基于Vissim仿真的城市交通拥挤收费方案验证研究

摘要：道路交通拥挤收费是城市交通管理的有效措施之一，通过引导和调节交通流的时空分布，缓解城市交通拥堵。本文在建立交通拥挤收费模型以及车辆出行路径选择模型的基础上，采用用VISSIM微观交通仿真软件对城市道路拥挤收费方案的可行性进行仿真研究，以期对城市道路交通拥挤收费的实施效果进行验证，对交通拥挤收费政策的具体实行以及交通管理具有重要的现实意义。

关键词：交通拥挤收费；模型；路径选择；VISSIM

引言

城市交通拥挤是随着城市化进程逐步推进、城市规模不断扩大而产生的“城市综合症”的表现之一，在世界各个国家的大中城市都很常见。长期和严重的交通拥挤会带来巨大的社会成本。交通拥挤造成的影响是多方面,包括时间浪费、运营成本上升、交通事故、空气污染、噪声污染，以及相关产业的发展等。

实践证明，当城市规模发展到一定程度的时候，仅仅依靠道路、公交系统等硬件设施的建设已经很难有效的解决交通拥堵问题。在中心拥挤位置实行拥挤收费，从而抑制小汽车的出行量，使城市中心道路系统中交通量逐渐减少并内外趋于平衡，能够有效的缓解拥挤状况。新加坡是最早通过实行拥挤收费来治理交通拥堵的城市，为缓解城市核心区交通压力，新加坡实施区域通行证系统，在划定的控制区域内对车辆进行收费。收费费率根据区域的交通拥挤程度采取浮动制，车辆每通过电子收费站收费一次。该方案实施后效果非常明显，高峰小时交通量显著下降，平均车速和公交出行比例得到很大提高。

虽然城市拥挤收费很可能是将来解决城市拥堵问题的一个良好方案，但是目前关于这方面的研究尚少。另外由于其涉及的问题较多，需考虑的因素复杂，因此对其进行系统研究并建立模型，有着十分重大的理论意义和现实意义。

1、交通拥挤收费及方案仿真的必要性

道路拥挤收费是指对行驶于拥挤道路或高峰路段的车辆征收额外费用，国外称为拥挤通行费，其目的就是利用价格机制，引导交通需求，抑制交通出行产生，缓解交通拥堵。通过拥挤收费来缓解交通拥挤被认为是最为有效和公平的一项城市交通政策，已成为国际上特大城市解决交通问题的一种趋势。交通拥挤收费不但交通改善效益十分明显，而且还能创造一定收入，可用于改善公共交通。同时，它还具有显著的环境和社会效益。该政策是经济社会环境协调发展的促进力量，符合科学发展观的要求，对解决城市交通问题具有战略性意义，应成为城市交通政策的重要选项。

城市道路拥挤收费系统是一项涉及到政策、经济、技术和工程规划等多方面的系统工程。实施拥挤收费措施的新加坡、伦施以及试行过拥挤收费措施的香港，在拥挤收费的前期研究，从收费模式、收费范围、收费时段、收费车辆类型、收费费率等方案的制定，与论证工作中都投入了巨大的人力、物力与财力。交通拥挤收费涉及多方面因素，在方案实施前需要对方案进行比选，充分论证。如何在交通拥挤收费方案实施之前评估其优劣，是决定方案能否成功的关键。交通微观仿真系统克服了交通系统现场实验代价大、实施困难的缺点，为城市交通建设与研究提供良好的试验平台，具有广阔的应用前景.交通信息获取、交通状况分析与评价是微观仿真系统实现交通模拟及方案论证功能所不可缺少的组成部分。本文主要探讨利用Vissim仿真方法设计模拟试验，分析不同收费费率对交通流运行状况的影响，并给出确定合理的道路交通拥挤收费费率的一般方法。

2、基本理论

道路网交通拥挤通常是由于出行者在选择出行路径时，在某一时段内过多地集中在路网中某条或多条道路上而引起的。影响出行者路径选择的因素主要有行程时间、行程距离和费用(包括经济费用和附加费用)。路网中路径的总体费用是这些影响因素的加权和，其数学表达式为：

式中： 为因拥挤而产生的总费用； 为拥挤收费路径的条数； 为道路上第 种车辆总数； 第 种车辆年均出行次数； 为第 种车辆选择 路径的一般费用，包括行程时间、出行距离、油费、燃油税等； 为各种车型的拥挤收费费率。

在出行过程中，出行者是否选择某条路径取决于该条路径的效用，其效用与总体费用成反比，因此，效用函数可表示为：

式中： 为路径 的选择效用， 为路径 的一般性费用。

出行者的路径选择行为可以由离散选择模型来描述。由于常用的Logit模型无法模拟决策者对于不同选择枝的敏感程度，在Vissim仿真中引入Kirchhoff分布来弥补这一不足，该模型表达式为：

式中： 为路径 被选择的概率；k为Kirchhoff参数。

随着参数 的取值不同，近似模拟决策者对于选择枝的敏感程度不同。根据交通流的分布特征选取 值，以之描述出行者对路径选择的敏感性。

3、基于Vissim仿真的交通拥挤收费方案验证思路

3.1路网设置

大多数城市区域之间都有国省道、城市主干路相连，或可替代路径，为了更好地模拟实际状况，我们假定通往某市中心城区的主干路有三条，其中，有两条主干路实行交通拥挤收费策略，在Vissim中建立如图1所示的交通拥挤收费路网模型，通过动态交通分配来考查改变收费道路的费率时，收费路径和免费路径的交通量转移、平均速度和通行时间的变化情况。在Vissim中建立此路网要复杂的多，在此仅以示意图呈现。

