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可交易電子路票交通管理思考

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可交易電子路票交通管理思考

摘要:可交易子路票作為一種交通需求管理的新思路和理論研究前沿,正受到越來(lái)越多交通運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)W者們的關(guān)注。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)了大量關(guān)于可交易路票的研究成果。首先,論文回顧了可交易電子路票制度的發(fā)展歷史。接著,介紹了由楊海和王曉蕾提出的可交易電子路票的基本概念和工作機(jī)制,總結(jié)了可交易路票方案的定性特征、數(shù)學(xué)模型和理論特性。然后,分別從縱向理論擴(kuò)展和橫向應(yīng)用擴(kuò)展兩大方面,對(duì)可交易路票的擴(kuò)展研究成果進(jìn)行了概述。在總結(jié)已有相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,討論了目前可交易路票研究中的關(guān)鍵問(wèn)題。最后,對(duì)可交易電子路票的未來(lái)研究方向進(jìn)行了展望。可交易路票方案是一種非常有潛力的緩解交通擁擠的策略,值得進(jìn)一步的理論探索和應(yīng)用研究。

關(guān)鍵詞:交通工程;交通網(wǎng)絡(luò);可交易電子路票;用戶異質(zhì);交易成本;公平性;不確定性;瓶頸

緩解交通擁擠通常有兩種思路:提高道路容量(增加供給)或者減少交通流量(降低需求)。在交通擁擠區(qū)域提供更多的道路基礎(chǔ)設(shè)施,已經(jīng)被證明是“適得其反”的策略,因?yàn)樵黾拥娜萘客芸毂徽T增的交通需求所吸收。因此,緩解交通擁擠問(wèn)題的重點(diǎn)已經(jīng)從增加供給轉(zhuǎn)移到交通需求管理。交通需求管理主要包括2種手段:價(jià)格手段(如道路收費(fèi),roadpricing)和數(shù)量手段(如道路空間限額配給,roadspacerationing)。道路收費(fèi)作為一種緩解交通擁擠的價(jià)格手段,總是被理解為另一種平頭稅(flattax),并遭遇不公平的問(wèn)題,因此,很少有政府敢于提出并實(shí)施;道路空間限額配給(如,單雙號(hào)限行)在短期內(nèi)是公平和有效的,但是犧牲了過(guò)多的經(jīng)濟(jì)效益,從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,它的公平性和有效性也會(huì)喪失[1]。受到環(huán)境政策領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的總量管制和交易制度(cap-and-trade)的啟發(fā),楊海和王曉蕾于2011年提出了一種實(shí)用且強(qiáng)大的可交易電子路票(tradablecreditscheme,TCS)方案。這種方案擁有諸多優(yōu)良特性,因而一經(jīng)提出就受到了廣泛關(guān)注。最近3年,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大量相關(guān)的研究成果陸續(xù)發(fā)表。本文的主要目的是介紹可交易路票的概念和特性、全面展現(xiàn)可交易電子路票的研究進(jìn)展,并在此基礎(chǔ)上提出未來(lái)的研究方向。

