基于四阶段法的市区段高速公路差异化收费交通影响评估

卢而侃,饶 瑶,陈子安

（浙江省交通运输科学研究院交通发展研究中心,浙江 杭州 310012）

0 引言

2016年8月，交通运输部发文《关于推进供给侧结构性改革促进物流业“降本增效”的若干意见》，其中提出探索高速公路分时段差异化收费政策、提高高速公路通行效率的要求。2021年6月，交通运输部、国家发展改革委、财政部联合发文《全面推广高速公路差异化收费实施方案》（交公路函〔2021〕228号），要求各地充分考虑本地路网结构及运行特点等因素，因地制宜地制定高速公路差异化收费方案，全面推广差异化收费。由此可见，未来高速公路差异化收费在全国范围内推广的势头必定会更加凶猛。

国内外对于高速公路差异化收费交通影响评估的学术研究，还没有特别的丰富，而研究内容与高速公路收费调整比较相近的可以上溯到20世纪90年代。李世武[1]等采用变异的重力模型，把高速收费费率作为重要参数，并以长平高速公路为例子，预测了高速公路的转移交通量。冯云才[2]将出行时间消耗与舒适度乘以相应的系数转换为费用，以选择某一条路的综合费用为效用函数，建立转移率模型来预测高速公路的交通量。蒲之艳[3]采用多路径概率分配算法，搭建交通量转移测算模型，分析不同车型车辆的高速公路转移率对高速公路费率变化的敏感性。谭先林[4]等采用交通流量多路径分配算法对高速公路收费费率的高低对高速公路交通量的影响进行了深入研究，最后针对不同车型，给出了不同的最优高速费率。李冬梅[5]构建MNL模型，在前人科研的基础上，追加拥挤收费费率这个参数，研究了高速公路交通流量大小与高速公路费率之间的关系。李峰[6]提出采用LOGIT模型来匡算收费调整后高速公路的转移交通量，并提出可以将该模型融入传统四阶段法中的建议。王献香[7]等对于高速公路收费调整后对周边公路网、城市道路的影响，创造性地提出了一些有用的评价指标，包括道路基础设施使用的均衡性、核心骨干道路的服务能力、出行者出行的综合成本、可达性等，但对具体评价方法未提及。

为了更进一步贯彻落实《全面推广高速公路差异化收费实施方案》的要求，全面推广高速公路差异化收费，更好地起到“调流”“减费”“提效”的作用，该文提出一种可用于评估市区段高速公路差异化收费交通影响评估的方法，并以某地市两条平行高速公路（申苏浙皖、申嘉湖高速公路）实施差异化收费为例，对该方法加以应用，对国内其他城市进行相关研究可以起到实践指导作用，具有一定的借鉴意义。

1 基于“四阶段”交通模型的高速公路差异化收费交通影响评估方法

1.1 “四阶段”交通模型建模流程

适用于高速公路市区段的“四阶段”交通模型建模流程大致分为数据采集、数据分析、交通生成、交通分布、交通方式划分、交通分配与模型校核几个部分，详见图1。

图1 “四阶段”建模流程

数据采集阶段主要进行出行意愿调查与OD调查，该次实地调查意在获取不同特征人群对普通国省道、城市道路、高速公路的选择倾向性。问询调查包括三类调查项目：意向选择特征、个人基本特征、出行特征。

（1）意向选择特征包括出行的目的、出行的情景选择以及驾驶的车辆类型等。

（2）个人基本特征包括性别、职业、收入水平。

（3）出行特征包括车籍所在地与出发地及目的地。

1.2 路网构建

路网构建即利用地理信息系统绘制道路网络，并建立路网数据库存储道路名称、道路等级、车道、设计速度、单双向、通行能力等属性数据。其中，通行能力的计算尤为重要，以下分别介绍下高速公路与城市道路的通行能力计算方法。

（1）高速公路通行能力计算公式如下：

式中，C——设计速度V下的实际通行能力（pcu/h）；C0——设计速度V0的基本通行能力（pcu/h）；fw——车道宽度修正系数；fsw——路肩宽度修正系数；fHV——车型修正系数及车道数；N——车道数。

（2）城市道路网络通行能力计算如下：

式中，C——设计速度V0下的实际通行能力（pcu/h）；C0——设计速度V0下的基本通行能力（pcu/h）；fN——车道折减系数。

1.3 小区划分

一般来说，交通小区内的用地性质、交通特点等应尽量保持一致。通常，交通小区的划分应遵循以下原则：

（1）相似原则：交通小区内土地利用和人口构成尽可能相似，某些重要属性（如居民的收入）不宜相差太大。

（2）均衡原则：以出行时间为衡量标准，交通拥挤路段车辆移动缓慢，因此交通小区划分在交通拥挤路段比非拥挤路段更为细致，土地利用强度高地区比强度低地区更细致，直接影响区域比间接影响区域更细致。

