拥堵收费对区域及周边交通影响分析

范婷婷,刘英舜

（南京理工大学自动化学院，南京 210094）

交通拥堵费是指在交通拥堵时段对部分区域道路的使用者收取的一定费用[1]，以减少区域道路交通流量。拥堵费的本质是一种交通需求管理的经济手段，其目的是利用价格机制来调整城市道路高峰期的车流密度，改变交通流的时空分布，从而缓解城市交通拥挤，提高整个城市交通的运营效率[2]。我国的交通形式为混合交通，各种交通流之间相互影响[3]。交通拥堵所带来的空气污染、噪声污染等日益严重，为了缓解交通拥堵，针对私家车数量的增加，许多城市采取了一系列有效的措施，主要为提高交通供给能力。然而，由于土地资源的不可再生，当道路扩建到一定程度后，在提高城市道路的交通供给能力方面遇到了瓶颈。征收“拥堵费”作为交通需求管理的一种方法，正成为许多大城市缓解交通拥堵的手段。

收费的主要目的是抑制私家车的出行。征收拥堵费对交通的影响主要体现在两个方面：收费区域交通情况的改善及周边道路交通情况的变化。本文基于实际调查数据，利用Matlab进行拟合，得到随着收费金额的变化，私家车出行者的出行方式比例的变化。据此对出行者改变出行方式和改变出行路径两方面进行研究。

在不同收费标准下，根据其出行需求的迫切程度，部分出行者可能会选择改变出行路径，选择收费较低的道路出行，这部分出行者减轻了当前道路的交通压力；另一部分则会选择改变出行方式；甚至会有部分出行者错开收费时段出行。文章主要研究前两类出行者对交通路网的影响。

1 调查分析

为便于得到相关参数和后续建模，针对城市中心和大型居民区集中地等较拥堵地区展开调查，调查城市为南京，地点为中央路、中山路、中山东路、中山南路、龙蟠路等5条最为拥堵的城市道路沿线，调查对象为该范围内利用私家车出行的居民。

本次调查样本量为200，采用RP+SP调查方法，设计调查问卷，调查出行者在不同收费额度下将选择的出行方式。

调查结果用Matlab数据拟合后，出行者出行方式改变的比例与收费金额的关系拟合如图1所示。

图1 不同收费金额下私家车出行者各类出行方式改变的比例

实际调查中发现，当收费金额大于20元时坚持开车计费的比例趋近于0，这不符合收费缓解拥堵增大交通流量的初衷。因此，拟合曲线时所得出的拟合公式仅针对收费金额在[0，20]的情况。图1各曲线拟合公式为：

由图1可以得出以下结论：

（1）随着收费金额的增加，出行者中选择错开高峰时段出行的比例最终趋近于25%左右，这是因为选择这种改变方式的出行者其出行目的比较不固定，出发时间可随个人意愿调整。但这部分比例远小于改变出行路径出行以及改变交通方式出行的比例之和，这是由于调查中有59.29%的私家车出行者的出行目的是通勤和接送小孩上下学，这类出行者的数量超过总出行者的一半，因其对时间要求较高，出行的时间段较为固定，因此不会选择错开高峰时段出行。

（2）3种出行方式改变的比例变化趋势比较相近，都是随着收费金额的增加，各类改变方式的比例随之增加并最终趋于稳定。

（3）如果进行拥堵收费，私家车出行者更倾向于改变出行路径和改变交通方式来避免收费，当收费金额为0～10元时，出行者改变出行方式的比例随着收费金额的增加明显增多，而选择改变出行路径的比例增加较为缓慢，且由图1可以看出，选择改变交通方式出行的比例最终趋近于40%，选择改变路径出行的比例趋近于30%左右。这表明，如果开征拥堵费，私家车出行者更倾向于改变交通方式来避免收费。

（4）图1表明，在收费金额区间内，最终仍有5%左右的人坚持私家车出行，即私家车出行者有一部分人出行时间价值较高，他们不会在意收费的多少，而更重视出行过程的舒适性、便捷性以及出行时间效率。由于正常不收费时，出行者选择的路径都是经验里的最短路，收费后，部分出行者选择改变其出行方式，使得收费道路更加畅通，因此出行时间价值较高的这部分出行者不会改变其出行方式。

