基于Vissim仿真的交通拥堵负外部成本研究 (1).pdf

中国人民公安大学学报(自然科学版)2023 年第 4 期 No.4 2023Journal of People蒺s Public Security University of China(Science and Technology)总第 118 期 Sum118基于 Vissim 仿真的交通拥堵负外部成本研究孙夕云,摇 韩凤春(中国人民公安大学交通管理学院,北京摇 102600)摘摇 要摇 交通拥堵是现代城市普遍存在的交通问题,交通拥堵的日益恶化带来了各种经济成本即负外部成本的急剧增加,论文通过对交通拥堵负外部成本中的额外时间成本、额外燃油消耗成本、尾气污染成本、交通事故成本的理论计算模型及相关参数进行研究,以包头市典型交叉口为例,基于实际交叉口交通参数调查,运用 Vissim 交通仿真软件,计算交叉口全年因交通拥堵产生的经济损失。结果表明:包头市典型交叉口 2021 年因交通拥堵产生的经济损失约为 989郾 42 万元,其中额外时间成本和油耗成本约占总成本的 95%。关键词摇 交通拥堵;负外部成本;交通调查;Vissim 仿真;成本量化中图分类号摇 D035郾 37文献标志码摇 AResearch on Negative External Cost of Traffic CongestionBased on Vissim SimulationSUN Xiyun,摇 HAN Fengchun(School of Traffic Management,People蒺s Public Security University of China,Beijing 102600,China)Abstract:Traffic congestion is a common traffic problem in modern cities,and the worsening of trafficcongestion has brought a sharp increase in various economic costs,namely negative external costs.Thetheoretical calculation model and related parameters of extra time cost,extra fuel consumption cost,ex鄄haust pollution cost and traffic accident cost in negative external cost of traffic congestion are investigated.Taking a typical intersection in Baotou City as an example,annual economic loss caused by traffic con鄄gestion at the intersection is calculated based on the survey of traffic parameters at the actual intersectionand Vissim software.The results show that the economic loss caused by traffic congestion at a typical in鄄tersection in Baotou City in 2021 is about 9 894 million yuan,of which the extra time cost and fuel con鄄sumption cost account for about 95%of the total cost.Key words:traffic congestion;negative external cost;traffic survey;Vissim simulation;cost quantifica鄄tion收稿日期摇2023鄄08鄄20基金项目摇中国人民公安大学拔尖创新人才培养经费支持研究生科研创新项目(2023yjsky015)。第一作者简介摇孙夕云(1998),女,浙江嘉兴人,在读硕士研究生。研究方向为交通管理与控制。通信作者摇韩凤春(1966),男,硕士,教授。E鄄mail:0摇 引言根据中国交通运输部发表的数据显示,交通拥堵带来的经济损失占城市人口可支配收入的 20%,相当于每年国内生产总值(GDP)损失的 5%8%,每年达 2 500 亿元人民币。