（3）分隔线原则：以天然、人工障碍设定边界线，同时避免将主要道路作为小区的边界线。

1.4 交通生成

出行总量采用原单位法进行计算，计算公式如下：

式中，TP——交通生成量（人次/日）；P——区域总人口（人）；ρ——人均出行次数（次/日）。

一般来说，出行吸引总量与发生总量是相等的，即TA=TP。通过计算各个交通小区居住、商业办公、工业、教育科研、物流仓储用地单位面积出行吸引率来确定各小区的出行吸引量。出行吸引率计算公式为：

式中：βk——用地性质k出行吸引率；TA——吸引总量；δ——调查居民出行目的地为用地性质k的比例；Sk——用地性质k总面积。

1.5 交通分布

交通分布采用重力模型进行交通分布，计算公式如下：

式中，qij——交通小区i到交通小区j的交通量；Oi、Dj——分别为小区i的发生交通量和小区j的吸引交通量；ai、bj——待标定系数；f(cij)——交通阻抗函数，根据居民出行调查结果进行标定。

1.6 方式划分

根据家访调查数据分析得到各交通小区各交通方式的出行比例，建立各个小区间各种交通方式分担比例矩阵，从而将总出行OD矩阵划分为各种交通方式的OD矩阵。

1.7 交通分配

1.7.1 BPR函数标定

BPR函数用于估算车辆路段行程时间，反映了路段行程时间随路段饱和度的动态变化特性，其数学表达如下：

式中，t——车辆的实际路段行驶时间；t0——车辆在自由流速度下的路段行驶时间；v/c——路段饱和度，α、β为参数。

1.7.2 广义道路阻抗函数标定

广义费用函数主要用于衡量车辆在路段上行驶的综合成本，其中须包含车辆的实际行驶时间、车辆的油耗费用、高速公路行驶的费用等。计算公式如下：

式中，C——广义费用（min）；Time——路段行驶时间（min）；λ——车辆每千米行驶费用，根据车辆百千米油耗及当地油价取0.8元/km；Dist——行驶距离；Toll——收费站费用；vot——时间价值。

1.7.3 交通分配

交通分配常用用户平衡（User Equilibrium，UE）模型和系统最优（System Optimization，SO）分配模型。该次研究基于用户平衡分配方法对交通流进行分配。用户平衡分配方法指的是遵循Wardrop第一原理的分配方法，Wardrop第一原理指的是，在出行者都明确知道路网的实际运行状态并都选择对个人来说最短的出行路径时，整个道路网络就会达到平衡状态。

1.8 差异化收费方案实施效果评估方法

差异化收费方案实施效果的评估主要从两个角度来展开。首先是方案补贴金额的测算，其次是方案的交通影响评价。其中，方案的交通影响评价主要从高速公路服务水平、收费站通行余量、高速公路连接线服务水平和主要道路服务水平四个方面分别评价。

1.8.1 补贴测算

补贴测算指的是差异化收费方案实施后财政支出总额的预估值，是差异化收费政策实施主体最在意的数值。

全年减免总额计算公式如下：

式中，A——全年减免总额（万元）；n——全年345天；f——方案实施后高峰小时收费金额（元）；Kp——高峰小时流量比。

1.8.2 交通影响评价

（1）高速公路服务水平评价。将差异化收费方案输入交通模型之后，计算得到目标高速公路每一段的高峰小时交通量预测值。将目标高速公路的高峰小时交通量预测值除以高速公路的通行能力得到“v/c”，参考《公路工程技术标准》（JTG—2014）的要求（见表1），对方案实施后的高速公路服务水平进行评价。

表1 高速公路服务水平分级表

（2）收费站通行余量评价。首先，将差异化收费方案输入交通模型之后，计算得到差异化收费方案涉及的几个主要收费站的进出站高峰小时交通量预测值。其次，统计差异化收费方案涉及的几个主要收费站的出、入口数量，计算出各个收费站的高峰小时最大服务交通量。最后，用各个收费站的高峰小时最大服务交通量减去进出站高峰小时交通量预测值计算得到收费站的通行余量。

（3）高速公路互通连接线服务水平评价。将差异化收费方案输入交通模型之后，计算得到差异化收费方案涉及的几条高速公路互通连接线的高峰小时交通量预测值。将高速公路互通连接线的高峰小时交通量预测值除以该路段的通行能力得到“v/c”，再与现状该互通连接线的“v/c”值做对比。

（4）主要道路服务水平评价。将差异化收费方案输入交通模型之后，计算得到与政策范围内高速公路平行的主要国省道、城市道路的高峰小时交通量、v/c、运行速度预测值。采用前后对比法，计算预测值与实际值的变化率。

