高速公路ETC交通效益評(píng)價(jià)研究

劉東波

(公安部交通管理科學(xué)研究所,江蘇無(wú)錫214151)

高速公路ETC交通效益評(píng)價(jià)研究

劉東波*

(公安部交通管理科學(xué)研究所,江蘇無(wú)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(jiàn)的基礎(chǔ)上將車(chē)輛運(yùn)行速度、行車(chē)延誤、通行能力、交通安全、交通噪聲污染,以及車(chē)輛尾氣排放相結(jié)合構(gòu)成ETC交通效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系.通過(guò)定性與定量相結(jié)合的方法,給出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化值.運(yùn)用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法(DEA)對(duì)不同交通流狀態(tài)下ETC建設(shè)項(xiàng)目的交通效益進(jìn)行超效率分析.最后通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證不僅給出了不同交通量條件下ETC建設(shè)項(xiàng)目的交通效益超效率量化值,而且將不同交通量所對(duì)應(yīng)的效益值相對(duì)比,從而找出導(dǎo)致效益較低的根本原因,并有針對(duì)性地采取改進(jìn)措施.

智能交通;交通效益;DEA評(píng)價(jià)方法;不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng);指標(biāo)體系;節(jié)約交通

1 引 言

交通行業(yè)是國(guó)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(huì)的重要內(nèi)容與發(fā)展趨勢(shì).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(fèi)(Electronic Toll Collection,簡(jiǎn)稱ETC)技術(shù)被逐漸采用.

電子收費(fèi)系統(tǒng)以非現(xiàn)金、非手工方式,自動(dòng)完成與交通相關(guān)的收費(fèi)交易過(guò)程,大大地提高了收費(fèi)的運(yùn)營(yíng)效率.實(shí)踐已證明,采用電子收費(fèi)系統(tǒng)可以從根本上解決人工收費(fèi)造成的交通堵塞和擁擠問(wèn)題,大大提高道路的通行能力,減少車(chē)輛因停車(chē)收費(fèi)造成的能源消耗及尾氣排放帶來(lái)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(shì)與措施.例如,美國(guó)新澤西州高速公路管理局的電子收費(fèi)系統(tǒng)使各種車(chē)輛在收費(fèi)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(wàn)美元[1].

與傳統(tǒng)的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目相比,ETC系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目投資較大,且社會(huì)經(jīng)濟(jì)影響比較廣泛,因此,有效地選取評(píng)價(jià)指標(biāo)并估測(cè)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(wèn)題.然而,在現(xiàn)有的ITS建設(shè)項(xiàng)目評(píng)價(jià)中并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的、詳細(xì)評(píng)價(jià)ETC建設(shè)項(xiàng)目效益的方法,對(duì)ETC自身建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)也主要是考慮其整體社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益,并沒(méi)有全面、詳細(xì)地量化項(xiàng)目所產(chǎn)生的交通效益,致使人們無(wú)法客觀、準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)ETC系統(tǒng)建設(shè)給社會(huì)所帶來(lái)的交通效益及對(duì)發(fā)展節(jié)約型交通的促進(jìn)作用,影響了ETC建設(shè)項(xiàng)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(xiàng)目決策者、投資者和社會(huì)公眾三方面的意愿,選取合適的交通效益評(píng)價(jià)指標(biāo),并采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法(DEA)作為評(píng)價(jià)方法進(jìn)行超效率量化分析,既能準(zhǔn)確度量其對(duì)建設(shè)節(jié)約型交通的貢獻(xiàn),也能全面評(píng)價(jià)ETC建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益.

2 ETC交通效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

評(píng)價(jià)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(xiàng)目交通效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,本質(zhì)上就是尋找一組具有典型意義,同時(shí)能全面反映項(xiàng)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(duì)ETC項(xiàng)目評(píng)價(jià)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(jiàn)的基礎(chǔ)上,從通行能力、運(yùn)行速度、時(shí)間延誤、交通安全、噪聲污染及尾氣排放6個(gè)方面確定了ETC項(xiàng)目交通效益的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,如圖1所示.

圖1 高速公路ETC系統(tǒng)評(píng)價(jià)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(lèi),一類(lèi)是負(fù)向指標(biāo)(越小越好),一類(lèi)是正向指標(biāo)(越大越好).通過(guò)測(cè)量、調(diào)查或者VISSIM仿真計(jì)算,就可以得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化值.

2.1 通行能力

收費(fèi)站通行能力的主要決定因素是收費(fèi)車(chē)道數(shù)、每個(gè)車(chē)道提供的服務(wù)、車(chē)輛通過(guò)的速度(收費(fèi)處理速度)、每個(gè)車(chē)道通過(guò)的交通量比例、車(chē)道的類(lèi)型(單服務(wù)車(chē)道混合車(chē)道)等,其計(jì)算模型如下[3]:

式中 C——收費(fèi)站的通行能力;

H——提供單項(xiàng)服務(wù)的車(chē)道的通行能力之和;

B1、B2——混合車(chē)道中用戶的交通量及其他用戶的交通量;

NE——ETC專(zhuān)用車(chē)道數(shù);

SE——ETC單車(chē)道的服務(wù)能力;

PE——ETC用戶的比例.

