一种高速公路差异化收费方案演化博弈分析系统

1.本发明属于高速公路运营管理
技术领域：
：，涉及一种博弈分析系统，尤其是一种高速公路差异化收费方案演化博弈分析系统。
背景技术：
：：2.高速公路是综合交通运输的关键动脉，促进了经济增长与民生改善。在我国深化交通领域供给侧改革的背景下，高速公路的计费方式、管理模式与收费政策目标发生了很大的改变。计费方式由计重收费调整为按车(轴)型收费，并取消了省界收费站，管理模式由分割式路段管理转向集中式路网管理，收费政策目标由偿还建设贷款转向提供高效率与高品质公路出行服务、提升路网运行效率与安全水平、同时不削弱偿债能力的综合目标。在此背景下，高速公路的差异化收费政策通过优化管理交通系统，控制和引导交通需求，在既有交通设施供给水平的基础上，使交通需求在空间与时间上均匀地分布于交通设施，达到路网均衡的目标，最终实现交通设施的使用效率最大化。3.在差异化收费政策的应用方面，各个省份都在不断推进灵活多样的收费政策落实，车辆通行费收入作为高速公路运营管理单位的主要收入来源，不科学合理地降低费率可能会增加高速公路运营管理单位的财务风险，已实施差异化收费政策的部分路段并没有取得“量费齐升”的效果。4.在差异化收费政策的研究方面，主要从高速公路运营管理企业的盈亏平衡角度出发，测算不同优惠比例情况下高速公路收益情况，目前研究多从经营者考虑差异化收费定价方法，较少以高速公路利益相关者系统的角度进行整体研究。差异化收费政策作为一项公共政策，应以公共利益为出发点，对社会利益实行权威性分配，在现有社会福利分配基础上的帕累托改进，涉及高速公路运营管理单位与高速公路使用者之间的利益博弈，以及企业效益与路网效率的平衡，以此视角研究差异化收费政策的研究较少。5.鉴于现有技术的上述技术缺陷，迫切需要研制一种新型的高速公路差异化收费方案博弈分析系统。技术实现要素：6.本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种高速公路差异化收费方案博弈分析系统，其能实现差异化收费政策利益相关者之间的利益博弈，帮助高速公路运营管理单位高效地平衡企业效益与路网效率，实践企业社会责任。7.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：8.一种高速公路差异化收费方案演化博弈分析系统，其包括中心计算机以及与所述中心计算机相连的数据采样装置和结果输出装置，其特征在于，9.所述数据采样装置用于采集高速公路的经济效益，分析高速公路的社会效益及损失值、运营管理成本，计算高速公路使用者的出行成本以及改选高速公路出行的拥堵收益损失；10.所述中心计算机用于接收所述数据采样装置采集和处理后的数据，基于搭建的演化博弈模型，博弈高速公路运营管理单位和高速公路使用者通过动态试错和不断反馈纠正寻求均衡的博弈状态，建立高速公路运营管理单位-高速公路使用者的双方博弈收益矩阵；11.所述结果输出装置用于输出博弈后高速公路运营管理单位采用的策略和高速公路使用者采用的策略。12.优选地，所述数据采样装置包括数据采集器和数据处理器，所述结果输出装置包括高速公路运营管理单位政策模块和高速公路使用者出行行为模块，所述中心计算机连接所述数据处理器、高速公路运营管理单位政策模块和高速公路使用者出行行为模块，所述数据采集器与所述数据处理器相互连接。13.优选地，所述高速公路运营管理单位采用的策略集为{政策1：施行分车型、分路段、分支付方式的差异化收费政策，政策2：不施行差异化收费政策}，所述高速公路使用者采用的策略集为{高速公路出行，普通国省干线出行}。14.优选地，所述数据采样装置采集和分析后得到的数据包括高速公路运营管理单位的数据和高速公路使用者的数据。15.优选地，所述高速公路运营管理单位的数据包括：实施差异化收费政策的高速公路运营管理单位的比例x、实施差异化收费政策的经济效益be1、不实施差异化收费政策的经济效益be2、实施差异化收费政策的社会效益bs1、不实施差异化收费政策的社会效益bs2、实施差异化收费政策的成本c1、不实施差异化收费政策的成本c2、不实施差异化收费政策的负外部效应ne、实施差异化收费政策后且出行者选择高速公路出行时的高速公路负外部效应增加值δne1和普通国省干线的负外部效益减少值δne2。