高速公路ETC交通效益评价研究

刘东波

(公安部交通管理科学研究所,江苏无锡214151)

高速公路ETC交通效益评价研究

刘东波*

(公安部交通管理科学研究所,江苏无锡214151)

以建设节约型交通为发展目标,以科学性、系统性以及可操作性为原则,在充分考虑投资者、管理者与使用者意见的基础上将车辆运行速度、行车延误、通行能力、交通安全、交通噪声污染,以及车辆尾气排放相结合构成ETC交通效益评价指标体系.通过定性与定量相结合的方法,给出各评价指标的量化值.运用数据包络分析法(DEA)对不同交通流状态下ETC建设项目的交通效益进行超效率分析.最后通过实例验证不仅给出了不同交通量条件下ETC建设项目的交通效益超效率量化值,而且将不同交通量所对应的效益值相对比,从而找出导致效益较低的根本原因,并有针对性地采取改进措施.

智能交通;交通效益;DEA评价方法;不停车收费系统;指标体系;节约交通

1 引 言

交通行业是国民经济的基础性、先导性、资源密集型产业,在现阶段,建设节约型交通必然成为建设节约型社会的重要内容与发展趋势.随着高速公路网与智能交通系统(ITS)的不断发展,电子收费(Electronic Toll Collection,简称ETC)技术被逐渐采用.

电子收费系统以非现金、非手工方式,自动完成与交通相关的收费交易过程,大大地提高了收费的运营效率.实践已证明,采用电子收费系统可以从根本上解决人工收费造成的交通堵塞和拥挤问题,大大提高道路的通行能力,减少车辆因停车收费造成的能源消耗及尾气排放带来的环境污染,是目前高速公路建设节约型交通的主要发展趋势与措施.例如,美国新泽西州高速公路管理局的电子收费系统使各种车辆在收费站的延误减少了85%,每年因延误损失经济效益达1 900万美元[1].

与传统的交通基础设施建设项目相比,ETC系统建设项目投资较大,且社会经济影响比较广泛,因此,有效地选取评价指标并估测其交通、经济效益是投资者、使用者及政府等各方面都关心的问题.然而,在现有的ITS建设项目评价中并没有专门的、详细评价ETC建设项目效益的方法,对ETC自身建设项目进行评价时也主要是考虑其整体社会经济效益,并没有全面、详细地量化项目所产生的交通效益,致使人们无法客观、准确认识ETC系统建设给社会所带来的交通效益及对发展节约型交通的促进作用,影响了ETC建设项目的良性、有序发展[2].

本文以建设节约型交通为理念,综合考虑项目决策者、投资者和社会公众三方面的意愿,选取合适的交通效益评价指标,并采用数据包络分析法(DEA)作为评价方法进行超效率量化分析,既能准确度量其对建设节约型交通的贡献,也能全面评价ETC建设项目经济与社会效益.

2 ETC交通效益评价指标体系

评价指标体系的构建应当能充分反映和体现节约型交通发展的内涵和要求.建立ETC项目交通效益评价指标体系,本质上就是寻找一组具有典型意义,同时能全面反映项目各方面交通经济影响的特征指标,这些指标能恰当地表达人们对ETC项目评价目标的定量判断[2].

本文本着系统性、科学性、定性与定量相结合及可操作性原则,在充分考虑投资者、管理者与使用者意见的基础上,从通行能力、运行速度、时间延误、交通安全、噪声污染及尾气排放6个方面确定了ETC项目交通效益的综合评价指标体系,如图1所示.

图1 高速公路ETC系统评价体系Fig.1 ETC evaluation system of freeway

指标层中的指标体系根据属性可以分为两类,一类是负向指标(越小越好),一类是正向指标(越大越好).通过测量、调查或者VISSIM仿真计算,就可以得到各评价指标的量化值.

2.1 通行能力

收费站通行能力的主要决定因素是收费车道数、每个车道提供的服务、车辆通过的速度(收费处理速度)、每个车道通过的交通量比例、车道的类型(单服务车道混合车道)等,其计算模型如下[3]:

式中 C——收费站的通行能力;

H——提供单项服务的车道的通行能力之和;

B1、B2——混合车道中用户的交通量及其他用户的交通量;

NE——ETC专用车道数;

SE——ETC单车道的服务能力;

PE——ETC用户的比例.

