高速公路收費站適應(yīng)能力及擁堵評價指標(biāo)研究

吳宏伊，汪正勇，徐夢清

（1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610041；2.成都市新津區(qū)天府智能制造產(chǎn)業(yè)園管委會，四川 成都 611430）

0 引言

隨著2020年高速公路省界收費站的取消，我國高速公路收費模式產(chǎn)生了根本性的變革。一方面，收費方式從過去的計重收費調(diào)整為分車型收費；另一方面，ETC收費方式得到了大力推廣，收費站的車道設(shè)置從MTC車道為主調(diào)整為以ETC車道為主，大大提高了收費站通行效率[1]。

由于ETC終端尚未覆蓋所有車輛，在當(dāng)前ETC/人工混合車道數(shù)量較少的前提下，部分收費站出現(xiàn)了非ETC車輛排隊較長，影響收費廣場通行效率的情況，嚴(yán)重時甚至影響高速公路主線通行效率。

現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范對高速公路收費站通行能力的計算，是基于M/G/K排隊論模型[2]，目前對收費站通行能力的研究大多也基于此模型。研究過程一般采用觀測統(tǒng)計值確定模型中的車輛服務(wù)時間，進而計算出車道的通行能力。通過對不同類型收費車道通行能力的理論計算，還可以輔助建立聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)路網(wǎng)模型、計算通行費用等[3]。

現(xiàn)有研究著力于對收費站通行能力的理論計算，或者通過車輛監(jiān)測建立排隊檢測系統(tǒng)，但并未實現(xiàn)收費站的運行狀態(tài)實時評價，也未對擁堵程度制定定量指標(biāo)及提出相應(yīng)的分類管理手段。本文面向高速公路管理部門對路網(wǎng)的及時、全面管理需求，提出收費站對實際交通量適應(yīng)能力的實時評價模型；對于適應(yīng)能力較差的收費站，進一步設(shè)計出擁堵程度評價指標(biāo)和實時評價方案，旨在建立一套針對收費站實時擁堵管理的系統(tǒng)方法，為收費站合理采用擴容或緩堵保暢管理手段提供科學(xué)依據(jù)。

1 收費站通行能力計算

評價收費站的適應(yīng)能力，主要是評判它的通行能力是否滿足實際交通量的通行需求。通行能力包括設(shè)計通行能力和極限通行能力。

1.1 收費站設(shè)計通行能力計算

收費站的設(shè)計通行能力是指滿足《收費公路聯(lián)網(wǎng)收費技術(shù)要求》（交通運輸部2007年第35號公告，以下簡稱“收費技術(shù)要求”）中的相關(guān)規(guī)定，即平均等待車輛數(shù)為1輛時，收費站的設(shè)計小時交通量。

在取消省界收費站以后，高速公路收費站普遍存在兩種車道：ETC專用車道和ETC/人工混合車道，不同類型車道的服務(wù)時間不同。收費技術(shù)要求中表F-2（車道數(shù)計算表）羅列了不同車道數(shù)在各種服務(wù)時間條件下的設(shè)計通行能力。因此，某收費站的設(shè)計通行能力，可以在收費技術(shù)要求中查表得出。其中：車道數(shù)可以通過省級監(jiān)控結(jié)算中心或者運營公司的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)查詢；服務(wù)時間按照車道類型分別確定。ETC專用車道服務(wù)時間按照收費技術(shù)要求取3 s，MTC車道取18 s。ETC/人工混合車道的平均服務(wù)時間尚未有明確規(guī)定，但可以預(yù)見，當(dāng)收費站交通量趨于飽和時，混合車道排隊車輛大于1輛，此時進入收費站的ETC車輛極大概率會選擇專用ETC車道通行。也就是說，混合車流的平均服務(wù)時間只有在收費站交通量不飽和時才具有計算意義。當(dāng)收費站忙時，混合車道實際主要為MTC車輛服務(wù)，因此在以忙時收費站為主要研究對象的建模過程中，混合車道可以簡化為采用MTC車道平均服務(wù)時間來查表得到其設(shè)計通行能力。

1.2 收費站極限通行能力計算

收費站極限通行能力是指在單位時間內(nèi)能夠過車的極限值。此時無論車道外排隊多長，車道的過車效率也不能再增長了。

由定義可以得出，極限通行能力就是單位時間與平均服務(wù)時間的比值。設(shè)某收費站某車道每小時的極限通行能力為LTi，該車道平均服務(wù)時間為Ai，則該車道極限通行能力為：

