軍警ETC車道布局對收費站服務水平的影響研究*

林曉輝▲

(廣東交通職業(yè)技術學院計算機工程學院廣州 510650)

摘要為有效利用車道資源，提高ETC車輛的通過率，部分省份將軍警車道升級改造成前置式軍警ETC車道或后置式軍警ETC車道，但不同軍警ETC車道布局對收費站服務水平的影響程度尚不明確。文中以廣韶高速太和收費站為研究對象，運用Vissim交通仿真軟件進行仿真建模，對比分析不同軍警ETC車道布局下ETC車輛、軍警車輛、人工半自動收費(MTC)車輛等車種的平均行程時間、平均延誤時間、平均排隊長度等評價指標。仿真結果表明：經升級改造后，ETC車輛的各項評價指標改善顯著，軍警車輛受到較小的影響，MTC車輛未受到影響；在低峰、平峰時段中，2種軍警ETC車道布局模式下收費站的各項評價指標差別較小，在高峰時段中，與前置式布局模式相比，后置式布局模式下ETC車輛和軍警車輛的平均行程時間均提高了9.6%、平均延誤時間均降低了12.8%、平均排隊長度均減少了26.7%。因此，建議交通流量較大的大型收費站采用后置式軍警ETC車道布局模式，交通流量較小的小型收費站可采用前置式或后置式軍警ETC車道布局模式。

關鍵詞交通工程；軍警ETC車道；收費站服務水平；Vissim交通仿真

中圖分類號：U491文獻標志碼：A

收稿日期：2014-10-20修回日期：2014-12-20

通訊作者▲第一作者()簡介：林曉輝(1981-),碩士研究生.研究方向：交通信息控制，交通仿真.E-mail:inxh1981@163.com.

Study on the Influence of the Lane Layout for Both Police

Cars and ETC Vehicles on Service Level of Toll Station

LIN Xiaohui

(GuangdongCommunicationPolytechnic,Guangzhou510650,China)

Abstract:In order to use resources of lanes effectively and improve the passing rate of ETC (Electronic Toll Collection) vehicles, some provinces upgraded the lane for police cars of toll stations to a front mounted or a rear mounted layout of lane for both police vehicles and ETC vehicles, but the influence of the different layouts of lane for both police cars and ETC vehicles on service level of toll station was unclear. In view of this, this paper took the Taihe toll station of Guangshao freeway as a case study, and used the Vissim traffic simulation software to build up several simulation models, and analysis the average travel time, the average delay, the average queue length of ETC vehicles, police vehicles and MTC (Manual Toll Collection) vehicles by the different layouts of lane for both police vehicles and ETC vehicles. The simulation result showed that the evaluation indexes of ETC vehicles improved significantly after upgrading, the evaluation indexes of police vehicles had a small influence, and the evaluation indexes of MTC vehicle were not affected. In the low peak and flat peak time, the evaluation indexes of both front and rear mounted layouts of lanes are nearly the same. In the peak time, compared to the front mounted layout of lane, the average travel time of ETC vehicle and police vehicles increased 9.6%, the average delay time decreased 12.8%, the average queue length were reduced 26.7% in the rear mounted layout of lane. Therefore, this paper suggests that larger stations which have large flows are more suitable to use the rear mounted layout of lane, and smaller stations which have small flows can use a front mounted layout of lane or a rear mounted layout of lane.

Key words:traffic engineering;lane for both police cars and ETC vehicles;service level of toll station; Vissim traffic simulation

*廣東省交通運輸廳科技項目(批準號：科技-2013-02-065)、住房和城鄉(xiāng)建設部2014年科學技術計劃項目(批準號：2014-K5-020)、企業(yè)委托項目(批準號：KYH18054)資助

0引言

目前，大部分高速公路收費站均預留有專供軍警車輛(包括軍警車、救護車、三防指揮車、各省政府規(guī)定的免費車輛)免費通行的專用車道，簡稱軍警車道，但多數軍警車道利用率較低，浪費了道路資源。為有效利用車道資源，提高ETC車輛的通過率，部分省份對軍警車道進行升級改造，建成兼容軍警車輛和ETC車輛共同通行的專用車道(以下簡稱軍警ETC車道)[1]。軍警ETC車道勢必能夠提高收費站的服務水平，但不同軍警ETC車道布局對收費站服務水平的影響程度尚不明確，因此有必要對該方面內容進行研究。

