考慮交通擁堵效應的大城市私家車出行成本分析

顧濤， 劉澤， 劉躍軍， 周凌

(1. 北京交通發(fā)展研究院，北京 100073；2. 北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081)

目前，交通擁堵已成為困擾城市發(fā)展、影響居民生活水平的重要問題之一。以北京市為例，截至2015年，機動車保有量已達到561萬輛。2015年，北京市全路網(wǎng)高峰時段平均指數(shù)為5.7，處于輕度擁堵狀態(tài)，逼近中度擁堵門檻，早、晚高峰嚴重擁堵天數(shù)分別增加11 d和30 d。擁堵環(huán)境下，出行不僅產(chǎn)生油耗等內(nèi)部成本，同時也給社會帶來多項外部性成本，如空氣污染、噪聲污染等。出行成本不僅與交通運行狀況，還與城市布局、出行習慣、交通管理措施密切相關。在機動化快速發(fā)展的大背景下，私家車出行成本的精確測算對城市管理和交通政策制定具有重要意義。

1992年，Mackenzie等[1]首次提出機動車出行成本由市場成本和外部成本構成，該研究對各項成本進行測算，為后續(xù)研究出行成本構成奠定了基礎。加拿大維多利亞交通政策研究所對維多利亞11種出行方式的20項出行成本在城市高峰、城市非高峰、鄉(xiāng)村三種情境下進行了測算[2]。 Quinet[3]總結了歐洲各國對私家車外部出行成本的研究成果，并分析了導致結果差異性的原因。此外，邊際出行成本也成為研究熱點，如Bigazzi等[4]對高速公路交通擁堵的污染物暴露外部性的邊際成本進行研究，量化了交通量對邊際成本的影響。國內(nèi)研究人員也從成本構成[5-6]、實證研究[7-8]等方面開展了一系列出行成本分析，并利用出行成本作為探索交通問題解決策略的依據(jù)[9-10]。

當前研究分析私家車出行成本時，多以某城市出行特征參數(shù)平均值為基準，測算靜態(tài)成本，未考慮交通擁堵對成本的動態(tài)影響。本研究引入擁堵效應對大城市私家車出行成本的影響，分析出行成本隨路網(wǎng)速度的動態(tài)變化，以北京市為例測算出行成本隨路網(wǎng)速度的變化情況，以及北京市非擁堵及擁堵兩個特定情景下私家車出行成本，為以經(jīng)濟手段調控交通需求提供理論基礎。

1 出行成本模型

成本是指為了達到特定目的所失去或放棄的資源[11]。經(jīng)濟生活中，一個基本的前提是資源相對稀缺，依據(jù)理性人的假設，人們所擁有的有限資源都是有代價的，這種代價就是成本[12]。成本或效益被施加于他人身上，然而施加這種影響的人卻沒有為此付出代價或為此獲得報酬，這就產(chǎn)生了外部效應，是一個經(jīng)濟主體的行為對另一個經(jīng)濟主體的福利所產(chǎn)生的效果，而這種效果并沒有從貨幣或市場交易中反映出來[13]。交通出行的目的是為了完成人和物的移動，因此，出行成本可定義為“為了完成人或物的移動所應當支付的經(jīng)濟支出” 。

1.1 出行成本構成

圖1 私家車出行成本構成Fig.1 The travel cost of private car

私家車在城市機動車保有量中占絕大部分，其出行特征對城市交通運行影響顯著，出行成本不僅與居民生活密切相關，還是城市交通管理決策的重要依據(jù)。私家車出行成本由內(nèi)部成本和外部成本構成。內(nèi)部成本指由私家車車主直接支付的成本，也即私人廣義出行成本，包括使用成本、時間成本、舒適性成本、可靠性成本。外部成本是指不由車主直接支付，因車主出行所產(chǎn)生的其他成本。包括基礎設施成本、擁擠成本、大氣污染成本、噪聲污染成本、交通事故成本。詳見圖1。

1.2 出行成本量化模型

出行者特征、出行時間、里程等因素會影響出行成本，研究中將出行特征的差異最小化，測算單輛私家車單位行駛里程的平均出行成本：

CTotal=CInter+CExter，

(1)

