基于双层规划模型的高速公路差异化收费定价研究

doi:10.3976/j.issn.1002-4026.2023.05.012

山东科学 ›› 2023, Vol. 36 ›› Issue (5): 93-101.doi: 10.3976/j.issn.1002-4026.2023.05.012

基于双层规划模型的高速公路差异化收费定价研究

程思洁¹(), 邵晓明², 李镇³, 王江锋¹^,^*()

1.北京交通大学交通运输学院综合交通运输大数据应用技术交通运输行业重点实验室,北京 100044
2.山东省交通规划设计院集团有限公司,山东济南 250101
3.山东高速股份有限公司, 山东济南 250013

收稿日期:2022-10-20 出版日期:2023-10-20 发布日期:2023-10-12
通信作者: 王江锋 E-mail:20120779@bjtu.edu.cn;wangjiangfeng@bjtu.edu.cn
作者简介:程思洁(1998—),女,工学硕士,研究方向为交通大数据。E-mail:20120779@bjtu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(61973028)

Research on differentiated toll pricing for highways based on bi-level programming

CHENG Sijie¹(), SHAO Xiaoming², LI Zhen³, WANG Jiangfeng¹^,^*()

1. Key Laboratory of Transport Industry of Big Data Application Technologies for Comprehensive Transport, School of Traffic and Transportation, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China
2. Shandong Provincial Communications Planning and Design Institute Group Co.Ltd,Jinan 250101, China
3. Shandong Hi-speed Company Limited,Jinan 250013, China

Received:2022-10-20 Online:2023-10-20 Published:2023-10-12
Contact: WANG Jiangfeng E-mail:20120779@bjtu.edu.cn;wangjiangfeng@bjtu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

为了提高高速公路利用率,减轻平行国省道的交通负担,综合考虑高速公路经营者和使用者双方的利益,建立了以实现高速公路运营收益增加为上层目标,以实现路网多用户随机均衡分配为下层目标的差异化收费定价模型,设计了遗传算法和模拟退火算法与迭代加权法组合的模型求解算法。在分析山东省龙青高速及其平行国省道交通流特征的基础上,运用设计的模型有针对性地制定分出入口路段、分时段、分车型的高速公差异化收费方案。研究结果表明最优的差异化收费方案能使龙青高速北向南方向的运营收益增加786.19万元/年,道路使用者的出行成本减少716.51万元/年,验证了差异化收费定价模型的实用性,进一步完善了高速公路多模式差异化收费方案。

关键词: 高速公路, 差异化收费, 双层规划, 广义费用函数, 多用户随机均衡分配, 遗传算法, 模拟退火算法, 迭代加权法

Abstract:

To improve the utilization of highway resources and the traffic situation in parallel national and provincial roads, in this study, the interests of highway operators and users was comprehensively accounted; a differentiated toll pricing model with the upper-level objective of increasing highway operating revenues and the lower-level objective of achieving multiclass stochastic traffic network equilibrium was established; and a model incorporating the genetic algorithm, simulated annealing algorithm, and iterative weighting method was developed. Based on the analysis of the traffic characteristics of the Longqing highway and its parallel national and provincial roads in the Shandong Province, the proposed model was used to develop differential toll schemes for entrance and exit sections, time periods, and vehicle types on the highway. The results show that the optimal differentiated tolling schemes can increase the operating revenue of the Longqing highway in the north-south direction by 7861900 yuan/year and reduce the travel cost of the road network by 7 165 100 yuan/year, which confirms the practicality of the proposed model and the effectiveness of the multimode differentiated tolling schemes for highways.

Key words: highway, differentiated tolling, bi-level programming, generalized cost functions, multiclass stochastic traffic network equilibrium, genetic algorithm, simulated annealing algorithm, iterative weighting method

中图分类号:

U491.122

程思洁, 邵晓明, 李镇, 王江锋. 基于双层规划模型的高速公路差异化收费定价研究[J]. 山东科学, 2023, 36(5): 93-101.

CHENG Sijie, SHAO Xiaoming, LI Zhen, WANG Jiangfeng. Research on differentiated toll pricing for highways based on bi-level programming[J]. Shandong Science, 2023, 36(5): 93-101.