從極限通行能力定義可知，此時車道外排隊長度已不能影響車道過車數(shù)量，車輛之間的交織在排隊前已經(jīng)完成，因此收費站的極限通行能力就是各車道極限通行能力之和。設(shè)該收費站有n種車道，Bi表示某種車道的條數(shù)，車道種類可以為ETC車道、MTC車道、ETC/人工混合車道或串式收費車道（串式車道計算參數(shù)可參考相關(guān)文獻(xiàn)[4]），則該收費站的總極限通行能力為SLT：

2 收費站適應(yīng)能力評價模型

從上文計算過程可以看出，如果某收費站某時刻的實際車輛到達(dá)數(shù)量超過了其設(shè)計通行能力，則開始擁堵（排隊數(shù)量開始大于1輛）；如果超過了其極限通行能力，則必然出現(xiàn)擁堵（無論排隊多長，車道通行效率已經(jīng)達(dá)到極限）。因此，收費站對于實際交通量的適應(yīng)能力，取決于它在某時段（本文以小時為單位）的實際交通量與其通行能力的比較關(guān)系。

設(shè)收費站的實際小時交通量為RHV，其可以通過省級監(jiān)控結(jié)算中心或者運營公司的車道過車記錄進行計算。提取收費站的全年過車數(shù)量和車型數(shù)據(jù)，可以計算年平均日交通量（AADT），則：

其中K為設(shè)計小時交通量系數(shù)。收費技術(shù)要求規(guī)定，近郊公路：0.05≤K≤0.11，遠(yuǎn)郊公路：0.12≤K≤0.15。

收費站適應(yīng)能力評價總體流程見圖1。

圖1 收費站適應(yīng)能力評價流程圖

收費站適應(yīng)能力指標(biāo)分為三級，見表1。

表1 收費站適應(yīng)能力評價指標(biāo)

評價模型通過了歷史數(shù)據(jù)的驗證。利用四川省全省高速公路收費站2015全年、2016上半年過車數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，輸出結(jié)果為：Ⅰ級不適應(yīng)的收費站有成樂夾江站等6個，Ⅱ級不適應(yīng)的收費站有成綿廣漢站等4個。針對全省各高速公路運營公司管理人員的調(diào)研結(jié)果顯示，Ⅰ級不適應(yīng)的收費站高峰時段排隊長度為10～20輛，幾乎每天發(fā)生；Ⅱ級不適應(yīng)的收費站高峰時段排隊長度為10輛左右，發(fā)生頻次為每周3～4 d；其他收費站不易出現(xiàn)周期性的車輛排隊情況。調(diào)研結(jié)果與模型輸出高度一致。另外，根據(jù)對模型計算結(jié)果的進一步核實，有達(dá)渝達(dá)州南站等14個收費站在初步評估時結(jié)果為Ⅰ級或Ⅱ級不適應(yīng)，經(jīng)與管理人員核實后，更新了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中的車道數(shù)，評價結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)榱诉m應(yīng)狀態(tài)。這些收費站正是從2014年以來進行了擴建。這一方面說明收費站改擴建工作是卓有成效的，另一方面也印證了模型結(jié)果與實際情況是相符的。

評價模型可以應(yīng)用于收費站通行能力周期性評價。其中過車數(shù)據(jù)的輸入完全可以做到實時自動提取，模型日常維護工作僅需要根據(jù)管理部門的收費站改擴建記錄或新通車記錄更新車道數(shù)據(jù)。模型在《四川省高速公路收費站擁堵評價辦法（暫行）》中的應(yīng)用成為首個路網(wǎng)級別通行能力評價工具，實現(xiàn)了行業(yè)主管部門對路網(wǎng)運行狀態(tài)的簡便、準(zhǔn)確掌握，有利于改擴建方案的提出和緩堵保暢措施的制定。

3 收費站擁堵評價指標(biāo)及其實施方案

上述評價模型主要針對路網(wǎng)級別的監(jiān)管需求，尚不是車輛擁堵程度的量化指標(biāo)。為了實現(xiàn)對易擁堵收費站的實時監(jiān)測，以及時采取站級保暢措施，需要采用自動檢測技術(shù)，并建立擁堵評價指標(biāo)。

對于收費站的擁堵程度，直觀來說可以從車輛排隊長度和停留時間兩種角度進行評價。

3.1 排隊長度評價指標(biāo)

3.1.1 評價指標(biāo)

