劉東波

(公安部交通管理科學(xué)研究所,江蘇無錫214151)

高速公路ETC交通效益評價研究

劉東波*

(公安部交通管理科學(xué)研究所,江蘇無錫214151)

以建設(shè)節(jié)約型交通為發(fā)展目標(biāo),以科學(xué)性、系統(tǒng)性以及可操作性為原則,在充分考慮投資者、管理者與使用者意見的基礎(chǔ)上將車輛運(yùn)行速度、行車延誤、通行能力、交通安全、交通噪聲污染,以及車輛尾氣排放相結(jié)合構(gòu)成ETC交通效益評價指標(biāo)體系.通過定性與定量相結(jié)合的方法,給出各評價指標(biāo)的量化值.運(yùn)用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法(DEA)對不同交通流狀態(tài)下ETC建設(shè)項目的交通效益進(jìn)行超效率分析.最后通過實例驗證不僅給出了不同交通量條件下ETC建設(shè)項目的交通效益超效率量化值,而且將不同交通量所對應(yīng)的效益值相對比,從而找出導(dǎo)致效益較低的根本原因,并有針對性地采取改進(jìn)措施.

智能交通;交通效益;DEA評價方法;不停車收費系統(tǒng);指標(biāo)體系;節(jié)約交通

1 引 言

交通行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性、資源密集型產(chǎn)業(yè),在現(xiàn)階段,建設(shè)節(jié)約型交通必然成為建設(shè)節(jié)約型社會的重要內(nèi)容與發(fā)展趨勢.隨著高速公路網(wǎng)與智能交通系統(tǒng)(ITS)的不斷發(fā)展,電子收費(Electronic Toll Collection,簡稱ETC)技術(shù)被逐漸采用.

電子收費系統(tǒng)以非現(xiàn)金、非手工方式,自動完成與交通相關(guān)的收費交易過程,大大地提高了收費的運(yùn)營效率.實踐已證明,采用電子收費系統(tǒng)可以從根本上解決人工收費造成的交通堵塞和擁擠問題,大大提高道路的通行能力,減少車輛因停車收費造成的能源消耗及尾氣排放帶來的環(huán)境污染,是目前高速公路建設(shè)節(jié)約型交通的主要發(fā)展趨勢與措施.例如,美國新澤西州高速公路管理局的電子收費系統(tǒng)使各種車輛在收費站的延誤減少了85%,每年因延誤損失經(jīng)濟(jì)效益達(dá)1 900萬美元[1].

與傳統(tǒng)的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目相比,ETC系統(tǒng)建設(shè)項目投資較大,且社會經(jīng)濟(jì)影響比較廣泛,因此,有效地選取評價指標(biāo)并估測其交通、經(jīng)濟(jì)效益是投資者、使用者及政府等各方面都關(guān)心的問題.然而,在現(xiàn)有的ITS建設(shè)項目評價中并沒有專門的、詳細(xì)評價ETC建設(shè)項目效益的方法,對ETC自身建設(shè)項目進(jìn)行評價時也主要是考慮其整體社會經(jīng)濟(jì)效益,并沒有全面、詳細(xì)地量化項目所產(chǎn)生的交通效益,致使人們無法客觀、準(zhǔn)確認(rèn)識ETC系統(tǒng)建設(shè)給社會所帶來的交通效益及對發(fā)展節(jié)約型交通的促進(jìn)作用,影響了ETC建設(shè)項目的良性、有序發(fā)展[2].

本文以建設(shè)節(jié)約型交通為理念,綜合考慮項目決策者、投資者和社會公眾三方面的意愿,選取合適的交通效益評價指標(biāo),并采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法(DEA)作為評價方法進(jìn)行超效率量化分析,既能準(zhǔn)確度量其對建設(shè)節(jié)約型交通的貢獻(xiàn),也能全面評價ETC建設(shè)項目經(jīng)濟(jì)與社會效益.

2 ETC交通效益評價指標(biāo)體系

評價指標(biāo)體系的構(gòu)建應(yīng)當(dāng)能充分反映和體現(xiàn)節(jié)約型交通發(fā)展的內(nèi)涵和要求.建立ETC項目交通效益評價指標(biāo)體系,本質(zhì)上就是尋找一組具有典型意義,同時能全面反映項目各方面交通經(jīng)濟(jì)影響的特征指標(biāo),這些指標(biāo)能恰當(dāng)?shù)乇磉_(dá)人們對ETC項目評價目標(biāo)的定量判斷[2].

本文本著系統(tǒng)性、科學(xué)性、定性與定量相結(jié)合及可操作性原則,在充分考慮投資者、管理者與使用者意見的基礎(chǔ)上,從通行能力、運(yùn)行速度、時間延誤、交通安全、噪聲污染及尾氣排放6個方面確定了ETC項目交通效益的綜合評價指標(biāo)體系,如圖1所示.