2 模型建立

2.1 出行者改变出行交通方式

通过调查结果分析，选择改变出行交通方式的出行者对交通方式的选择如表1所示。

表1 私家车出行者选择其他交通方式的比例

由表1可以看出，选择改变出行交通方式的出行者中，51.50%乐于选择地铁出行，这将大大减小地面交通的压力，为地面交通车辆提供更加顺畅的道路通行。同时可以看出，25.15%的出行者将选择非机动车出行，不会对机动车通行造成影响。选择改变出行交通方式的出行者中，11.38%和11.98%倾向于选择公交车和出租车出行，这部分出行者仍被纳入地面交通通行效果的考虑中，其中出租车纳入私家车考虑的范畴。私家车出行者转向公交车和出租车出行的比例系数为α1=11.38%，α2=11.98%。

2.1.1 出行者改变出行方式后收费区域的交通量模型

假设收费前交通小区OD间出行者总量为Qij，且收取拥堵费前后各个交通小区出行总量不变（仅考虑会经过收费区域的区间出行）。

建模目的为计算收费后经过收费区域的交通流量，包括坚持开车计费的这部分私家车流量、转向地面公交出行导致的增加后公交流量以及部分转向出租车出行所增加的流量。此处将增加的出租车流量纳入私家车范畴。

假设收费前私家车和地面公交的出行分担率为Pij私家收费前、Pij公交收费前，则：

式中：ΔQij出租车为收费后选择出租车出行的出行总量；α2为常参数，转向其他交通方式出行的私家车出行者中选择出租车出行的比例；y3为公式（3），收费后私家车出行者转向其他交通方式出行的比例；n私家、n公交为在单位时间内通过收费区的私家车和公交车的数量；t为观测时间；Qij为t时段内从交通区i到j的通过检测区段的出行人数；y2为公式（2），收费后私家车出行者选择改变出行路径的比例；y4为公式（4），收费后坚持开车计费的私家车出行者比例；α1为常参数，转向其他交通方式出行的私家车出行者中选择公交出行的比例。c私家为平均每辆私家车的载客量，取1.5；c公交为平均每辆地面公交的载客量，取100；Q总为交通量；x为收费金额；b为公交车的平均当量小汽车换算系数，取1.2。

2.1.2 实例分析

中央路、北京东路、龙蟠中路、内环南线围合形成收费区域，地铁2号线与中山东路将收费区划分为4个交通小区，4个交通小区之间OD出行矩阵如表2所示。

表2 4个交通小区间的OD出行矩阵 千人次

假设收费前后交通小区之间OD出行总量不变，利用Matlab画出式（4）的函数曲线，即为基于改变出行交通方式下拥堵收费对私家车出行者出行的影响。横坐标代表收费金额，纵坐标代表收费后收费区域的交通量，如图2所示。

图2 不同收费金额对收费区域交通量的影响

由图2可以看出，随着收费金额的增加，收费区域的交通量逐渐减少，最终趋于稳定。根据图2的曲线斜率可见，随着收费金额的增加，交通量对金额变化的灵敏度减小。即增加相同金额的收费，交通量的减少程度逐渐降低并最终趋于零。另外，当收费金额为0～12元时，收费金额的变化对私家车出行者的影响较大，这是因为在这段收费区间，收费影响到的不同收入的私家车出行者范围较广，中低收入水平的私家车出行者在收费区间内大部分已经被影响，而此后的收费区间收费金额较高，在此区间内，只有部分不在意收费金额，只在意出行效率的私家车出行者继续坚持开车计费。因此，尽管有11.38%的私家车出行者选择转向公交车出行，增加了收费区域公交车的交通量，但由于收费对私家车的抑制作用较大，整个收费区域的交通量得以减小，即达到了缓解交通拥堵的目的。

2.2 出行者改变出行路径

2.2.1 分配思路

对于出行路径的选择即为“四阶段”中交通量分配的过程，将收费前后道路交通量的分布进行对比。收费前，私家车出行者驾车出行所产生的交通量全部分布于最短路上，这里的最短路是指出行时间最短。针对最短路开征拥堵费，收费后，私家车出行者不仅考虑出行时间，还需考虑出行费用，导致该路段路权变大，因此产生一部分转移出行路径的出行者，论文将利用容量限制法对这部分私家车出行者所产生的交通量进行重新分配。在此分配过程中选择美国联邦公路局路阻函数模型：