由于不同收費站的物理條件各不相同，受廣場長度、漸變段長度及匝道長度等因素影響，同樣的車輛排隊長度在不同收費站對路網(wǎng)產(chǎn)生的影響不盡相同。對此，擁堵指標(biāo)應(yīng)綜合考慮。參考《四川省高速公路條例》第三十一條[5]對收費站應(yīng)采取應(yīng)急管理措施的臨界條件，結(jié)合收費站物理條件、不同車型等情況，可以給出以下收費站車道擁堵情況判定標(biāo)準(zhǔn)：

a）特別擁堵 車輛排行超過200 m、且200 m范圍內(nèi)的出口道路占有率大于等于95%；或者車輛排行上主線。

b）擁堵 車輛排行介于漸變段起點至200 m之間。

c）緩行 車輛排行于廣場直線段內(nèi)。

d）暢通 島外無排行車輛。

3.1.2 實施方案

收費站的擁堵一般具有時效性，運營單位采取應(yīng)急措施應(yīng)當(dāng)實時、高效。因此，對收費站實施擁堵評價，應(yīng)當(dāng)采用自動檢測技術(shù)，及時向管理人員發(fā)出應(yīng)急預(yù)警。

3.1.2.1 基本實施流程

a）通過攝像機記錄的圖像，實時分析收費站排隊長度。

b）超過設(shè)定的閾值時，設(shè)定提出預(yù)警，提示管理人員開足車道，或采取其他保暢措施。

c）系統(tǒng)對一段時間以內(nèi)的圖像和警報自動進行記錄，用于管理部門核查擁堵情況及措施到位情況。

3.1.2.2 實施過程應(yīng)注意的技術(shù)細(xì)節(jié)

a）攝像機設(shè)置數(shù)量應(yīng)滿足：若收費廣場入口或出口設(shè)置了n臺攝像機，計攝像機i的視野近端為Li，計收費廣場入口/出口的寬度（主要與車道數(shù)相關(guān)）為W入/出，則攝像機設(shè)置數(shù)量應(yīng)滿足式（4）要求：

b）設(shè)攝像機有效檢測距離為Lj[6]，計收費廣場入口/出口需要檢測的擁堵或排隊長度為L入/出，則要求：

c）在滿足以上條件的基礎(chǔ)上，攝像機建議安裝在天棚下方的車道正上方；針對匝道收費站，如一臺攝像機難以觀測到200 m處圖像，建議在下收費站主線分流處增設(shè)一處攝像機，高度為7.5±0.5 m，安裝于車道正上方，安裝俯角1°±0.5°。

該實施方案直接由攝像機檢測結(jié)果得出排隊長度，且可直接判斷排隊車道位置，不受車輛類型（是否ETC車輛）影響，以便于管理人員采取針對具體車道的應(yīng)急措施。

3.2 停留時間評價指標(biāo)

3.2.1 評價指標(biāo)

除了排隊長度，駕乘人員對于收費站擁堵程度的直觀感受還有停留時間。由于車輛類型、突發(fā)事件、駕駛習(xí)慣等影響，車輛排隊長度并不能等比例地等效于車輛在收費站的滯留時間，因此提出另一種評價收費站擁堵程度的指標(biāo)：車輛停留時間。

車輛停留時間是指車輛從進入收費站至結(jié)束收費服務(wù)離開收費車道的總時間：車輛自下站分流處起到接受收費服務(wù)時刻止所用全部時間。

車輛平均停留時間可以通過每輛車的停留時間取均值求得。假設(shè)觀測對象收費站的RHV有N輛車，其停留時間為Td1、Td2～TdN。則N輛車的平均停留時間Tdp為：

此外，高速公路收費站匝道均有設(shè)計速度，記該收費站設(shè)計速度為Vqkm/h，則任意車輛i正常接受服務(wù)的行車時間Tqi為（單位：min）：

式中：Lz為下站分流處至收費站收費島中心的行程距離，km；Tqi是與收費站固有物理條件（匝道及廣場長度）有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)量，可通過現(xiàn)場多個試驗樣本測定后確定，且應(yīng)有Tdp≥Tqi，若出現(xiàn)Tdp＜Tqi的情況時，系統(tǒng)應(yīng)進行重新標(biāo)定。

根據(jù)運營單位調(diào)研結(jié)果，取消省界收費站以后的收費站排隊都出現(xiàn)在非ETC車輛擁堵時，因此可以專門針對非ETC車輛進行停留時間計算。檢測設(shè)備提取的車牌數(shù)據(jù)可以方便地提取出非ETC車輛，并求取其Tqi值。標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量數(shù)中的車輛長度取值為4.5 m，車輛安全跟馳距離取為1.5 m，200 m共可排隊車輛約為34輛。按每輛車18 s的服務(wù)時間（可根據(jù)實際情況調(diào)整），則第34輛車的停留時間至少為10.2 min；同理可得[60 m，200 m]區(qū)間內(nèi)的車輛停留時間為[3 min，10.2 min]，[30 m，60 m]區(qū)間內(nèi)的車輛停留時間為[1.5 min，3 min]。

因此，可以給出基于對車輛排隊時間來判別收費站擁堵情況的判定標(biāo)準(zhǔn)：

特別擁堵：Tdp≥10.2+Tqi；

擁堵：Tdp∈[3+Tqi，10.2+Tqi]；

緩行：Tdp∈[1.5+Tqi，3+Tqi]；

暢通：Tdp∈[Tqi，1.5+Tqi].

