交通擁堵收費做出理論研究，并在英法等國進行了具體的交通擁堵收費實施，但主要以收取燃油稅和車牌費的形式出現[1]。二戰后，英美國家的一些經濟學家提出以收費來控制交通擁擠的策略，1964 年倫敦學院 Ruben Smeed 教授發表的《Smeed報告》為交通擁堵收費的最早權威性文獻，該報告提出了收費的具體方法和由此而帶來的經濟收益。目前，道路擁堵收費已經陸續在新加坡、倫敦、奧斯陸、斯德哥爾摩等城市成功實施。國際上已經實施和正在研究論證的交通擁堵收費技術模式主要分為三種：新加坡成功實施基于短程通訊（DSRC）和車輛身份識別（AVI）的復合技術；倫敦和斯德哥爾摩實施基于車牌識別（ANPR）的技術模式；德國、瑞士、奧地利的高速公路電子收費系統（ETC）采用基于GPS和GSM結合的技術模式。盡管交通擁堵收費已被應用于實踐，但國內交通擁堵收費技術仍在探索階段，未有實際實施的城市。另外，交通擁堵收費理論在中國研究近年來才開始，國內學者主要借鑒國外的研究成果并結合國內交通的實際狀況，提出了交通擁堵收費理論。但目前國內學者，對擁擠定價理論研究大多只考慮了靜態擁堵收費的情況，未考慮動態交通情況下交通擁堵收費策略[2]。

2 動態交通擁堵收費技術

交通擁堵收費系統須滿足三個基本功能：（1）通過識別車輛、記錄車輛的位置和追蹤車輛行程來測量車輛的道路使用程度；（2）根據采集的車輛運行信息確定車輛類型來確定擁堵收費；（3）數據通信以實現電子支付。盡管交通擁堵收費已有多種技術在不同的大城市實施，但是目前大多數技術都只針對交通擁堵收費特殊的應用場景。由于 DSRC（Dedicated Short Range Communication）是一種高效的無線通信技術，它可以實現在特定區域內（通常為數十米）對高速運動下的移動目標的識別和雙向通信，實現車輛和道路實時連接。綜合考慮技術的可擴展性和動態性，本文采用基于DSRC的自動車輛識別（AVI）交通擁堵收費方式。

2.1 組成設備

交通擁堵收費系統主要由路側單元和車載單元組成。

路側單元，由高增益定向讀寫天線和射頻控制器組成，安裝在路側龍門架上，采用DSRC技術，與車載單元（OBU，On Board Unit）進行通訊，完成車輛道路使用測量、數據通信和扣費。它也可以在與車載單元一起使用（參見下節的車載設備），當車輛穿過信號區域時，路側單元通過激活車輛的車載單元，并在車輛穿過收費區域后使車載單元休眠。

所有車輛都擁有車輛識別碼，提供有關車輛類別、制造年份、制造商、型號和重量信息（VIN）。車載單元通常安裝在車輛的擋風玻璃上，采用 DSRC技術與路邊讀卡器通信。通常，車載單元具有計算能力、存儲和通信的接口，能夠與DSRC，GPS或蜂窩網絡通信。

2.2 擁堵收費實現

基于車輛身份識別的技術模式是通過射頻微波方式自動識別（讀寫）車輛信息（主要是車輛身份信息），實現收費交易的數據通信。此種模式下，對于本地車可以固定安裝雙片式（帶“電子錢包”功能實行前端扣費）或單片式（與車主登記的銀行賬號關聯實行后臺扣費）車載終端，考慮到成本，采用單片式；對于外地車輛，可采取租用臨時雙片式，前端收費終端的方式，進入收費區前租用一個臨時終端，出收費區后還回終端并進行結算，也可不還回，下次繼續使用，金額不夠可在充值點充值。

