城市交通“戰(zhàn)略技術(shù)經(jīng)濟(jì)模型”(STEM)
——巴黎大區(qū)交通政策探索

法國ENPC/LVMT研究員

1 綜 述

城市交通系統(tǒng)的形成是在既有體系的基礎(chǔ)上，由供需合力引導(dǎo)的發(fā)展過程。這種合力通過運(yùn)輸市場中的個體選擇行為以及公共干預(yù)共同起作用。公共干預(yù)可以為主動，亦可為被動，實際中則常兼而有之。干預(yù)的基本方式，即廣義的交通規(guī)劃，是對土地、公共財政、人員以及相應(yīng)稅費(fèi)的統(tǒng)一安排，以達(dá)到人、物運(yùn)輸?shù)淖顑?yōu)狀態(tài)。本文給出一種指導(dǎo)規(guī)劃的、建立在對交通相關(guān)方損益分析基礎(chǔ)上的宏觀理論框架：方法融合交通系統(tǒng)的技術(shù)建模和經(jīng)濟(jì)分析，因此謂之戰(zhàn)略技術(shù)經(jīng)濟(jì)模型（Strategic Technical-Economic Model）。模型將處理三個層次的資源優(yōu)化配置問題以達(dá)系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行：公交系統(tǒng)和道路網(wǎng)間、公交各子方式間以及在每個子方式中的經(jīng)濟(jì)要素分配。交通系統(tǒng)管治意味著通過對不同子系統(tǒng)的投資、組織及定價使需求在其間最優(yōu)分配。

如何最佳利用既有設(shè)施，也即在給定交通系統(tǒng)中分配需求的研究可以上溯到1920年P(guān)igou提出的兩條服務(wù)水平、阻抗不同的道路上分配交通流的問題，最優(yōu)狀態(tài)為邊際車輛給兩條路引起的社會成本增量相等的一點。此后Knight（1924）提出道路的產(chǎn)權(quán)私有化能夠使得這種社會成本內(nèi)部化，從而達(dá)到社會最優(yōu)；他的學(xué)生Buchanan（1956）論證了在道路系統(tǒng)這種公共資源中，使用權(quán)難以界定的特性（行車速度不僅取決于自身，更取決于車隊）推論出Knight條件的不足。

戰(zhàn)后，關(guān)于公共交通和道路網(wǎng)的優(yōu)化分別推進(jìn)。Holroyd（1967）用分析方法開始討論通過最小化總成本來優(yōu)化巴士組織，Mohring（1972）發(fā)現(xiàn)了公共交通中供給密度與規(guī)模效應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)。道路網(wǎng)絡(luò)方面，關(guān)于投資規(guī)模和道路收費(fèi)問題相繼被Strotz（1956），Kraus（1981）以及Arnott et al.（1993）等討論過。從Vickrey（1965）開始，兩種主要交通方式的替代效應(yīng)以及價格杠桿對這種分配的影響被討論。隨后McFadden（1973，1974）證明了反映離散選擇行為的Logit模型，Small et al.（1981）進(jìn)一步地給出多種方式競爭下度量消費(fèi)者盈余的函數(shù)，為交通系統(tǒng)管治提供了理論起點。

1970年代的石油危機(jī)以及環(huán)境、氣候的惡化問題引起了對于交通排污和資源消耗的關(guān)注。Verhoef（1994）將交通的外部效應(yīng)分類并將對策的影響放在研究中，De Borger（1997）與Proost（2001）分析了在不同的經(jīng)濟(jì)杠桿作用下包含污染的社會福利水平的變動，交通出行引發(fā)的社會成本被拓展到環(huán)境領(lǐng)域。

圖1 道路網(wǎng)、公交系統(tǒng)競爭下的邊際私人、社會成本

雖然城市交通網(wǎng)絡(luò)較百年前，變得更為龐雜與相互依賴，OD的組成更為多樣，但面臨的理論問題是相似的，即在各種約束下如何分配社會資源和需求使得邊際出行帶來社會成本的增量在各個方式中是相同的。圖1給出公共交通與道路網(wǎng)絡(luò)并存的條件下，有、無公共干預(yù)的需求分配的狀態(tài)：在缺乏系統(tǒng)管治的情況下（右側(cè)均衡），道路網(wǎng)絡(luò)在擁堵條件下新增車輛造成的邊際社會資源的消耗要遠(yuǎn)大于公共交通系統(tǒng)，而只有通過對其征收合理的稅費(fèi)才能將私人行車成本置于公共交通之上而達(dá)到社會最優(yōu)（左側(cè)均衡），收取的費(fèi)用作為公共財政通過不同方式反饋給社會。

