可交易電子路票交通管理思考
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摘要：可交易電子路票作為一種交通需求管理的新思路和理論研究前沿，正受到越來越多交通運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)W者們的關(guān)注。近年來，國內(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)鍵問題。最后，對可交易電子路票的未來研究方向進(jìn)行了展望?？山灰茁菲狈桨甘且环N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，單雙號限行）在短期內(nèi)是公平和有效的，但是犧牲了過多的經(jīng)濟(jì)效益，從長遠(yuǎn)來看，它的公平性和有效性也會喪失［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)場泊位分配。用TP方法來管理交通需求，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，但出行者通過每條路段時被收取的路票數(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）在每個周期（如1個月）的開始，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應(yīng)的路票收取率。（2）在剩下的時間里，出行者使用某條路段時，將被收取路段特有（link－specific）數(shù)量的路票。（3）路票可以在一個自由市場上進(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買更多的路票。
1．3可交易電子路票的定性特征
（1）在短期和長期都能夠有效地緩解交通擁擠；（2）能同時保證較高的公平性水平和較高的社會經(jīng)濟(jì)效率；（3）收入中性，減少了公眾對政府緩解交通擁堵動機(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)劃問題，其一階最優(yōu)性條件等價(jià)于UE條件和路票市場均衡條件。
1．5可交易電子路票的理論特性
對于一個給定的可交易路票方案，存在唯一的均衡路段流量模式。在一個非常溫和的假設(shè)下，市場均衡時的路票價(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，國內(nèi)外眾多學(xué)者從多個角度對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間價(jià)值分布的多類用戶的情況，此時無法建立一個等價(jià)的凸規(guī)劃模型來從其KKT條件中導(dǎo)出用戶均衡條件和市場均衡條件，但可以表示為一個變分不等式問題。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)時間價(jià)值分布的多用戶網(wǎng)絡(luò)均衡問題，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2種市場（拍賣市場和議價(jià)市場）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有交易成本存在時的路票市場價(jià)格低，拍賣市場就能夠達(dá)到期望的路票均衡分配。然而，在議價(jià)市場中，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，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，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)擁擠時是一一對應(yīng)的。通過一個算例，他們闡釋了當(dāng)交通需求和供給存在不確定時這種一一對應(yīng)可能不存在。他們還對耦合網(wǎng)絡(luò)和市場均衡進(jìn)行了敏感度分析，來預(yù)測路票價(jià)格是怎樣隨著供給或需求的波動而變化［9］。
2．1．5可交易路票方案的動態(tài)演化
Ye等研究了在可交易路票方案下路票價(jià)格和感知旅行時間的動態(tài)變化。他們提出了一個在有限時間范圍的連續(xù)動態(tài)模型，來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，并研究了在一個有限時間范圍內(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間范圍長度對系統(tǒng)性能特別是穩(wěn)定性和收斂性是至關(guān)重要的。當(dāng)時間范圍足有長時，具有不同初始條件的系統(tǒng)將會最終變得穩(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，來探索未使用的路票和未來周期路票的價(jià)格對當(dāng)前周期市場行為的影響。他們提出了2個政策，使得一個中央機(jī)構(gòu)能夠通過影響多個不同周期的出行需求，來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)作為公平性測度的優(yōu)化模型，來設(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。模型考慮了收入對出行者出行選擇的影響，并明確捕捉到可交易路票方案對不同收入水平和不同地理位置出行群體的影響［12］。考慮到均衡OD旅行費(fèi)用和路段旅行時間的不公平問題，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)施問題
Wang等提出一種改進(jìn)的二分試錯法來求解需求函數(shù)未知時單個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于管理瓶頸擁擠以及在競爭性的公路／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］。考慮到停車位預(yù)訂能夠同時減少道路擁擠和停車競爭引起的死鎖損失，Liu等研究了一種新的可交易停車許可方案，來實(shí)現(xiàn)或?qū)嵤┩＼囄活A(yù)訂。他們發(fā)現(xiàn)，相比于時變的收費(fèi)方案，一種帶有效期的停車許可方案效果更優(yōu)，且對通勤者時間價(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高峰時間窗。在高峰時間窗內(nèi)使用首選路徑的通勤者，將會被收取路票，而在高峰時間窗以外或者轉(zhuǎn)移到其他可行路徑的出行者，將會被獎勵路票。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題。這種新的可交易路票方案機(jī)理簡單，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，能夠同時實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)和一定形式的公平［22］。
3述評與討論
盡管可交易路票沒有像擁擠收費(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)，針對整個道路網(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
（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)生的社會和政治問題。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單的出行方式選擇，即一次出行只包含一種交通方式。未來可以研究更加復(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)營系統(tǒng)和交易市場等實(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。從長遠(yuǎn)來看，這些緩解交通擁擠的策略，將會對出行者的OD選擇產(chǎn)生很大影響?？紤]長期效用的可交易路票模型將會對交通管理機(jī)構(gòu)制定交通管理策略提供強(qiáng)大支持。