2 高速公路差异化收费交通影响评估方法的应用

2.1 出行意愿与OD调查

在某地市交通运输局、某地市交通建设管理局及某地市交警大队的大力支持下，对部分道路展开了居民出行意愿问卷调查，调查选取研究范围内23个道路断面作为调查点。

2.2 居民出行特征

调查结果显示，某地市居民出行目的中最主要为上下班，占比为60%，另外出差、回家、探亲访友以及其他分别占比10%、9%、4%、14%，其余出行目的占比为2%以下，见图2。

图2 出行目的构成

调查结果显示，车辆类型最主要为小客，占比为83%，其余依次为小货、中客、大货，分别占比11%、3%、2%，见图3。

图3 车辆类型比例图

2.3 高速公路现状交通特征分析

根据统计数据，申苏浙皖高速公路上南太湖至湖州段实际断面流量约20 982 veh/d，湖州至织里段实际断面流量约23 138 veh/d，织里至南浔段实际断面流量约23 573 veh/d，取高峰小时系数为0.096，可以看到该高速在某地市段单向高峰小时交通量约2 100 pcu/h，且全段交通量分布较为均匀，湖州互通以东交通量略高于以西交通量。

南太湖收费站的流量远低于其他三个收费站，约为600辆/天；湖州收费站流量最高，约为4 000辆/天；其次为南浔收费站，流量约为3 800辆/天；织里收费站较低，流量约为2 900辆/天。

高速出行呈现明显的早晚高峰。早高峰出现在8：00—9：00，晚高峰持续时间较长，出现在16：00—18：00，高峰小时交通量约占全日交通量的9.6%，见图4。

图4 高速公路出行时间分布图

2.4 差异化收费方案

按照交通运输部对高速公路差异化收费的要求，借鉴其他城市的实施经验，综合考虑方案实施难度、实施效果、车主需求、高速公路业主利益、政府财政合理支出等因素，提出以下2种收费优惠方案供选择：

方案一：优惠政策限车籍所在地为某地市的ETC一类客车（以公安交通管理部门提供数据库为准），该类车辆在申苏浙皖高速上行驶且出入南太湖互通、某地市互通、织里互通、南浔互通四个收费站时给予通行费优惠。

方案二：优惠政策为ETC所有一类客车（以公安交通管理部门提供数据库为准），该类车辆在申苏浙皖高速上行驶且出入南太湖互通、某地市互通、织里互通、南浔互通四个收费站时给予通行费优惠。

2.5 路网构建与小区划分

构建了包含高速公路、国省道、县乡道、主干路、次干路、支路等在内的道路路网。再根据研究区域内道路布局、乡镇行政区划等划分出交通小区。

2.6 交通生成与交通分布

为了直观地反映各个交通小区之间的流量大小，将OD表所提供的数据分配到划分好的交通小区的地图上，以质心代表交通小区，将各个小区连接起来，其中线的粗细与交通量大小成一定比例，就形成了期望线图，图5为该地市的出行期望线图。

图5 出行期望线图

2.7 方式划分与交通分配

根据居民出行调查数据，对出行分担率统计如图6所示。

图6 出行分担率统计图

交通分配常用非平衡分配和平衡分配方法。此次基于用户平衡分配方法对交通流进行分配。初步分配得到的道路交通流量带宽图如图7所示，图中线的宽度代表交通量的多少。

图7 交通流量分配带宽图

2.8 实施效果评估

高速公路差异化收费方案实施之后，原本行驶于高速公路平行的国省道、城市道路上的小客车被转移至高速公路上，提高了高速公路的利用率，缓解了地方道路的拥堵，提高了地方道路的平均运行速度，增加了高速公路收费站的进出站交通量以及高速公路互通连接线的交通量，具体指标变化情况见表2。

表2 不同方案指标变化表

所有ETC一类客车免费方案与ETC湖州牌照一类客车方案相比，高速公路断面交通量增长率增加了11%，收费站高峰小时通行余量平均值减少了10 pcu/h，主要道路流量减少了1%，主要道路速度增加了0.6%，高速公路互通连接线v/c增加值增加了0.03，但是财政补贴金额要增加1 200万元左右，单位补贴金额带来的效益提升并不显著。

3 结论

该文首先提出了一种基于“四阶段”法的市区段高速公路差异化收费交通影响评估方法，并从补贴测算、高速公路服务水平、收费站通行余量、高速公路连接线服务水平和主要道路服务水平五个角度对差异化收费政策的实施效果进行评价。然后，以国内某地市为例，将该方法加以应用，并得到如下结论：所有ETC一类客车免费方案与ETC湖州牌照一类客车免费方案相比，高速公路利用率的提高，地方道路的缓堵、提速作用等效果相对较好，但是财政补贴金额要增加1 200万元左右，单位补贴金额带来的效益提升并不显著。