高速公路相同起止站通行费二义性比例分配

罗　淘，　吴呈鑫

(中海网络科技股份有限公司，上海 200135)



高速公路相同起止站通行费二义性比例分配

罗淘，吴呈鑫

(中海网络科技股份有限公司，上海 200135)

摘要:在高速路网不断扩大、路网结构日趋网状化的背景下，高速公路通行费二义性拆分开始成为各省市重点研究的课题。为解决显著存在的二义性高速公路收费额分配问题，使模糊路径拆分分配做到公平、公正、高效，参考国内多个省市的路径拆分分配规则，结合重庆高速公路路网分布，提出一种基于二义性路网拆分非精确识别的车辆路径模糊拆分算法，即相同起止站二义性比例分配法。该方法可满足高速公路经营业主对通行费拆分公平、公正、高效性的要求，在实际运行过程中起到了良好的效果。

关键词:高速收费；二义性；拆分规则；模糊比例拆分

0引言

近年来，随着我国高速公路飞速发展，各省市的高速公路里程数及路网密度均显著提高，对于起始站与终止站之间有多条路径的区域，存在显著的二义性高速公路收费额分配问题。目前各省市已基本解决可以识别的车辆路径(即精确路径)拆分问题，但对于不可识别的车辆路径(即模糊路径)拆分问题的解决方案仍在探索中。

由于高速公路经营业主最关心的是通行费拆分是否公平、公正、高效，同时对无法达到100%精确路径拆分的不可识别车辆路径问题也较为关注，因此如何对模糊路径拆分分配做到公平、公正、高效是值得研究的课题。这里参考国内多个省市的路径拆分分配规则，结合重庆市路网分布，提出一种基于二义性路网拆分非精确识别的车辆路径模糊拆分算法，并在实际运行过程中验证其效果。

1行业研究现状

高速公路通行费拆分遵循车辆实际行驶路径基本原则，即将出口收取的高速通行费按照实际行驶路段的里程和单价，按比例分配给涉及到的高速公路营运公司。当高速公路路网结构比较单一，只存在射线类高速公路简单交织的情况时，车辆行驶路径唯一，拆分路径不存在争议性问题。当高速公路路网呈现环线或网状结构时，仅有起止站信息将无法确定车辆实际的行驶路径，即存在高速公路二义性区间争议问题。因此，需要一种二义性路径标示技术来解决二义性区间高速公路通行费拆分问题。图1为二义性区间示意。

图1　二义性区间示意

目前高速公路二义性路径标示技术方案一般采用射频识别法和车牌识别法两种，其中：射频识别法投资较多，一般在精确收费时使用；车牌识别法投资较少，识别率相对较低，对网络传输系统的稳定性要求较高。

重庆高速公路联网收费系统采用“最短路径收费、精确路径拆分”规则，在考虑将各营运公司二义性路段识别区域覆盖最大化及节约投资额的原则下，一般将车牌识别二义性标示站建设在各营运公司二义性区间起点和终点路段范围内附近。截至2015年9月，重庆高速路网共建设有22个车牌识别二义性标示站，8家高速公路营运公司受二义性区间的影响。重庆高速公路二义性标示站部署见图2。

图2　重庆高速公路二义性标示站部署

无论是射频识别法还是车牌识别法，都存在高速公路行驶车辆无法完全正确标示行驶路径的情况，特别是车牌识别法，因存在车牌模糊、车辆速度、天气变化及识别算法等因素，导致超过10%的车辆无法被精确识别，最终导致大量通行费用无法被精确分配。

针对无法正确标示车辆行驶路径的问题，全国各省市已采用相关解决方案，可归纳为以下3种:

(1) 最短路径法,即认为车辆在二义性区间内总是按照最短的路径行驶，将通行费分配给最短路径上的高速公路经营业主;

(2) 协商分配法,在不能精确判断车辆路径时，考虑采用“以最短路径为主体、协商拆分为补充”[1]的综合方法来解决路径识别问题,其应用的前提条件是各路段业主能通过协商达成一致，对解决路网结构简单、各路段容易达成一致的多路径问题比较适用;

(3) 二义性区间内比例分配法,即认为车辆在二义性区间内沿各条路径行驶存在一个稳定的比例分配，通常用各条路径上精确识别的车辆拆分金额比例来分配模糊路径的通行费金额[2]，比例的取值范围通常采用同一天或固定周期范围内的精确拆分金额比例。