圖1 高速公路ETC系統(tǒng)評價體系Fig.1 ETC evaluation system of freeway

指標(biāo)層中的指標(biāo)體系根據(jù)屬性可以分為兩類,一類是負(fù)向指標(biāo)(越小越好),一類是正向指標(biāo)(越大越好).通過測量、調(diào)查或者VISSIM仿真計算,就可以得到各評價指標(biāo)的量化值.

2.1 通行能力

收費站通行能力的主要決定因素是收費車道數(shù)、每個車道提供的服務(wù)、車輛通過的速度(收費處理速度)、每個車道通過的交通量比例、車道的類型(單服務(wù)車道混合車道)等,其計算模型如下[3]:

式中 C——收費站的通行能力;

H——提供單項服務(wù)的車道的通行能力之和;

B1、B2——混合車道中用戶的交通量及其他用戶的交通量;

NE——ETC專用車道數(shù);

SE——ETC單車道的服務(wù)能力;

PE——ETC用戶的比例.

2.2 時間延誤

人工判別車型平均收費時間在10-15秒左右,車輛通行速率受到很大限制.ETC系統(tǒng)使用后,整個收費時間縮短,每收發(fā)一次車輛信息有效時間僅需3.3 s左右.時間延誤減少產(chǎn)生的效益計算式如下[4]:

式中 C——單ETC車道通過率(輛/小時);

K——設(shè)置ETC車道數(shù);

Tr——人工收費延誤時間(s);

Te——電子收費延誤時間(s);

TC——單車時間價值(元/小時).以標(biāo)準(zhǔn)小客車為例,其平均載客人數(shù)(含司機(jī))約為3.5人(多個項目的調(diào)查平均值);依據(jù)不同地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平(以人均國內(nèi)生產(chǎn)總值表示),測算得出相應(yīng)的時間價值.

2.3 車輛區(qū)間運(yùn)行速度

在評價收費站服務(wù)水平時,延誤與區(qū)間速度是最主要的指標(biāo),區(qū)間速度是指車輛行駛路程與通過該路程所需要的總時間(包括停車時間)之比.對于ETC建設(shè)項目,本文選取ETC收費站前后總長1 km為車輛行駛的路程,相應(yīng)的時間為通行時間,即

式中 S——車輛行駛的總路程;

T——通過該路程所需的總時間.

2.4 ETC系統(tǒng)對交通安全的影響

在收費區(qū),常出現(xiàn)的交通事故主要有追尾、側(cè)撞、撞固定物等類型.影響收費區(qū)交通安全的主要因素有:收費車道收費形式配置、車輛加速度、通過速度、車道數(shù)和跨車道車流量.ETC系統(tǒng)的實施使得這些因素發(fā)生變化,因而收費區(qū)的交通安全狀況也隨之變化.

本文選擇事故率作為交通安全方面的評價指標(biāo).事故率是指通過收費亭的每百萬輛車的事故數(shù),即

式中 CRS——收費區(qū)域事故率;

A——在分析時段內(nèi)的事故數(shù)(可由已建ETC且交通量相當(dāng)?shù)氖召M站處獲取數(shù)據(jù));

T——分析時段的大小,單位為年;

ADT——日平均交通量.

2.5 噪聲污染

在交通工程學(xué)中,可以用Leq來衡量聲壓的大小.Leq是反映被測時間區(qū)段內(nèi)(T)的噪聲能量的平均值,常用以下公式表達(dá):

式中 Li——時間Ti所量測到的聲級;

T——為測量的總時間,T=Σti;如果連續(xù)測量,則有

2.6 尾氣排放

高速公路采取ETC收費系統(tǒng)以后,車輛在收費站處的平均延誤減少,將導(dǎo)致車輛的尾氣排放量也減少.在這種情況下,測算出每小時內(nèi)車輛尾氣排放減少的收益價格后,就可以根據(jù)如下公式計算由于延誤減少而導(dǎo)致的尾氣排放減少所得到的效益.

式中 Bfs——由于廢氣排放減少獲得的收益(元);

Qkh——年客、貨運(yùn)交通量(輛/年);

t——全年延誤減少數(shù)(年);

Pf——每車小時尾氣排放減少的收益價格(元/車·小時),統(tǒng)計計算為4.21元/車·小時.

3 數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法(DEA)

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法(DEA)以相對效率概念為基礎(chǔ),用于評價具有相同類型的多投入、多產(chǎn)出的決策單元是否有效的一種非參數(shù)統(tǒng)計方法[5].假設(shè)有n個部門或單位(稱為決策單元,DMU),這n個決策單元都是具有可比性的.每個決策單元都有m種類型的輸入(表示該決策單元對“資源”的耗費)和s種類型的“輸出”(它們是決策單元在消耗了“資源”之后,表明“成效”的一些指標(biāo).)根據(jù)建立的指標(biāo)體系,通常以負(fù)向指標(biāo)作為輸入指標(biāo),以正向指標(biāo)作為輸出指標(biāo).這里,Xj=(x1j,x2j,…, xmj)T和Yj=(y1j,y2j,…,ysj)T分別為DMUj的輸入向量和輸出向量,j=1,…,n;v=(v1,v2,…,vm)T和u=(u1,u2,…,us)T分別為與m種投入和s種輸出對應(yīng)的權(quán)向量,為變量.考察DMUk的效率評價問題:以DMUk效率評價指數(shù)hk=為目標(biāo),以所有的決策單元的效率指數(shù)為約束,構(gòu)成如下的規(guī)劃問題[6]:

