基于时间价值和可靠性的动态道路收费方法
摘要：采用动态定价治理拥堵并可获得收益的高占用率收费（HOT）车道越来越受欢迎，但人们对它知之甚少。本文估算了驾驶员对HOT车道动态定价的行为反应，估算的难点在于价格和需求的同时性：动态收费的策略保证价格随着进入HOT车道司机数量的增加而提高，而之前的研究发现HOT车道的价格上涨会使其流量增加。我们发现在控制自相关引起的同时性之后，HOT车道驾驶人反而以与经济理论一致的方式响应收费，收费增加10%平均车流量会减少2%。尽管基于每天不同时段和出行目的的时间相对值和可靠性存在异质性，但驾驶员主要重视由于节省时间而提升的行程可靠性。结论表明，当估算动态收费道路需求时控制同时性和将HOT车道动态定价作为一个具有捆绑属性的差异化产品处理的重要性。
关键词：交通经济；收费；时间价值；可靠性的价值；微观经济行为；拥堵管理；高占用率的收费车道
1.引言
公路运输在美国经济中占很大比重。绝大多数基础设施由当地、州或联邦机构拥有、维护和运营。根据Winston（2010）的数据，2007年美国消费者在汽油和汽车上的花费超过1万亿美元。在大都市地区，道路拥堵导致消费额外购买了29亿燃料，并在交通上花费了55亿小时（Schrank等，2012）。当地的交通拥堵还导致了（Currie和Walker，2011; Gibson和Carnovale，2015）碳排放（Weitzman，2009）和空气污染蔓延增加（Anas和Rhee，2006）的外部影响，这些成本还是下限。尽管交通拥堵每年带来了巨大的财产损失，但大多数道路连最简单的拥堵收费都尚未设置。由于运输预算紧张，例如高速公路信托基金被预计长期破产（Kirk and Mallett，2013），短期内通过增加容量来应对拥堵较难实现。此外，根据公路容量的基本定律（Downs，1962,2004; Duranton和Turner，2011），道路供给的长期弹性等于1意味着供给的任何增加都将通过等量的需求增加来满足。基于以上现状，实施适当的拥堵定价有可能会产生巨大的福利收益。
HOT车道是一种获得支持的特殊形式的拥堵收费方式，其中高占用率车辆（HOV）免费行驶，单人乘用车辆需付费行驶。从工程的角度将车辆从通用的拥挤车道向自由流的HOV车道进行再分配可以减少拥堵延迟和与其关联的外部效应（Dahlgren，2002）。收费通常随着时间或交通条件的变化而变化，也为地方和州政府机构带来了宝贵的收入。自1993年以来，由于基础设施老化，汽油税收入减少，这一潜在收入便成为基础设施预算的重要组成部分。此外，设置HOT车道与不受欢迎的统一收费的方式相比在政策上是获得支持的，因为通用车道不需收费，这为低收入和对收费敏感的驾驶员提供了可替代方案。在理论上这些HOT车道的特征决定了其可以获得大量福利收益（Safirova等，2004）。然而，HOT车道依然存在关于公平性的争议：富有的驾驶员可以避开交通拥堵，而其他人则依然处于拥堵中，导致HOT车道被贬低地称为“雷克萨斯车道”。
虽然HOT车道是管理有价值的公共道路的一种受欢迎的方式，但是关于驾驶员对HOT车道实施的行为反应的实用研究却相对较少。由于HOT车道通常具备与拥堵状态相适应的动态的定价，并且还有可免费通过的GP车道作为替代，这便为研究驾驶员对拥堵管理的反应提供了机会。
本文的主要贡献是生成价格弹性需求的经验估计，并使用位于华盛顿州的西雅图-塔科马地铁区域的SR167上的微观数据计算动态定价的HOT车道的时间价值和可靠性。虽然大多数经济学家并不会对需求下降感到意外，但现有的关于动态定价的HOT车道的研究文献认为其应该是积极的价格反应。刘等人（2011b）在logit框架中将价格的系数值从0.214恢复到0.600，Janson和Levinson（2014）最近的研究也发现了HOT价格的正面影响，其弹性范围从0.03增加到到0.85。除了确定更合理的需求弹性之外，研究还表明，错误估计驾驶员对价格的行为反应会产生对时间价值和可靠性的无效估计。
对HOT需求价格的积极影响提出的最常见的解释是将价格作为未来拥堵的信号(Liu et al., 2011b; Janson and Levinson, 2014)，因此价格上涨便与节省更多时间相关联。这个解释混淆了驾驶人发生的行为反应的目的是节省时间还是因为价格变动。在其他条件相同的情况下，驾驶员更愿意用更低的价格节省更多的时间。不考虑时间节省预期的情况就相当于在纯价格效应中引入了省略的变量偏差系数。对正价格弹性的一个更加合理的解释是，之前的工作没有充分协调动态收费算法中价格和拥挤的同时性——随着越来越多的司机进入HOT车道，其道路条件恶化（速度降低）并且收费提高，导致价格和使用数量之间呈正相关关系。由于二者持续存在并存在高度自相关关系，便产生了估计偏差。
