基于社會成本節約的高速公路收費站車道改造

林楓

（廣東新粵交通投資有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

我國高速公路收費方式經歷了純人工收費方式到半人工，再到現今的電子不停車收費（ETC）主流收費模式。2019年以來，撤銷省界收費站工程的實施實現了全國“一張網”的運行，ETC被普遍推廣，推動交通運輸向智能化、信息化、網絡化的方向發展。由于ETC建設成本高，國內各地標準存在差異，且為確保未安裝車載單元（OBU）的車輛可以正常通行，大多數收費站仍保留少量人工收費車（MTC），采用ETC和MTC混合收費模式[1]。

省界收費站的取消以及ETC的推廣使到達收費站車流中ETC滲透率不斷提高，提高部分路段的通行效率，但卻為部分未及時增設ETC車道的非省界收費站帶來更多的車輛通行壓力和車輛延誤成本。

合理的車道配置方案是提高收費站運行效率，降低運行成本的關鍵，針對混合型收費站運行現狀，國內學者進行了一系列研究。LIU Lili等通過VISSIM仿真模擬，得出不同數量MTC和ETC車道時的收費站通行能力差異，進而對ETC與MTC的合理配置方案進行探析；Bomoico等人采用隨機排隊模型計算出所需不同收費方式的車道數；許潤南等通過研究車輛排隊現狀定義了不同收費站服務水平下的收費站通行能力這間系數，得到不同服務水平各類收費車道優化配置算法；姬楊蓓蓓等從建設運營成本和延誤成本兩個角度出發，構建低成本模型，提出當ETC比例大于70%時，提高ETC比例能降低建設運營費用；周崇華等基于成本效率最大化提出建立ETC車道優化配置模型，為車道的合理配置提供了科學的計算方法；馮堯等基于排隊論模型對ETC車道配置進行分析，得到不同車流量下ETC車道的合理配置數量；孫晶結合實際工程造價，從占地要求、車道布局、車道數設計等方面對不同車道數方案造價進行對比，并提出收費通道配置策略和建議[2]。

本文在前人研究的基礎上結合已有車道優化配置算法，具體分析收費站成本影響因子，探析收費站綜合成本節約的模式。

1 收費站成本分析

1.1 經營者成本

一般來說，收費站的經營者成本主要由前期建造成本和后期日常營運成本兩部分組成。建設成本包括土地征用費、建設施工費和MTC和ETC車道的建設費。日常運營成本包括車道設備運行成本、收費站員工月收入等[3]。

收費站的營運成本如下。

式中：Ccon——收費站的建造成本，元/d；CMco——單條MTC車道的建造成本，元/d；CEco——單條ETC車道的建造成本，元/d；nM——MTC車道的數量，條；nE——ETC車道的數量，條。

綜上可得收費站的經營者成本如下。

式中：Cman——收費站經營者成本，元/d；Cope——收費站的營運成本，元/d；CMeq——單條MTC車道的設備運行成本，元/d；CEeq——單條ETC車道的設備運行成本，元/d；Csal——收費站員工月收入，元/月。

1.2 使用者成本

使用者的成本指車輛使用者經過收費站，因候車、停留等原因產生的成本，這種成本既有物質層面，也包括非物質層面。物質層面主要為車輛燃油消耗的金錢成本，而非物質層面是指使用者在經過收費站時耗費的時間成本。

從收費站建設的角度看，由于ETC車道前端交易流程，在對車輛通過ETC收費車道所需時間進行分析時，一般將收費時間分為服務時間和離開時間，服務時間是指ETC車輛到達觸發線圏到完成交易離開落桿線圈的時間間隔，離開時間是指ETC車輛駛離落桿線圏到下一輛車到達觸線圈的時間間隔，除了與車型和車輛長度有一定聯系外，跟不同收費站服務水平和服務能力有較強相關性[4]。

ETC和MTC車道的平均車輛到達率分別如式（4）、式（5）所示。

收費車道的平均延誤時間（含服務時間）如式（6）所示。

某日到達收費站的客車延誤時間成本如式（8）所示。

貨車的延誤成本與貨車的小時純收益相關[13]，某日到達收費站的貨車延誤時間成本Ctt如式（9）所示。

收費站的延誤時間成本Ct如式（10）所示。

式中：Vt——人均時間價值，元/（人·h）；Im——人均月收入，元/月；Ctb——收費站的客車延誤時間成本，元/d；N——車道總數，條；h——每車平均載客數，人/veh；rb——客車比例；Ctt——收費站的貨車延誤時間，元/d；It——貨車小時凈收益，元/h；rt——貨車比例。

根據排隊論可得收費車道的平均排隊車輛數如式（11）所示。

因此，平均每日車輛的怠速油耗成本與啟動加速油耗成本分別為Cf1、Cf2，如式（12）、式（13）所示。

由此可得收費站使用者成本Cuse，如式（14）所示。

式中：Li——車道i的平均排隊車輛數，輛；Cf1——車輛的怠速油耗成本，元/d；Gj——j型車的怠速油耗率，ml/s，j取1表示客車，2表示貨車；Cf2——車輛的啟動加速油耗成本，元/d；Fj——j型車的單次啟動加速油耗量，ml；c——平均油價，元/ml。

