基于区域间竞争与合作的道路收费站选址和定价策略研究

As one of the effective measures for traffic demand management, road toll has been successfully implemented in some countries or regions. In reality, a transportation network usually covers multiple regions, and toll booths of different regions may belong to different operators. Thus there may be a conflict between their goals. Firstly, in an interregional competitive environment, simultaneously considering the competition in location and price and the traveler route choice behavior, we propose a two-stage location-price game model. They compete in location in the first stage then toll strategy. According to the pricing order, a bi-level Lead-Follower game model and a tri-level Lead-Follower game model are put forward. The existence and uniqueness of the optimal location and the Nash equilibrium price strategy are analyzed when pricing simultaneously. Then, the location and toll strategy problem under an interregional cooperation environment is investigated by a bi-level programming model. For various scenarios, combinations of private and governmental market schemes, profit distribution and compensation mechanisms are designed. Further, a robust risk-averse optimization model is proposed for the location-price problem with uncertain demand. Finally, the effects of market scheme, toll type, demand elasticity, user heterogeneity and demand risk on location, pricing strategy and the interests of both sides are illustrated by numerical examples. This study could provide theoretical guidance and decision-making support for strategic choice and mechanism design of local traffic management.

道路收费，作为一种有效的交通需求管理措施，已经在一些国家或地区成功实施。现实中，一个交通路网通常涵盖多个区域，而不同区域收费站的运营方之间可能存在利益冲突。本项目同时考虑选址竞争、价格竞争和出行者路径选择行为，在区域间竞争环境下建立收费站选址和定价两阶段模型，第一阶段选址竞争，第二阶段价格竞争。根据出价顺序的不同，分别建立二层主从博弈模型和三层主从博弈模型。同时出价时，证明模型的最优选址-纳什价格均衡解的存在性和唯一性。然后，针对区域间合作的收费站选址和定价问题，建立一个双层规划模型，面对不同市场机制组合的情景，设计合作下的收益分配和补贴机制。进一步建立鲁棒的风险规避型优化模型，研究需求不确定下的选址-定价问题。通过数值算例，分析市场机制、收费方式、需求弹性、出行者异质性和需求风险对收费站布局、收费策略和各运营方收益的影响。研究为交通管理者的战略选择和机制设计提供了理论指导和决策支持。

交通设施是城市交通系统功能实现的基本保障，也是停车换乘、智能交通系统等交通需求管理措施实现的基础和前提条件。布局的有效性和定价的合理性对人们的出行选择行为有重要影响。然而，已有的模型忽略了设施分布的公平性、出行链的整体性以及行人的异质性，导致对投资或定价等管理政策的评价存在偏差。.本项目提出了考虑空间公平性的网络上停车场选址问题，建立了城市交通网络中换乘停车场选址的双目标规划模型，目标分别为换乘停车场的客流量最大和建立换乘停车场的成本最少，提出了单位成本客流量的概念，将原问题转化为单目标问题求解，分析了模型解的性质，并应用在Anaheim市的交通路网中；构建了基于出行链的多模式出行和竞争-合作定价模型，在线性城市中研究了三种出行方式：地铁直达，停车换乘和全程驾车，使用基于出行链的分层Logit模型刻画交通方式选择行为，并推导出弹性需求下的出行方式选择均衡模型，灵敏度分析发现，地铁票价和停车费等收费水平的调整对各种出行方式流量分布的影响并不是完全单调的，不同于一般多元Logit模型给出的结果，并进一步讨论了四种市场机制——系统期望净收益最大、地铁公司利润最大（工作地停车场由政府经营）、工作地停车场利润最大（地铁公司由政府经营）以及两家公司寡头竞争下的地铁票价和停车收费策略；研究了信号交叉口处分类行人和车辆的延迟问题，根据是否遵守交通规则，将行人分成两类：遵守和不遵守交通规则的行人，计算这两类行人和车辆在信号交叉口的平均延迟时间，构建一个多目标优化模型，通过优化红灯时间，最大限度地减少行人和车辆在信号周期的延误。项目执行过程中，在“Transport Policy”、“Promet-Traffic&Transportation”、“Journal of Systems Science and Complexity”、“系统工程理论与实践” 期刊上发表标注论文4篇，包括SCI源期刊论文3篇、EI检索论文1篇。本项目为交通管理部门合理地布局交通设施和制定收费政策提供了科学依据，为提高我国城市交通管理与控制水平奠定良好的理论基础。