1可交易電子路票的概念和特性

1.1可交易電子路票的提出

可交易電子路票的思想來(lái)源于可交易許可(tradablepermit,TP)的概念??山灰自S可(TP)方法最早是由Dales在1968年提出的一種控制水污染的方法。目前,TP方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于環(huán)境政策領(lǐng)域。在交通管理領(lǐng)域,TP方法早期主要應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)泊位分配。用TP方法來(lái)管理交通需求,最早可以追溯到Goddard和Verhoef等在1997年的研究[2]。這里要強(qiáng)調(diào)的是,本文中所涉及到的可交易路票(tradablecredit、tradablemobilitycredit、tradabletravelcredit)都是指“可交易道路使用許可”(roadway-useTP),文獻(xiàn)綜述僅限于可交易路票方案。早期的可交易路票研究主要集中在概念的發(fā)展,最近的研究開(kāi)始進(jìn)行建模和仿真等定量分析[1]。Akamatsu在可交易瓶頸許可(tradablebottleneckpermit,TBP)的基礎(chǔ)上提出了可交易網(wǎng)絡(luò)許可(tradablenetworkpermit,TMP)方案[3]。然而,這種TMP方案存在一些缺陷:首先,出行者進(jìn)行一次出行必須獲得其所選路徑上所有路段的許可;其次,許可的交易價(jià)格是路段特定的(link-specific),因而所需要的許可交易市場(chǎng)的數(shù)量與路段數(shù)量一樣多。另外,如果路段特定的許可是通過(guò)交通管理機(jī)構(gòu)組織的拍賣出售給出行者的,這種方案就會(huì)失去收入中性(revenueneutral)特征[1]。為了克服TMP等可交易道路使用許可方案的不足,楊海和王曉蕾提出了一種簡(jiǎn)單而高效的可交易路票方案,其中,路票在路網(wǎng)中所有路段通用,但出行者通過(guò)每條路段時(shí)被收取的路票數(shù)量是路段特定的[1]。

1.2可交易電子路票的工作機(jī)制

(1)在每個(gè)周期(如1個(gè)月)的開(kāi)始,政府向所有符合條件的出行者(如納稅人)發(fā)行一定數(shù)量的路票,并公布每條路段所對(duì)應(yīng)的路票收取率。(2)在剩下的時(shí)間里,出行者使用某條路段時(shí),將被收取路段特有(link-specific)數(shù)量的路票。(3)路票可以在一個(gè)自由市場(chǎng)上進(jìn)行交易。有剩余路票的出行者可以出售他們的路票,而路票不足的出行者不得不購(gòu)買(mǎi)更多的路票。

1.3可交易電子路票的定性特征

(1)在短期和長(zhǎng)期都能夠有效地緩解交通擁擠;(2)能同時(shí)保證較高的公平性水平和較高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效率;(3)收入中性,減少了公眾對(duì)政府緩解交通擁堵動(dòng)機(jī)的質(zhì)疑和扭曲。

1.4可交易電子路票的數(shù)學(xué)模型

對(duì)于同質(zhì)(homogeneous)用戶和固定需求的情況,模型在標(biāo)準(zhǔn)的用戶均衡(UE)模型的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)路網(wǎng)范圍的路票可行性約束條件(所有路段上消費(fèi)的路票總量不超過(guò)初始的路票發(fā)行總量)。模型是一種帶線性約束的非線性凸規(guī)劃問(wèn)題,其一階最優(yōu)性條件等價(jià)于UE條件和路票市場(chǎng)均衡條件。

1.5可交易電子路票的理論特性

對(duì)于一個(gè)給定的可交易路票方案,存在唯一的均衡路段流量模式。在一個(gè)非常溫和的假設(shè)下,市場(chǎng)均衡時(shí)的路票價(jià)格是唯一的。更鼓舞人心的是,一種恰當(dāng)設(shè)計(jì)的可交易路票方案,通過(guò)合理選擇總的路票發(fā)行量和每條路段的路票收取量,能夠模擬擁擠收費(fèi)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)多種目標(biāo)交通流量模式,如:系統(tǒng)最優(yōu)、容量約束、帕累托改進(jìn)和收入中性。

2可交易電子路票的擴(kuò)展研究

自從楊海和王曉蕾(2011)提出可交易路票方案(TCS)的基本研究框架,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者從多個(gè)角度對(duì)TCS進(jìn)行了發(fā)展和應(yīng)用。