CInter=CU+CT+CUC+CUR，

(2)

CExter=CF+CC+CAP+CNP+CA，

(3)

式中，CTotal、CInter、CExter為單位總出行成本、內(nèi)部成本、外部成本， 元/(輛·km)；CU,CT,CUC,CUR,CF,CC,CAP,CNP,CA為使用成本、時間成本、舒適性成本、可靠性成本、基礎設施成本、擁擠成本、大氣污染成本、噪聲污染成本、交通事故成本，元/(輛·km)。

1.2.1 使用成本

私家車使用成本分為購車成本和用車成本，用車成本包括停車成本、保險成本、維修成本、路橋成本4項階段性成本及燃油成本：

CU=Cj+Cf，

(4)

式中，Cj,Cf為單位行駛里程耗費的階段性成本、燃油成本，元/(輛·km)。

(5)

式中，B為車輛購置費；Y為車輛使用年限；Dpy為年均行駛里程， km/a;P,I,M,L為年停車費、年保險費、年維修費、年路橋費， 元/a。

燃油成本與車輛類型有關，不同類型車輛的單位油量行駛里程不同，燃油成本：

(6)

式中，F(xiàn)為油價， 元/L；pj,dj為j類車比例和單位油量行駛里程， km/L。

1.2.2 時間成本

時間成本的核心是單位時間價值，即與單位時間等價的貨幣價值。一般的，單位時間價值與收入有關，收入越高，單位時間價值越大。單位時間成本定義如下：

CT=Vout/v，

(7)

(8)

式中，Vout為單位時間價值， 元/h；v為路網(wǎng)速度， km/h；In為第n類人群的年平均工資，元/a；dy，hd為每年工作天數(shù)、每天工作小時數(shù)，單位分別為d/a，h/d。

1.2.3 舒適性成本

影響私家車出行舒適性的原因，一是速度慢，行程時間長，車內(nèi)乘客感知時間明顯長于實際行駛時間；二是車速變化頻繁，引起乘客不適。這兩項是衡量小汽車舒適性的關鍵要素，而車速變化難以獲取，且一定程度上車速變化與車速有關，因此認為舒適性僅與車速有關。模型將主觀感知時間與實際行駛時間的差值作為衡量舒適性程度的標準，將這一參數(shù)定義為舒適性指數(shù)Ioc：

Ioc=tf(v)-tr(v),

(9)

式中，tf(v),tr(v)表示速度為v時，單位里程感知時間、實際行駛時間， h。

舒適性成本即為舒適性指數(shù)這段時間的貨幣價值：

Cuc=Vout×Ioc。

(10)

1.2.4 可靠性成本

可靠性用單位里程行駛時間的波動性來量化，時間波動越大，意味著時間越不可估計，可靠性越低，出行者付出更多成本。用單位里程出行時間的標準差作為衡量時間波動性的標準，將這一參數(shù)定義為可靠性指數(shù)Ior：

Ior=σ(t),

(11)

(12)

式中，σ(t)為單位里程出行時間的標準差，h。

可靠性成本是交通擁堵導致出行波動性的時間價值，即可靠性指數(shù)所覆蓋時間的價值：

Cur=Vout×Ior。

(13)

1.2.5 基礎設施成本

采用資源均攤法量化，將各類城市道路建設成本分攤至車輛行駛里程中，定義基礎設施成本為：

，

(14)

式中，ck為k類道路資源的單位里程建設維護成本，元/km；lk為k類道路資源的總里程數(shù)， km；yk為k類道路資源的使用年限， a；N為小汽車保有量，輛。

1.2.6 擁擠成本

擁擠成本指由于出行給道路其他出行者帶來的時間損失，從出行者角度量化，對單位出行者造成的成本：

(15)

式中，c為擁堵路況給出行者個人造成的成本， 元/(人·km)；v,vf為路網(wǎng)實際速度、順暢路況下路網(wǎng)速度， km/h。

擁擠成本是由道路上所有運行車輛給路網(wǎng)上所有出行者帶來的額外時間成本。路網(wǎng)中存在私家車、出租車、公交車及其他車輛，不同車輛載客數(shù)不同，因此由私家車給路網(wǎng)出行者造成的擁堵成本：