2既有算法分析

2.1最短路径法分析

最短路径法即按照车辆行驶的起止站之间的最短路径进行通行费分配。在考虑到未精确识别的车辆所占的比例较低，且车辆行驶原则无特殊(即按最短路径行驶原则并假设高速路网较为简单)时，最短路径分配法可勉强完成模糊路径拆分任务，其分配公式如下。

随着高速路网不断扩大，路网结构日趋复杂，如重庆高速公路已由典型的“二环八射”格局演变为“三环十射多联线”格局，路网已变成网状结构，最短路径拆分原则无法动态还原路况、政策、价格及道路使用者等因素带来的车流量变化，无法对收费额进行公正公平的分配。

2.2协商分配法分析

协商分配法应用的前提是各路段业主能通过协商达成一致，对路网结构简单、各路段容易协商的多路径问题比较适用。在具体实施时，可依靠非常熟悉道路的管理者或业主，对竞争性比较强的路径进行概率确认。由于影响高速公路起止站交通量的因素较多，很难获得全面的量化模型，因此概率计算的基本依据是由路段交通量及地方经济发展水平等因素确定的经验值。协商分配法主要考虑多路径费用的分配问题，因此实际上可将未精确识别路径车辆收费额作为一种“非正常的收费金额”进行拆分。对于这些收费金额，需按照一定的方法拆分到各路段，专门制定一种对此类非正常收费金额进行拆分(或分配)的办法。

通过定期对多路径路段车辆的实际行驶路径进行调查，确定多方认可的车辆行驶路径。实际调查时，可采用抽样调查或全面调查等方法，按照实际调查确定的车辆行驶各条路径的比例确认路径拆分，并按该结果分配通行费。实际调查得到的比例由于是根据车辆实际行驶路径确定的路径识别方法而得，因此识别精度较高、可信度好。但是，该方法调查的时间有限，道路使用者路径选择方式的改变将影响其精度；同时，很容易受到调查日期的选择、调查周期和时间的长短、相关高速公路的运行状态及交通量增长等因素的影响，且每次调查的结果只能对一段时间内的交通流状况起作用，需要定期对交通流进行统计分析和误差校正。

协商分配法实施的基础是路网结构简单，当路网结构日益复杂、高速公路投资多元化时，该方法也难以满足高速公路经营业主对收费额分配公正公平的要求。

2.3二义性区间内比例分配法分析

二义性区间内比例分配法将二义性区间作为一个虚拟业主，该业主的应分配额取其最小费额路径上的路段应收费额。在二义性区间内部，根据车辆精确识别路径或按照该二义性区间前30 d精确识别的拆分通行费金额比进行二次分配。对于未精确识别路径车辆的通行费分配，模糊路径拆分根据固定周期二义性区间内精确识别路径车辆争议路径金额分配总和的比例，将模糊路径二义性区间的总金额分到争议路径上。

相较于最短路径法和协商分配法，二义性区间内比例分配法的公正公平性显著提高，为争议区间路段业主的模糊路径车辆收费额分配找到了合理的分配依据。

由于运用该方法时必须预先确定固化二义性区间，因此若涉及到二义性区间嵌套、交叉等情况，算法处理将异常复杂。考虑到重庆高速路网结构已由环状结构发展为网状结构，其二义性区间将覆盖路网里程的70%以上，分配算法将呈指数级增长；致使拆分算法压力增大，难以满足拆分数据及时性要求；导致高速公路经营业主资金无法及时流转，难以满足业主对收费额分配的高效性要求。

2.4重庆路网二义性拆分适用分析

既有算法已在诸多省市正式使用，其应用场景及应用省份见表1。

考虑到目前重庆高速公路的路网结构已呈现网状发展趋势，且公路建设投资日趋多元化,如国资、合资、外资、建设-经营-转让 (Build-Operate-Transfer，BOT) 、公私合营模式(Public-Private-Partnership，PPP) 等建设模式均有涉及，重庆高速联网收费对二义性路径拆分的公平公正性和高效性提出了较高的要求。因此，无论是最短路径法、协商分配法，还是二义性区间内比例分配法，均无法满足重庆高速联网收费二义性路径拆分要求。这里结合重庆高速公路路网的特点，根据重庆高速营运管理要求，提出相同起止站比例分配法。

表1　既有拆分算法应用场景及应用省份

3相同起止站比例分配法说明

相同起止站比例分配即根据车辆驶入高速公路的起始站及驶出高速公路的终止站确定唯一的起止站组合；考虑到高速公路的双向通行性，可将起止站的相反组合合并。根据已确定的精确车辆路径识别结果，判断该起止站组合是否具备路径二义性特征；若具备二义性特征，则非精确识别车辆收费额按已确定的精确路径分配总金额比例分配。