2.1可交易電子路票的縱向理論擴(kuò)展研究

2.1.1考慮用戶異質(zhì)性

Wang等考慮了具有離散時(shí)間價(jià)值分布的多類用戶的情況,此時(shí)無(wú)法建立一個(gè)等價(jià)的凸規(guī)劃模型來(lái)從其KKT條件中導(dǎo)出用戶均衡條件和市場(chǎng)均衡條件,但可以表示為一個(gè)變分不等式問(wèn)題。他們探索了用戶均衡路段流量模式和均衡路票價(jià)格的唯一性,并展示了怎樣合理設(shè)定可交易路票方案,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)和帕累托改進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)流量模式[4]。Zhu等研究了可交易路票方案下具有連續(xù)時(shí)間價(jià)值分布的多用戶網(wǎng)絡(luò)均衡問(wèn)題,并給出了保證網(wǎng)絡(luò)流量模式和均衡路票價(jià)格唯一的條件[5]。

2.1.2考慮交易成本

Nie研究了可交易路票系統(tǒng)中路票的交易成本對(duì)2種市場(chǎng)(拍賣市場(chǎng)和議價(jià)市場(chǎng))的影響。分析表明,只要政府合理地設(shè)定路票價(jià)格,且單位交易成本比沒(méi)有交易成本存在時(shí)的路票市場(chǎng)價(jià)格低,拍賣市場(chǎng)就能夠達(dá)到期望的路票均衡分配。然而,在議價(jià)市場(chǎng)中,不管交易價(jià)格設(shè)為多少,都不能使系統(tǒng)達(dá)到期望的均衡狀態(tài)。更重要的是,即使邊際交易成本是常數(shù),初始的路票分配也會(huì)影響最終的均衡狀態(tài)[6]。

2.1.3考慮混合均衡行為

Zhao等研究了用于擁擠管理的、包含用戶均衡(UE)、Cournot-Nash均衡(CNE)和市場(chǎng)均衡(ME)3種均衡行為的可交易路票方案[7]。He等進(jìn)一步證明,當(dāng)不考慮交易成本時(shí),存在能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)的非負(fù)匿名路票方案;在考慮交易成本時(shí),UE用戶的出行費(fèi)用將可能提高,而CN出行者的出行費(fèi)用可能減少[8]。

2.1.4考慮不確定性

Shirmohammadi等證明了擁擠收費(fèi)和可交易路票方案在管理交通網(wǎng)絡(luò)擁擠時(shí)是一一對(duì)應(yīng)的。通過(guò)一個(gè)算例,他們闡釋了當(dāng)交通需求和供給存在不確定時(shí)這種一一對(duì)應(yīng)可能不存在。他們還對(duì)耦合網(wǎng)絡(luò)和市場(chǎng)均衡進(jìn)行了敏感度分析,來(lái)預(yù)測(cè)路票價(jià)格是怎樣隨著供給或需求的波動(dòng)而變化[9]。

2.1.5可交易路票方案的動(dòng)態(tài)演化

Ye等研究了在可交易路票方案下路票價(jià)格和感知旅行時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化。他們提出了一個(gè)在有限時(shí)間范圍的連續(xù)動(dòng)態(tài)模型,來(lái)描繪出行者的路徑選擇和學(xué)習(xí)行為,以及網(wǎng)絡(luò)流量和路票價(jià)格的演化。他們從理論上分析了均衡點(diǎn)的存在性和唯一性,并研究了在一個(gè)有限時(shí)間范圍內(nèi)的系統(tǒng)穩(wěn)定性。從算例中可以看出,可交易路票的有效時(shí)間范圍長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)性能特別是穩(wěn)定性和收斂性是至關(guān)重要的。當(dāng)時(shí)間范圍足有長(zhǎng)時(shí),具有不同初始條件的系統(tǒng)將會(huì)最終變得穩(wěn)定和收斂,這與他們理論研究的結(jié)果一致[10]。

2.1.6多周期可交易路票方案設(shè)計(jì)

Miralinaghi等提出了適用于多周期的可交易路票模型,來(lái)探索未使用的路票和未來(lái)周期路票的價(jià)格對(duì)當(dāng)前周期市場(chǎng)行為的影響。他們提出了2個(gè)政策,使得一個(gè)中央機(jī)構(gòu)能夠通過(guò)影響多個(gè)不同周期的出行需求,來(lái)緩解高峰周期的出行需求[11]。