1.3 外部社會成本

車輛在通過收費站時會產生大量的廢氣，根據國家“碳中和”和“碳達峰”的規定，應對車輛造成的大氣污染物進行征稅和凈化處理，每污染當量征收1.8元，由此帶來一定的外部社會成本。收費站多使用微觀仿真軟件VISSIM獲取車輛污染物排放量。

收費站平均每日的外部社會成本如式（15）所示。

式中：Cemi——收費站外部社會成本，元/d；Ei——污染物i的排放量，g；ei——i種污染物的當量值，kg。

2 社會成本節約型ETC改造和車道配置

2.1 項目概況

南沙大橋原稱虎門二橋，是中國廣東省境內一座連接廣州市南沙區與東莞市沙田鎮的跨海大橋，位于珠江獅子洋之上，為廣州—龍川高速公路的西端部分；是繼港珠澳大橋之后，珠江三角洲又一座世界級橋梁工程。南沙大橋西起廣州市東涌立交，上跨獅子洋入海口，東至東莞市沙田立交；大橋全長12.886km；橋面為雙向八車道高速公路，設計速度100km/h。

根據現狀，南沙大橋建設段主要設有海鷗島收費站，共有三個分廣場，入口車道共計3條純MTC和1條純ETC車道，出口車道共計3條純MTC車道，1條純ETC車道，1條混合車道，總體上MTC車道數多于ETC車道，如表1所示。

表1 南沙大橋海鷗島收費站車道設置現狀

2.2 影響收費站成本的主要因素

根據上文相關論述，收費站成本主要來源于經營者成本、使用者成本和外部社會成本三大方面，結合實際案例和現有理論分析，ETC使用效率是影響混合收費站成本的關鍵因素。隨著ETC收費站和ETC車輛的普及，ETC滲透率也隨之上升，造成ETC車道的平均延誤時間逐漸增加，MTC車道的平均延誤時間逐漸減少[6]。當ETC滲透率過高時，ETC車道的平均延誤時間增長量大于MTC車道的平均延誤時間降低量，進而導致收費站的整體延誤時間增加。總的來說，MTC和ETC車道數的配置是個動態變化過程，當ETC使用率為10%~30%時時，混合收費站的通行能力隨著ETC車道數的增加反而減小；當ETC使用率為50%~70%時，混合收費站的通行能力隨著ETC車道數的增加，呈現先增加后減小的趨勢；當ETC使用率≥90%時，混合收費站的通行能力會隨著ETC車道數的增加，呈現先增加后平穩的趨勢[7]。

2.3 基于成本節約南沙大橋海鷗島收費站車道改造配置方案

南沙大橋海鷗島收費站升級改造主要包括硬軟件設施的升級改造和MTC、ETC車道的優化配置。從硬件上優化，站內主要設置去重服務器、管理服務器、網絡安全防火墻、北斗授時、以太網交換機等核心設備，收費站利用現有收費系統工作站。從軟件上優化，對相應的收費站管理軟件系統進行升級，同時增加備份鏈路來實現數據到路段中心、省中心、部中心的傳輸。

基于成本節約，在車道優化配置方面，主要采取以下方案。

（1）MTC車道改為專用ETC車道：增設ETC車道天線、ETC車道控制器、高速自動欄桿、反向雨棚信號燈（利舊）、車道LED指示標志、車道信息顯示屏（含立柱）、單通道車輛檢測器、檢測線圈、車牌圖像識別設備（含立柱）、ETC車道軟件升級等。

（2）MTC車道改為混合車道：增設路側讀寫單元、ETC車道控制器、高速自動欄桿機、車道LED指示標志、車道信息顯示屏（含立柱）、單通道車輛檢測器、檢測線圈、車牌圖像識別設備（含立柱）、讀卡器升級、ETC/MTC混合車道軟件升級等。

同時做好相應的標志牌、標線的施工。

如表2所示，由于海鷗島收費站流通車輛多以ETC車輛為主，改造后的車道配置采用混合型車道結合ETC車道的模式。其中入口車道處布設混合型車道1條，ETC車道兩條；出口車道布設混合車道2條，ETC車道3條，實現成本節約的車道優化配置。

表2 南沙大橋海鷗島收費站車道升級改造方案

3 結語

收費站車道配置涉及經營者、使用者以及社會公眾等各方的利益，由于高速公路收費站是一個密切聯系的網絡體系，因此單個收費站的規劃建設不僅要基于該路段現狀，更要充分考慮相鄰區域或城市收費站建設現狀和未來規劃。本文基于實際項目，在綜合考慮收費站的經營者成本、使用者成本和外部社會成本，以及影響收費站成本主要因素的基礎上，充分結合項目現狀提出收費站車道升級改造方案，以混合型車道結合ETC車道的模式車道配置，達到成本節約的目的。