图/表 9

表1

表2

图2

图3

表3

表4

图4

表5

表6

参考文献 23

[1]	林文新, 王建伟, 林渝钧. 基于养护成本的高速公路收费费率问题研究[J]. 交通运输系统工程与信息, 2013, 13(5): 145-149. DOI: 10.16097/j.cnki.1009-6744.2013.05.007.
[2]	ABULIBDEH A, ZAIDAN E. Analysis of factors affecting willingness to pay for high-occupancy-toll lanes: Results from stated-preference survey of travelers[J]. Journal of Transport Geography, 2018, 66: 91-105. DOI: 10.1016/j.jtrangeo.2017.11.015.
[3]	金雪晴. 可持续发展条件下高速公路收费费率研究[D]. 重庆: 重庆交通大学, 2018.
[4]	吴晓东. 考虑车流量变化的经营性高速公路定价策略研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2019.
[5]	陈传德, 赵文义. 基于级差效益的公路收费定价模型[J]. 长安大学学报(自然科学版), 2009, 29(4): 39-42. DOI: 10.19721/j.cnki.1671-8879.2009.04.009.
[6]	安乔治, 唐洁. 基于受益角度的京津冀高速公路收费定价模型构建[J]. 价格月刊, 2016(12): 15-18. DOI: 10.14076/j.issn.1006-2025.2016.12.03.
[7]	孙如龙, 陆正峰, 速鸣, 等. 高速公路收费定价模式分析及建议[J]. 交通企业管理, 2020, 35(1): 37-41. DOI: 10.3963/j.issn.1006-8864.2020.01.012.
[8]	曾光辉. 高速公路市场化经营模式下的政府定价方法[J]. 粤港澳市场与价格, 2009(4): 10-14.
[9]	LI T F, SUN H J, WU J J, et al. Optimal toll of new highway in the equilibrium framework of heterogeneous households' residential location choice[J]. Transportation Research Part A: Policy and Practice, 2017, 105: 123-137. DOI: 10.1016/j.tra.2017.08.012.
[10]	张欢, 史峰, 卢毅, 等. 弹性需求下高速公路超限补偿费率优化模型[J]. 中国公路学报, 2012, 25(4): 126-132. DOI: 10.19721/j.cnki.1001-7372.2012.04.018.
[11]	魏连雨, 李壮. 基于路网特征的高速公路计重收费费率确定[J]. 重庆交通大学学报(自然科学版), 2014, 33(6): 122-126. DOI: 10.3969/j.issn.1674-0696.2014.06.26.
[12]	李金华, 吕相舟, 周思远, 等. 缓解高速公路拥堵的消费者均衡模型研究[J]. 工业技术经济, 2018, 37(6): 100-105. DOI: 10.3969/j.issn.1004-910X.2018.06.013.
[13]	刘伟铭, 陈纲梅. 基于阶梯函数的节假日高速公路拥堵收费和过渡收费模型[J]. 广西大学学报(自然科学版), 2018, 43(5): 1912-1920. DOI: 10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2018.1912.
[14]	李明. BOT运营模式的高速公路货车多维度差异收费决策方法研究[D]. 西安: 长安大学, 2019.
[15]	LEE E, KIM D K, KHO S Y, et al. Segment-based differentiated pricing strategy for reducing congestion of expressways[J]. Journal of Korean Society of Transportation, 2014, 32(6): 675-685. DOI: 10.7470/jkst.2014.32.6.675.
[16]	王玉彤. 高速公路货运车辆差异化收费方案研究[D]. 石家庄: 石家庄铁道大学, 2020.
[17]	申科, 段莉珍, 李洁云, 等. 高速公路收费新标准下货车车型收费系数测算[J]. 公路与汽运, 2021(3): 24-29. DOI: 10.3969/j.issn.1671-2668.2021.03.006.
[18]	王海兰, 郑彦军. 基于运输货类的货运车辆收费费率调整分析[J]. 公路, 2015, 60(9): 195-199.
[19]	FIGUEIRAS P, GONÇALVES D, COSTA R, et al. Novel Big Data-supported dynamic toll charging system: Impact assessment on Portugal's shadow-toll highways[J]. Computers & Industrial Engineering, 2019, 135: 476-491. DOI: 10.1016/j.cie.2019.06.043.
[20]	中华人民共和国交通运输部.收费公路车辆通行费车型分类: JT/T 489-2019[S]. 北京: 中国标准出版社, 2019.
[21]	闫丹丹. 基于两部制的高速公路收费定价研究[D]. 昆明: 昆明理工大学, 2021.
[22]	邵春福. 交通规划原理[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2004.
[23]	徐兵. 多用户多准则随机交通均衡理论与应用研究:基于变分不等式方法[D]. 上海: 复旦大学, 2006.

车型	规格
1类客车	车长<6 m且核定载人数≤9人
2类客车	车长<6 m且核定载人数(10~19)人
3类客车	车长≥6 m且核定载人数≤39人
4类客车	车长≥6 m且核定载人数≥40人
1类货车	总轴数(含悬浮轴)为2,车长<6 m且最大允许总质量小于4.5吨
2类货车	总轴数(含悬浮轴)为2,车长≥6 m或最大允许总质量不小于4.5吨
3类货车	总轴数(含悬浮轴)为3
4类货车	总轴数(含悬浮轴)为4
5类货车	总轴数(含悬浮轴)为5
6类货车	总轴数(含悬浮轴)为6