16.优选地，所述高速公路使用者的数据包括：选择高速公路出行的高速公路使用者比例y、选择高速公路出行时的出行成本c3、选择普通国省干线出行时的出行成本c4、选择普通国省干线出行的效益b、选择到高速公路出行时额外获得的出行者时间节约效益bt1、选择到高速公路出行时额外获得的货物时间节约效益bt2、选择高速出行时拥堵效益损失值l1、选择普通国省干线出行时拥堵效益损失值l2、实施差异化收费政策时选择高速公路出行的拥堵概率α1、实施差异化收费政策时选择普通国省干线出行的拥堵概率α2、不实施差异化收费政策时高速公路拥堵概率β1和不实施差异化收费政策时普通国省干线拥堵概率β2。17.与现有技术相比，本发明的高速公路差异化收费方案演化博弈分析系统具有如下有益技术效果中的一者或多者：18.1、本发明以高速公路运营管理单位与高速公路使用者之间的利益博弈、企业效益与路网效率的平衡视角研究差异化收费政策，完善了现有差异化收费政策分析方法。19.2、本发明能够获得如下社会效益：第一，高速公路周边地区由于通行费率降低、通行效率提升而实现更好的经济发展，吸引更多的投资带动周边物流业、旅游业、农业等的发展，同时树立良好的企业形象，得到上级公司的奖励以及开发更多高速公路附加价值的可能；第二，货车行驶普通国省干线产生的交通事故、空气污染、噪音污染等负外部效应，在差异化收费政策后，以通行费的形式将负外部效应转化为运输企业、驾驶人出行成本，使外部效应内部化。20.3、本发明能够获得如下经济效益：第一，可以促进政策推行，加强对高速公路路网的管理，掌握高速公路费用收入的特点；第二，施行科学合理的差异化收费政策后，通行费率降低可吸引部分平行国省干线上的交通量，进而提升通行费收入、服务区收入等。附图说明21.图1是本发明的高速公路差异化收费方案演化博弈分析系统的构成示意图。具体实施方式22.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，实施例的内容不作为对本发明的保护范围的限制。23.为了克服现有技术中存在的缺点，本发明提供一种高速公路差异化收费方案博弈分析系统，其能实现差异化收费政策利益相关者之间的利益博弈，帮助高速公路运营管理单位高效地平衡企业效益与路网效率，实践企业社会责任。24.图1示出了本发明的高速公路差异化收费方案演化博弈分析系统的构成示意图。如图1所示，本发明的高速公路差异化收费方案演化博弈分析系统包括中心计算机1以及与所述中心计算机相连的数据采样装置2和结果输出装置3。25.其中，所述数据采样装置2用于采集高速公路的经济效益，分析高速公路的社会效益及损失值、运营管理成本，计算高速公路使用者的出行成本以及改选高速公路出行的拥堵收益损失。26.所述数据采样装置2包括数据采集器4和数据处理器5。所述数据采集器4用于实现各种经济效益、社会效益、车辆数据等各种数据的采集。所述数据处理器5用于分析社会效益及损失值、运营管理成本；高速公路使用者的车辆通行费、行驶时间与行驶里程、车辆油耗费用、车辆耗损成本等出行成本，改选高速公路出行的拥堵收益损失等等。27.其中，所述数据采样装置采集和分析后得到的数据包括高速公路运营管理单位的数据和高速公路使用者的数据。28.所述高速公路运营管理单位的数据包括：实施差异化收费政策的高速公路运营管理单位的比例x、实施差异化收费政策的经济效益be1、不实施差异化收费政策的经济效益be2、实施差异化收费政策的社会效益bs1、不实施差异化收费政策的社会效益bs2、实施差异化收费政策的成本c1、不实施差异化收费政策的成本c2、不实施差异化收费政策的负外部效应ne、实施差异化收费政策后且出行者选择高速公路出行时的高速公路负外部效应增加值δne1和普通国省干线的负外部效益减少值δne2。29.