基于四階段法的市區段高速公路差異化收費交通影響評估

盧而侃,饒 瑤,陳子安

（浙江省交通運輸科學研究院交通發展研究中心,浙江 杭州 310012）

0 引言

2016年8月，交通運輸部發文《關于推進供給側結構性改革促進物流業“降本增效”的若干意見》，其中提出探索高速公路分時段差異化收費政策、提高高速公路通行效率的要求。2021年6月，交通運輸部、國家發展改革委、財政部聯合發文《全面推廣高速公路差異化收費實施方案》（交公路函〔2021〕228號），要求各地充分考慮本地路網結構及運行特點等因素，因地制宜地制定高速公路差異化收費方案，全面推廣差異化收費。由此可見，未來高速公路差異化收費在全國范圍內推廣的勢頭必定會更加兇猛。

國內外對于高速公路差異化收費交通影響評估的學術研究，還沒有特別的豐富，而研究內容與高速公路收費調整比較相近的可以上溯到20世紀90年代。李世武[1]等采用變異的重力模型，把高速收費費率作為重要參數，并以長平高速公路為例子，預測了高速公路的轉移交通量。馮云才[2]將出行時間消耗與舒適度乘以相應的系數轉換為費用，以選擇某一條路的綜合費用為效用函數，建立轉移率模型來預測高速公路的交通量。蒲之艷[3]采用多路徑概率分配算法，搭建交通量轉移測算模型，分析不同車型車輛的高速公路轉移率對高速公路費率變化的敏感性。譚先林[4]等采用交通流量多路徑分配算法對高速公路收費費率的高低對高速公路交通量的影響進行了深入研究，最后針對不同車型，給出了不同的最優高速費率。李冬梅[5]構建MNL模型，在前人科研的基礎上，追加擁擠收費費率這個參數，研究了高速公路交通流量大小與高速公路費率之間的關系。李峰[6]提出采用LOGIT模型來匡算收費調整后高速公路的轉移交通量，并提出可以將該模型融入傳統四階段法中的建議。王獻香[7]等對于高速公路收費調整后對周邊公路網、城市道路的影響，創造性地提出了一些有用的評價指標，包括道路基礎設施使用的均衡性、核心骨干道路的服務能力、出行者出行的綜合成本、可達性等，但對具體評價方法未提及。

為了更進一步貫徹落實《全面推廣高速公路差異化收費實施方案》的要求，全面推廣高速公路差異化收費，更好地起到“調流”“減費”“提效”的作用，該文提出一種可用于評估市區段高速公路差異化收費交通影響評估的方法，并以某地市兩條平行高速公路（申蘇浙皖、申嘉湖高速公路）實施差異化收費為例，對該方法加以應用，對國內其他城市進行相關研究可以起到實踐指導作用，具有一定的借鑒意義。

1 基于“四階段”交通模型的高速公路差異化收費交通影響評估方法

1.1 “四階段”交通模型建模流程

適用于高速公路市區段的“四階段”交通模型建模流程大致分為數據采集、數據分析、交通生成、交通分布、交通方式劃分、交通分配與模型校核幾個部分，詳見圖1。

圖1 “四階段”建模流程

數據采集階段主要進行出行意愿調查與OD調查，該次實地調查意在獲取不同特征人群對普通國省道、城市道路、高速公路的選擇傾向性。問詢調查包括三類調查項目：意向選擇特征、個人基本特征、出行特征。

（1）意向選擇特征包括出行的目的、出行的情景選擇以及駕駛的車輛類型等。

（2）個人基本特征包括性別、職業、收入水平。

（3）出行特征包括車籍所在地與出發地及目的地。

1.2 路網構建

路網構建即利用地理信息系統繪制道路網絡，并建立路網數據庫存儲道路名稱、道路等級、車道、設計速度、單雙向、通行能力等屬性數據。其中，通行能力的計算尤為重要，以下分別介紹下高速公路與城市道路的通行能力計算方法。

（1）高速公路通行能力計算公式如下：

式中，C——設計速度V下的實際通行能力（pcu/h）；C0——設計速度V0的基本通行能力（pcu/h）；fw——車道寬度修正系數；fsw——路肩寬度修正系數；fHV——車型修正系數及車道數；N——車道數。

（2）城市道路網絡通行能力計算如下：

式中，C——設計速度V0下的實際通行能力（pcu/h）；C0——設計速度V0下的基本通行能力（pcu/h）；fN——車道折減系數。

1.3 小區劃分

一般來說，交通小區內的用地性質、交通特點等應盡量保持一致。通常，交通小區的劃分應遵循以下原則：

（1）相似原則：交通小區內土地利用和人口構成盡可能相似，某些重要屬性（如居民的收入）不宜相差太大。

（2）均衡原則：以出行時間為衡量標準，交通擁擠路段車輛移動緩慢，因此交通小區劃分在交通擁擠路段比非擁擠路段更為細致，土地利用強度高地區比強度低地區更細致，直接影響區域比間接影響區域更細致。

