拥挤道路使用收费的理论构架

第 2 卷 第 2 期 2002 年 6 月 交 通 运 输 工 程 学 报 Journal of Traf f ic and Transportation Engineering Vol. 2 No. 2 June 2002 收稿日期: 2002-01-28 作者简介:史 峰( 1956-) 男 湖南芷江人 中南大学教授 博士生导师 从事交通运输规划与管理研究 . 文章编号: 1671-1637( 2002) 02-0078-05 拥挤道路使用收费的理论构架 史 峰 李志纯 (中南大学 经济管理学院 湖南 长沙 410075) 摘 要:拥挤道路使用收费作为现代城市交通需求管理的有效措施在理论上和实践上都具有十分 重要的意义 G 综述了拥挤道路使用收费的理论构架 包括静态拥挤道路使用收费的涵义 ~分类 ~理论 基础及动态收费理论 这对进一步研究道路使用收费有一定的借鉴意义 G 关键词: 拥挤道路使用收费;边际成本定价原理;动态收费;供需平衡 中图分类号: U491 文献标识码: A Theoretic f ramework and development on research of congested road-use pricing SHl f eng Ll zhz-ch~n (School of Economic Management Central South University Changsha 410075 China) Abstract: Congested road-use pricing an ef f ective measure of modern urban traf f ic management plays an important role in theory and practice. The paper generalizes the theoretic f ramework of road-use pricing including def inition sorts theoretic foundation of static toll and the theory of dynamic toll which is very useful for further research on congested road-use pricing. 6 f igs 23 refs. Key words: congested road-use pricing; marginal cost pricing; dynamic toll; eguilibrium of supply and demand Author resume: S~!"eng ( 1956-) male a professor of Central South University engaged in research of transportation planning and management. 随着城市化和机动化的发展 城市交通供求关 系不平衡的矛盾日益尖锐 交通供给的增加远远跟 不上交通需求的增长 交通拥堵以及由此导致的交 通事故的增加 环境污染的加剧 是中国面临的极其 严重的#城市病$之一 已经成为国民经济进一步发 展的瓶颈问题 并严重地影响了城市功能的正常发 挥和城市的可持续性发展 G 为了解决日益突出的交 通问题 各国政府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 G 然而 20 世纪 50 年代以来 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 G 近年来 随着信息 ~电子 ~通信 ~自控技术的飞速 发展 采用电子装置的自动收费变得现实可行 以此 为 背景 拥挤道路使用收费 ( congested road-use pricing)作为交通需求管理最有效的措施之一 近来 重新引起运输经济学家和交通管理人员的关注 并 在这个领域里以不同的方式进行着广泛的研究 G 拥挤道路使用收费不同于传统意义上的高速公 路(桥梁)收费 G 后者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; 而前者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 O 理论和实践表明 ~ 实行拥挤道路使用收费可以 在不影响用户综合付出的条件下产生一定的经济效 益和社会效益 ~ 不仅可以缓解道路拥挤 ~ 而且可以把 拥挤道路使用收费作为新的财政来源支持交通基础 设施建设 O 新加坡等国家在拥挤道路使用收费理论 和实践方面的有益尝试对中国有很好的借鉴意义 O 1 拥挤道路使用收费的涵义 众所周知 ~ 路网中的新增用户必然会引起路网 系统总成本(时间 ~ 燃油费用等)的增加 ~ 这是因为用 户的出行将强加给系统中其它用户一个额外成本 ~ 在 经 济 学 上 这 个 额 外 成 本 称 为 外 部 不 经 济 ( EXternality) ~ 它以噪声 ~ 污染 ~ 交通拥挤和交通事 故等的形式体现 