（1）車輛到達擁堵收費區入口時，路側節點對車輛進行射頻識別，獲取終端ID號，路側節點和車載終端進行短程通信并開始計時計費。

（2）路側節點將獲取的相關信息通過 3G模塊傳輸至中央處理子系統，中央處理子系統根據收費區交通路況子系統采集到的交通信息和不同的時間段，結合從停車場系統獲取的停車數據（某輛車在某一時間段處于停車狀態），按照預先定義的費率模型靈活調整費率并綜合計算費用。

（3）車輛到達擁堵收費區出口時，再次對車輛進行身份識別并自動扣費，固定終端實行后臺扣費，臨時終端實行前端扣費。

3 動態擁堵收費模型

擁堵定價理論最早由英國經濟學家Pigou提出[3]。擁堵收費的計算方法是簡單的理論，如圖1所示。假設交通流由相同的車輛組成，當交通流量較低時，不會產生交通擁堵，車輛可以在道路上自由行駛。廣義出行成本如圖1中垂直軸表示，包括車輛運行成本（燃料等）和道路上所花費的時間成本。交通量達到Q1之前，由于沒有交通擁堵，出行成本仍然是常數。當道路上的交通量超出Q1時，車輛速度開始放慢下來，出行需要更多的時間和運行成本，如司機使用較低檔位，并開始頻繁地停止和啟動車輛，出行邊際成本將增加。

出行者在做出行決策時，通常通過會比較所能獲得的額外利益和所需承擔的出行費用。因此，在市場條件下，均衡交通量將在Q2達到平衡。但是，由于駕駛員只考慮了其所感知的邊際個人成本，而沒有考慮其自身將會對交通造成擁堵，Q2并不是最佳的流量。當交通流超過道路通行能力時，將會產生交通擁堵。道路上新增的車輛，將會影響到整個道路系統中的其他成員的利益，即帶來額外的成本。邊際成本和平均成本之間的差異是額外的車輛造成的擁堵成本標記為MC。圖1中MC曲線描述了使用該道路的邊際社會成本。一旦擁塞開始開發，車流量超越Q1，MC開始偏離AC。

當交通量為 Q2，邊際社會成本超過邊際效益，即MC( Q2)＞D( Q2)。過度交通擁堵所帶來的成本遠超過邊際駕駛員所得到的效益。當交通流為Q3時，交通需求與邊際成本為：任何額外的交通流增加都會使得總體社會成本大于所帶來的效益。駕駛員意識到其所帶來擁堵成本以及將交通流降低到Q3水平都是非常困難的，道路收費旨在修正這一市場缺陷。在優化交通流Q3條件下，擁堵收費須與MC和AC間差異相等，道路收費r由u-v計算得出。當駕駛員交納費用r增大時，交通擁堵將會減少，交通系統達到新的均衡狀態，即交通流水平Q3[4]。

圖1.交通流與成本關系

在確定了擁堵收費的基本框架后，本文討論擁堵定價和速度-流量間關系。假設q為道路上的交通流，V為車輛速度，其為流量的函數，即V=V(q)，；D是出行距離，假設為1km；c為出行成本。

平均出行成本可以通過以下方式計算出來：當道路上有q車輛，AC(q)=c×(D/V)=c/ V。q輛車總成本為TC(q)=(qc)/V。因此，額外增加的車輛成本，其邊際成本為

在道路收費框架下，優化的交通流 Q3通過解MC( q)=D( q)方程確定，其中p=D( q)是逆需求函數。但是，對于出行者，只會經歷平均社會成本c/V，因為其不會考慮增加車輛對其他出行者的阻礙影響。平均成本和邊際成本之間的差異，即為交通擁堵收費價格，這將促使駕駛員充分考慮出行成本。擁堵收費可以由下式得出：