图1中心城区拥挤收费的Vissim路网仿真示意图

3.2停车场设置

在城市中心区道路网中设置4个停车场（见图1），作为车辆的目的地。为模拟现实中的早高峰时段，将仿真时长设为2h。考虑到现实中出行者对于拥挤收费政策的反应不同，通往中心城区的车流量数据，可以通过以下方式获得。一是，根据国外实行交通拥挤收费的实际情况，拥挤收费政策实施后，会有部分车辆转移到公共交通方式出行或采取合乘方式，或避开此高峰时段，其比例大约为10%～15%。二是，通过Vissim软件反推获得。主要思路是获得交通拥挤前通往中心城区路网的车流量数据，然后在Vissim中输入并仿真，获得现状路网各项指标数据，实行交通拥挤收费后，中心城区路网各指标数据均有所改善，特别是车辆运行速度将有所提高，在现有路网车流量不变的情况下，根据车辆运行速度、延误等指标，反推交通拥挤收费后的路网交通量。

3.3信号灯设置

根据中心城区调查数据对信号交叉口的信号配时情况进行设置。Vissim中的信号灯设置在每条车道的停车线处。遇到红灯的车辆将在信号灯/停车线后约0.5米处停车。黄灯期间，如果车辆无法在停车线前安全停车，它将继续行驶通过交叉口。在Vissim中使用以下的决策模型，来计算驾驶员在黄灯期间停车的概率。计算公式如下：

式中： 、 、 为参数。

3.4拥挤收费方案设定

中心城区交通量主要由小型客车、中型客车、大型客车、小型货车、中型货车等组成，其中，大型客车和中型货车所占比例较低。交通拥挤收费方案拟在上下午高峰时期时候按照元/次来征收，其中，小型客车按照排量来征收，各车型收费类型如表1所示。

表1交通拥挤收费方案（元/次）

车型方案 小型客车 中型客车 大型客车 小型货车 中型货车

排量≤1L 1＜排量≤2L 排量＞2L

A 1 1.5 2 3 4 1 3

B 1.5 2 3 4 5 1.5 4

C 2 2.5 3 4.5 6 2 5

3.5拥挤收费方案评价

根据各种拥挤收费方案采用国外经验或者Vissim的反推，预测出实施方案后的路网车流量，输入Vissim仿真后，采用路段评价功能，可以向用户提供基于路段区域而不是单一车辆的仿真评价结果。一个路段分成若干个具有特定长度的车道区段，在用户定义的时间间隔内，当车辆驶出车道区段范围时进行相关数据的采集。在这里采用Vissim中自带的车辆行程时间、路网性能、排队长度、延误等评价指标数据，对交通拥挤收费前后方案的效果进行评价。

基于Vissim的交通拥挤收费方案仿真验证流程图，如图2所示。

图2基于Vissim的交通拥挤收费方案仿真验证流程图

4、仿真测试

本文以江苏省无锡市主城区东部快速路为例，假定其采用交通拥堵收费政策，对其交通拥堵前后交通运行状况进行仿真，首先建立以图所示的基础路网，将中心城区小型客车、中型客车、大型客车、小型货车、中型货车等的拥堵前后所占的比例分别输入到Vissim中，设置好各个交叉口的信号配时后，进行仿真测试。图4、图5、图6分别为交通拥挤收费前后路网及平面交叉通运行仿真示意图。采用Vissim自带的评价文件，可以查看在仿真运行过程中，路网和单行道路的车辆行程时间、信号变化、路网性能、排队长度、延误等评价指标数据。交通诱导前后路网评价指标数据，如表2所示。从表中可以看出，实行交通拥挤收费后路网车流量下降约20%左右，车辆平均运行速度有所提升、车辆平均排队长度减少，服务水平上升，由此可以看出，实行交通拥挤收费后交通拥堵状况得到明显改善。

图3基础路网图4交通拥堵收费前

图5交通拥堵收费后图6收费后中山路与人民路交叉口流量流向图

表2项目区平面交叉口高峰小时各进口道车辆的平均延误

状况 路网流量

（pcu） 平均运行速度

（km/h） 平均排队长度

（m） 总延误

（s/h） 服务水平

交通拥挤收费前 107211 30 45 300 C级

交通拥挤收费后 85769 35 26 210 B级

5、结论

使用VISSIM 微观交通仿真软件进行了仿真试验，最后分析了不同收费费率对交通流运行状况的影响，并给出了最佳收费费率的确定方法。结果表明，

实施交通拥挤收费政策能够有效调控交通流的时空分布，从而改善交通拥挤状况；拥挤收费费率对于拥挤状况的改善具有较大影响，合理的收费费率能使路网中交通流的分布达到最佳效果。实施交通拥挤收费面临多方面的困难与挑战，如何在交通拥挤收费方案实施前验证其优劣，是决定收费方案是否成功的关键，本文采用Vissim仿真系统对交通拥挤收费方案进行可行性研究，以期对方案实施效果进行仿真评价，研究成果可以为拥挤收费的实施和定价提供理论依据和参考价值。采用仿真系统对规划和管理整治方案进行实施前的系统评价是一种新的思路和方法，具有一定的客观性和可操作性，可以为交通管理部门提供一定的决策依据。本文后续的研究工作将结合实际路网深入探讨交通拥挤收费的合理定价问题，从而为我国实施交通拥挤政策及制定具体收费标准提供参考。

6、参考文献

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。