O 拥挤道路使用收费是对特定时段 和路段的车辆实行收费 ~ 以从时间和空间上来疏散 交通量 ~ 减少繁忙时段和繁忙路段道路上的交通负 荷 ~ 同时还将促使交通量向高容量的公交系统转移 和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 ( Carpool~ Vanpoo1)的实施 ~ 实现最有效的使用道路 ~ 达到缓解交通拥挤的目的 O 拥挤道路使用收费的最初目的是为了提高公路系统 的运作效率 ~ 但拥挤道路使用收费在减少拥挤的同 时也保护了环境 ~ 减少了交通事故 ~ 并为养护道路带 来了资金( Small[1]) O 2 拥挤道路使用收费的分类 一般说来~ 高峰期拥挤是由于用户对出行时间和 旅行路线选择不当所致~ 为此~ 最优拥挤道路使用收 费应当反映出时间和空间上需求的分布~ 但是多数已 有的研究为避开交通配流和网络结构的复杂性~ 而将 拥挤道路使用收费的时间维和空间维分开处理O 拥挤 道路使用收费从时间维和空间维上可以分为静态收 费和动态收费两大类O 仅考虑空间维的拥挤道路使用 收费称为静态收费~ 仅考虑时间维而忽视网络拓扑的 拥挤道路使用收费称为时变收费 (如瓶颈道路收 费[Z~ 3]) ~ 而将时间维和空间维综合考察的拥挤道路 使用收费~ 称为动态收费 (时变收费亦属于动态收 费) O 静态拥挤道路使用收费适用于稳态(即 OD 矩阵 是固定的~ 不具有时变性)条件下的交通网络~ 它不考 虑收费的时变性~ 即是说静态收费模型不考虑当前的 收费对将来的交通拥挤水平的影响O 动态拥挤道路使 用收费考察的是旅行需求和旅行费用都是时变的~ 因 而拥挤道路使用收费也是时变的O 拥挤道路使用收费就其研究的方法来说 ~ 可以 将其分为第一最优拥挤道路使用收费 ( First-best congestion pricing)和第二最优拥挤道路使用收费 ( Second-best congestion pricing)两大类[A~ 5]O 第一 最优拥挤道路使用收费又称为边际成本定价 (因经 济学中的边际成本定价原理而得名) ~ 它假定路网中 存在完善的收费体制 ~ 通过对路网中每一路段上的 用 户课以值为边际成本通行费 MCT( Marginal Cost Toll)的拥挤道路使用收费 ~ 使用户平衡转化 为系统最优平衡状态 O 由于第一最优拥挤道路使用 收费忽视了城市交通系统的复杂网络特征 ~ 因而交 通工程师对其一直存有疑虑 O近来 ~ 一些学者将第一 最优拥挤道路使用收费推广至一般网络 ~ 提出了第 二最优拥挤道路使用收费的思想 O 第二最优拥挤道 路使用收费考虑的是在一个路网存在约束 (如资金 预算约束 ~ 通行能力约束 ~ 仅对部分路段或路径收费 等[6~ 8])的条件下的拥挤道路使用收费问题 O 第一最 优拥挤道路使用收费和第二最优拥挤道路使用收费 又分属于静态和动态收费 O 3 静态拥挤道路使用收费的理论基础 静态拥挤道路使用收费的理论基础是经济学中 的边际成本定价原理 O一般说来 ~ 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 O当道路的通行能力充足时 ~ 这种 自私 ' 的行 为不会影响到其它人的出行 O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 O此时 ~ 如 果大家都坚持原来的出行 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ~ 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 O 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 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 是用经济手段 O 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 AVC (即边际个人成本) ~ 而没有支付他们给其它用户所 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) O 用户对旅行成本的错误感知(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 O 经济学家相信 Z 缓解城市交通拥挤一个最直 第 Z 期 史 峰 ~ 等 Z 拥挤道路使用收费的理论构架 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上和时段行驶,不 想付费的人就另择它路或改变出发时间,这样,原来 拥挤的路段就被缓解了0边际成本定价原理认为,为 使整个道路系统得到最有效的利用,行驶在拥挤路 段上的用户应支付一定的费用,才能抵消它所产生 的外部不经济0 收取费用的大小等于边际社会成本 和边际个人成本之差,通过对拥挤路段上的用户征 收这样一个通行费来修正其对旅行费用的错误感 知,以保证用户在做出行决策时考虑自己的出行强 加给其它用户的外部不经济,从而,最终在达到用户 平衡的同时也达到了系统最优,因而提高了交通系 统运行的有效性,达到缓解交通拥挤的目的0 4 静态拥挤道路使用收费的定性推导 与定量描述 4. 