中国科学院可持续发展04孙夕云等:基于 Vissim詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬仿真的交通拥堵负外部成本研究战略研究成果表明,包括北京、上海等大城市在内的全国 15 个大城市中发生的交通拥堵,每天的相关处理费用达到 10 亿元人民币1。国内外学者对交通拥堵成本进行了大量研究。王振坡等人2针对不同收入人群运用荟萃分析法来量化交通拥堵成本,研究表明,高收入人群交通拥堵成本较高。Wallis等人3分别用道路限速的 50%、60%和 70%作为标准,运用边际成本法计算交通拥堵损失,结果表明拥堵时车速越低产生的损失越大。谢旭轩等人5对奥运会期间北京市的交通拥堵经济损失进行了分析,结果表明在交通限行政策的背景下,2008 年北京因拥堵导致的时间延误成本、燃油消耗成本和大气污染物排放损害总和至少约为 50 250 亿元,占全市 GDP 的 0郾 5%2郾 5%。董志华7研究了交通密度与单位里程平均事故成本之间的关系,研究表明在交通拥挤较为严重的上海,新增一辆车会给其他车辆带来 1 769 3 845 元的事故成本,车辆多开一公里会带来 0郾 07 0郾 16 元的事故成本。综上所述,交通拥堵经济损失方面的研究多集中于时间成本和燃油成本并且直接采用现有的交通数据进行计量,由于数据缺失,对其他成本研究较少。基于此,本文在现有研究基础上,细化了交通拥堵成本的构成要素,给出了各类交通拥堵成本的计算模型,结合实例,通过 Vissim 仿真软件计算包头市典型交叉口交通拥堵产生的负外部成本,并对模型可行性进行了验证,研究成果为交通拥堵产生机理和深度治理提供了必要理论依据。1摇 交通拥堵负外部成本计算模型1郾 1摇 额外时间成本从社会财富角度来说,随着社会生产效率的提高,单位时间价值会增加。交通拥堵会导致出行时间的增加,相应的驾驶员和乘客产生的社会价值减少,即时间成本增大。越是经济发达的城市,居民的时间价值越高,额外时间成本就越高。对于时间成本的计算要综合考虑车种、载客率、车辆延误、人均收入等因素,计算公式如公式(1):Lt=移ni=1DiVvotQi琢i(1)式中:Lt为交通拥堵产生的额外时间成本,元;Di为第 i 种车型的行车延误,秒;Vvot为居民每小时时间价值,元/小时;Qi为第 i 种车型的交通量,辆;琢i为第 i 种车型的平均载客率,%。1郾 2摇 额外燃油消耗成本在交通拥堵情况下,驾驶员需要不断变速、跟车、刹车,这些行为都会造成额外燃油的消耗。根据孙志宇等人8的研究,在停车怠速情况下,每3 分钟的油耗相当于正常行驶 1 公里的油耗,比如小型车平均油耗在每百公里 8 升左右,那么每 3 分钟的怠速油耗就是 0郾 08 升。额外燃油消耗成本计算如公式(2):Lg=移ni=1GiDiQiPg(2)式中:Lg为交通拥堵产生的额外燃油消耗成本,单位为“元冶;Gi为第 i 种车型因交通拥堵导致的额外燃油消耗,单位为“mg/s冶;Di为第 i 种车型每公里行车延误,单位为“s冶;Qi为第 i 种车型交通量,单位为“辆冶;Pg为每升汽油的价格,单位为“元/L冶。1郾 3摇 尾气污染成本越是道路网密集区域,交通拥堵越严重,尾气排放量越大,这些物质不仅会造成环境污染,引起温室效应,还会危害人体健康。汽油燃烧后尾气主要是CO2和微量的有害气体,有害气体中含 C 元素的为CO 和 CH 化合物,按照不同的排放水平,国四汽油车,CO 与 CO2比值约 1颐 100;CH 与 CO2比值约 1颐1 000,微量不计,视同为全部产生 CO2。在这种理想状态下,估算一升汽油排出 CO2量为2 300 克。尾气污染成本计算如公式(3):Ltg=移ni=1GiQiPcDi2 300g(3)式中:Ltg为交通拥堵造成的尾气污染成本,元;Qi为第 i 种车型交通量,辆;Di为第 i 种车型每公里行车延误,秒;Gi为第 i 种车型因交通拥堵导致的额外燃油消耗,毫克/秒;Pc为国际碳交易价格,元/吨。1郾 4摇 交通事故成本交通拥堵会导致交通事故的发生,交通事故反过来又会进一步恶化交通拥堵,两者相互影响不断恶化。交通事故成本计算主要包括两部分:交通事故致人死亡造成的负外部成本和交通事故致伤导致丧失部分劳动能力造成的负外部成本。LA=驻Ac(VvotVyAd+LhAh)(4)驻Ac=Ac茁(a1-V拥V)设(5)Vy=(1+酌)25酌(6)式中:LA为交通事故负外部成本,元;驻Ac为因交通14孙夕云等:基于 Vissim詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬仿真的交通拥堵负外部成本研究拥堵导致的交通事故增量数,起;Vvot为居民每小时时间价值,元/小时;Vy为交通事故致死人员的未来价值增长率,%;Ad为交通事故的平均死亡人数,人;Lh为交通事故致伤带来的社会损失,元;Ah为交通事故的平均受伤人数,取 0郾 899;茁a为调整参数,取 1郾 059;酌 为人均 GDP 增长率,%。