部分學者就ETC車道設置對收費站的影響進行了研究，如劉斌等[2]利用自主開發(fā)的ETC收費站仿真程序(ETSP)，分析了ETC車道數量對收費站通行能力的影響,為ETC的實施提供了依據；高翔等[3]以某高速公路主線收費站出口為例,通過對比不同位置ETC專用車道對收費站運行效率影響,以確定ETC專用車道的最佳布設位置；李劍等[4]結合高速公路混合收費站實際調查數據標定參數并建立了Vissim仿真模型,獲得了收費站人工收費車道和ETC收費車道數在不同比例的情況下收費站的綜合通行能力,并給出ETC交通量占總交通量的最佳比例；陳偉等[5]將交通運行參數與交通安全、經濟效益、能源環(huán)境3個參數相結合,構成ETC社會效益評價指標體系,將層次分析法(AHP)與數據包絡分析法(DEA)相結合對不同交通流狀態(tài)下ETC建設的社會效益進行超效率分析。上述研究均集中在ETC車道對收費站的影響研究，尚未涉及軍警ETC車道不同布局對收費站服務水平的影響研究。鑒于此，筆者以廣韶高速太和收費站為例，進行Vissim交通仿真建模分析，對比不同軍警ETC車道布局下ETC車輛、軍警車輛、MTC車輛等車種的評價指標優(yōu)劣。

1軍警ETC車道簡析

1.1工作流程

當車輛觸發(fā)初始線圈時，啟動遠端攝像機進行拍照，并對車牌圖像模式識別，判斷車輛是否為軍警車。若來車為軍警車，則生成記錄，保存車牌圖像，直接放行；若非軍警車，則按ETC工作流程

進行交易。當來車到達近端抓拍線圈時，未讀到電子標簽，則啟動近端攝像機重新識別車牌圖像，若確定該車為軍警車，則生成記錄，保存車牌圖像，直接放行。車道系統(tǒng)會上傳軍警車的記錄到收費站監(jiān)控計算機系統(tǒng)，并提供軍警車稽查功能。

1.2軍警ETC車道布局模式

根據自動欄桿位置差異，軍警ETC車道布局模式分為前置式軍警ETC車道和后置式軍警ETC車道[1]。

1) 前置式軍警ETC車道。該車道布局模式根據典型ETC車道布局模式，對普通軍警車道進行升級改造，保留了地感線圈、1套雙天線及外部設備，將前端車牌識別設備增設在車道前方，后端車牌識別設備安裝在近端抓拍線圈后方，見圖1。其中，A,B區(qū)的通信信號分別由前端天線和后端天線提供，其通信區(qū)域均為7.5 m，各類車輛的通過速度范圍為25～30 km/h。因部分未能識別的軍警車需人工干預，所以收費員要走出收費亭，占用更多的處理時間，相應的速度會比較慢。

圖1　前置式軍警ETC車道布局圖

2) 后置式軍警ETC車道。這種車道布局模式在收費島前區(qū)內增設了前端車牌識別設備和前端天線；在收費島后區(qū)內配置有后端車牌識別設備、后端天線、自動欄桿機、費額顯示器，見圖2。其中，A,B區(qū)的通信信號分別有前端天線和后端天線提供，其通信區(qū)域均為7.5 m，各類車輛的通過速度范圍為30～40 km/h。由于拉開欄桿與通信區(qū)域1的距離，各類車輛通行速度會更快，此外當出現(xiàn)車輛設別或交易不成功時，收費員可在收費亭內快速處理，因此后置式軍警ETC車道速度比前置式方式快一些。

圖2　后置式軍警ETC車道布局圖

1.3收費站服務水平

為研究不同軍警ETC車道布局對收費站服務水平的影響程度，筆者選取平均行程時間、平均延誤時間、平均排隊長度等參數作為收費站服務水平的評價指標[6-10]，分析ETC車輛、軍警車輛、MTC車輛等車種的運行狀態(tài)。

1)平均行程時間。平均行程時間是指車輛從收費站前O斷面(O表示origin，起始斷面)行駛至收費站后D斷面(D表示destination ，終點斷面)的所需時間，見圖3。平均行程時間由車輛行駛到收費車道排隊區(qū)域的時間、車輛排隊等候的時間、車輛接受服務的時間等3部分時間所組成，分為ETC車輛平均行程時間、軍警車輛平均行程時間、MTC車輛平均行程時間。

圖3　行程時間采集起始斷面

2)平均延誤時間。平均延誤時間是指在有無收費站情況下，車輛從收費站前O斷面行駛至收費站后D斷面的所需時間之差，分為ETC車輛平均延誤時間、軍警車輛平均延誤時間、MTC車輛平均延誤時間。