所述高速公路使用者的数据包括：选择高速公路出行的高速公路使用者比例y、选择高速公路出行时的出行成本c3、选择普通国省干线出行时的出行成本c4、选择普通国省干线出行的效益b、选择到高速公路出行时额外获得的出行者时间节约效益bt1、选择到高速公路出行时额外获得的货物时间节约效益bt2、选择高速出行时拥堵效益损失值l1、选择普通国省干线出行时拥堵效益损失值l2、实施差异化收费政策时选择高速公路出行的拥堵概率α1、实施差异化收费政策时选择普通国省干线出行的拥堵概率α2、不实施差异化收费政策时高速公路拥堵概率β1和不实施差异化收费政策时普通国省干线拥堵概率β2。30.所述中心计算机1用于接收所述数据采样装置2采集和处理后的数据，基于搭建的演化博弈模型，博弈高速公路运营管理单位和高速公路使用者通过动态试错和不断反馈纠正寻求均衡的博弈状态，建立高速公路运营管理单位-高速公路使用者的双方博弈收益矩[0044][0045]由演化博弈的基本原理可知，高速公路运营管理单位采用“施行分车型、分路段、分支付方式的差异化收费政策”的复制动态方程表示长期中施行“施行分车型、分路段、分支付方式的差异化收费政策”的高速公路运营管理单位在群体中比例的动态变化规律。[0046][0047]出行者选择“高速公路出行”的复制动态方程表示长期中选择“高速公路出行”的出行者在群体中比例的动态变化规律。[0048][0049]令可得博弈系统的均衡点：(0，0)、(1，0)、(0，1)、(1，1)、(x*，y*)，其中[0050][0051][0052]在长时间的博弈过程中，均衡点可能会受到干扰而偏离稳态，但偏离不同稳态的结果是不同的，有必要讨论均衡点偏离稳态后的收敛性。将复制动态过程收敛、且偏离后依旧收敛的策略称为进化稳定策略(evolutionarystablestrategy，ess)。根据friedman提出的方法，进化稳定策略可通过分析博弈系统雅可比矩阵(j)得出。当且仅当行列式det.j＞0且迹tr’j＜0，系统均衡点是演化稳定策略。[0053]该系统的雅可比矩阵、行列式与迹为[0054][0055][0056]trj＝a11+a22[0057]式中，[0058]a11＝(1-2x){[(α2bs2-α1bs1)+(δne2-δne1)]y+(be1-be2)+(bs1-bs2)+(c2-c1)}；[0059]a12＝x(1-x)[(α2bs2-α1bs1)+(δne2-δne1)]；[0060]a21＝y(1-y)[(α2-α1)l1+(β1-β2)l2]；[0061][0062]将五个可能的均衡点带入det.j与trj，①高速公路设置策略1后，可能获得经济与社会效益也可能因为转移交通量过多致使路网效率降低而损失部分社会效益δ＝(α2bs2-α1bs1)+(δne2-δne1)；②出行者选择高速公路出行，可能获得额外收益ρ＝(bt1+bt2)+(c4-c3)+(β2l2-α2l1)，也可能承担拥堵损失θ＝(α2-α1)l1+(β1-β2)l2。演化稳定分析结果如表2所示。[0063]表2演化稳定分析结果[0064][0065][0066]所述结果输出装置3用于输出博弈后高速公路运营管理单位采用的策略和高速公路使用者采用的策略。[0067]优选地，所述结果输出装置3包括高速公路运营管理单位政策模块6和高速公路使用者出行行为模块6。所述中心计算机1连接所述高速公路运营管理单位政策模块6和高速公路使用者出行行为模块7。[0068]由此，在本发明中，根据数据采集器采集的数据，经由数据处理器传递到中心计算机，中心计算机中搭建有高速公路运营管理单位-高速公路使用者演化博弈模型，据此生成博弈收益矩阵，生成演化博弈系统动力学模型，计算博弈双方的各策略的期望收益、群体平均收益、复制动态方程，在此基础上分析稳定演化策略，并经由结果输出装置输出模型结果。高速公路运营管理单位政策模块，用于输出高速公路运营管理单位的策略，政策为分车型、分路段、分支付方式的差异化收费政策，高速公路运营管理单位的策略为施行或不施行。[0069]本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。当前第1页12当前第1页12
技术特征：
