面向养护的高速公路网络通行费优化方法研究

FPricing for tolled highways has been of interest to transportation researchers for many years. The problem has been known in the literature as a traffic flow management problem and studied by using the marginal cost pricing theory. The method is to re-balance traffic flow (and congestion) on the network by pricing the price sensitive travelers, thus channeling them to less congested routes. The congestion on highways is in general lesser than the congestion on urban roads. A highway manager is more concerned with the management and maintenance costs instead of congestion. In this project, we focus on studying the highway pricing problem with maintenance. First, we analyze how the maintenance cost is dependent on road damages and vehicle loads. We design and conduct various pavement load experiments, from which maintenance cost data are collected. A maintenance cost function of vehicle loads and pavement fatigue damage is then calibrated by using the data. Next, we develop a bi-level single-corridor and single-carrier highway pricing model to determine the optimal pricing function (of vehicle load). Third, we develop a game-theoretic pricing model to determine the optimal pricing function by incorporating the competition of multiple carriers and route choice behaviors of these carriers. Effective algorithms are also expected to be developed to solve the model. We finally demonstrate and validate our models and algorithms by using real application cases.

高速公路收费问题一直以来都是公众和学者关注的热点问题。长期以来，研究人员都是从交通流量管理的角度出发，开展道路拥挤收费的研究(如边际成本收费理论)。该方法致力于通过实施道路收费，调节路网流量以降低路网的拥堵。通常情况下，高速路网的拥挤效应远小于城市道路的拥堵程度，因而高速路网管理者更关心的是养护成本和运营费用。借鉴道路拥挤收费的理念，本项目研究面向养护的高速公路货车收费定价问题。首先，我们分析车辆荷载、道路损坏和养护成本三者之间的关系，通过荷载试验和养护费用数据，拟合荷载-路面疲劳-养护成本的相关性函数。其次，采用双层优化方法，建立单一通道&单一货运公司高速公路收费定价模型，确定最优收费函数。随后，分别构建考虑路径选择行为和多家货运公司市场竞争博弈行为的高速路网收费定价模型，并开发有效的求解算法。最后，我们通过实例论证来验证和改进所提出的计重收费定价模型。

随着设施的老化，养护资金短缺成为高速公路管理中亟待解决的问题，而收取道路通行费作为一种有效的融资方法。然而，目前关于高速公路通行费收费标准的研究大多仅关注偿还贷款和公司经营的需求，很少将回收道路养护成本这一重要因素考虑在内。实际上，在一个养护规划期内，道路使用者会根据高速公路网的中各路段的收费费率进行出行行为选择，而这些行为又会反过来影响路网中路面损坏情况，进而影响养护成本。因此，本项目通过探究道路收费和养护费用的相互作用机理，建立了考虑回收养护成本的高速公路网通行费费率优化模型。首先将PCI作为评价路面损坏状况的指标，基于考虑车辆轴载影响的路面使用性能衰变方程，得到车辆荷载-疲劳损坏的定量关系。并在不同的养护水平下，对各养护措施的单价及其触发时的PCI做线性回归，得到疲劳损坏-养护费用的定量关系。由此，以疲劳损坏为中间变量，建立了车辆荷载-养护费用的相关性模型。其次，利用时间价值转换系数将时间转换为等效的货币费用，再改进BPR公式得到广义出行成本函数。然后分别建立固定需求用户均衡交通分配模型、弹性需求用户均衡交通分配模型和系统最优交通分配模型，并讨论了交通分配与荷载分配的关系，通过交通分配-车辆荷载分配系数实现二者的转化，从而得到道路收费-车辆荷载分配模型。最后，基于车辆荷载-养护费用相关性模型和道路收费-车辆荷载分配模型，考虑固定需求和弹性需求两种情况，利用双层规划模型描述考虑收回养护成本的高速公路通行费费率优化问题，之后利用有效集算法对模型进行算例求解分析。结果表明，固定需求和弹性需求的模型在不同养护水平下，与传统的拥挤收费相比可以降低出行成本，同时在各养护水平和各交通需求下，始终能保证收取的道路通行费可以收回养护费用，因此模型和算法的有效性得到证明。