2.2可交易電子路票的橫向應(yīng)用擴(kuò)展研究

2.2.1可交易路票方案的公平性優(yōu)化

Wu等提出了以基尼系數(shù)作為公平性測(cè)度的優(yōu)化模型,來(lái)設(shè)計(jì)更公平而有效的多方式交通網(wǎng)絡(luò)可交易路票方案。模型考慮了收入對(duì)出行者出行選擇的影響,并明確捕捉到可交易路票方案對(duì)不同收入水平和不同地理位置出行群體的影響[12]??紤]到均衡OD旅行費(fèi)用和路段旅行時(shí)間的不公平問(wèn)題,Wang等在實(shí)施可交易路票方案下的連續(xù)性交通網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)(CNDP)雙層規(guī)劃模型中增加了公平性約束[13]。

2.2.2有限信息情況下的實(shí)施問(wèn)題

Wang等提出一種改進(jìn)的二分試錯(cuò)法來(lái)求解需求函數(shù)未知時(shí)單個(gè)路段可交易路票方案模型,克服了傳統(tǒng)二分法不收斂的問(wèn)題[14]。為了在需求函數(shù)未知的一般道路網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)可交易路票方案,Wang等提出了一種基于相繼平均法(MSA)的試錯(cuò)方法,并證明了其收斂性[15]。

2.2.3用于方式劃分

Tian等探索了可交易路票方案對(duì)于管理瓶頸擁擠以及在競(jìng)爭(zhēng)性的公路/公交網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行方式劃分的效果。他們的研究表明:在均衡時(shí)的方式劃分和路票收取方案是唯一的;能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)的可交易路票方案總是帕累托改進(jìn)的[16]。

2.2.4用于排放管理

Aziz等研究了能夠重新分配路段流量模式、使得網(wǎng)絡(luò)排放最少并且收入中性的可交易路票方案。更進(jìn)一步,他們還研究了實(shí)現(xiàn)帕累托系統(tǒng)最優(yōu)的可交易路票方案,并展示了如何設(shè)計(jì)最小化交易成本的可交易路票方案。這項(xiàng)研究對(duì)管理路網(wǎng)中的車輛排放提供了新的思路[17]。

2.2.5用于停車管理

為了更好地滿足通勤者的停車需求,Zhang等引入了出行者可以在市場(chǎng)上自由交易停車許可的機(jī)制。算例表明,停車許可分配和交易在交通管理中是非常有效的[18]??紤]到停車位預(yù)訂能夠同時(shí)減少道路擁擠和停車競(jìng)爭(zhēng)引起的死鎖損失,Liu等研究了一種新的可交易停車許可方案,來(lái)實(shí)現(xiàn)或?qū)嵤┩\囄活A(yù)訂。他們發(fā)現(xiàn),相比于時(shí)變的收費(fèi)方案,一種帶有效期的停車許可方案效果更優(yōu),且對(duì)通勤者時(shí)間價(jià)值變化的魯棒性更強(qiáng)[19]。

2.2.6用于擁擠瓶頸管理

Nie等分析了一種新的管理通勤者出行選擇的可交易路票方案。這種方案定義了一個(gè)高峰時(shí)間窗。在高峰時(shí)間窗內(nèi)使用首選路徑的通勤者,將會(huì)被收取路票,而在高峰時(shí)間窗以外或者轉(zhuǎn)移到其他可行路徑的出行者,將會(huì)被獎(jiǎng)勵(lì)路票。他們的分析表明,提出的可交易路票方案不僅效率比基本情況提高33%,而且能夠直接通過(guò)路票交易在所有出行者間分配利益[20]。類似地,Nie等將這種新的可交易路票方案用于管理早晨通勤問(wèn)題。這種新的可交易路票方案機(jī)理簡(jiǎn)單,實(shí)施方便[21]。Xiao等也探索了可交易路票系統(tǒng)管理早晨通勤擁擠的效率和有效性,研究表明,結(jié)合初始路票分配和相應(yīng)的最優(yōu)路票收取方案,能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)和一定形式的公平[22]。