如果没有在动态收费算法的设置中解决同时性问题并忽略变量偏差，那么便不能认为HOT车道的使用违反了经济理论的核心原则。我们的识别依赖于第一种方法，它克服了价格和数量的同时性，为Liu等人产生了积极的需求响应（2011B）。 我们还使用微观数据来控制行程可靠性和节省时间，这与Janson和Levinson（2014）不同，后者在实验产生了收费率的变化后检查了使用中的总体差异。
与之前发现需求响应为正的文献相反，我们估计价格弹性需求介于-0.13和-0.24之间，最优估计值为-0.21。这是首次将动态定价HOT车道的价格弹性需求估计为负，这将是未来许多城市运输管理计划的关键部分。我们的估算还可以计算与HOT车道用户的行程时间减少和行程可靠性增加相关的福利收益。在基本规格中，福利总收益约为230万美元。虽然相对于总运输支出，福利收益可能看起来很少，但其实际的多少应当在适当的情景下考虑。对司机的收益大致等于样本调查期间项目产生的总收入。如果在本地或全国范围内推广设置HOT车道，则将产生较高的福利。
本文的第二个贡献是同步估算动态定价HOT车道的时间价值和行程可靠性。 动态定价HOT车道的先前研究（Brownstone等人，2003; Liu等人，2011b; Burris等人，2012; Janson和Levinson，2014）通过利用收费除以节省的时间来构建时间价值的简单估计，这种方法产生了不切实际的时间价值的估计值，甚至可能超过100美元/小时（Burris等，2012; Janson和Levinson，2014），而美国交通部使用中等家庭每小时收入的50％作为个人行程的时间价值，相当于用大约14美元乘坐西雅图地铁。由于收费包含一系列属性，包括提高行程可靠性，因此简单地计算时间节省有问题的。虽然有些作者提到了这些局限性（Burris等，2012; Janson和Levinson），但目前尚未有大规模的关于共同估计HOT车道的时间价值和行程可靠性的研究。
在理论上，时间价值和行程可靠性的联合估计与通过动态定价正确识别HOT车道的需求响应的挑战有关。如果不能确定代表收入（负）边际效用的需求响应，就不可能估计节省的时间与价格，可靠性和价格之间的边际替代率，这将导致用于估计HOT车道时间价值的简单方法出现严重问题，其将会使得与HOT车道相关联的所有收益分配给时间节省。Devarasetty等（2012）在一项研究中表明行程可靠性可能大于HOT车道上的时间价值，表明大多数简单单一显示时间价值的估计值太大。我们的结果更加鲜明：司机对HOT车道上的行程可靠性的重视远多于时间节省。我们估计首选规格的时间价值仅为3美元/小时，而行程可靠性超过23美元/小时。总体而言，尽管节省时间对于道路的某些子集来说相对更重要，但是对HOT司机的80％的益处来自于行程可靠性的提高。
除了估计需求弹性和福利收益之外，本文还将关于HOT车道的理论经济学文献与可以帮助参数理论模型化的经验实例联系起来。虽然HOT车道的理论研究表明其在司机异质性面前有广泛好处（Dahlgren，2002），但实际上福利影响应取决于时间价值（VOT）和可靠性值（VOR）的分布（Small and Yan，2001; Small 等人），通勤需求趋势，收费结构（Chung and Recker，2011）和互联市场的扭曲（Parry和Bento，2002）。 Konishi和Mun（2010）表明，从HOV到HOT车道的转换的福利效应并不明显，部分原因是HOT车道允许单人车辆付费通过。因此这些研究中使用的许多模型都仅将价格弹性作为参数，而缺乏其大小和方向的参考支撑。
虽然我们重点估计在特定地区HOT车道上驾驶员的需求，但对于试图推广福利结果，总体情况至关重要。Li（2001）试图通过分析调查数据来确定加利福尼亚州SR91的HOT车道使用的确定特征，他的发现表明，收入、入住率、出行目的和年龄是重要的影响因素。从理论的角度分析，Parry（2002）使用具有三个假设的简单模型对拥堵税替代方案进行了分析：（1）假设高峰和平峰时期行程的社会边际成本相同；（2）假设在给定时间点行程模型的社会边际成本相同；（3）假设通过车道可将高时间成本和低时间成本的驾驶员分开。他发现，考虑到驾驶员时间成本的异质性，双车道道路实行通行收费可以分离高成本和低成本用户，以实现最高通行效率，而两条车道的均一收费通过“在通行费之前和之后分摊较低时间成本通勤者的通勤”达到90％的最佳效果。他指出，鉴于驾驶者对拥堵税的“敌意”，单线设置通行费更具备政治可行性。Parry和Bento（2002）通过将扭曲纳入拥堵税的福利计算来部分扩展这种分析。他们发现扭曲可能导致福利的“实质性”变化，因此必须将其视为政策变化的一部分。