1 静态拥挤道路使用收费的定性推导 ( 1)供需平衡关系的推导 供需平衡关系是导出边际成本定价的理论基 础,用供需平衡关系研究静态拥挤道路使用收费理 论时,费用一流量关系是核心0 Morrison[9]指出,推 导费用一流量关系的出发点是速一密曲线,众所周 知,在道路工程学中,通常使用的速一密关系曲线是 Green-Shield 线性曲线(图 1) 0 图 1 速-密曲线图 Fig. 1 Velocity-density curve 由流量 ~ 速度 ~ 密度三 者之间的关系 , 流量= 速 度> 密度, 即给定速度水 平下的车流量为速一密曲 线下方相应的矩形面积, 可以导出速一流关系曲线 图(图 2) 0 在曲线的上部分, 随 图 2 速-流曲线图 Fig. 2 Velocity-f low curve 着流量的增加,速度减小, 直到流量达到最大 Fmax, 超出这一点, 流量不可能 再增加, 试图去增加流量 的结果将导致密度增加, 流量减少, 速度降低和旅 行时间延长, 这就是拥挤 效应0由速一流曲线图,可 以很容易地导出图 3 所示的时间 流量曲线0 将图 3 的纵坐标乘上时间价值再加上运营成 本, 便得到每英里上的平均可变成本一流量曲线 AVC(或边际个人成本曲线) (图 4) 0 图 3 时间-流量曲线 Fig. 3 Time-f low curve 图 4 中, MSC 曲线为 边际社会成本曲线, 它表 示路网中增加一台车所引 起的总成本的增量0 当流 量接近通行能力(Fmax)时, MSC曲线趋于无穷,因为 此时不可能有更大的流量 发生0 图 4 成本-流量曲线 Fig. 4 Cost-f low curve 图 4 是分析边际成本 定价的基础, 在拥挤道路 使用收费的经济模型中发 挥着重要的作用0 ( 2)对供需平衡关系 的争论 在图 4 所示的成本一 流量关系曲线图中添上交 通需求曲线, 便有图 5 所 示的供需曲线图,其中 D1~ D2 为需求曲线0 对这一 关系图中,边际个人成本曲线向后弯曲部分与需求 曲线 D2 的交点即平衡点 E2 是否会出现,历史上曾 有争议,其中最有代表性的是 Else[10, 11]和 Nash[12], 图 5 供需平衡关系示意图 Fig. 5 Supply-demand curve Evans[13] 和 ~ills[14]0 Else, Walters, Johnson, ~all[15]等认为需求较高的 需求曲线 D2 与 AVC向后 弯曲段交于 E2 这一平衡 位 置 可 能 发 生0 而 Morrison[9]指出, 供需平 衡不可能发生在 AVC 向 后弯曲的那一部分, 因为 相同的流量可以以更低的成本来实现0 Newell[16]运 用波动理论分析了 AVC曲线向后弯曲段在实际中 不会出现0 Mun[17]指出, AVC向后弯曲段仅适用于 从微观上分析道路上的一个点或非常短的一个区 段;而不适于整条路段的宏观分析,并且也不能分析 交通堵塞 (又称为超级拥挤)和排队的情形0 Yang 和 ~uang[18]指出,拥挤道路使用收费中使用的成本 曲线是对两长距离位置间的路段定义的,并进一步 指出 , 对 AVC向后弯曲段,尽管从数学上可以导出 向下倾斜的 ~ 在通行能力处趋于负无穷的边际成本 曲线 MSC2,但它们对于分析社会最优流量没有意 义,而且它们与流量的负向变化意味着给用户一个 补贴而非收费0 由此在利用供需平衡关系分析拥挤 道路使用收费时, 无需考虑 AVC 曲线向后弯曲部 08 交 通 运 输 工 程 学 报 2002 年 分,即速 流曲线的下分支或时间 流量曲线的上 分支 O ( 3)静态拥挤道路使用收费的供需平衡分析 图 6 边际成本定价原理示意图 Fig. 6 Marginal cost pricing curve 为方便分析静态拥挤 道路使用收费原理, 将前 面讨论的供需平衡关系结 果用更清楚的图 6 表示 O 图中 D 为需求曲线, AVC 为边际 个 人 成 本 曲 线, MSC 为边际社会成本曲 线 O 这里需要说明一点的 是, 供需平衡关系中所讨 论的交通流为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 情形, 即是同质 ( homogeneous) 的 交 通 流 ( Else[10*11], Evans[13], Yang 和 ~uang[15, 18] ) , 它们在相同路段上沿相同的方向运 动,路段上仅有一个入口,一个出口,并且除通行能 力约束外,没有任何因素能阻碍交通流的移动 O 由前面介绍的拥挤道路使用收费原理,在任何 需求水平下, 边际社会成本曲线 MSC 与边际个人 成本曲线 AVC的差反映了该需求水平下的拥挤成 本 O 当路网不收费时,由于用户仅考虑自身的成本, 平衡在需求曲线 D与边际个人成本曲线 AVC的交 点 A 处达到,此时用户忽略了他们强加给其它用户 的外部不经济,任何用户将以大于他 (她)所感知的 费用D1A出行,即以D1M出行 O 结合经济学原理 , 完 善的市场条件下,资源的有效配置发生在所有商品 和服务的价格都是基于边际社会成本上定义的;边 际成本等于边际效益时的均衡价格是最优的 O因此, 从图中可以看出,最优流为边际社会成本曲线与需 求曲线 D的交点 B所对应的需求 D2 处 O 从系统的 角度来说,不收费下的实际需求是超负荷的,因为第 D1 个用户仅得到的效益为D1A,而他(她)引起的边 际社会成本为D1M,此时用户的出行给系统带来了 AM的损失 O 超出最优流 D2 的交通量D2D1所产生的 总成本为D1MBD2所围成的面积, 而这些交通量所 获得的效益为D1ABD2所围成的面积, 因此福利损 失为AMB所围成的面积 O 对于超出需求 D2 的其它 需求水平有类似的结果 O 低于 D2 的需求也不是最 优的,因为它将使得路网潜在消费者剩余没有被充 分地利用 O 在最优需求 D2 处,拥挤道路使用收费为 BE= D2B D2E(边际社会成本减去边际个人成 本 ) ,在这个收费下,路网的经济效益EBCDCE(总效 益减去总成本或消费者剩余加上政府通过收费取得 的收入)将达到最大 O 应当指出,第一最优拥挤道路 使 用 收 费 不 一 定 会 完 全 消 除 拥 挤 和 排 队 ( Evans[13]) ,这是因为拥挤道路使用收费是通过使 交通需求从 D1 减少到 D2 而使经济效益达到最大 的 O 流量从 D1 变到 D2, 用户的旅行成本节省了 CA CE, 而为减少拥挤, 用户支付的拥挤费为 CB CE, 前者总是小于后者, 因此拥挤道路使用收 费会带来一定的经济收入,这些收入可用来改建交 通基础设施和改善公共交通 O 拥挤道路使用收费的定量描述 假设路网中所有用户都具有相同时间价值,设 Uc 为路段 c 上的流量; tc( Uc)是路段 c 上由行驶时间 折算的成本,它是 Uc 的严格增 函 关于工期滞后的函关于工程严重滞后的函关于工程进度滞后的回复函关于征求同志党风廉政意见的函关于征求廉洁自律情况的复函 数;则路段 c 上所 有用户的总行驶成本是 T= Uctc( Uc) O 若不考虑其它 固定费用支出,则边际个人成本是 MPC= tc( Uc) ,边 际社会成本是 MSC= tc( Uc) -Uc dtc( Uc) dUc , 边际成本 定价原理认为,收费水平应设置为 Uc dtc( Uc) dUc , 即每 一个新增用户给系统带来的外部不经济 O 5 动态拥挤道路使用收费 在静态收费理论中,出行需求和出行成本不随 时间发生变化,因此静态模型收费理论不能分析车 辆排队的消涨过程,不能分析用户关于出行时间的 决策行为,不能分析不同时间价值的人们对收费政 策的不同反应,不能实现动态的收费体制[3, 19]O Vickrey[2]应用确定性排队理论, 首先在 1969 年提出了道路收费系统的动态模型 瓶颈模型 O 瓶颈模型假定用户行驶于一条连接生活区和工作区 的公路上,公路入口处有一个通行能力有限的瓶颈 O 所有用户都想在上班时刻到达工作区,但受瓶颈能 力限制,这是不可能的,总会有一些人早到一些人迟 到 O 早到和迟到的费用称作计划延误费用( schedule delay cost ) O 不收费时,出行费用由行驶时间费用 (包括走行时间和等待时间)和计划延误费用两部分 构成 O每个用户对何时从生活区出发进行决策,以减 少其出行总费用 O当系统达到平衡时,所有用户的出 行总费用相等 O在动态收费方式下,一定时刻的收费 水平等于不收费平衡时该时刻用户的等待时间费 用,这样就能以收费取代排队等待时间费用使平衡 条件满足,瓶颈满负荷运行且无排队现象 O收费并未 改变高峰期间,总计划延误费用不变,但总行驶时间 费用中,由于消除了排队等待时间费用而使整个系 18第 2 期 史 峰,等 , 拥挤道路使用收费的理论构架 统达到社会最优 瓶颈模型作为内生出发时间的排 队拥挤模型 清晰地论述了排队拥挤的消涨过程和 用户的出行时间决策 但其中严格的假设条件使模 型过于简化 为增强模型的现实性 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[18 0]或用户存在属性差异[ 1]或在一般的 路网结构中研究动态收费[ 3]等情形 结 语 作为一项交通需求管理政策 拥挤道路使用收 费在理论上是最为有效的控制交通需求 缓解交通 拥挤的措施之一 它可以引导和调节交通流量 达到 缓解城市交通拥挤的目的 同时也增加了城市的财 政收入 拥挤收费带来的财政收入还可以作为交通 项目建设的资金来源 收费削减了交通量 从而也就 减少了城市的环境和噪声污染 在道路收费系统中 静态收费理论研究得相对成熟 但其严格的限制条 件使其不能很好地反映交通系统的现实特征 近来 关于动态收费的研究开始活跃起来 被视为未来若 干年内交通科学中的一个研究热点 本文综述了静 态和动态收费的理论构架 这对今后开展进一步的 研究有一定的导向作用 参 考 文 献 , References , [1] Small K A . 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