河南高速公路收費站收費車道布局優化研究

王琰

（河南省交通科學技術研究院有限公司，河南鄭州 450006）

河南高速公路收費站收費車道布局優化研究

王琰

（河南省交通科學技術研究院有限公司，河南鄭州 450006）

收費站作為高速公路基層運營單位，是廣大司乘人員與高速公路直接接觸的“第一站”和“最后一站”，是展現高速公路“服務人民，奉獻社會”的重要窗口。近期河南高速公路交通量年增長達到25%～30%，收費站擁堵已嚴重影響高速公路的運行和形象。文中結合河南省實施ETC收費和人工收費的實際情況，在交通量預測的基礎上，建立多對多數學排隊論模型，提出高速公路收費站收費車道優化布局方案，并以機場收費站為例驗證其實用性，為高速公路收費站優化布局提供依據。

公路交通；高速公路；收費車道；優化布局；排隊論

據統計，截至2015年底，河南省公路通車里程已達26.7萬km，其中高速公路通車里程6305 km，居全國第三位。預計到2020年，河南省公路交通網絡總里程將達到27萬km左右，其中高速公路通車里程將達到7000km左右，5年凈增700km，繼續位居全國前列；新增省際出口通道8個，達到35個，建成以鄭州為中心、覆蓋全省、通達全國、內捷外暢的高速公路網絡。

根據有關資料，“十二五”期間河南省高速公路ETC（電子不停車收費系統）收費站點覆蓋率達到90%，并實現與全國聯網；省際、市際客運班線及旅游包車客運車輛實現二維碼電子身份管理；初步建成交通運輸部試點項目鄭州市出租汽車服務管理信息系統。《河南省綜合運輸服務“十三五”發展規劃》明確提出高速公路ETC覆蓋率達到100%，貨車ETC取得進展。加快高速公路ETC建設與推廣，實現全省高速公路收費站出入口ETC車道全覆蓋，提高ETC服務網點覆蓋率，提高ETC安裝率和使用率，進而提高高速公路通行效率和服務水平。該文根據河南省高速公路ETC收費和人工收費實施情況對高速公路收費車道布局優化進行研究。

1　高速公路收費站交通量預測

參考《高速公路收費站及收費廣場設計規范（報批版）》，車型的服務時間采取折算的方法，小型客、貨車折算為1輛標準小汽車（1pcu），中型客、貨車折算為1.5輛標準小汽車（2pcu），大型客、貨車折算為2輛標準小汽車（3pcu）。交通量預測主要采用時間序列法，以歷史數據為根本探究數據的一般規律，并在此基礎上按照時間順序將歷史數據進行引伸外推，預測其發展趨勢。

2　收費車道優化布局

河南省高速公路收費站一般設置2條ETC收費車道，分別為1個入口和1個出口ETC收費車道。影響收費車道設置數量的因素主要為車輛高峰小時平均到達率λ（veh/s）、收費車道（含ETC）平均服務效率μ（veh/s）及車輛最大排隊長度L-或最大排隊長度等待時間的期望值W-等。車輛在收費車道服務臺前排隊等待服務的行為可視為一個典型的排隊論系統，故可利用排隊論中的模型進行收費車道優化與布局。首先假設：1）收費站的車流量符合泊松分布，車輛高峰小時平均到達率為λ；2）服務臺單位乘客服務時間符合負指數分布，收費車道（含ETC）平均服務效率為μ，每輛車的服務時間為1/μ （s/veh）；3）一般情況下滿足到達車輛服務要求，不會產生排隊系統崩潰情況；4）在高速公路運行高峰時段，到達車輛遠大于收費站前的排隊車輛數，同時收費站連續進行服務，即車輛是連續運行的，可認為該時段排隊系統的車流是無限的。