根据这些发现，HOT车道可能无法实现社会福利最优，因为仍然存在一条带有未定义的拥堵外部性的车道。 然而，由于收费车道的拥堵增加，以及允许具有不同时间价值和行程可靠性值的驾驶员进行适当排序，因此HOT车道的动态定价会通过提高私人成本来内化外部性拥堵。 这与Dahlgren（2002）一致，他们模拟了在现有交通环境中增加不同的车道类型：当初始最大延迟非常高但HOV的比例不足，期望充分利用时，混合车道的性能优于HOV车道。
我们对动态定价的HOT车道的负价格响应是通过经验文献确定的，驾驶员确实遵守HOT车道动态定价的理论预测。这具有重要的政策含义：如果对HOT车道的需求降低的，那么将动态定价HOT车道作为拥堵管理机制的整个前提将受到致命影响。如果价格反应积极，那么价格上涨将导致HOT车道更高的使用率，并且将持续上涨到车道达到其通行能力。我们的估计不仅符合基本经济理论，而且为使用动态定价管理拥堵提供了经验支持和弹性估计，以帮助优化收费率。
论文的剩余部分内容如下：下一节讨论项目设置和分析中使用的数据，第3节描述了计量经济学方法，结果见第4节和第5节总结性评论和讨论。有关计量经济学规范测试的详细信息，以及其他表格和配置，请参见附录。
2.背景和数据
2.1 项目设置
我们的项目的设置地点位于华盛顿州西雅图大城市区的167号国道（SR167）。它是西雅图南部伦顿和奥本社区与I405高速公路之间的连接道路，然后通过I5或贝尔维尤通过I405进入西雅图。由WSDOT于2008年5月发起的“HOT车道”试点项目将SR167的高载客率车道的两个方向10英里长的路段改为HOT车道并一直持续到今天（图1）。由于该位置普通车道严重拥挤而现有高载客率车道的通行能力过剩，因此选择在该处设立HOT车道。该位置是在项目开始时选择，目的是通过允许单乘客车辆付费通行来弥补HOV车道中的过剩容量。交通拥堵不仅会造成延误，而且会降低道路的总承载能力，因此将汽车从普通车道转移到高载客车道可以增加两条车道的总吞吐量（Dahlgren，2002年）。
收费的主要作用是调节通往HOT车道的通道，并保持最低的服务水平，从而不妨碍高载客率车辆和过境车辆使用该车道。在实施之前，普通车道车辆在拥堵期间平均速度为每小时30-35英里，限速为60英里/小时，导致相对于自由流的延误约为50%。在转换为HOT车道之前，高载客率车辆车道几乎没有拥堵现象（Wilbur Smith Associates，2006年）。截至2012年，WSDOT提出了HOT车道的一系列优点，包括：减少普通车道的拥堵、减少高峰拥堵、保持HOT车道的自由流、提高走廊的通行能力、提高安全性和收入中立性（WSDOT，2012年）。原定于2012年到期的试点项目已延长至2016年，HOT车道向其他路线的扩建也正在进行中。
评估收费车道的支付意愿是确定满足交通量优先权的收费水平的一项要求。如图2所示，WSDOT在HOT车道使用需求方面的假设存在问题，其收入预测不佳。虽然获取收益不是WSDOT的主要目标，但很明显，其对使用轨迹和驾驶员对引入收费备选车道的反应存在根本性误解。
沿着构成我们项目设置的十英里延伸段，SR167有三条向北行驶的车道和三条向南行驶的车道。每个方向都有两条普通车道，第三条车道设置为HOT车道。高占用率车辆不需要额外的设备来使用车道，但是使用HOT车道的单乘客车辆必须购买并安装一个wsdot“Good to Go”（GTG）通行证。通行证是一个安装在车牌或车内挡风玻璃附件上的收发器，用于登记车辆通行并缴纳通行费。应答探测器安装在出口处，这是HOT车道唯一合法的出入口。北行有6个出口，南行有4个出口，出口与出口之间有一条双白线分隔普通车道和HOT车道。
GTG通行证可以在线购买，也可以在当地零售商处购买。账户是“预付”的，通行费在使用时从预存账户的资金中扣除，账户持有人可以自动或手动补充余额。用户可以在信用卡和银行账户之间进行选择，在线、电话或亲自提供服务。GTG通行证可用于WSDOT运营的所有收费设施，包括SR520大桥和Tacoma窄桥以及SR167 HOT通
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资料编号：[2110]
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