A Segment-based Pricing Strategy for Reducing Congestion on Expressways

Abstract

대도시권의 인구 과밀화 현상이 지속되면서 고속도로의 기능을 저하시키는 혼잡한 구간이 발생하였으며 특히 같은 노선 내에서도 구간별로 상이한 서비스 수준을 나타내고 있다. 따라서 고속도로 구간별로 혼잡을 관리하여 도로 운영 효율을 높일 수 있는 고속도로 수요관리 방안이 필요한 시점이다. 이에 본 연구에서는 차선통행료 방식에 근거한 고속도로 구간별 차등요금 부과전략을 개발하였다. 상위단계의 교통혼잡 최소화를 위한 각 구간의 주행요금을 산정하는 문제와 하위단계의 가변수요 통행배정문제로 구성된 바이레벨 형태의 모형을 제시하였다. 상위단계 문제의 최적 해를 찾기 위해 민감도 분석 기반의 풀이 알고리즘을 이용하였다. 제안된 모형의 검증을 위해 수정된 Sioux-Falls 네트워크에 적용하였다. 분석 시나리오는 구간 설정 방식에 따라 균일요금, 노선별, 수요지 거리별, 고속도로 모든 링크별, 그리고 네트워크 모든 링크별 부과 등 총 5개로 구성하였다. 적용 결과 모든 방식이 초기 요금을 부과한 경우보다 도로 네트워크의 성능을 향상시켰으며, 이는 고속도로 구간의 혼잡 완화로 인한 것임을 확인할 수 있었다. 또한 구간의 개수가 많아질수록 한계비용 부과방식의 결과에 근접함을 알 수 있었다.본 연구는 고속도로 특정 구간의 과도한 혼잡으로 인해 발생하는 비효용을 절감하기 위한 수요관리 방안으로 적용될 수 있을 것으로 판단된다.

Congested zones that decreases the function of expressways have arisen due to population overcrowding in major cities. Specifically, congestion levels vary in different expressway sections despite being on the same expressway line. Demand management strategies are necessary to improve road operation efficiency by managing the congestion of each expressway section. To this end, this study investigated a segment-based pricing strategy for expressways based on the second-best pricing method. We propose a bi-level problem, in which the upper level of the model is formulated to determine a toll level for each segment to minimize traffic congestion, and a the lower level of the model is formulated as a variable demand assignment problem. We use a sensitivity analysis-based algorithm to find the optimal solution for the upper level model. Our case study application of the proposed model used the modified Sioux-Falls network. We composed scenarios of five different segmentation methods for evaluating the model: uniform pricing, line-based differentiated pricing, distance-based differentiated pricing, differentiated pricing for all expressway links, and differentiated pricing for all network links. The results show that the segment-based pricing strategy performs better than the initial pricing method with respect to the performance of the road network, due to the success in mitigating expressway congestion. Also, as the number of segments increases, the pricing results are closer to the results of marginal cost pricing. This study can be applied as a demand management method to improve the utility of excessively congested expressway segments.