設服務車道數為K，一般情況下設置2條ETC車道（1個入口和1個出口）。設單位時間內完成服務的車輛數即服務車輛強度為ρ，ρ=λ/K·μ（）。若ρ≤1，則服務滿足需求，否則車輛出現擁堵現象。實際上，由于車輛總數不會無限地到達，對于單條服務車道而言，初期由于到達率高于服務率，會出現越來越長的車輛排隊，但隨著到達率的下降，排隊程度會降低，甚至降為零。

在高峰小時期間，綜合考慮乘客對于服務的選擇行為服從隨機分布，同時一旦選擇后很難在不同服務車道之間任意變換，所需服務車道數K可按照多路多通道排隊論數學模型來估計。系統中車輛的平均排隊長度為：

排隊中平均等待時間為：

綜上，收費站內需設置的車道數為：

K=max（X1，X2）

3　實例分析

鄭州新鄭機場收費站擔負著為新鄭國際機場集散幾乎所有旅客和貨郵物資運輸的重要任務，是機場的咽喉通道，被譽為“中州第一門”。隨著河南省經濟的快速穩定發展，加上鄭州市交通樞紐城市的區位優勢，除鐵路、公路客運外，飛機成為高效的交通運輸方式，越來越多的乘客選擇乘坐飛機出行，新鄭國際機場日趨繁忙。隨著新鄭國際機場航班的增加，通過機場收費站的車輛迅猛增加，如果收費車道布局不合理，將在航班高峰期出現間歇性交通堵塞，嚴重影響其河南省對外開放窗口的形象。

2007年以來，機場收費站歷年平均日分車型交通量見表1，年平均日交通量增長趨勢見圖1。

表1　機場收費站歷年年平均日交通量　輛/d

圖1　機場收費站年平均日交通量增長趨勢

在預測期限內，道路上的各運輸方式不存在重大變化，交通量預測時不考慮轉移交通量。誘增交通量為趨勢交通量的10%。預測結果顯示機場收費站完成改擴建后，出口第10年（2025年）交通量將達到39124pcu/d，第15年（2030年）交通量將達到50940pcu/d（見表2）。

歷年交通量小時分布數據顯示，機場高速公路高峰小時交通量約占全天交通量的10%，出入口不均衡系數采用0.55。考慮到航班高峰期經常出現間歇性交通堵塞，高峰期入口交通量按照預測交通量的1.5倍計算。依據《高速公路收費站及收費廣場設計規范（報批版）》，考慮到ETC收費服務能力是人工收費服務能力的5～8倍，高峰時段的標準車型入口平均服務時間按6s、出口平均服務時間按15s計算。根據《河南省高速公路聯網監控技術要求（暫行）》的相關規定，服務水平采用標準值1.0，即每條車道平均等待車輛為1輛。由此得到機場收費站對應的收費車道數（見表3）。

表2　機場收費站交通量預測結果　pcu/d

表3　機場收費站收費車道數

受用地限制，在減少征用土地的情況下，可考慮在原有收費站布置的基礎上按“13+10”車道布局，含2條ETC收費車道；人工收費車道實施復式收費模式（一島雙亭），實施復式收費后單個收費車道的通行能力可提高1.4倍左右。該布局模式能滿足未來年機場收費站高峰小時通行需要。收費車道優化布局方案見圖2，實施效果見圖3。

4　結語

該文針對河南省高速公路收費站日漸突出的擁堵問題，提出基于車輛服務時間的高速公路車輛車型折算標準；以交通量預測為基礎，考慮河南省ETC車道實施實際情況，依據排隊論模型優化布局

圖2　機場收費站收費車道優化布局平面圖

圖3　機場收費站收費車道優化布局效果圖

機場收費站收費車道。收費車道的布局優化將有效提高機場收費站通行能力，緩解目前收費擁堵狀況。但“十三五”時期河南省將推廣ETC車輛，需增加ETC收費車道，如何在交通量預測的基礎上進一步優化布局ETC收費車道和人工收費車道，還有待進一步研究。

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U492.2

A

1671-2668（2016）04-0026-03

2015-09-15