2 理論框架

在城市交通系統(tǒng)中如圖2所示，出行相關(guān)主體大致可分為出行者、運(yùn)營商、環(huán)境以及政府。政府和運(yùn)營商通過交通設(shè)施和服務(wù)的組織，提供公交與道路兩種基本供給；出行者根據(jù)兩種方式的廣義出行成本來選擇符合偏好的最經(jīng)濟(jì)的出行方式，進(jìn)而達(dá)到供需平衡。在這種平衡下，每個子系統(tǒng)的運(yùn)行狀況以及承擔(dān)的交通量，導(dǎo)出排污量以及污染的貨幣成本，這種成本反加在用戶上構(gòu)成福利水平的損失。出行者付出的貨幣成本即運(yùn)營商的收入，與供給所付出的成本之差為運(yùn)營商盈利?，F(xiàn)實世界中，運(yùn)營商盈利通常為負(fù)，赤字需要政府的補(bǔ)貼來維持運(yùn)行。用戶將交通系統(tǒng)的服務(wù)水平以及受到的污染反饋給政府，同時運(yùn)營商將運(yùn)營狀況反饋給政府作為補(bǔ)貼要求的依據(jù)之一。在接受反饋的基礎(chǔ)上，政府動用投資、稅費(fèi)以及規(guī)則等杠桿來調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行以達(dá)到社會最優(yōu)的目的。

圖2 城市交通系統(tǒng)的運(yùn)行及福利函數(shù)

以上三式解釋了出行相關(guān)方的效用函數(shù)：式(1)中出行者的消費(fèi)者盈余為選擇型用戶的logsum函數(shù)與依賴型用戶的廣義成本之和；式(2)中運(yùn)營商的盈利表達(dá)為公交、道路系統(tǒng)的整體收益與為之承擔(dān)的成本之差；式(3)污染函數(shù)由道路、公交兩系統(tǒng)的排污量共同定義。

系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)是運(yùn)輸一定的需求使社會整體承受的所有成本之和最小，換言之消耗的社會資源最少，目標(biāo)函數(shù)為出行相關(guān)方效用函數(shù)的加權(quán)之和：

由此確立了兩種優(yōu)化政策，W1是只包含供需的福利函數(shù)，W0是包含了環(huán)境影響的完全福利函數(shù)。兩者都須遵從的約束(6)是，運(yùn)營商的赤字(P0)能夠被得到的補(bǔ)貼(S)所覆蓋。

出行者、運(yùn)營商與環(huán)境的權(quán)重取決于城市發(fā)展的階段，例如非洲多數(shù)城市處于工業(yè)化發(fā)端，對改善出行及貨物可達(dá)性的要求較為迫切，而對環(huán)境影響不甚敏感；然而上海、北京、深圳等后工業(yè)化的城市對于環(huán)境的要求是非常高的；一些歐洲國家或者是地方財政陷入了債務(wù)危機(jī)，他們對于約束公共開支較為看重。在上式中以α，β，γ表征它們在目標(biāo)函數(shù)中的權(quán)重，本研究中α=β=γ=1。

圖3 行車的社會成本解析

目標(biāo)函數(shù)的求解就是將外部成本內(nèi)部化后的優(yōu)化過程。其中道路網(wǎng)的外部成本包含三個層次：

①邊際車輛加入車隊使得其他車輛速度下降，造成行程時間增加所帶來的成本增量之和；

②邊際車輛自身運(yùn)轉(zhuǎn)帶來的噪聲、大氣污染、溫室氣體排放的危害；

③邊際車輛使得車隊速度下降的這一事實，引發(fā)的其他車輛油耗和污染增加的成本。

由圖3可知道路網(wǎng)使用的社會成本遠(yuǎn)大于私人成本，在外部成本內(nèi)部化后，最優(yōu)狀態(tài)產(chǎn)生的道路網(wǎng)絡(luò)使用費(fèi)為兩成本之差。由于城市中擁堵區(qū)域、擁堵時段的分布是極其不均勻的，這種內(nèi)部化的過程會帶來時空差異。