從圖1可以看出，按照公式（2）計算的擁堵價格，當q上升時，將會導致V下降，表明交通水平提高（導致速度下降），價格水平將會提高。[4]。

對于速度-流量關系下的擁堵收費估計，根據Drake速度-流量模型[5]，可以得出下式

其中，K0為道路通行能力q0時相應的密度；Vf為自由流速度；q0為最大通行能力，有V0×K0計算得出，V0為最大通行能力時的速度。

結合Drake速度-流量模型，得到以下擁堵收費模型：

4 實際場景應用

本文通過模擬實驗來驗證道路擁堵收費的作用。廣州市城市道路運行分析系統反映了廣州市道路運行的狀態，基于系統所展示的擁堵路段，我們用模型估計給定路段的擁堵收費費率。廣州市城市道路運行分析系統綜合利用道路浮動車的速度數據，結合速度-交通流估計模型，計算得出城市道路的交通流量。以快速路為分析對象，建立Drake模型通用的形式，其速度和交通流的關系如下式：

其中q是小時等效私家車流量。其關鍵速度-交通流特征參數如下表1。

表1 速度-交通流特征參數

根據公式（4），在確定時間節省成本后，可以計算出理論的擁堵收費水平：

其中c通常表述為小時工資比例。根據Newbery[4]的研究成果，考慮兩種情況：50%（非常保守的界限）和67%[4]。對于小時工資水平，考慮兩種情況，w1=15.41元和w2=21.51元。表2總結了在兩種情景下估計的單位公里擁堵收費費率。

表2 快速路擁堵收費費率

61 2240 0.12 0.15 0.16 0.22 62 2197 0.1 0.13 0.14 0.19 63 2151 0.09 0.12 0.12 0.16 64 2100 0.07 0.1 0.1 0.14 65 2045 0.06 0.09 0.09 0.12 66 1984 0.06 0.07 0.08 0.1 67 1918 0.05 0.06 0.07 0.09 68 1846 0.04 0.05 0.06 0.08 69 1766 0.03 0.05 0.05 0.06 70 1679 0.03 0.04 0.04 0.05 71 1582 0.02 0.03 0.03 0.04 72 1473 0.02 0.03 0.03 0.04

從表2中的結果可以看出，交通擁堵收費有2個明顯特征。第一，道路運行速度直接決定了擁堵收費費率。速度越低，價格越高；且速度接近自由流速度時，擁堵收費費率幾乎可以忽略。第二，由于交通出行規律呈現為早高峰和晚高峰雙肩型形態，擁堵收費費率呈現出雙肩型的形態，高峰時間價格高，平峰時價格相對低。

5 結論

本文詳細介紹了基于車輛身份識別模式的技術框架，包括路側單元、車載單元和通信技術 DSRC的功能，并闡述了基于車輛身份識別模式的實現方法和流程。同時，本文以傳統的交通擁堵定價理論為基礎，建立速度-交通流關系下動態交通擁堵定價模型。影響擁堵定價的因素主要有速度-交通流關系、交通需求和廣義出行成本，對于實際的動態擁堵定價，只需要根據其中任意兩組元素即可推導出優化的交通擁堵費率。為了驗證交通擁堵定價模型，論文以廣州市城市運行分析系統數據位基礎，針對高速公路擁堵狀況求解擁堵收費費率。在確定了Drake模型基本參數、廣義出行成本參數以及道路交通運行狀態數據后，運用交通擁堵定價模型確定動態擁堵價格，提供給交通管理者優化后的擁堵費率。

[1]王健,胡云權,徐亞國.擁擠定價理論發展及對我國城市交通管理的啟示[J].交通運輸系統工程與信息, 2003, 26(3):352-361.

[2]李志純,黃海軍.彈性需求下的組合出行模型與求解算法[J].中國公路學報,2005,18(3):94-98.

[3]Pigou, A.C., 1920.The Economics of Welfare.MacMillan,London.

[4]Newbery, D.M.,.Pricing and congestion: economic principles relevant to pricing roads[J].Oxford Review of Economic Policy.1990,(6):22-38.

[5]Del Castillo, J.M.,Benitez, F.G.,.On the functional form of the speed-density relationships: general theory, II: empirical investigation[J].Transportation Research B.1995,29:373-406.