2摇 Vissim 仿真设计2郾 1摇 仿真数据输入2郾 1郾 1摇 交叉口交通渠化现状民族东路与友谊大街交叉口地处内蒙古自治区包头市青山区与昆都仑区交界处,连接南北主要居民生活区以及商业区,属于城市主要交叉口,周边有小吃街、城中村、学校等交通吸引点,且沿线有多个大型企业,以及有多栋写字楼,形成了多个车辆汇集点,使得该路段早晚高峰交通拥堵严重。民族东路设有中央分隔带,双向八车道,交叉口东西向进口车道为一条左转专用道、四条直行车道和一条右转专用道。友谊大街未设中央分隔带,双向六车道,交叉口南北向进口道为一条左转专用道、三条直行车道和一条右转专用道。2郾 1郾 2摇 交通量数据通过调取 2021 年 1 月 3 日至 1 月 7 日视频监控,采用人工记数法对该交叉口交通量进行观测,交叉口晚高峰交通量数据如表 1 所示。2郾 1郾 3摇 信号配时方案民族东路与友谊大街交叉口为单点信号控制交表 1摇 民族东路友谊大街交叉口晚高峰交通量调查表路口名称进口方向车辆类型机动车交通量/(pcu h-1)进口总交通量/(pcu h-1)民族东路友谊大街交叉口北进口南进口西进口东进口小型车1 137中型车603大型车35小型车1 342中型车662大型车45小型车1 833中型车778大型车65小型车2 072中型车1 002大型车721 9312 2262 8973 418叉口,信号周期时长 140 s,信号各相位配时见表 2和图 1。表 2摇 民族东路友谊大街晚高峰现状信号配时交叉口名称相位进口方向绿灯显示时间/s黄灯/s全红/s周期时间/s民族东路友谊大街相位 1南北直35相位 2南北左20相位 3东西直40相位 4东西左2532140图 1摇 民族东路友谊大街晚高峰配时图(单位:s)摇2郾 2摇 仿真模型设置Vissim 仿真流程如图 2 所示,其中模拟交通拥堵最重要的步骤为路网创建、路径决策和信号配时设置。路网创建和信号配时设置与该交叉口实际控制状况一致,路径决策设置应合理选择每个路径的相对流量。2郾 3摇 仿真数据输出通过 Vissim 仿真,模拟交通拥挤时交叉口交通流运行状况,推断和评估其运行性能,仿真输出排队长度、平均停车延误、拥堵车速、油耗、排放 CO 量等数据,为交叉口负外部成本计算提供支持。2郾 3郾 1摇 延误结果交叉口延误计算采用加权平均,权重采用该方向的车辆数。对于不同车辆,Vissim 没有考虑大车与小车间的换算系数,比如公交车数为 B,公交车平均延误为 DB,小汽车数为 C,小汽车平均延误为24孙夕云等:基于 Vissim詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬仿真的交通拥堵负外部成本研究图 2摇 Vissim 仿真流程图摇DC,平均延误为(B*DB+C*DC)/(DB+DC)。延误仿真结果如表 3 所示。表 3摇 延误结果数据表车型停车延误平均值/s停车次数/次车辆延误平均值/s小型车28郾 161郾 235郾 38中型车35郾 152郾 136郾 12大型车35郾 721郾 937郾 822郾 3郾 2摇 节点结果节点评价范围默认值是 100 m,改变此值对平均延误、停车次数和油耗等指标会有一定影响,但幅度很小,排队长度不受节点边界影响,节点仿真结果数据如表 4 所示。表 4摇 节点结果数据表进口服务水平车辆延误平均值/s停车次数/次排放物 CO/(mg m-1)百公里油耗/L北进口LOS_A5郾 270郾 7515郾 229郾 34南进口LOS_B13郾 351郾 0320郾 96410郾 21东进口LOS_E66郾 912郾 5780郾 27614郾 67西进口LOS_D53郾 111郾 9260郾 17212郾 012郾 3郾 3摇 数据采集结果数据采集点设置在交叉口连接器首端,统计经过该断面的车流信息。数据采集点需分车道设置,开展单点数据采集,所得仿真数据会更精确且有针对性。数据采集如表 5 所示。表 5摇 数据采集数据表车型加速度/(m s-2)排队延误/s速度的平均值/(km h-1)占有率/%小型车0郾 7937郾 5525郾 1260郾 96中型车0郾 5230郾 1226郾 7534郾 89大型车0郾 3722郾 6622郾 454郾 153摇 实例应用根据交通拥堵各成本计算模型,以包头市民族东路与友谊大街交叉口为例进行分析。