3 模 型

3.1 交通供給

2000年以來，出行的演變與運(yùn)輸市場的去管制趨勢促進(jìn)了需求和供給的多樣化。在先進(jìn)的信息服務(wù)和智能手機(jī)普及的背景下，新的出行方式不斷涌現(xiàn)。但目前，道路網(wǎng)絡(luò)和公共交通仍然承擔(dān)著城市出行的絕大部分，以2010年的巴黎大區(qū)為例，95.1%的交通量仍由這兩種主要方式所承擔(dān)。

模型采用集計方法來描述供需。巴黎大區(qū)按照人口密度可分為三個子區(qū)域，以集合Z來表示。交通系統(tǒng)分為兩類：公共交通系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通過子系統(tǒng)集合R來描述，由區(qū)域劃分集合Z與交通方式m（Bus, Metro,RER, Transilien）交叉定義；道路子網(wǎng)絡(luò)通過集合Z來描述，與區(qū)域劃分重合，使用相同標(biāo)識。

3.1.1 公交系統(tǒng)服務(wù)水平

每一個子系統(tǒng)用三個變量來表征：線網(wǎng)長度Lr，站點數(shù)量σr以及車隊規(guī)模Nr。外生變量ηr為車隊動員率，即高峰時段在系統(tǒng)中運(yùn)營的車輛數(shù)與車隊規(guī)模的比值，反映調(diào)度水平。在每個子系統(tǒng)r內(nèi)，假設(shè)線網(wǎng)、站點以及車輛皆均勻分布，車輛在網(wǎng)絡(luò)中均勻運(yùn)行，則公共交通子系統(tǒng)的服務(wù)水平可表示為：

公交系統(tǒng)的運(yùn)營成本由兩部分組成，一部分為設(shè)施和車輛投入的固定成本，另一部分是與乘客數(shù)量成線性關(guān)系的可變成本。

3.1.2 道路網(wǎng)服務(wù)水平

3.2 交通需求

3.2.1 用戶分類

為區(qū)分用戶的出行特征和選擇行為的不同，將出行需求按照出行距離、OD以及是否穿越中心城區(qū)分為21對出行束(I)。

每對出行束都分為方式依賴者與方式選擇者兩類：方式依賴者(D)由于不具備某些條件而不得不依賴一類出行方式的用戶，如不具備駕照或者車輛的用戶只能采用公共交通出行；在遠(yuǎn)郊，公共交通供給非常稀疏的區(qū)域居民則依賴小汽車出行，以上用戶無論交通系統(tǒng)作何調(diào)整，他們的出行行為在短期內(nèi)很難改變。而自由選擇出行方式的用戶(F)的行為則取決于兩種方式的相對服務(wù)水平：

3.2.2 用戶的廣義出行成本

在交通系統(tǒng)服務(wù)水平給定的條件下，公共交通用戶的廣義出行成本由貨幣成本及時間成本兩部分構(gòu)成：時間包括車站到出發(fā)地（目的地）的銜接時間、等待時間、車內(nèi)時間以及換乘的時間損失，各類時間通過時間價值與懲罰因子轉(zhuǎn)化成貨幣成本。

道路用戶的廣義出行成本由停車費(fèi)用，車輛的損耗費(fèi)用（與行車距離線性相關(guān)的函數(shù)，包含購置、保險、維護(hù)等等），時間成本以及道路稅費(fèi)組成。

3.3 環(huán)境影響貨幣化

環(huán)境影響的貨幣化由三個因素決定：1)交通系統(tǒng)中車輛的排污量；2)排放地的污染受眾密度；3)排放地的環(huán)境存量。排污量與系統(tǒng)的服務(wù)水平和流量共同決定，后兩個因素與排放地的人口密度與環(huán)境脆弱度相關(guān)。根據(jù)這一原則，環(huán)境成本可由下面的公式給出：

4 巴黎大區(qū)交通政策探索

城市交通政策根據(jù)優(yōu)化變量（調(diào)整對象）可分為幾下幾種類型：①道路網(wǎng)絡(luò)與公交線網(wǎng)；②公共交通車型、容量選擇及車隊規(guī)模；③交通稅費(fèi)；④區(qū)域車型管制；⑤公共采購及促使私有車輛升級的經(jīng)濟(jì)激勵。本研究只處理三類交通政策：