(16)

式中，p1為路網(wǎng)中私家車比例；nr為r類型車的載客數(shù)，人/輛；pr為路網(wǎng)中r類型車比例。

1.2.7 大氣污染、噪聲污染成本

該項成本較難量化，采用文獻[14]中的參數(shù)，根據(jù)行駛速度對大氣污染成本(CAP)和噪聲污染成本(CNP)進行折減：

CAP=cap×α×φ(v)，

(17)

CNP=cnp×α×φ(v)，

(18)

式中，cap,cnp為單位大氣污染、單位噪聲污染成本， 元/(輛·km)；α為由私家車造成的污染比例；φ(v)為速度v時的折減系數(shù)。

1.2.8 交通事故成本

采用成本分攤法，將事故損失分攤至行駛里程中，包括死亡、受傷、直接經(jīng)濟損失。交通事故成本(CA)定義為：

，

(19)

式中，cl為l類交通事故損失的人均貨幣損失， 元/人；nl為l類交通事故損失對應人數(shù)，人/a；λ為由私家車引起的交通事故比例。

2 實例研究

以北京市為實例，利用北京市交通運行、居民出行調查及出行意愿調查等基礎數(shù)據(jù)，確定模型參數(shù)，進一步分析出行成本隨速度的動態(tài)變化情況，并針對兩個特定速度情景進行分析。

2.1 北京市出行成本隨路網(wǎng)速度的動態(tài)變化分析

北京市私家車各項出行成本隨速度的動態(tài)變化見圖2，使用成本、基礎設施成本、交通事故成本、可靠性成本不隨速度變化；隨著速度的提升，時間成本、舒適性成本、擁堵成本、大氣污染成本、噪聲污染成本降低，但降低速率變緩，當速度達40 km/h后，各項出行成本隨速度變化極小，趨于穩(wěn)定，總出行成本降低幅度較小，基本穩(wěn)定在6.5 元/(輛·km)左右。

圖2 各項出行成本隨路網(wǎng)速度變化圖Fig.2 Variation diagram of each travel cost with the speed of road network

各項出行成本占比隨速度變化情況見圖3，其中擁堵成本變化最為顯著，其占比隨速度提升逐漸降低。

圖3 各項出行成本占比隨路網(wǎng)速度變化圖Fig.3 Variation diagram of each proportion of travel cost with the speed of road network

內(nèi)部成本與外部成本隨速度變化情況見圖4，可以看出內(nèi)部與外部成本均隨路網(wǎng)速度提升呈降低趨勢，外部成本降低更明顯。當速度達40 km/h后，外部成本占比基本穩(wěn)定在35%左右。

圖4 內(nèi)外部出行成本及占比隨路網(wǎng)速度變化圖Fig.4 Variation diagram of internal cost, external cost and proportions with the speed of road network

2.2 特定情景出行成本對比

研究設定高峰時段和平峰時段兩個場景進行出行成本具體對比，根據(jù)北京市路網(wǎng)運行狀況，將高峰和平峰時段速度分別標定為25 km/h、35 km/h。研究測算得出北京市私家車平峰時段總出行成本為7.42 元/(輛·km)，高峰時段總出行成本為11.86元/(輛·km)。具體各項成本測算結果見表1。

表1 北京市平峰和高峰時段私家車出行成本對比表

從總成本來看，高峰時段明顯高于平峰時段，約為平峰時段的1.6倍。從各項成本來看，高峰時段各項成本均不小于平峰時段。由于使用成本、可靠性成本、基礎設施成本、交通事故成本隨速度變化極小，模型不考慮以上成本隨速度變化情況。除此之外，高峰時段其他成本項均明顯高于平峰時段。高峰時段速度低，單位里程耗時增加，因此時間成本、擁擠成本增加；隨著速度變慢，乘車體驗變差，舒適性成本增加；高峰時段，大氣污染與噪聲污染明顯加重，成本高于平峰時段。