式中：t为两个交叉口之间的路段行驶时间；t0为交通量为零时的路段行驶时间；V为路段机动车交通量；C为路段实用通行能力；α、β为参数。

用上述方式在特定时段进行分配，分配后路段交通量分为两部分，一部分是收费路段内，坚持开车计费和转移交通方式所产生的公交车、出租车交通量，另一部分是由于想继续开车出行但不能忍受收费金额选择转移路径的这部分私家车交通量。错时段出行的私家车出行者由于在此时段内不出行，此处不予考虑。而选择电动车及自行车、地铁的这部分私家车出行者由于改变了交通方式，不再参与此分配过程。

2.2.2 实例分析

中央路、北京东路、龙蟠中路、内环南线围合形成收费区域与地铁2号线、中山东路形成道路网，为便于计算分析，简化结果如图3。

图3 道路网结构图

图中共9个节点，边上的数字代表路权。设起讫点为①和⑨，其中主干道①-④-⑤-⑥-⑨路段由中央路、中山东路、龙蟠路组成，通行能力为5 000辆/h，其余路段道路通行能力为1 500辆/h。

T=250.1千人次

以2.1.2的实例为基础，出行总量：T=250.14人次。

收费前，在道路上行驶的私家车交通量为：

式中：Pij私家收费前假设为0.5，t=10。因此Q0=8 336.7辆/h，此交通量在收费前全部分布于①-⑨之间的最短路①-④-⑤-⑥-⑨上。在开征拥堵费前，起讫点为①-⑨之间的出行，由于路径①-④-⑤-⑥-⑨是时间上通行的最短路，私家车几乎全部选择该路径出行，导致该路径交通超负荷，道路拥堵不堪。

假设对该条路段进行拥堵收费，要使得收费后该路段的交通量在其通行能力范围内，由图2可知，对该段道路的收费应大于2.74元/次。设该路段收费4元/次，根据图4，此时收费路段内的交通量为3 902辆/h，约为该路段道路通行能力的78%，此时车流稳定，虽有一些延迟，但在可接受范围之内。分配结果如图4所示。

收费后，选择改变路径出行的私家车出行者产生的交通量为：

对这部分流量采用三级分配方法（5∶3∶2）分到路网上，其中路径④-⑤-⑥为收费路段。因此，进行这部分交通量分配时避开该路段。

分配过程：第一次分配50%，即分配800辆，计算的最短路为①-②-③-⑥-⑨，分配并重新计算①-②-③-⑥-⑨各边的路权；第二次分配30%，即分配480辆，计算得最短路为①-②-③-⑥-⑨，但若将这部分流量分配到该路径，则该路径上的交通负荷将超过其通行能力，因此，将480辆分配到另一条路径①-④-⑦-⑧-⑨上，分配并重新计算①-④-⑦-⑧-⑨各边的路权；第三次分配20%，即分配320辆，同理第二次分配计算得最短路为①-④-⑦-⑧-⑨。分配的最终结果如图5所示。

图4 4元/次收费路段交通量分配情况

图5 收费10元/次交通网络交通量分配情况

收费前后对比分析：收费前，私家车交通量主要集中于路径①-④-⑤-⑥-⑨路段中，对该路段造成极大的交通压力，导致城市中心区路段一直处于拥堵状态，造成交通延误。收费4元/次时，由图4可以看出，一部分私家车为避免收费，选择改变出行路径出行。因此，其余路段也有了合理的交通量分布，收费路段交通量明显减小，整个路网中交通量的分布较为均衡，道路因此变得更加畅通。

3 结论

论文主要通过分析，得出以下结论：

（1）征收拥堵费后，大大减轻了道路交通压力。部分私家车出行者转向地面公交出行，使得私家车在出行交通量中所占比重降低。 随着一定范围内收费金额的增加，驶入收费区域内的交通量减少，交通拥堵得到相应程度的缓解，其缓解效果随着收费金额增加逐渐降低。

（2）对周边交通征收拥堵费后，部分人仍坚持开车出行，但为避免收费他们选择改变出行路径。这部分私家车出行者减轻了收费区域的道路负担，转向其他可替代道路，在合理的收费额度下，一定程度上增加了周边道路的交通量，使周边道路资源得到合理利用，大大减少了该路段的交通压力，因此，收费后对收费路段交通拥堵的缓解十分有效。

（3）拥堵收费过程中，不仅要考虑收费后收费道路交通状况的改善，还需考虑若收费金额确定不当，或只为缓解收费区域交通压力，带来的对周边道路交通的影响，需要进一步研究。

参考文献

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