高速公路入口稱重車道通行能力分析及冗余建設方案研究

吳明亮 賈圓飛 馬生濤

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550000)

2020年1月1日起，我國全面實施高速公路收費站按車(軸)型收費標準，不停車稱重檢測工作也同步進行[1]。完善高速公路入口稱重檢測系統，規范稱重檢測流程，提高稱重數據和收費數據質量，確保稱重和車型辨別準確，對于進一步提高入口稱重車道通行能力，鞏固深化收費公路制度改革，夯實取消高速公路省界收費站工作成果具有重要意義。

隨著物流貨運的快速發展，城市工業集群的道路運輸大量匯集，各收費站入口的貨車通行壓力不斷增大。高峰出行時段容易出現擁堵、排隊回溯、瓶頸效應等現象，嚴重影響道路通行效率。本文通過分析入口稱重車道的通行能力，提出針對性的冗余建設方案，并以杭瑞高速遵義段深溪收費站為例，進行高速公路入口稱重車道通行能力分析及冗余建設方案研究。

研究表明，超限、超載運輸對公路的損壞，與車輛軸載質量呈幾何級數增加，極易對路面、橋涵造成災難性破壞[2]。超限、超載運輸對公路的損壞，縮短了公路使用壽命，增加了公路養護成本。因此，本文對高速公路入口稱重車道通行能力及冗余建設方案進行研究，實現高速公路全域內入口各關鍵節點針對?；奋嚒⒋蠹\輸車、超限車輛的發現和跟蹤，可有效保護公路使用壽命，提升交通安全水平，保障人民生命安全。

1 稱重系統組成

稱重系統有站前治超車道用于入口稱重、出口混合車道的計重設備用于出口抽查，同時稱重計算機系統與現有收費系統互聯互通，稱重系統構成圖見圖1。

圖1 稱重系統組成結構

入口治超檢測系統[3]主要包括稱重秤臺、車輛分離器、稱重儀表、車牌識別、工控機、LED顯示屏、欄桿機、通行信號燈等相關機電設施，實現貨車信息、重量、軸數識別等功能，實現識別結果的傳輸、處理及發布功能，并配置相關存儲設備，為入口治超勸返提供依據[4]。

我國高速公路收費站一般僅設置1條入口稱重車道，故在貨車流量較大的站容易造成貨車排隊通過稱重車道，擁堵交通。通過分析收費站稱重車道的通行能力，合理布設收費站稱重冗余車道，可提高收費站貨車通行能力。

2 稱重車道通行能力分析

收費站入口稱重車道建設方案主要分為2種，一種為分體式模式，即將稱重車道建設在收費站外，在內廣場或設立專用車道掉頭；另一種為一體式模式，即將稱重設備在入口收費車道內統一建設。本節就2種不同建設模式，分析其貨車通行能力。

2.1 通行特點分析

分體式車道服務于稱重貨車車輛快速通行，在理想條件下，車道不擁堵、無其他車輛誤入等干擾因素的情況下，采用動態稱重的方式，可以為稱重車輛提供無需停車、自由通行的快捷服務。

一體式車道由于稱重設備設置于車道內，受制于欄桿機、顯示屏等設施，進入車道內需停車等待，采用靜態稱重方式，待稱重結果輸出后，可發卡駛離車道。

稱重車輛進入收費廣場進行減速，并根據收費廣場相關信息提示進入稱重車道，并按照相應的限制速度通過稱重車道，稱重后駛離稱重車道。因此，分體式車道為具有約束條件的不通車稱重車道，一體式車道則為經典排隊理論分析的停車稱重車道，本文將從這兩方面進行通行能力分析。

2.2 分體式車道通行能力

稱重車道設置于收費廣場，不受車道顯示屏，欄桿機等設備制約，采用動態稱重方式，貨車駛入收費站速度控制在20 km/h，稱重車道常規限速5 km/h，分布式稱重車道結構見圖2。

圖2 分布式稱重車道結構

分體式稱重車道通行能力主要受駕駛員的反應時間、制動協調時間、制動安全距離等因素的影響，單車道通行能力由式(1)、式(2)計算得出。

(1)

L0=L1+Lmin

(2)

式中：v為行車速度，收費廣場速度按20 km/h，稱重車道速度按5 km/h；L0為最小車頭間距；L1為車輛平均長度，貨車按18 m取值，其中，Lmin為貨車安全行車間距，可由式(3)計算。

(3)