1.一种高速公路差异化收费方案演化博弈分析系统，其包括中心计算机(1)以及与所述中心计算机相连的数据采样装置(2)和结果输出装置(3)，其特征在于，所述数据采样装置(2)用于采集高速公路的经济效益，分析高速公路的社会效益及损失值、运营管理成本，计算高速公路使用者的出行成本以及改选高速公路出行的拥堵收益损失；所述中心计算机(1)用于接收所述数据采样装置(2)采集和处理后的数据，基于搭建的演化博弈模型，博弈高速公路运营管理单位和高速公路使用者通过动态试错和不断反馈纠正寻求均衡的博弈状态，建立高速公路运营管理单位-高速公路使用者的双方博弈收益矩阵；所述结果输出装置(3)用于输出博弈后高速公路运营管理单位采用的策略和高速公路使用者采用的策略。2.根据权利要求1所述的高速公路差异化收费方案演化博弈分析系统，其特征在于，所述数据采样装置(2)包括数据采集器(4)和数据处理器(5)，所述结果输出装置(3)包括高速公路运营管理单位政策模块(6)和高速公路使用者出行行为模块(7)，所述中心计算机(1)连接所述数据处理器(5)、高速公路运营管理单位政策模块(6)和高速公路使用者出行行为模块(7)，所述数据采集器(4)与所述数据处理器(5)相互连接。3.根据权利要求2所述的高速公路差异化收费方案演化博弈分析系统，其特征在于，所述高速公路运营管理单位采用的策略集为{政策1：施行分车型、分路段、分支付方式的差异化收费政策，政策2：不施行差异化收费政策}，所述高速公路使用者采用的策略集为{高速公路出行，普通国省干线出行}。4.根据权利要求3所述的高速公路差异化收费方案演化博弈分析系统，其特征在于，所述数据采样装置(2)采集和分析后得到的数据包括高速公路运营管理单位的数据和高速公路使用者的数据。5.根据权利要求4所述的高速公路差异化收费方案演化博弈分析系统，其特征在于，所述高速公路运营管理单位的数据包括：实施差异化收费政策的高速公路运营管理单位的比例x、实施差异化收费政策的经济效益b
e1
、不实施差异化收费政策的经济效益b
e2
、实施差异化收费政策的社会效益b
s1
、不实施差异化收费政策的社会效益b
s2
、实施差异化收费政策的成本c1、不实施差异化收费政策的成本c2、不实施差异化收费政策的负外部效应ne、实施差异化收费政策后且出行者选择高速公路出行时的高速公路负外部效应增加值δne1和普通国省干线的负外部效益减少值δne2。6.根据权利要求5所述的高速公路差异化收费方案演化博弈分析系统，其特征在于，所述高速公路使用者的数据包括：选择高速公路出行的高速公路使用者比例y、选择高速公路出行时的出行成本c3、选择普通国省干线出行时的出行成本c4、选择普通国省干线出行的效益b、选择到高速公路出行时额外获得的出行者时间节约效益b
t1
、选择到高速公路出行时额外获得的货物时间节约效益b
t2
、选择高速出行时拥堵效益损失值l1、选择普通国省干线出行时拥堵效益损失值l2、实施差异化收费政策时选择高速公路出行的拥堵概率α1、实施差异化收费政策时选择普通国省干线出行的拥堵概率α2、不实施差异化收费政策时高速公路拥堵概率β1和不实施差异化收费政策时普通国省干线拥堵概率β2。

技术总结
本发明属于高速公路运营管理技术领域，涉及一种高速公路差异化收费方案演化博弈分析系统，包括中心计算机(1)、数据采样装置(2)和结果输出装置(3)，数据采样装置(2)用于采集高速公路的经济效益，分析高速公路的社会效益及损失值、运营管理成本，计算高速公路使用者的出行成本以及改选高速公路出行的拥堵收益损失；中心计算机(1)基于搭建的演化博弈模型，博弈双方通过动态试错和不断反馈纠正寻求均衡的博弈状态，建立双方博弈收益矩阵；结果输出装置(3)用于输出博弈后双方采用的策略。其能实现差异化收费政策利益相关者之间的利益博弈，帮助高速公路运营管理单位高效地平衡企业效益与路网效率，实践企业社会责任。实践企业社会责任。实践企业社会责任。


技术研发人员：张敏 潘夏卓 赵一静 张驰 聂渝涵 高晋红
受保护的技术使用者：长安大学
技术研发日：2023.07.28
技术公布日：2023/9/20