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(duì)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(duì)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(hào)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(huì)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。可交易許可（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(huì)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(shí)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(gè)周期（如1個(gè)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(duì)應(yīng)的路票收取率。（2）在剩下的時(shí)間里，出行者使用某條路段時(shí)，將被收取路段特有（link－specific）數(shù)量的路票。（3）路票可以在一個(gè)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(shí)保證較高的公平性水平和較高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效率；（3）收入中性，減少了公眾對(duì)政府緩解交通擁堵動(dòng)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(duì)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(gè)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(duì)于一個(gè)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(gè)非常溫和的假設(shè)下，市場均衡時(shí)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(gè)角度對(duì)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(shí)間價(jià)值分布的多類用戶的情況，此時(shí)無法建立一個(gè)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(gè)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(shí)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(duì)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(shí)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(huì)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(shí)，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(shí)，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(shí)是一一對(duì)應(yīng)的。通過一個(gè)算例，他們闡釋了當(dāng)交通需求和供給存在不確定時(shí)這種一一對(duì)應(yīng)可能不存在。他們還對(duì)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(dòng)而變化［9］。
2．1．5可交易路票方案的動(dòng)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(shí)間的動(dòng)態(tài)變化。他們提出了一個(gè)在有限時(shí)間范圍的連續(xù)動(dòng)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(gè)有限時(shí)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(shí)間范圍長度對(duì)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(shí)間范圍足有長時(shí)，具有不同初始條件的系統(tǒng)將會(huì)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(duì)當(dāng)前周期市場行為的影響。他們提出了2個(gè)政策，使得一個(gè)中央機(jī)構(gòu)能夠通過影響多個(gè)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(duì)出行者出行選擇的影響，并明確捕捉到可交易路票方案對(duì)不同收入水平和不同地理位置出行群體的影響［12］?？紤]到均衡OD旅行費(fèi)用和路段旅行時(shí)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(cuò)法來求解需求函數(shù)未知時(shí)單個(gè)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(cuò)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(duì)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(shí)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(duì)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］?？紤]到停車位預(yù)訂能夠同時(shí)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(shí)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(duì)通勤者時(shí)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(gè)高峰時(shí)間窗。在高峰時(shí)間窗內(nèi)使用首選路徑的通勤者，將會(huì)被收取路票，而在高峰時(shí)間窗以外或者轉(zhuǎn)移到其他可行路徑的出行者，將會(huì)被獎(jiǎng)勵(lì)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(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)和一定形式的公平［22］。
3述評(píng)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(duì)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(shí)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(gè)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(duì)整個(gè)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(huì)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(huì)對(duì)出行者的OD選擇產(chǎn)生很大影響。考慮長期效用的可交易路票模型將會(huì)對(duì)交通管理機(jī)構(gòu)制定交通管理策略提供強(qiáng)大支持。