表2 北京市平峰高峰時段私家車出行成本占比

各項成本所占比例對比表如表2所示，平峰時段和高峰時段使用成本占比均為所有成本中的最高項，但占比僅為1/3和1/5，可見出行過程中，個人貨幣支出比例較小。高峰時段第二占比項為擁堵成本，說明隨著交通擁堵產(chǎn)生，擁堵成本增加較快。

表3 北京市平峰高峰時段內(nèi)外部成本對比

內(nèi)部成本與外部成本對比情況如表3所示，外部成本在平峰與高峰時段占總成本的比例分別約為1/3、1/2，說明隨著擁堵加劇，速度降低，私家車出行給社會帶來的外部成本增加明顯，不容忽視。

出行者本身往往只關注其自身支付的內(nèi)部成本，但交通追求的最終目標是實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)，推及到出行成本上，就是實現(xiàn)出行總成本最低，既包括內(nèi)部成本，也包括外部成本。表3可以得出，高峰時段私家車外部成本約增加120%，內(nèi)部成本約增加30%，交通擁堵給社會帶來的負外部性遠遠高于給出行者本身帶來的負外部性，因此降低外部成本是亟待解決的問題。由圖3和圖4可以看出，隨著路網(wǎng)速度的降低，出行成本的增速加劇，因此緩解交通擁堵是降低總出行成本的關鍵。

2.3 從出行成本角度提出優(yōu)化策略

通過對私家車出行成本的分析發(fā)現(xiàn)，其產(chǎn)生的外部成本占比較高，尤其是在高峰時段，要達到滿足必要出行需求，同時降低社會成本的目的，就需要降低私家車使用強度，使用高運載效率的交通工具——公共交通。出行者的出行方式是由出行成本決定的，出行者期望選擇綜合成本較低的出行方式，可以從提高私家車內(nèi)部出行成本、降低公共交通內(nèi)部出行成本的角度，優(yōu)化出行結構，降低社會總出行成本。

2.3.1 提高私家車內(nèi)部出行成本，外部成本內(nèi)部化

私家車內(nèi)部出行成本主要是由擁車成本和用車成本構成。

(1)提高擁車成本

北京市自2011年開始實施小客車數(shù)量調控政策，市民需要通過搖號或輪候獲取小客車牌照，這一措施增加了小客車擁有的等待成本，但并未直接增加用車的貨幣成本?？蓞⒖夹录悠?、上海等地牌照拍賣措施，同時對購車征收高額稅費，進一步增加私家車擁車成本。

(2)提高用車成本

用車成本主要包括燃油費、停車費。燃油費方面，可以提高燃油稅；停車費方面，應進一步提高停車收費價格，這些都可以提高用車成本。除此之外，可針對常發(fā)擁堵路段實施擁堵收費，將擁堵外部成本內(nèi)部化，實現(xiàn)“誰使用，誰付費”。

2.3.2 降低公共交通出行成本，提高吸引力

地面公交和地鐵的內(nèi)部成本由貨幣成本和時間成本兩項構成，目前北京市地面公交和地鐵的購票成本已經(jīng)相當?shù)?，出行者對于目前票價的敏感性不高，繼續(xù)通過降低購票成本，達到的效果不明顯。因此，可以通過設置地面公交專用道、縮短地面公交和地鐵的發(fā)車間隔、提供便捷的換乘體系這三項措施來降低出行時間、提高可靠性和舒適性，從而提高公共交通吸引力。

3 結論

本研究將私家車出行成本劃分為9項，對各項成本進行量化建模，并以北京市為實例測算速度對出行成本的動態(tài)影響，從而分析交通擁堵效應對出行成本的影響。研究結果表明，除固定成本項外，各項成本均隨速度降低而增加，其中擁堵成本增加最為明顯，外部成本隨速度降低占比增加。北京市私家車在高峰時段外部出行成本約占總成本1/2，外部成本往往不需要出行者承擔，具有隱藏性，但不容忽視。最后從出行成本角度，提出了對交通管理策略的指導意義。研究中參數(shù)的標定僅考慮北京市平均水平，因此對各類出行者的出行成本研究將作為后續(xù)研究內(nèi)容，并考慮引入出行者對外部成本的敏感性分析。