3)平均排隊長度。平均排隊長度是指從某個斷面起向上游的車輛排隊長度，單位為m，分為ETC車輛平均排隊長度、軍警車輛平均排隊長度、MTC車輛平均排隊長度。

2仿真實驗

2.1仿真方案

筆者以廣韶高速公路太和收費站為研究對象，該收費站為主線收費站，全長622 m，單向為10車道，從中間到外側車道的分布情況如下：1條ETC車道、1條軍警車道、8條MTC車道，每條車道的寬度均為3.75 m，見圖3?，F(xiàn)對該收費站廣州至韶關方向進行Vissim交通仿真建模，對比普通軍警車道、前置式軍警ETC車道、后置式軍警ETC車道等3種布局下該收費站的服務水平指標，包括ETC車輛、軍警車輛、MTC車輛等車種的平均行程時間、平均延誤時間、平均排隊長度。

2.2仿真參數設置

1) 收費車道服務時間。收費車道服務時間是指車輛在收費亭前停車繳費所需要的時間。Vissim微觀交通仿真軟件提供了停車讓路控制功能，可利用該功能來模擬車輛在收費車道中停留一段服務時間后，加速通過收費車道。

(1) MTC車道服務時間。根據2013年太和收費站出口MTC車道現(xiàn)場調查數據，MTC車道服務時間取值15～25 s。

(2) ETC車道服務時間。理論上，ETC車輛以連續(xù)流通過ETC車道，不需停車，因而ETC車道服務時間為0 s，但實際上，考慮到安全性，ETC車道均設置有自動欄桿，要求ETC車輛需減速通過收費站，因此ETC車道服務時間=通信時間(250 ms)+欄桿抬起時間(1 s)，即1.25 s。軍警ETC車道服務時間取值與ETC專用車道一致。

2)流量輸入。為研究設置軍警ETC車道后，收費站在低谷、平峰、高峰時段3個交通需求下的服務水平評價指標，本文結合實測的歷史數據，將流量輸入分別取值為1 500(低谷)，2 000(平峰)，3 000 pcu/h(高峰)，在各個交通需求中，ETC車輛占20%，軍警車占5%。

根據2013年太和收費站的調查數據，將各車型所占比例設置Vissim中各車型的比例，見表1。

表1　車型比例表

3) 軍警車輛與ETC車輛參數設置。仿真模型中，3種布局模式下軍警車輛與ETC車輛的參數設置見表2，其中，車道速度設置方法可利用Vissim軟件中提供的“速度帶”功能來實現(xiàn)。

4) 相關參數校正。在進行仿真實驗前，還需要根據太和收費站的實際情況對Vissim中相關模型參數進行校正。該模型參數校正結果為駕駛員的平均反應時間2.1 s，車輛平均車頭時距2.2 s，速度記錄為5 km/h，速度因子曲線為0.98，仿真步長為2，此外，對于少部分誤闖車輛，通過設置減速帶和停車讓路控制來實現(xiàn)(只對誤闖車輛有效)。多次反復校正后表明，仿真模型中車輛的運行狀態(tài)與收費站的實際運行狀態(tài)相吻合。

表2　軍警車輛與ETC車輛參數設置表

注：假設各車種能夠被設備識別就能夠順利通過收費站，即識別率等價于通過率。

5) 不同ETC車輛比例的影響。隨著ETC車輛的快速增長，對收費站提出了新的需求，為研究不同ETC車輛比例對3種軍警車道布局的影響，在上述模型的基礎上，以高峰小時為例，軍警車輛比例保持5%不變，MTC車輛比例相應的減少，仿真分析ETC車輛比例為20%,40%,80%的3種軍警車道布局下的平均延誤時間。

3結果分析

對不同交通需求下的3種軍警車道布局模式進行仿真，并對平均行程時間、平均延誤時間、排隊長度等數據進行統(tǒng)計分析，結果見圖4～6.

圖4　不同軍警車道布局下各種類型車輛的平均行程時間

圖5　不同軍警車道布局下各種類型車輛的平均延誤時間

圖6　不同軍警車道布局下各種類型車輛的平均排隊長度

從圖4～6可見，隨著交通需求的增大，ETC車輛、軍警車輛、MTC車輛的平均延誤時間、平均停車次數、平均排隊長度也相應的增加，且設置軍警ETC車道布局模式后，隨著交通需求的增加，ETC車輛的各項評價指標改善越來越顯著，而軍警車輛的通行效率受到比較小的影響，MTC車輛未受到影響。在低峰、平峰時段中，2種軍警ETC車道布局模式下收費站的各項評價指標差別不大。在高峰時段中，與前置式軍警ETC車道布局相比，后置式軍警ETC車道布局下ETC車輛和軍警車輛的各項評價指標改善顯著，如ETC車輛和軍警車輛的平均行程時間均提高了9.6%、平均延誤時間均降低了12.8%、平均排隊長度均減少了26.7%。這是因為隨著交通需求的增加，軍警ETC車道的異常車輛也增加，前置式軍警ETC車道處理異常車輛的人工服務時間遠高于后置式軍警ETC車道的人工服務時間，因此前者會產生更多的平均行程時間和平均延誤時間，形成較長的車輛排隊。