①經(jīng)濟(jì)杠桿

②公交系統(tǒng)的短期優(yōu)化，對車隊規(guī)模及費(fèi)用

表1 交通政策模擬方案

③公交系統(tǒng)的長期優(yōu)化，對設(shè)施、車隊規(guī)模及費(fèi)用

4.1 經(jīng)濟(jì)杠桿

模擬建立在參考年2010年基礎(chǔ)上。巴黎大區(qū)居民全年共投入金錢和時間共計570億歐元在出行中，相當(dāng)于當(dāng)年國內(nèi)生產(chǎn)總值的十分之一。而政府對公交系統(tǒng)的補(bǔ)貼和環(huán)境成本都為55億歐元左右。

公交全免費(fèi)計劃①使用戶和環(huán)境的利益得到顯著提升，其中有4.3%的道路用戶轉(zhuǎn)移使用公共交通。這種效益除來自轉(zhuǎn)移交通及公交出行成本降低之外，還來自于道路網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷減輕而使行駛條件的提升。但同時，此計劃需要的財政缺口相當(dāng)于每戶每年新增500歐元的稅收，實質(zhì)是高收入和低收入人群來補(bǔ)貼中等收入人群，因為前者與一直享受低價票證的后者的公交支出都難以達(dá)此數(shù)目。

燃油稅上漲的計劃②，引發(fā)了一場長達(dá)4個月的騷亂，損失嚴(yán)重。模型指出這項計劃能夠為大區(qū)帶來每年約4億歐元的公共財政，但由于不能區(qū)分擁堵的區(qū)域和時段，因而并不能達(dá)成政府所宣稱的改善環(huán)境的初衷。

圖4 中心區(qū)擁堵費(fèi)優(yōu)化

中心區(qū)擁堵費(fèi)3/4）的提案顯著地改善了環(huán)境質(zhì)量，這項政策提高了中心區(qū)的駕車成本，使得出行選擇扭曲得到了一定程度的緩解，因而雖然替代的交通量僅為2%～5%，但能做到有的放矢：中心區(qū)的交通量減少10%～30%。目前設(shè)置中心區(qū)擁堵費(fèi)的技術(shù)手段、壁壘較以往已大大降低，核心問題是獲取的每年10億歐元的公共財政將如何使用，以及給民眾合理的政策說明。將其投入到公共交通中，或替代某些稅種，或直接返還給用戶，都是值得研究的選項。

交通擁堵費(fèi)優(yōu)化的結(jié)果給出了26到77歐分的合理收費(fèi)區(qū)間，前者是只考慮供需，后者是綜合考慮環(huán)境影響得到的最優(yōu)解。在這個區(qū)間內(nèi)，隨著單位費(fèi)用的上升，公共財政和環(huán)境的利益進(jìn)一步得到加強(qiáng)，在77歐分這個水平，二者的邊際收益恰與用戶的邊際損失相等。由W0，W1產(chǎn)生的的區(qū)間寬度接近目前小汽車的平均環(huán)境成本（0.55歐元/車公里）。

在77歐分的收費(fèi)水平下，巴黎中心區(qū)內(nèi)的行車速度從目前的18公里/小時上升到27公里/小時。環(huán)境效益來自于一部分用戶轉(zhuǎn)移使用公共交通而使道路交通量的減少，以及道路行車速度的改善。

4.2 公交優(yōu)化

對于公交系統(tǒng)優(yōu)化的方案，在短期內(nèi)社會福利將被改善1.8%，即12億歐元每年，相當(dāng)于每戶每年300歐元的額外收入，環(huán)境相當(dāng)于用戶效益的三分之一強(qiáng)。短期內(nèi)設(shè)施不能變更，模擬結(jié)果顯示，改善策略為轉(zhuǎn)移巴黎的巴士車隊來加強(qiáng)郊區(qū)的發(fā)車頻率，不足部分由消減軌道的支出來填補(bǔ)。

如果設(shè)施在長期可以調(diào)整，社會福利的提高為短期的三倍，同時環(huán)境效益提升一倍。這時財政更傾向于通過增加設(shè)施來加強(qiáng)站點的可達(dá)性，同時減少對運(yùn)載工具的投入。長期來看，軌道交通的三種子方式，線網(wǎng)和站點的密度都同時得到了加強(qiáng)，而發(fā)車頻率略微地降低，提示如果線網(wǎng)結(jié)構(gòu)難以改變，可通過新的交通方式、合乘或者提供P+R服務(wù)等更為現(xiàn)實、可行的措施加強(qiáng)最后一公里的出行質(zhì)量。巴士網(wǎng)絡(luò)的密度卻降低了50%以上，而發(fā)車頻率得到了加強(qiáng)，提示應(yīng)該重組公交線網(wǎng)，合并一些支線，加強(qiáng)主線。巴黎中心區(qū)的傳統(tǒng)巴士作為一種高污染的模式而得到抑制，而替代選項地鐵密度是較高的。