令

因此上式規(guī)劃問題化為線性規(guī)劃問題為

4 實例分析

本文以長吉高速(長春至吉林)某收費站ETC系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)為依據(jù),設(shè)計的評價方案包括每條ETC車道的交通量分別為600、800、1 000、1 200、1 400 pcu/h(分別為DMU1-DMU5),評價不同交通流量下建設(shè)ETC車道交通效益效率值的大小.根據(jù)交通效益評價指標(biāo)計算方法,對建設(shè)一條ETC車道時的指標(biāo)值進(jìn)行計算.根據(jù)Vissim交通仿真軟件對不通交通流量下收費站前后1 km的運(yùn)行狀況進(jìn)行模擬仿真,模擬參數(shù)如表1所示.

根據(jù)式(1)-式(6)計算各DMU輸入輸出指標(biāo),計算結(jié)果如表2所示.

根據(jù)數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法將指標(biāo)分為正向與負(fù)向指標(biāo),正向指標(biāo)為通行能力與運(yùn)行速度(越大越好),負(fù)向指標(biāo)為時間延誤、事故率以及交通噪聲污染(越小越好).

表1 模擬仿真數(shù)據(jù)結(jié)果Table 1 Results of simulation data

表2 ETC建設(shè)項目評價指標(biāo)計算結(jié)果Table 2 Calculations of ETC construction project evaluation index

對待估的DMU1輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行超效率數(shù)據(jù)包絡(luò)分析,可得:

運(yùn)用規(guī)劃軟件lindo進(jìn)行最優(yōu)分析得DMU1的效率值為1.00.同理可以對其它決策單元進(jìn)行超效率計算,計算結(jié)果如表3所示.

表3 超效率分析計算結(jié)果Table 3 Calculation results of the super-efficiency analysis

分析結(jié)果表明,在只考慮交通效益的大小時,當(dāng)交通量為1 000(pcu)時,建設(shè)一條ETC車道的交通效益最大,交通量為800(pcu)其次,當(dāng)交通量為600時建設(shè)ETC車道的交通效益最小.由效率評價結(jié)果分析得知,在交通量較小時,由于通行能力、尾氣排放及時間延誤較小而導(dǎo)致交通效益較低;當(dāng)交通量較大時,由于運(yùn)行速度較小、事故率及交通噪聲的增大而導(dǎo)致交通效益較小.

5 研究結(jié)論

本文在深入分析ETC項目對高速公路交通產(chǎn)生的各種影響的基礎(chǔ)上,建立了ETC項目交通效益評價指標(biāo)體系及其量化方法,并給出了交通效益的DEA評價模型.實例分析表明,該評價方法不但可以評價ETC項目的交通效益,而且可以根據(jù)不同交通量所對應(yīng)的效益值,找出導(dǎo)致效益較低的根本原因,并有針對性的采取改進(jìn)措施.然而,由于交通效益的內(nèi)涵隨著社會的發(fā)展在不斷變化,每一個ETC建設(shè)項目又有其自身的特點,因而評價指標(biāo)體系在應(yīng)用時還需要根據(jù)實際情況做進(jìn)一步的優(yōu)化.

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Traffic Performance Evaluation of Access-controlled Highway ETC Systems

LIU Dong-bo
(Traffic Management Research Institute,Ministry of Public Security,Wuxi 214151,Jiangsu,China)

With the goal of developing a resource-efficient traffic environment,this paper puts forward traffic performance evaluation system for highway ETC systems based on the principle of scientific,systematic and operability.It consideres the views of investors,managers and users and integrates the elements including vehicle travel speed,traffic delay,highway capacity,traffic safety,noise pollution and gas emission.Through a combined methodology of qualitative and quantitative research,it develops a system of quantified criteria for evaluation.Furthermore,it conducts extra-performance analyses on the ETC construction projects under various traffic flow conditions by applying the data envelopment analysis(DEA). This paper gives the ultra-efficient quantized value of the ETC construction projects under different traffic conditions as an example.It also works out the relative ratio of the effective value corresponding to different traffic to find out the root causes of low efficiency and to propose corresponding measures.

intelligent transportation;traffic performance;DEA evaluation;electronic toll collection (ETC);system of criteria;resource-efficient traffic

U491Document code: A

U491

A

1009-6744(2013)04-0182-05

2013-01-08

2013-04-24錄用日期:2013-05-07

劉東波(1975-),男,吉林大安人,副研究員,工學(xué)碩士.

*通訊作者:dbliu@vip.sina.com