式中：v為貨車在收費廣場的行駛速度；t2為貨車制動協調時間；t1為駕駛員反應時間。

綜合以往的研究，駕駛員的反應時間t1多集中在1.4～2 s，考慮貨車載重大，駕駛員視線高，取反應時間t1為2 s，氣壓式制動系統的制動時間為0.3～0.9 s[5]，貨車自重與載重較大，制動協調時間t2取 0.9 s[6]。車輛采取緊急制動后，安全距離一般為2～5 m，考慮該收費區域車型多為大型貨車、拖掛車，制動安全距離取5 m。在不考慮前車突然減速的理想狀況下，貨車的保證安全的基本行車間距為Lmin。

2.3 一體式車道通行能力

一體式稱重車道，稱重設備設置于入口ETC/MTC混合車道內，車道限速5 km/h。一體式稱重車道結構見圖3。

圖3 一體式稱重車道結構

如圖3所示，貨車通行受制于欄桿機、顯示屏等影響，通行方式同于在MTC狀態下通行方式，由車輛排隊理論可知，單車道通行能力與車道的服務時間成反比，一般可由標準車的服務時間與離開時間計算而得，見式(4)。

(4)

式中：C一體式車道為一體式車道的通行能力；TS為標準車服務時間；TC為標準車離開時間。

考慮入口稱重檢測存在復稱、勸返等方面的影響，入口的服務時間和離開時間可適當增加，原有出口收費車道在實施計重收費時，收費車道數計算時，考慮計重收費對通行的影響，對交通量進行適當調整。目前由計重收費調整為車(軸)型收費，可不再對年平均日交通量進行調整，服務水平按照平均等待車輛數1輛考慮。

3 冗余建設方案設計

根據各省路網目前運行情況，結合本文冗余方案設計，依托現有的收費站地形條件建設入口稱重系統冗余，旨在減少車輛高速公路收費站過站通行時間，提升貨車入口稱重系統效率，減緩擁堵。通過合理布設稱重車道冗余，滿足大流量貨運通行的條件，同時減少因原有車道數量少造成收費站擁堵和部分入口稱重系統維修期間收費站貨車無法通行的情況。

3.1 橫向冗余布設方案

在收費廣場橫向布設主、備2條分體式稱重冗余車道，布設方案見圖4。

圖4 橫向冗余車道布設方案

貨車可同時通過2條車道進行過秤稱重，提高收費廣場的貨車稱重通行效率，緩解擁堵，橫向布置貨車通行交通流交織影響較小，其通行能力計算方法如式(5)所示。

(5)

3.2 縱向冗余布設方案

在收費廣場布設1條分體式稱重設備，在入口混合車道布設1條一體式稱重設備，主、備冗余車道呈縱向布置，布設方案見圖5。

圖5 縱向冗余車道布設方案

縱向布置貨車通行時存在交通流交織的情況，考慮交織影響，取交織修正系數θ為0.8，其通行能力計算如式(6)所示。

C=(C分體式車道+C一體式車道)×θ=

(6)

4 具體案例

本文以貴州省杭瑞高速公路(遵義段)深溪收費站為例對提出的高速公路入口稱重車道通行能力分析及冗余建設方案進行研究。深溪收費站規模為4入7出，原場區設置1條場區分體式入口稱重車道。隨著該區域物流規劃發展，深溪收費站成為了遵義市城區的主要貨流通道，貨車通行量激增，同時存在貨車不文明駕駛行為，影響高速公路正常通行，導致深溪鎮周邊城市道路經常擁堵異常。據統計，該站點的單日流量達到300 veh/h，單條入口稱重車道已不滿足貨車通行要求，于是提出增加稱重車道冗余的要求。

由式(3)可得

由式(1)可得

根據收費廣場冗余稱重車道設置方案及實際交通量，計算冗余車道標準設計小時交通量(DHV)。結合上文冗余稱重車道通行能力，計算得出車道數量，計算方法如式(7)。

n稱重車道=DHV貨車/C稱重車道

(7)

式中：n稱重車道為稱重車道數；DHV貨車為貨車標準設計小時交通量；C稱重車道為稱重車道通行能力。

由式(7)可得

n稱重車道=300/185≈2條

計算得出n=2，即布設2條稱重車道滿足該站通行需求，冗余布設方案采用廣場橫向布設2條稱重車道冗余，具體設計見圖6。

圖6 深溪收費站冗余布設方案(單位：m)

經運行實施驗證，該冗余布設及方案緩解了收費站貨車過秤的擁堵情況，提高了收費站通行效率。

5 結語

大流量貨車通行需求的收費站點，高峰密集時段擁堵、通行效率低已成為亟需解決的問題。本文通過構建通行能力分析模型，分析高速公路入口稱重系統的通行能力，根據不同貨車流量提出冗余車道建設方案設計，可有效解決收費站貨車過秤擁堵問題，提高通行效率，為后續同類型工程項目提供參考。