2.2 時(shí)間延誤

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

式中 C——單ETC車(chē)道通過(guò)率(輛/小時(shí));

K——設(shè)置ETC車(chē)道數(shù);

Tr——人工收費(fèi)延誤時(shí)間(s);

Te——電子收費(fèi)延誤時(shí)間(s);

TC——單車(chē)時(shí)間價(jià)值(元/小時(shí)).以標(biāo)準(zhǔn)小客車(chē)為例,其平均載客人數(shù)(含司機(jī))約為3.5人(多個(gè)項(xiàng)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(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值表示),測(cè)算得出相應(yīng)的時(shí)間價(jià)值.

2.3 車(chē)輛區(qū)間運(yùn)行速度

在評(píng)價(jià)收費(fèi)站服務(wù)水平時(shí),延誤與區(qū)間速度是最主要的指標(biāo),區(qū)間速度是指車(chē)輛行駛路程與通過(guò)該路程所需要的總時(shí)間(包括停車(chē)時(shí)間)之比.對(duì)于ETC建設(shè)項(xiàng)目,本文選取ETC收費(fèi)站前后總長(zhǎng)1 km為車(chē)輛行駛的路程,相應(yīng)的時(shí)間為通行時(shí)間,即

式中 S——車(chē)輛行駛的總路程;

T——通過(guò)該路程所需的總時(shí)間.

2.4 ETC系統(tǒng)對(duì)交通安全的影響

在收費(fèi)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(lèi)型.影響收費(fèi)區(qū)交通安全的主要因素有:收費(fèi)車(chē)道收費(fèi)形式配置、車(chē)輛加速度、通過(guò)速度、車(chē)道數(shù)和跨車(chē)道車(chē)流量.ETC系統(tǒng)的實(shí)施使得這些因素發(fā)生變化,因而收費(fèi)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(píng)價(jià)指標(biāo).事故率是指通過(guò)收費(fèi)亭的每百萬(wàn)輛車(chē)的事故數(shù),即

式中 CRS——收費(fèi)區(qū)域事故率;

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

T——分析時(shí)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(lái)衡量聲壓的大小.Leq是反映被測(cè)時(shí)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(shí)間Ti所量測(cè)到的聲級(jí);

T——為測(cè)量的總時(shí)間,T=Σti;如果連續(xù)測(cè)量,則有

2.6 尾氣排放

高速公路采取ETC收費(fèi)系統(tǒng)以后,車(chē)輛在收費(fèi)站處的平均延誤減少,將導(dǎo)致車(chē)輛的尾氣排放量也減少.在這種情況下,測(cè)算出每小時(shí)內(nèi)車(chē)輛尾氣排放減少的收益價(jià)格后,就可以根據(jù)如下公式計(jì)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(chē)小時(shí)尾氣排放減少的收益價(jià)格(元/車(chē)·小時(shí)),統(tǒng)計(jì)計(jì)算為4.21元/車(chē)·小時(shí).

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(duì)效率概念為基礎(chǔ),用于評(píng)價(jià)具有相同類(lèi)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(jì)方法[5].假設(shè)有n個(gè)部門(mén)或單位(稱為決策單元,DMU),這n個(gè)決策單元都是具有可比性的.每個(gè)決策單元都有m種類(lèi)型的輸入(表示該決策單元對(duì)“資源”的耗費(fèi))和s種類(lèi)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(duì)應(yīng)的權(quán)向量,為變量.考察DMUk的效率評(píng)價(jià)問(wèn)題:以DMUk效率評(píng)價(jià)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(wèn)題[6]:

令

因此上式規(guī)劃問(wèn)題化為線性規(guī)劃問(wèn)題為

4 實(shí)例分析

本文以長(zhǎng)吉高速(長(zhǎng)春至吉林)某收費(fèi)站ETC系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù),設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)方案包括每條ETC車(chē)道的交通量分別為600、800、1 000、1 200、1 400 pcu/h(分別為DMU1-DMU5),評(píng)價(jià)不同交通流量下建設(shè)ETC車(chē)道交通效益效率值的大小.根據(jù)交通效益評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法,對(duì)建設(shè)一條ETC車(chē)道時(shí)的指標(biāo)值進(jìn)行計(jì)算.根據(jù)Vissim交通仿真軟件對(duì)不通交通流量下收費(fèi)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(jì)算各DMU輸入輸出指標(biāo),計(jì)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(shí)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(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculations of ETC construction project evaluation index

對(duì)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(duì)其它決策單元進(jìn)行超效率計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表3所示.

表3 超效率分析計(jì)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(shí),當(dāng)交通量為1 000(pcu)時(shí),建設(shè)一條ETC車(chē)道的交通效益最大,交通量為800(pcu)其次,當(dāng)交通量為600時(shí)建設(shè)ETC車(chē)道的交通效益最小.由效率評(píng)價(jià)結(jié)果分析得知,在交通量較小時(shí),由于通行能力、尾氣排放及時(shí)間延誤較小而導(dǎo)致交通效益較低;當(dāng)交通量較大時(shí),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(xiàng)目對(duì)高速公路交通產(chǎn)生的各種影響的基礎(chǔ)上,建立了ETC項(xiàng)目交通效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及其量化方法,并給出了交通效益的DEA評(píng)價(jià)模型.實(shí)例分析表明,該評(píng)價(jià)方法不但可以評(píng)價(jià)ETC項(xiàng)目的交通效益,而且可以根據(jù)不同交通量所對(duì)應(yīng)的效益值,找出導(dǎo)致效益較低的根本原因,并有針對(duì)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(huì)的發(fā)展在不斷變化,每一個(gè)ETC建設(shè)項(xiàng)目又有其自身的特點(diǎn),因而評(píng)價(jià)指標(biāo)體系在應(yīng)用時(shí)還需要根據(jù)實(shí)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