3述評(píng)與討論

盡管可交易路票沒(méi)有像擁擠收費(fèi)一樣在某些城市實(shí)際運(yùn)用,但學(xué)術(shù)界對(duì)于可交易路票的研究興趣仍然持續(xù)增加??山灰茁菲狈桨傅睦碚摶A(chǔ)主要是交通網(wǎng)絡(luò)均衡理論,所涉及的數(shù)學(xué)知識(shí)包括博弈論,帶均衡約束的數(shù)學(xué)規(guī)劃、雙層規(guī)劃、變分不等式、多目標(biāo)規(guī)劃等。常用的求解軟件為通用代數(shù)建模系統(tǒng)(GAMS)。從已有文獻(xiàn)所用的算例可以看出,絕大多數(shù)可交易路票方案的研究都停留在小型網(wǎng)絡(luò)中,僅有個(gè)別研究可以應(yīng)用在SiouxFalls、西雅圖區(qū)域高速公路網(wǎng)等中型網(wǎng)絡(luò)中,沒(méi)有一項(xiàng)研究能將可交易路票方案應(yīng)用在實(shí)際的大型網(wǎng)絡(luò)中。可交易路票方案用于瓶頸管理已經(jīng)被證明能夠產(chǎn)生更高的系統(tǒng)效率和更公平的福利分配。然而,相比于瓶頸內(nèi)兩路徑系統(tǒng)的最優(yōu)可交易路票方案設(shè)計(jì),針對(duì)整個(gè)道路網(wǎng)絡(luò)的可交易路票方案設(shè)計(jì)復(fù)雜得多,且必須考慮網(wǎng)絡(luò)特征。網(wǎng)絡(luò)范圍的交通管理是可交易路票方案最有潛力的應(yīng)用領(lǐng)域。

4結(jié)語(yǔ)

(1)可交易路票方案不僅在管理道路交通擁擠和環(huán)境外部性方面和擁擠收費(fèi)是一樣有效的,還能夠更好地解決擁擠收費(fèi)所產(chǎn)生的社會(huì)和政治問(wèn)題。因此,可交易路票方案是一種先進(jìn)高效、管理靈活、分配公平的交通需求管理方法。

(2)大多數(shù)已有的模型僅僅考慮簡(jiǎn)單的出行方式選擇,即一次出行只包含一種交通方式。未來(lái)可以研究更加復(fù)雜的出行行為,如:停車換乘和拼車。

(3)已有研究中的路票收取方案絕大多數(shù)是基于路段的,然而實(shí)際應(yīng)用中可能選用更容易實(shí)施的基于區(qū)域的或基于距離的路票方案。因此,有必要修正現(xiàn)有的模型以適應(yīng)不同形式的路票收取方案。

(4)可交易路票方案的模型通常難以求解,因此,有必要研究具有更高效率和可靠性的算法,使可交易路票方案能應(yīng)用于不同規(guī)模的城市。

(5)除了模型和算法研究,制度結(jié)構(gòu)、運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)和交易市場(chǎng)等實(shí)施層面的研究,能夠進(jìn)一步加快可交易路票方案的實(shí)際應(yīng)用。

(6)由于交通擁擠在不同的地點(diǎn)有著不同的外部性,而停車費(fèi)、燃油稅等經(jīng)濟(jì)手段也具有使擁擠外部性內(nèi)在化的作用,如何結(jié)合可交易路票和其他經(jīng)濟(jì)手段更好地管理交通擁擠需要更深入的研究。

(7)現(xiàn)有的模型研究主要集中在出行者OD固定的短期情況。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,這些緩解交通擁擠的策略,將會(huì)對(duì)出行者的OD選擇產(chǎn)生很大影響??紤]長(zhǎng)期效用的可交易路票模型將會(huì)對(duì)交通管理機(jī)構(gòu)制定交通管理策略提供強(qiáng)大支持。