（3）分隔線原則：以天然、人工障礙設定邊界線，同時避免將主要道路作為小區的邊界線。

1.4 交通生成

出行總量采用原單位法進行計算，計算公式如下：

式中，TP——交通生成量（人次/日）；P——區域總人口（人）；ρ——人均出行次數（次/日）。

一般來說，出行吸引總量與發生總量是相等的，即TA=TP。通過計算各個交通小區居住、商業辦公、工業、教育科研、物流倉儲用地單位面積出行吸引率來確定各小區的出行吸引量。出行吸引率計算公式為：

式中：βk——用地性質k出行吸引率；TA——吸引總量；δ——調查居民出行目的地為用地性質k的比例；Sk——用地性質k總面積。

1.5 交通分布

交通分布采用重力模型進行交通分布，計算公式如下：

式中，qij——交通小區i到交通小區j的交通量；Oi、Dj——分別為小區i的發生交通量和小區j的吸引交通量；ai、bj——待標定系數；f(cij)——交通阻抗函數，根據居民出行調查結果進行標定。

1.6 方式劃分

根據家訪調查數據分析得到各交通小區各交通方式的出行比例，建立各個小區間各種交通方式分擔比例矩陣，從而將總出行OD矩陣劃分為各種交通方式的OD矩陣。

1.7 交通分配

1.7.1 BPR函數標定

BPR函數用于估算車輛路段行程時間，反映了路段行程時間隨路段飽和度的動態變化特性，其數學表達如下：

式中，t——車輛的實際路段行駛時間；t0——車輛在自由流速度下的路段行駛時間；v/c——路段飽和度，α、β為參數。

1.7.2 廣義道路阻抗函數標定

廣義費用函數主要用于衡量車輛在路段上行駛的綜合成本，其中須包含車輛的實際行駛時間、車輛的油耗費用、高速公路行駛的費用等。計算公式如下：

式中，C——廣義費用（min）；Time——路段行駛時間（min）；λ——車輛每千米行駛費用，根據車輛百千米油耗及當地油價取0.8元/km；Dist——行駛距離；Toll——收費站費用；vot——時間價值。

1.7.3 交通分配

交通分配常用用戶平衡（User Equilibrium，UE）模型和系統最優（System Optimization，SO）分配模型。該次研究基于用戶平衡分配方法對交通流進行分配。用戶平衡分配方法指的是遵循Wardrop第一原理的分配方法，Wardrop第一原理指的是，在出行者都明確知道路網的實際運行狀態并都選擇對個人來說最短的出行路徑時，整個道路網絡就會達到平衡狀態。

1.8 差異化收費方案實施效果評估方法

差異化收費方案實施效果的評估主要從兩個角度來展開。首先是方案補貼金額的測算，其次是方案的交通影響評價。其中，方案的交通影響評價主要從高速公路服務水平、收費站通行余量、高速公路連接線服務水平和主要道路服務水平四個方面分別評價。

1.8.1 補貼測算

補貼測算指的是差異化收費方案實施后財政支出總額的預估值，是差異化收費政策實施主體最在意的數值。

全年減免總額計算公式如下：

式中，A——全年減免總額（萬元）；n——全年345天；f——方案實施后高峰小時收費金額（元）；Kp——高峰小時流量比。

1.8.2 交通影響評價

（1）高速公路服務水平評價。將差異化收費方案輸入交通模型之后，計算得到目標高速公路每一段的高峰小時交通量預測值。將目標高速公路的高峰小時交通量預測值除以高速公路的通行能力得到“v/c”，參考《公路工程技術標準》（JTG—2014）的要求（見表1），對方案實施后的高速公路服務水平進行評價。

表1 高速公路服務水平分級表

（2）收費站通行余量評價。首先，將差異化收費方案輸入交通模型之后，計算得到差異化收費方案涉及的幾個主要收費站的進出站高峰小時交通量預測值。其次，統計差異化收費方案涉及的幾個主要收費站的出、入口數量，計算出各個收費站的高峰小時最大服務交通量。最后，用各個收費站的高峰小時最大服務交通量減去進出站高峰小時交通量預測值計算得到收費站的通行余量。

（3）高速公路互通連接線服務水平評價。將差異化收費方案輸入交通模型之后，計算得到差異化收費方案涉及的幾條高速公路互通連接線的高峰小時交通量預測值。將高速公路互通連接線的高峰小時交通量預測值除以該路段的通行能力得到“v/c”，再與現狀該互通連接線的“v/c”值做對比。

（4）主要道路服務水平評價。將差異化收費方案輸入交通模型之后，計算得到與政策范圍內高速公路平行的主要國省道、城市道路的高峰小時交通量、v/c、運行速度預測值。采用前后對比法，計算預測值與實際值的變化率。