小区编号	区划位置	小区名称	小区编号	区划位置	小区名称
1	城阳区	城阳街道	9	莱西市	莱西地区
2		夏庄街道	10	平度市	平度及以远地区
3		惜福街道	11	青岛市南部地区	青岛南部
4		城阳区西部	12	青岛市西部	青岛西部及以远地区
5	即墨区	南部	13	烟台市	招远及以远地区
6		东部	14		莱阳及以远地区
7		北部	15		烟台及以远地区
8		西部	16	威海市	威海地区

指标	1类客车	2类客车	3类客车	4类客车	1类货车	2类货车	3类货车	4类货车	5类货车	6类货车
通行费率/(元·km^-1)	0.40	0.50	0.60	0.75	0.40	0.75	1.17	1.55	1.62	2.18
收费系数	1.00	1.25	1.50	1.88	1.00	1.88	2.93	3.88	4.05	5.45

方案	调整路段	路段最优折扣率/%	两轴以上货车最优折扣率/%	高速公路运营每年收益/(万元)	每年收益增值/(万元)	每年出行成本降低量/(万元)
5	H_1、H_2	5%	1%	7 147.45	557.64	770.71
8	H_2、H_4	3%	1%	7 238.90	649.08	548.86
9	H_2、H_5	3%	2%	7 265.34	675.53	681.90
14	H_2、H_4、H_5	2%	3%	7 376.00	786.19	716.51
15	H_1、H_2、H_4、H_5	2%	3%	7 276.59	686.77	722.15

车型	1类客车	2类客车	3类客车	4类客车	1类货车	2类货车	3类货车	4类货车	5类货车	6类货车
高峰费率	0.39	0.49	0.59	0.74	0.39	0.74	1.15	1.52	1.59	2.14
费率变化值	-0.01	-0.01	-0.01	-0.02	-0.01	-0.02	-0.02	-0.03	-0.03	-0.04
平峰费率	0.39	0.49	0.59	0.74	0.39	0.74	1.11	1.47	1.54	2.07
费率变化值	-0.01	-0.01	-0.01	-0.02	-0.01	-0.02	-0.06	-0.08	-0.08	-0.11

基于双层规划模型的高速公路差异化收费定价研究

Research on differentiated toll pricing for highways based on bi-level programming

RichHTML

PDF (PC)

赞

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 9

参考文献 23

相关文章 15

Metrics

本文评价

推荐阅读 0

[1]	王艳, 陈群. 城市封闭小区开放决策优化模型[J]. 山东科学, 2023, 36(6): 96-104.
[2]	熊文磊, 庄稼丰, 马天奕. 基于客货分离的十车道高速公路车道管理适用条件研究[J]. 山东科学, 2023, 36(1): 107-114.
[3]	彭磊, 樊葱, 汪茜, 王晓潮, 柏赟. 地铁线路纵断面优化系统设计与实现[J]. 山东科学, 2022, 35(4): 136-143.
[4]	曾朝晖,王江锋,教欣萍,熊慧媛,龚希志. 基于集群智能的高速公路交通状态识别算法[J]. 山东科学, 2022, 35(3): 72-81.
[5]	程仁辉, 贾顺平. 考虑拥堵道路停车惩罚的定制公交调度研究[J]. 山东科学, 2021, 34(1): 53-61.
[6]	赵凯丽, 范贤, 徐小明, 朱冬冬. 列车运行能耗与乘客换乘时间协同优化研究[J]. 山东科学, 2020, 33(5): 73-83.
[7]	刘成强, 徐海港, 张建武, 林连华. 两挡纯电动汽车动力总成悬置系统优化设计[J]. 山东科学, 2020, 33(5): 84-91.
[8]	李建业, 宋瑞. 考虑区域交通信号配时优化的公交专用道线网规划[J]. 山东科学, 2020, 33(4): 63-71.
[9]	林禹童, 曹成铉, 柳雨彤, 冯紫嫣. 基于客流需求的列车时刻表和车底调度协同优化[J]. 山东科学, 2020, 33(2): 63-70.
[10]	邵文, 贾顺平, 曹文娟. 基于混合车型的灵活型接驳公交路径协同优化研究[J]. 山东科学, 2019, 32(4): 64-73.
[11]	陈国华. 基于改进SLP理论的铁路电商物流中心布局研究[J]. 山东科学, 2018, 31(5): 48-57.
[12]	黄恩潭, 谷远利. 基于改进人工蜂群算法优化小波神经网络的短时交通流预测[J]. 山东科学, 2018, 31(2): 79-87.
[13]	陈胜波，刘永平，何世伟，黎浩东. 整车物流双层轿运车车辆装载与路径整合优化研究[J]. 山东科学, 2017, 30(3): 73-81.
[14]	顾海艇. 城市轨道交通列车交路编组一体化编制方法[J]. 山东科学, 2017, 30(2): 85-94.
[15]	唐勇伟，赵景波，王茂励，郝慧娟，吕晓慧. 基于改进遗传算法的自抗扰控制器优化设计[J]. 山东科学, 2016, 29(5): 1-8.