考虑异质用户出行选择行为的可交易配额体系研究

发布时间：2018-12-13 22:51

【摘要】：当今,交通拥堵已成为制约城市发展的重要瓶颈,因交通出行而产生的二氧化碳排放已成为温室气体排放的主要来源,影响人类社会的可持续发展。可交易配额体系,作为价格和数量结合的需求侧交通治理工具成为学者研究热点,相较于拥堵费政策,具有收入中立性、累进性、自资性等特点,更易于公众接受。在此背景下,本文考虑用户异质性,主要研究可交易配额体系对于用户均衡状态出行选择的影响,在此基础上得出系统最优可交易配额体系设计以治理交通拥堵、排放,最后研究可交易配额体系对于考虑环境成本的燃油价格制定问题。具体来说,本文首先梳理了拥堵费及可交易配额体系的研究内容,并重点综述可交易配额体系治理拥堵和排放问题的模型研究、存在的研究空缺以及系统最优均衡状态研究进展,为后续研究提供理论支撑;其次,研究了单O-D瓶颈模型下异质用户在建立可交易配额体系前后的均衡出发时间选择、成本变化并探讨如何制定最优可交易配额体系以缓解瓶颈拥堵;随后,分析了多O-D网络模型中异质用户在建立可交易配额体系后的路径及出发时间选择变化并建立“道路管理者——用户”双层模型得到最优配额体系设计以控制系统拥堵及排放;最后,基于可交易配额体系的均衡配额价格形成机制,利用4s店用户行驶里程数据,制定考虑排放成本的阶梯燃油价格,并分析该定价机制对于不同收入群体的福利影响情况。本研究的主要内容和结论包括:第一,单O-D瓶颈模型下可交易配额体系对于异质用户均衡出发时间选择的影响研究。该部分打破了传统单O-D瓶颈模型仅考虑单一家庭用户或单一个体用户出行行为的局限性,将家庭用户之间的拼车行为(家庭用户共享一辆车,先送孩子去学校再去往工作地点)与个体用户的混合出行行为纳入模型之中,并用可交易配额体系规制该混合出行行为以缓解瓶颈拥堵现象。该部分运用线性互补理论建立动态用户均衡模型并分析解的存在性及性质,运用PATH求解器进行算例分析。研究发现,在学校——工作开始时间差较小时,建立可交易配额体系能够有效改变用户出发时间选择并降低系统出行时间成本以缓解拥堵;而当学校——工作开始时间差较大时,建立可交易配额体系反而提高了系统出行时间成本,无法有效控制拥堵;此外,若对家庭用户和个体用户采取不同的初始配额分配方案,系统总出行时间成本不变,而个体用户和家庭用户在建立可交易配额体系前后的帕累托改善情况不尽相同。第二,单O-D瓶颈模型下系统最优可交易配额体系设计以及拥堵治理研究。此部分通过数学证明发现,在系统最优状态下,系统不会产生瓶颈拥堵现象(也即TTt = 0),家庭用户及个体用户会交错出行避免产生瓶颈拥堵。基于此,该部分运用线性规划对偶性质得到系统最优配额体系设计。研究发现,在最优配额设计中,仅靠初始配额分配以及配额一次性收取(也即(K,kt)框架)难以维持配额市场出清状态,交通管理者不仅需要制定动态配额收取框架,还需额外向配额市场再发放一定数量的配额(也即(K,kt,Ⅱ)框架)以维持配额市场的稳定运行。第三,多O-D对下可交易配额体系对异质用户路径及出发时间选择影响研究。该部分考虑用户出行时间成本及出行碳排放成本,将异质用户路径及出发时间选择的动态用户均衡描述成一个带互补条件的数学建模问题(Mathematical programming with equilibrium conditions),证明该问题可以等价转化成一个变分不等式问题(Variational inequality),并运用投影算法解决该问题。研究发现,投影算法能够有效解决考虑碳排放成本的用户动态均衡问题。算例结果表明,建立可交易配额体系后,拥有较低时间价值的用户对此政策调节更加敏感,而拥有较高时间价值的用户倾向于维持原来的路径及出发时间选择以节约其出行时间成本,此部分研究为第四章提出的“道路管理者——用户”双层模型奠定基础。第四,多O-D对下系统最优可交易配额体系设计以及系统拥堵、排放研究。该部分提出“道路管理者——用户”双层模型,上层道路管理者期望利用可交易配额体系达到治理交通网络拥堵以及排放目标,下层用户通过路径及出发时间选择达到用户均衡状态。研究发现,基于投影算法的模式搜索算法能够有效解决“道路管理者——用户”双层模型,并得到实现系统出行时间以及排放双目标最优的配额动态定价设计。在最小出行时间设计下,拥有较高时间价值和延误惩罚费用系数的用户往往不会选择有最低配额消费成本的路径或时间段;而在最小排放设计下,所有用户都会选择在最低碳配额价格下出行,因而其可以有效减少系统排放量;此外,最小排放设计不一定能减少系统出行时间成本,同样最小出行时间设计也不一定能够产生最小的系统排放量,系统出行时间以及系统排放量呈现出明显的此消彼长效应,交通管理者可设置随时间变化的拥堵/排放控制目标,以保障交通系统在保障流畅性以及控制环境负外部性双目标上达到平衡。第五章,基于可交易配额体系均衡碳价的燃油定价设计。将均衡配额价格作为用户燃油产生的单位碳排放成本并应用到燃油价格制定中,运用汽车4s店数据进行算例分析得出,第一和第二阶梯燃油价格分别为3.89$/加仑和6.44$/加仑,阶梯分界为223.57加仑。此定价机制会受原始燃油价格以及最初碳减排目标的影响,燃油价格上升时候,管理部门应该调高第一阶梯燃油价格,降低第二阶梯燃油价格;当减排目标更加严苛时,第一阶梯燃油价格应适当降低,第二阶梯燃油价格应适当提高。此外,用户福利分析表明在此定价机制中,低收入用户会得到福利改善,而高收入用户会遭受福利损失。该定价政策具有累进性,符合公平原则,对于中国能源价格改革具有重要意义。
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【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：F426.22;F764.1;F572

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