2 高速公路差異化收費交通影響評估方法的應用

2.1 出行意愿與OD調查

在某地市交通運輸局、某地市交通建設管理局及某地市交警大隊的大力支持下，對部分道路展開了居民出行意愿問卷調查，調查選取研究范圍內23個道路斷面作為調查點。

2.2 居民出行特征

調查結果顯示，某地市居民出行目的中最主要為上下班，占比為60%，另外出差、回家、探親訪友以及其他分別占比10%、9%、4%、14%，其余出行目的占比為2%以下，見圖2。

圖2 出行目的構成

調查結果顯示，車輛類型最主要為小客，占比為83%，其余依次為小貨、中客、大貨，分別占比11%、3%、2%，見圖3。

圖3 車輛類型比例圖

2.3 高速公路現狀交通特征分析

根據統計數據，申蘇浙皖高速公路上南太湖至湖州段實際斷面流量約20 982 veh/d，湖州至織里段實際斷面流量約23 138 veh/d，織里至南潯段實際斷面流量約23 573 veh/d，取高峰小時系數為0.096，可以看到該高速在某地市段單向高峰小時交通量約2 100 pcu/h，且全段交通量分布較為均勻，湖州互通以東交通量略高于以西交通量。

南太湖收費站的流量遠低于其他三個收費站，約為600輛/天；湖州收費站流量最高，約為4 000輛/天；其次為南潯收費站，流量約為3 800輛/天；織里收費站較低，流量約為2 900輛/天。

高速出行呈現明顯的早晚高峰。早高峰出現在8：00—9：00，晚高峰持續時間較長，出現在16：00—18：00，高峰小時交通量約占全日交通量的9.6%，見圖4。

圖4 高速公路出行時間分布圖

2.4 差異化收費方案

按照交通運輸部對高速公路差異化收費的要求，借鑒其他城市的實施經驗，綜合考慮方案實施難度、實施效果、車主需求、高速公路業主利益、政府財政合理支出等因素，提出以下2種收費優惠方案供選擇：

方案一：優惠政策限車籍所在地為某地市的ETC一類客車（以公安交通管理部門提供數據庫為準），該類車輛在申蘇浙皖高速上行駛且出入南太湖互通、某地市互通、織里互通、南潯互通四個收費站時給予通行費優惠。

方案二：優惠政策為ETC所有一類客車（以公安交通管理部門提供數據庫為準），該類車輛在申蘇浙皖高速上行駛且出入南太湖互通、某地市互通、織里互通、南潯互通四個收費站時給予通行費優惠。

2.5 路網構建與小區劃分

構建了包含高速公路、國省道、縣鄉道、主干路、次干路、支路等在內的道路路網。再根據研究區域內道路布局、鄉鎮行政區劃等劃分出交通小區。

2.6 交通生成與交通分布

為了直觀地反映各個交通小區之間的流量大小，將OD表所提供的數據分配到劃分好的交通小區的地圖上，以質心代表交通小區，將各個小區連接起來，其中線的粗細與交通量大小成一定比例，就形成了期望線圖，圖5為該地市的出行期望線圖。

圖5 出行期望線圖

2.7 方式劃分與交通分配

根據居民出行調查數據，對出行分擔率統計如圖6所示。

圖6 出行分擔率統計圖

交通分配常用非平衡分配和平衡分配方法。此次基于用戶平衡分配方法對交通流進行分配。初步分配得到的道路交通流量帶寬圖如圖7所示，圖中線的寬度代表交通量的多少。

圖7 交通流量分配帶寬圖

2.8 實施效果評估

高速公路差異化收費方案實施之后，原本行駛于高速公路平行的國省道、城市道路上的小客車被轉移至高速公路上，提高了高速公路的利用率，緩解了地方道路的擁堵，提高了地方道路的平均運行速度，增加了高速公路收費站的進出站交通量以及高速公路互通連接線的交通量，具體指標變化情況見表2。

表2 不同方案指標變化表

所有ETC一類客車免費方案與ETC湖州牌照一類客車方案相比，高速公路斷面交通量增長率增加了11%，收費站高峰小時通行余量平均值減少了10 pcu/h，主要道路流量減少了1%，主要道路速度增加了0.6%，高速公路互通連接線v/c增加值增加了0.03，但是財政補貼金額要增加1 200萬元左右，單位補貼金額帶來的效益提升并不顯著。

3 結論

該文首先提出了一種基于“四階段”法的市區段高速公路差異化收費交通影響評估方法，并從補貼測算、高速公路服務水平、收費站通行余量、高速公路連接線服務水平和主要道路服務水平五個角度對差異化收費政策的實施效果進行評價。然后，以國內某地市為例，將該方法加以應用，并得到如下結論：所有ETC一類客車免費方案與ETC湖州牌照一類客車免費方案相比，高速公路利用率的提高，地方道路的緩堵、提速作用等效果相對較好，但是財政補貼金額要增加1 200萬元左右，單位補貼金額帶來的效益提升并不顯著。