首先调查交叉口晚高峰(17:3018:30)交通量,基于整理的统计数据,运用 Vissim 仿真软件进行模拟,最后通过仿真数据计算交叉口交通拥堵产生的负外部成本。3郾 1摇 交通拥堵成本计算(1)计算额外时间成本。根据包头市 2021 年国民经济和社会发展统计公报显示,包头市居民人均可支配收入为 44 377 元,按每天工作 8 h 计算,则包头市居民时间价值为 24郾 7 元/h,即=24郾 7。包头市2021 年客运量25702 万人次,大型车的载客率为23 人/车,小汽车的载客率为 1郾 3 人/车。将参数带入公式(1)可知,该交叉口高峰时期因交通拥堵导致的额外时间负外部成本为 7 966 元/h,按照早高峰 7:308:30,晚高峰 18:0019:00,每天高峰拥堵持续 2 小时计算,该交叉口全年因拥堵导致的额外时间成本约为 581郾 5 万。(2)计算额外燃油消耗成本。小、中、大型车燃油价格分别以 92 号汽油、95 号汽油、柴油价格为准,即 8郾 05 元/L、8郾 59 元/L、7郾 66 元/L。按照公式计算,当一辆车的排量是 2郾 0 L,转速在 700 r/min时,怠速时的油耗为 1郾 2 L/h。将参数带入公式(2)可知,该交叉口高峰时期因交通拥堵导致的额外燃油消耗负外部成本为 2 462 元/h,则该交叉口全年因拥堵导致的额外燃油消耗损失约为 360 万。(3)计算尾气污染成本。依据2023 年2 月8 日全国碳交易市场数据显示,碳交易价格为 58 元/吨,参照公式(3)计算可知包头市典型交叉口高峰时期因交通拥堵导致的尾气污染成本为 61郾 9 元/h,则该交叉口全年因拥堵导致的尾气污染损失约为 10郾 3万。(4)计算交通事故成本。根据邵源等人的调查研究显示9,交通事故的平均死亡人数可取 0郾 18,交通事故的平均受伤人数可取 0郾 89。2021 年包头市城镇居民人均可支配收入为 44 377 元。根据内蒙古自治区统计局数据显示,2021 年该交叉口全年交通事故数约为 32 起。根据百度交通指数数据显示,包头市晚高峰平均速度为 22郾 24 km/h,早高峰平均车速为 21郾 9 km/h11,茁a=1郾 05,Lh=8郾 2 万/人,Vy=14郾 7%。将上述数值带入公式(4)和公式(5)计算可得,包头市全年交通事故成本约为34孙夕云等:基于 Vissim詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬詬仿真的交通拥堵负外部成本研究37郾 62 万元。3郾 2摇 结果分析综上可知,包头市典型交叉口全年产生的综合交通拥堵负外部成本为 989郾 42 万元,如表 6 所示。其中因交通拥堵导致的额外时间成本损失最大,约占总成本的 58郾 77%;油耗成本其次,约占总成本的36郾 38%。两者之和将近占总成本的 95%,因此在后续交通拥堵治理中,应着重解决如何减少拥堵时间和降低油耗的问题。表 6摇 交通拥堵负外部成本汇总表成本类型成本金额/万元额外时间成本581郾 5额外油耗成本360尾气污染成本10郾 3交通事故成本37郾 62总计989郾 424摇 结语交通拥堵是现代城市普遍存在的交通问题,交通拥堵产生负外部成本,主要包括时间成本、油耗成本、环境污染成本和交通事故成本。论文分析了外部成本计算模型及各模型的影响参数取值,以包头典型交叉口为例,基于现状调查,通过 Vissim 仿真,计算该交叉口一年因交通拥堵产生的负外部成本约为 989郾 42 万元,其中额外时间成本和油耗成本约占总成本的 95%,面对交通拥堵带来的如此巨大经济损失,应引起有关部门的高度重视。由于数据获取的有限性,本文没有对噪音污染成本进行计算,并且有些参数估算存在一定的误差。后续研究中,精细化数据来源,并对负外部成本内在化的相关政策措施进行研究。从经济学角度对城市交通拥堵问题进行剖析,认识交通拥堵产生的负外部性和对社会发展造成的影响,进而采取合理应对措施,在现阶段具有重要现实意义。参考文献1摇 吴栋栋,邵毅,景谦平,等.北京交通拥堵引起的生态经济价值损失评估J.生态经济,2013,265(4):75-79.2摇 王振坡,朱丹,王丽艳,等.时间价值视角下城市居民交通拥堵成本群体异质性及降低机制研究 以天津市为例J.城市发展研究,2017,24(9):22-28.3摇 WALLIS I P,LUPTON D R.The costs of congestion reap鄄praisedR.New Zealand:NZ Transport 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