比較同一方案下環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)帶來的優(yōu)化結(jié)果的差異發(fā)現(xiàn)，15～20%的環(huán)境效益差異來自于公交系統(tǒng)間不同的運(yùn)載工具的投入分配，這時在中心區(qū)的尤其是巴士的數(shù)量被削減，而大運(yùn)量的交通方式得以加強(qiáng)。

如果放開補(bǔ)貼水平的約束，整體的福利（W0，W1）變化很微小，但用戶的效益（Pu）和運(yùn)營商的赤字（-Po）均猛增，建議用更大的補(bǔ)貼來支持低票價模式。以社會福利的增量與增加的公共財政作比，得出一個邊際公共支出的收益率，也就是政府多支出單位貨幣創(chuàng)造的社會福利，當(dāng)這個比率小于1.2也就是公共財政的機(jī)會成本時，這份支出就應(yīng)該優(yōu)先考慮被使用到其他更有效率的項目中。長期優(yōu)化的結(jié)果約為1.08，從另一面說明大巴黎目前的公共交通的補(bǔ)貼水平是合理的。

4.3 平均運(yùn)輸成本與環(huán)境成本

模型給出了平均運(yùn)輸成本和平均環(huán)境成本，并將公交子方式與路網(wǎng)之間的指標(biāo)進(jìn)行比較。

圖5 平均運(yùn)輸成本與平均環(huán)境成本

在遠(yuǎn)期，運(yùn)輸每乘客公里，巴士要付出40歐分的代價，地鐵要付出30到40歐分，而重軌在中心區(qū)和近郊區(qū)是15歐分，遠(yuǎn)郊區(qū)則為30歐分，此時成本接近遠(yuǎn)郊的私人行車成本。優(yōu)化前后變化幅度較大的是巴士，通過線網(wǎng)的壓縮和發(fā)車頻率的減弱，使得車輛的裝載率提高從而提高運(yùn)輸效率。

環(huán)境成本中，軌道交通由于采用電力作為主要能源，環(huán)境成本主要來源是噪音與溫室氣體排放，大致在1歐分/乘客公里左右。而巴士在巴黎中心區(qū)以及近郊大概是10歐分和6歐分，與小汽車的50和20歐分比來說，具有顯著的環(huán)境優(yōu)勢。大巴黎正在進(jìn)行車輛改造計劃，在未來5年中，80%的巴士要更換為混合動力或全電力車輛，可減少很多污染源。

5 結(jié) 論

通過模型的演繹以及巴黎大區(qū)政策的模擬結(jié)果可以得出，要對城市交通政策進(jìn)行評估，需要對幾種主要交通方式之間的競爭以及用戶群體的替代特性作整體分析，綜合出行相關(guān)方的各種成本與收益，對交通系統(tǒng)管治提供定量依據(jù)。

目前最大的出行選擇扭曲來源于道路行車私人成本與社會成本的分離。城市道路的建設(shè)維護(hù)費(fèi)用應(yīng)由以燃油稅和地方稅為主的結(jié)構(gòu)，向與行駛狀態(tài)掛鉤的計量方式轉(zhuǎn)變，保證道路資源的有效分配，使其逼近“使用者付費(fèi)”（社會成本）的原則，其中采用的交通科技應(yīng)能維持較低的管理和交易成本。

高密度中心區(qū)內(nèi)由于單位排污的環(huán)境影響成本高昂，可以彌補(bǔ)新能源車型的投資成本。

在公交發(fā)展新階段，軌道交通的接駁如能通過新交通方式進(jìn)行會大大提高公共交通的吸引力，常規(guī)公交可以繼續(xù)服務(wù)遠(yuǎn)郊的點對點出行。公交系統(tǒng)的票制票價的改革還期待機(jī)制方面的進(jìn)步，以持續(xù)降低公交通勤出行的貨幣成本，從另一面糾正選擇扭曲。