以高峰小時為例，在上述模型基礎上，對ETC車輛占20%,40%,80%的情況進行仿真，經數據處理后得到各種車輛在不同軍警車道布局下的平均延誤時間，見圖7。

圖7　不同ETC比例的3種軍警車道布局平均延誤時間

從圖7可以看出，在高峰小時階段，隨著ETC車輛比例的增加，3種布局下的ETC車輛和軍警車的平均延誤時間均有所增加，MTC車輛平均延誤時間降低，但ETC車輛從20%上升至40%時，普通軍警車道的平均延誤時間上升速度明顯高于其他兩種軍警ETC車道，當ETC比例繼續(xù)上升，ETC車輛和軍警車的平均延誤時間繼續(xù)上升，此時應當考慮設置更多的ETC車道，以便降低ETC車輛的延誤時間。

4結束語

現(xiàn)階段，全國各省份高速公路正在大規(guī)模發(fā)展ETC模式，為了有效利用普通軍警車道的道路資源，將其升級改造成軍警ETC車道，將大大提高了ETC車輛的通行效率，提高了收費站的服務水平。為提高軍警ETC車道的使用效率，建議交通流量較大的大型收費站采用后置式軍警ETC車道布局模式，交通流量較小的小型收費站可采用前置式或后置式軍警ETC車道布局模式。

參考文獻

[1] 吳穗湘,龍開紅,李從凡，等.廣東省軍警ETC車道系統(tǒng)解決方案[J]. 中國交通信息化,2012,21(9):68-70.

Wu Suixiang, Long Kaihong, Li Congfan, et al. Gua-ngdong province solution of the police ETC lane system[J]. China ITS Journal, 2012,21(9):68-70.(in Chinese).

[2]劉斌,潘紅，路小波.ETC車道數對收費站服務水平的影響仿真研究[J]. 公路交通科技,2008,25(1):120-123+150.

LIU Bin,PAN Hong,LU Xiaobo. Simulation of effect of lane number on service level of ETC toll station[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2008, 25(1):120-123,150. (in Chinese).

[3]高翔,保麗霞,包佳佳. 基于Paramics的ETC專用車道布設位置仿真[J]. 公路交通科技,2011,28(S1):67-70.

GAO Xiang,BAO Lixia,BAO Jiajia. Simulation of ETC lanes layout based on paramics[J].Journal of Highway and Transportation Research and Develo-pment ,2011,28(S1):67-70. (in Chinese).

[4]李劍,劉力力,胡賓，等.基于仿真的高速公路混合收費站通行能力確定方法[J]. 公路,2012,23(7):183-188.

LI Jian,LIU Lili,HU Bin, et al.Method for determini-ng expressway mixed toll station Traffic capacity ba-sed on VISSIM simulation mode[J].Highway,2012,23(7):183-188. (in Chinese).

[5]陳偉. 基于Vissim的ETC社會效益評價方法研究[J]. 長春理工大學學報:自然科學版,2013,36(S1):136-139.

Chen Wei. Research on evaluation method of social benefit on ETC based on Vissim[J].Journal of Changchun University of Science and Technology:Natural Science Edition,2013,36(S1):136-139. (in Chinese).

[6]許倫輝,高雅雋,鄺先驗.基于多智能體的高速公路收費站交通仿真[J]. 計算機仿真,2013,30(5):138-142.

Xu Lunhui, Gao Yajun, Kuang Xianyan. Traffic simulation of expressway toll station based on multi-agent[J].Computer Simulation, 2013, 30(5):138-142. (in Chinese).

[7]劉斌,潘紅,路小波.高速公路不停車收費系統(tǒng)仿真研究及應用[J].計算機應用研究,2008,25(06):1914-1916,1920.

LIU Bin，PAN Hong，LU Xiaobo.Study of simulation for ETC on freeway and its application[J].Application Research of Computers,2008,25(06):1914-1916,1920.(in Chinese).

[8]Bonzani I，Gramani Cumin L M．Modelling and simulations of multilane traffic flow by kinetic theory methods [J]．Computer & Mathematics with Applications，2008，56(9):2418-2428．

[9]BARTIN B，MUDIGONDA S，OZBAY K． Estimation of the impact of electronic toll collection on air pollution levels using microscopic simulation model of a large-scale transportation network [J]．Transportation Research Record:Journal of Transportation Research Board，2008，2011:68-77．

[10]Komada K，SMasukura K，Nagatani T.Traffic flow on a toll highway with electronic and traditional tollgates[J].Physica A，2009，388(24):4979-4990．