3.1分配规则模型

1) 优先对含有车辆路径标识信息的收费数据进行拆分，根据路径标识信息获取精确路径。若精确路径存在重复断面且路径总里程大于最短路径的150%(解决可能存在的车牌识别错误导致拆分异常的问题)，则按照最短路径进行拆分;否则按照识别的车辆路径信息进行实际行驶路径拆分。

2) 拆分完含有车辆路径标识信息的收费数据后，计算相同起止站收费数据中含有路径标识信息数据的比例。当该比例超过10%时，认为该起止站组合内存在有效的车辆路径标识信息(可能存在二义性特征区间)，没有精确识别车辆路径标识信息的数据按照该相同起止站精确车数据拆分金额比例进行拆分；否则，认为该起止站组合内不存在二义性特征区间，没有精确识别车辆路径标识信息的数据按照最短路径拆分。

1) 精确路径拆分规则：客货车均按单段路段应收金额占全部路段应收金额的比例进行拆分，计算式为

2) 非精确路径比例拆分规则：按照相同起止站有车辆路径标识信息数据的精确拆分金额比例进行拆分，比例权值最小的优先拆分，比例权值最大的获得拆分最后剩下的金额。

例：编号从312～6008的收费站共100条数据，其中60条数据有车辆标识点信息，实时共收金额为10 000元；这60条数据将在比例拆分开始之前完成拆分，拆分后统计结果见表2。

由于含有标识点数据的比例>10%，满足比例拆分原则要求，因此可对其余的40条无车辆标识点数据进行比例拆分。假设其中1条无标识点的数据实收金额为100元，则该数据的拆分结果见表3。

表2　60条有标识点的数据拆分后统计结果

表3　实收金额为100元的某无标识点数据拆分结果

3.2相同起止站比例分配法优势

相同起止站比例分配法对具备二义性区间特征的非精确车辆路径数据按照实际车辆行驶情况进行比例分配。相较于最短路径法和协商方法，该分配法充分考虑高速公路通行费拆分公平、公正的要求。同时，由于该方法无需定义明确的二义性区间，对相同起止站二义性区间采用实际数据进行动态抽象，因此对全路网所有N个收费站至多进行N(N-1)/2次比例拆分即可，不存在嵌套或递归调用拆分算法。因此，全路网数据整体拆分时间是可控的，相对于二义性区间内比例分配法，该方法可满足高速公路通行费拆分高效性要求。

4结语

以重庆高速公路联网收费二义性拆分系统为对象，设计相同起止站比例分配法。由于重庆高速公路路网是典型的网状路网结构，因此该分配法具有一定的通用性，适用于其他相似路网结构的清分。对于具备多环线或网状结构的高速公路路网，特别是在采用车牌识别作为车辆二义性路径标识的情况下，针对二义性区间未识别路径信息的车辆通行费分配，可使用该分配法提高分配的公正、公平性，提高分配速度。

参考文献：

[1]张健.高速公路联网收费多路径判断技术方法研究[D].西安：长安大学,2008.

[2]郝建明，李长亮. 复杂路网情况下路径清分算法研究[J]. 上海船舶运输科学研究所学报，2015,38(3):59-63.

The Research of Highway Toll Ambiguity Clearing Rules

LUOTao,WUChengxin

(China Shipping Network Technology Co., Ltd., Shanghai 200135, China)

Abstract:The development of a highway system tend to form a net-like structure, which provides multiple options of traveling routes for a journey. Therefore, the rules for toll splitting have been a matter of concern to highway operators. This paper, having referred to a variety of toll clearing rules dealing with ambiguity, domestic and overseas, introduces toll clearing rules for Chongqing highway network. The toll clearing algorithm is developed based on fuzzy estimation of vehicle routes, that is, when there is ambiguity, the toll is split according to the proportions of the route taken. The algorithm satisfies the requirement of reasonableness, impartiality and effectiveness, and works satisfactory in practical operation of the highway network.

Key words:express way toll collecting; ambiguity; clearing rules; fuzzy proportional splitting

收稿日期：2016-04-25

作者简介：罗淘(1985—)，男，四川内江人，工程师，主要从事交通信息化研究。

文章编号：1674-5949(2016)02-0056-05

中图分类号：F542;U491

文献标志码：B