周煒地等

摘要：高速公路收費站是造成高速公路上交通擁堵的瓶頸，其在極大程度上制約著高速公路總體的通行能力。為了解決高速公路瓶頸處的交通擁堵，我國借鑒并引進了國外的ETC自動收費系統(tǒng)。隨著ETC系統(tǒng)在我國的大規(guī)模應用，研究其通行能力成為必然。本文基于交通流理論，在具有限制車速的ETC車道中保證車輛之間最小安全距離的情況下，得出ETC車道最大通行能力的計算方法。

關鍵字：ETC車道；通行能力；限制車速；最小安全間距

1.引言

1.1研究背景

高速公路是供汽車高速行駛的道路，但是在高速公路收費站處往往發(fā)生嚴重的交通擁堵，此時高速公路的通行效率就大大降低。

造成收費站擁堵的最大原因往往是停車收費。傳統(tǒng)的人工收費方式使得車輛到達收費站時就必須減速停車收費，當排隊的車輛較多時，往往就會造成交通的擁堵。

而此時ETC不停車收費系統(tǒng)的優(yōu)勢就得以顯現(xiàn)，不僅如此，它還能較大程度的改善排隊時車輛產(chǎn)生的尾氣污染。因此，ETC收費系統(tǒng)在我國高速收費系統(tǒng)中得到了快速的推廣應用。

1.2研究現(xiàn)狀

在高速公路收費站通行能力研究中，廖固通過對收費站處進行數(shù)據(jù)收集，得出ETC使用率與收費站的通行能力的內(nèi)在聯(lián)系。

在基于仿真的高速公路混合收費站通行能力確定方法的研究中，李劍具體分析了混合收費時人工收費與ETC收費不同的交通流特征。并結合對收費站的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)設置相關參數(shù)，并建立了VISSIM仿真模型，最終獲得收費車道在不同占比的情況下的綜合通行能力，并得出要使綜合通行能力最優(yōu)，ETC車道占有的適宜比例。

1.3研究意義

隨著ETC收費車道在我國高速公路上的大力應用，那么研究其通行能力也成為了必然。通過對其通行能力的研究能為后期ETC車道的改擴建或新建提供理論支持。

目前，對ETC車道通行能力的計算大多都還停留在理想狀態(tài)下對參數(shù)設定，較少的去考慮交通本身的規(guī)律。

因此，本文結合交通流理論計算ETC車道通行能力，目的在于完善計算ETC車道通行能力理論。

2. ETC通道通行能力調(diào)查

ETC收費通道指的是安裝了不停車收費系統(tǒng)的車道。其主要是利用通信設施、感應設施等組成的自動收費系統(tǒng)。ETC收費系統(tǒng)能最大程度的節(jié)省人力、物力，并且能大大提升工作效率和改善環(huán)境質量。

3.ETC通道通行能力計算理論分析

ETC收費通道無需停車繳費便可完成收費過程，因此，使得很難通過排隊論來解決。

本文利用交通流理論中相關知識提出計算ETC收費車道通行能力的方法。本文認為當通行能力最大時，收費車輛之間將保持最小的安全距離，同時還必須以最高限制車速行駛。

在交通流理論中，交通流流量Q、速度V、密度K、行車間距L之間的關系如下：

（1）

（2）

（3）

即 （4）

其中V，Q，L均為正數(shù)。通過交通流特性可知，流量、車速、密度三者之間密切相關。如式（1）（2）所示，密度和流量存在極大值點。因此，若在保證安全行車的條件下，車輛需以最大密度行駛，此時就可以求得通行能力的最大值。

由此，若在限速情況下，ETC通道中的車輛都保持最小安全距離行駛，就可算出ETC車道最大的通行能力。

4. 計算ETC通道通行能力

當車輛進入收費站時常常是呈縱向排列跟車行進，考慮任何車輛都有緊急停車的可能，那么最小安全距離就應該為前車發(fā)生緊急制動時，后車經(jīng)過司機反應時間后還能停下車輛而不發(fā)生交通事故時的最小距離。

通過對行進中的兩車緊急制動過車的數(shù)據(jù)分析，可以計算出兩車安全的最小距離。前后兩車緊急制動過程如圖1所示。

圖1 ETC通道前后兩車制動關系圖

一狀態(tài)為兩車同速同向行駛，突然A車開始減速；

二狀態(tài)為B車發(fā)現(xiàn)A車制動后，其經(jīng)過大腦反應，也開始減速制動；

三狀態(tài)為A、B兩車都已經(jīng)完成了制動過程后的停車狀態(tài)。

最后得到最小的安全距離L的計算公式，如式（5）所示。

（5）

其中：

則

（6）

式中：

、 -分別為A、B兩車的剎車距離（m）；

-B車制動時的反應距離（m）；

一減速制動前A、B兩車的初始行駛速度（km/h ） ；

—A、B兩車減速制動時的最大減速度（m/ ） ；

-駕駛員遇突發(fā)情況時的反應時間以及減速制動過程需要的協(xié)調(diào)時間（s）；

一從開始減速到最終停止的時間（s）；假設A、B兩車的制動性能是一致的，那么 的值應該相同；

L—A、B兩車車頭之間的最小間距（m），A、B兩車完全靜止后最小的停車間隙 與車輛本身長度 之和。本文中A、B兩車長度也是假設相同的。

本文在計算通行能力的時候，我們通常都是假設A、B兩車都是以相同的最高限速Vo依次通過ETC車道，并且也必須要保證A、B兩車的制動性能是完全一致的。即 。

式（5）可化簡為：

（7）

將上式（7）代入上式（3）中可以得出ETC車道可能的最大通行能力計算式如下：

（8）

由于不同的ETC設備其靈敏性是不同的，盡管我們要求車輛通過ETC車道時必須限速才能感應，但是不同的ETC收費系統(tǒng)，由于其靈敏性的不同導致其限速值也將發(fā)生變化。

比如，在天津市高速公路電子收費管理中心中ETC設備要求不超過20km/h，山東高速集團有限公司ETC收費設備要求車速不能超過30km/h。

本文經(jīng)過分析認為，根據(jù)我國國情，ETC收費車道限速值大部分為30km/h，將以上數(shù)據(jù)帶入式（8）可得出ETC收費車道通行能力。

5.結語

本文從交通流理論基礎出發(fā)，提出車輛在最高限速并保持車輛之間的最小安全距離的情況下，得出ETC通道最大通行能力的計算思路。本文的研究將為以后ETC車道的改擴建或者新建提供理論支撐的依據(jù)，為高速公路收費站的運營管理提供決策的依據(jù)。

參考文獻

[1]廖固.高速公路收費站通行能力分析.公路工程，2010，6：153-155.

[2]廖固.高速公路收費站通行能力分析[J].公路工程，2010， （3）： 153-155.

[3]楊源，劉正東，戴連貴.高速公路收費站ETC車道通行能力分析[[J].計算機與數(shù)字工程，2011，（7）：54 -56.