2.2 时间延误

人工判别车型平均收费时间在10-15秒左右,车辆通行速率受到很大限制.ETC系统使用后,整个收费时间缩短,每收发一次车辆信息有效时间仅需3.3 s左右.时间延误减少产生的效益计算式如下[4]:

式中 C——单ETC车道通过率(辆/小时);

K——设置ETC车道数;

Tr——人工收费延误时间(s);

Te——电子收费延误时间(s);

TC——单车时间价值(元/小时).以标准小客车为例,其平均载客人数(含司机)约为3.5人(多个项目的调查平均值);依据不同地区经济发展水平(以人均国内生产总值表示),测算得出相应的时间价值.

2.3 车辆区间运行速度

在评价收费站服务水平时,延误与区间速度是最主要的指标,区间速度是指车辆行驶路程与通过该路程所需要的总时间(包括停车时间)之比.对于ETC建设项目,本文选取ETC收费站前后总长1 km为车辆行驶的路程,相应的时间为通行时间,即

式中 S——车辆行驶的总路程;

T——通过该路程所需的总时间.

2.4 ETC系统对交通安全的影响

在收费区,常出现的交通事故主要有追尾、侧撞、撞固定物等类型.影响收费区交通安全的主要因素有:收费车道收费形式配置、车辆加速度、通过速度、车道数和跨车道车流量.ETC系统的实施使得这些因素发生变化,因而收费区的交通安全状况也随之变化.

本文选择事故率作为交通安全方面的评价指标.事故率是指通过收费亭的每百万辆车的事故数,即

式中 CRS——收费区域事故率;

A——在分析时段内的事故数(可由已建ETC且交通量相当的收费站处获取数据);

T——分析时段的大小,单位为年;

ADT——日平均交通量.

2.5 噪声污染

在交通工程学中,可以用Leq来衡量声压的大小.Leq是反映被测时间区段内(T)的噪声能量的平均值,常用以下公式表达:

式中 Li——时间Ti所量测到的声级;

T——为测量的总时间,T=Σti;如果连续测量,则有

2.6 尾气排放

高速公路采取ETC收费系统以后,车辆在收费站处的平均延误减少,将导致车辆的尾气排放量也减少.在这种情况下,测算出每小时内车辆尾气排放减少的收益价格后,就可以根据如下公式计算由于延误减少而导致的尾气排放减少所得到的效益.

式中 Bfs——由于废气排放减少获得的收益(元);

Qkh——年客、货运交通量(辆/年);

t——全年延误减少数(年);

Pf——每车小时尾气排放减少的收益价格(元/车·小时),统计计算为4.21元/车·小时.

3 数据包络分析方法(DEA)

数据包络分析方法(DEA)以相对效率概念为基础,用于评价具有相同类型的多投入、多产出的决策单元是否有效的一种非参数统计方法[5].假设有n个部门或单位(称为决策单元,DMU),这n个决策单元都是具有可比性的.每个决策单元都有m种类型的输入(表示该决策单元对“资源”的耗费)和s种类型的“输出”(它们是决策单元在消耗了“资源”之后,表明“成效”的一些指标.)根据建立的指标体系,通常以负向指标作为输入指标,以正向指标作为输出指标.这里,Xj=(x1j,x2j,…, xmj)T和Yj=(y1j,y2j,…,ysj)T分别为DMUj的输入向量和输出向量,j=1,…,n;v=(v1,v2,…,vm)T和u=(u1,u2,…,us)T分别为与m种投入和s种输出对应的权向量,为变量.考察DMUk的效率评价问题:以DMUk效率评价指数hk=为目标,以所有的决策单元的效率指数为约束,构成如下的规划问题[6]:

令

因此上式规划问题化为线性规划问题为

4 实例分析

本文以长吉高速(长春至吉林)某收费站ETC系统的实测数据为依据,设计的评价方案包括每条ETC车道的交通量分别为600、800、1 000、1 200、1 400 pcu/h(分别为DMU1-DMU5),评价不同交通流量下建设ETC车道交通效益效率值的大小.根据交通效益评价指标计算方法,对建设一条ETC车道时的指标值进行计算.根据Vissim交通仿真软件对不通交通流量下收费站前后1 km的运行状况进行模拟仿真,模拟参数如表1所示.