相對于排隊長度，停留時間與駕乘人員直觀感受相關(guān)性更大，作為判定指標(biāo)公平性更好。但基于停留時間來判別收費站整體擁堵程度需要準(zhǔn)確識別每輛車的通行數(shù)據(jù)，對實時性和可操作性的要求更高。因此實施停留時間指標(biāo)監(jiān)測，應(yīng)采用卡口自動檢測系統(tǒng)，以實時提取每輛車的號牌數(shù)據(jù)和過車時刻，以及通過號牌確定是否ETC車輛。

3.2.2 實施方案

實施方案的關(guān)鍵技術(shù)問題有兩點：a）精確識別并記錄車輛號牌，輸出過車車牌及過車時間；b）系統(tǒng)時間同步，滿足停留時間的精確計算。解決以上問題的方法是利用卡口檢測設(shè)備，后臺計算每輛車停留時間，過程如下：

記某輛經(jīng)過收費站下站分流處的某車為第i輛車，其進站時間為Ti-1。

車道收費系統(tǒng)在車輛接受服務(wù)時，均有車牌識別系統(tǒng)記錄車輛號牌及過車時間。記第i車接受收費服務(wù)的時間（過車時間）為Ti-2。

記停留時間為Tdi，則有：

利用公式（6）求得收費站平均停留時間并輸出結(jié)果。

在實施過程中，還應(yīng)注意以下技術(shù)要求：

高速公路主車道單車道寬3.75 m，應(yīng)急車道寬2.5 m或3 m。根據(jù)《中華人民共和國機動車號牌GA 36—2018》，高速公路機動車號牌的寬度為440 mm。根據(jù)相關(guān)工程規(guī)范要求[7-8]，要覆蓋以上路面寬度，并在圖像范圍內(nèi)實現(xiàn)440 mm目標(biāo)的足夠顯示像素，可以計算出具體的設(shè)備指標(biāo)要求，不同車道數(shù)應(yīng)采用的最低水平分辨率和攝像機像素要求見表2。

表2 自動檢測設(shè)備參數(shù)要求

綜上，在收費站下站分流處及距離主線收費站200 m布設(shè)公路車輛智能監(jiān)測記錄系統(tǒng)（常稱為“卡口”），即可滿足過車車牌及過車時間的有效采集。

該方案將車輛停留時間與車牌號相匹配，無論是ETC車輛還是非ETC車輛，都可以通過號牌方便地提取其停留時間，并根據(jù)需要與相應(yīng)的指標(biāo)進行對比。

站級精細(xì)化管理在G5京昆高速四川段某三入三出匝道收費站進行了試點應(yīng)用。該應(yīng)用采用視頻交通事件檢測器獲取擁堵長度和占有率數(shù)據(jù)，建立公路車輛智能監(jiān)測記錄系統(tǒng)，獲取過車數(shù)據(jù)（包括車輛號牌、車型等），通過既有車道數(shù)據(jù)，在收費站服務(wù)器上實時完成了排隊長度、停留時間的計算和評價，為及時采取擴容措施進行預(yù)警提示。

4 結(jié)論

通過收費站的實際小時交通量建立了高速公路收費站適應(yīng)能力評價模型。對于不適應(yīng)交通量需求的收費站，還提出了排隊長度和停留時間兩種擁堵評價指標(biāo)，并分別建立了計算模型和擁堵判定標(biāo)準(zhǔn)。另外，為了便于工程應(yīng)用，本文還制定了實施擁堵評價的模型建立方案，針對目前收費站以ETC車道為主，混合車道為輔，但車輛中還有較大比率非ETC車輛的情況，提出了實用的檢測流程，并對涉及到的設(shè)備和安裝工程都給出了技術(shù)要點和參數(shù)要求。

綜合分析建模過程和應(yīng)用案例可以看出，對于收費站適應(yīng)能力的判斷僅利用收費站車道基礎(chǔ)信息和實時過車數(shù)據(jù)即可進行。過車數(shù)據(jù)在各高速公路收費系統(tǒng)內(nèi)可獲取，因此，本文提出的收費站通行能力評價模型可以作為收費站管理的常規(guī)手段，用以計算收費站通行能力的實時、周期及重點時段評價結(jié)果。如果需要對擁堵程度做出進一步判斷，則需要設(shè)置車輛檢測設(shè)備，對重點收費站進行精細(xì)化管理，確定其擁堵時段和擁堵程度，及時采取增開車道、加強疏導(dǎo)等管理措施，進一步凸顯高速公路收費站精細(xì)化管理對通行效率提高的作用。