根据式(1)-式(6)计算各DMU输入输出指标,计算结果如表2所示.

根据数据包络分析方法将指标分为正向与负向指标,正向指标为通行能力与运行速度(越大越好),负向指标为时间延误、事故率以及交通噪声污染(越小越好).

表1 模拟仿真数据结果Table 1 Results of simulation data

表2 ETC建设项目评价指标计算结果Table 2 Calculations of ETC construction project evaluation index

对待估的DMU1输入输出数据进行超效率数据包络分析,可得:

运用规划软件lindo进行最优分析得DMU1的效率值为1.00.同理可以对其它决策单元进行超效率计算,计算结果如表3所示.

表3 超效率分析计算结果Table 3 Calculation results of the super-efficiency analysis

分析结果表明,在只考虑交通效益的大小时,当交通量为1 000(pcu)时,建设一条ETC车道的交通效益最大,交通量为800(pcu)其次,当交通量为600时建设ETC车道的交通效益最小.由效率评价结果分析得知,在交通量较小时,由于通行能力、尾气排放及时间延误较小而导致交通效益较低;当交通量较大时,由于运行速度较小、事故率及交通噪声的增大而导致交通效益较小.

5 研究结论

本文在深入分析ETC项目对高速公路交通产生的各种影响的基础上,建立了ETC项目交通效益评价指标体系及其量化方法,并给出了交通效益的DEA评价模型.实例分析表明,该评价方法不但可以评价ETC项目的交通效益,而且可以根据不同交通量所对应的效益值,找出导致效益较低的根本原因,并有针对性的采取改进措施.然而,由于交通效益的内涵随着社会的发展在不断变化,每一个ETC建设项目又有其自身的特点,因而评价指标体系在应用时还需要根据实际情况做进一步的优化.

[1] Seiford L M.Data envelopment analysis of the art[J]. Journal of Production Analysis,1996,7(07):99-137.

[2] 壬成祥.高速公路不停车收费系统[J].安防科技, 2003,3(05):47-49.[REN C X.Electronic toll collection system of expressway[J].Security&Safety Magzine 2003,3(05):47-49.]

[3] 贾鸿飞,隽志才,等.电子收费系统(ETC)社会效益分析[J].系统工程理论与实践,2004,01(07):121-134.[JIA H F,JUAN Z C,et al.Socio-economic analyses for electronic toll collection projects[J]. Systems Engineering-theory&Practice,2004,01(07): 121-134.]

[4] 王利杰.高速公路ETC社会经济效益评价研究[D].南京:东南大学,2005.[WANG L J.A study on the evaluation of socio-economic benefit for ETC projects [D]Southeast University,2005.]

[5] 王全文.DEA方法的进一步研究[D].天津大学, 2008.[WANG Q W.The further research on the DEA-method[D].Tianjin University,2008.]

[6] 魏权龄.数据包络分析[M].北京:科学出版社, 2004.[WEI Q L.Data envelopment analysis[M]. Beijing:Science Press,2004.]

Traffic Performance Evaluation of Access-controlled Highway ETC Systems

LIU Dong-bo
(Traffic Management Research Institute,Ministry of Public Security,Wuxi 214151,Jiangsu,China)

With the goal of developing a resource-efficient traffic environment,this paper puts forward traffic performance evaluation system for highway ETC systems based on the principle of scientific,systematic and operability.It consideres the views of investors,managers and users and integrates the elements including vehicle travel speed,traffic delay,highway capacity,traffic safety,noise pollution and gas emission.Through a combined methodology of qualitative and quantitative research,it develops a system of quantified criteria for evaluation.Furthermore,it conducts extra-performance analyses on the ETC construction projects under various traffic flow conditions by applying the data envelopment analysis(DEA). This paper gives the ultra-efficient quantized value of the ETC construction projects under different traffic conditions as an example.It also works out the relative ratio of the effective value corresponding to different traffic to find out the root causes of low efficiency and to propose corresponding measures.

intelligent transportation;traffic performance;DEA evaluation;electronic toll collection (ETC);system of criteria;resource-efficient traffic

U491Document code: A

U491

A

1009-6744(2013)04-0182-05

2013-01-08

2013-04-24录用日期:2013-05-07

刘东波(1975-),男,吉林大安人,副研究员,工学硕士.

*通讯作者:dbliu@vip.sina.com