王琰

（河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南鄭州 450006）

河南高速公路收費(fèi)站收費(fèi)車道布局優(yōu)化研究

王琰

（河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南鄭州 450006）

收費(fèi)站作為高速公路基層運(yùn)營單位，是廣大司乘人員與高速公路直接接觸的“第一站”和“最后一站”，是展現(xiàn)高速公路“服務(wù)人民，奉獻(xiàn)社會(huì)”的重要窗口。近期河南高速公路交通量年增長(zhǎng)達(dá)到25%～30%，收費(fèi)站擁堵已嚴(yán)重影響高速公路的運(yùn)行和形象。文中結(jié)合河南省實(shí)施ETC收費(fèi)和人工收費(fèi)的實(shí)際情況，在交通量預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，建立多對(duì)多數(shù)學(xué)排隊(duì)論模型，提出高速公路收費(fèi)站收費(fèi)車道優(yōu)化布局方案，并以機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站為例驗(yàn)證其實(shí)用性，為高速公路收費(fèi)站優(yōu)化布局提供依據(jù)。

公路交通；高速公路；收費(fèi)車道；優(yōu)化布局；排隊(duì)論

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2015年底，河南省公路通車?yán)锍桃堰_(dá)26.7萬km，其中高速公路通車?yán)锍?305 km，居全國第三位。預(yù)計(jì)到2020年，河南省公路交通網(wǎng)絡(luò)總里程將達(dá)到27萬km左右，其中高速公路通車?yán)锍虒⑦_(dá)到7000km左右，5年凈增700km，繼續(xù)位居全國前列；新增省際出口通道8個(gè)，達(dá)到35個(gè)，建成以鄭州為中心、覆蓋全省、通達(dá)全國、內(nèi)捷外暢的高速公路網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)有關(guān)資料，“十二五”期間河南省高速公路ETC（電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)）收費(fèi)站點(diǎn)覆蓋率達(dá)到90%，并實(shí)現(xiàn)與全國聯(lián)網(wǎng)；省際、市際客運(yùn)班線及旅游包車客運(yùn)車輛實(shí)現(xiàn)二維碼電子身份管理；初步建成交通運(yùn)輸部試點(diǎn)項(xiàng)目鄭州市出租汽車服務(wù)管理信息系統(tǒng)。《河南省綜合運(yùn)輸服務(wù)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》明確提出高速公路ETC覆蓋率達(dá)到100%，貨車ETC取得進(jìn)展。加快高速公路ETC建設(shè)與推廣，實(shí)現(xiàn)全省高速公路收費(fèi)站出入口ETC車道全覆蓋，提高ETC服務(wù)網(wǎng)點(diǎn)覆蓋率，提高ETC安裝率和使用率，進(jìn)而提高高速公路通行效率和服務(wù)水平。該文根據(jù)河南省高速公路ETC收費(fèi)和人工收費(fèi)實(shí)施情況對(duì)高速公路收費(fèi)車道布局優(yōu)化進(jìn)行研究。

1　高速公路收費(fèi)站交通量預(yù)測(cè)

參考《高速公路收費(fèi)站及收費(fèi)廣場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范（報(bào)批版）》，車型的服務(wù)時(shí)間采取折算的方法，小型客、貨車折算為1輛標(biāo)準(zhǔn)小汽車（1pcu），中型客、貨車折算為1.5輛標(biāo)準(zhǔn)小汽車（2pcu），大型客、貨車折算為2輛標(biāo)準(zhǔn)小汽車（3pcu）。交通量預(yù)測(cè)主要采用時(shí)間序列法，以歷史數(shù)據(jù)為根本探究數(shù)據(jù)的一般規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上按照時(shí)間順序?qū)v史數(shù)據(jù)進(jìn)行引伸外推，預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)。

2　收費(fèi)車道優(yōu)化布局

河南省高速公路收費(fèi)站一般設(shè)置2條ETC收費(fèi)車道，分別為1個(gè)入口和1個(gè)出口ETC收費(fèi)車道。影響收費(fèi)車道設(shè)置數(shù)量的因素主要為車輛高峰小時(shí)平均到達(dá)率λ（veh/s）、收費(fèi)車道（含ETC）平均服務(wù)效率μ（veh/s）及車輛最大排隊(duì)長(zhǎng)度L-或最大排隊(duì)長(zhǎng)度等待時(shí)間的期望值W-等。車輛在收費(fèi)車道服務(wù)臺(tái)前排隊(duì)等待服務(wù)的行為可視為一個(gè)典型的排隊(duì)論系統(tǒng)，故可利用排隊(duì)論中的模型進(jìn)行收費(fèi)車道優(yōu)化與布局。首先假設(shè)：1）收費(fèi)站的車流量符合泊松分布，車輛高峰小時(shí)平均到達(dá)率為λ；2）服務(wù)臺(tái)單位乘客服務(wù)時(shí)間符合負(fù)指數(shù)分布，收費(fèi)車道（含ETC）平均服務(wù)效率為μ，每輛車的服務(wù)時(shí)間為1/μ （s/veh）；3）一般情況下滿足到達(dá)車輛服務(wù)要求，不會(huì)產(chǎn)生排隊(duì)系統(tǒng)崩潰情況；4）在高速公路運(yùn)行高峰時(shí)段，到達(dá)車輛遠(yuǎn)大于收費(fèi)站前的排隊(duì)車輛數(shù)，同時(shí)收費(fèi)站連續(xù)進(jìn)行服務(wù)，即車輛是連續(xù)運(yùn)行的，可認(rèn)為該時(shí)段排隊(duì)系統(tǒng)的車流是無限的。

設(shè)服務(wù)車道數(shù)為K，一般情況下設(shè)置2條ETC車道（1個(gè)入口和1個(gè)出口）。設(shè)單位時(shí)間內(nèi)完成服務(wù)的車輛數(shù)即服務(wù)車輛強(qiáng)度為ρ，ρ=λ/K·μ（）。若ρ≤1，則服務(wù)滿足需求，否則車輛出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象。實(shí)際上，由于車輛總數(shù)不會(huì)無限地到達(dá)，對(duì)于單條服務(wù)車道而言，初期由于到達(dá)率高于服務(wù)率，會(huì)出現(xiàn)越來越長(zhǎng)的車輛排隊(duì)，但隨著到達(dá)率的下降，排隊(duì)程度會(huì)降低，甚至降為零。

在高峰小時(shí)期間，綜合考慮乘客對(duì)于服務(wù)的選擇行為服從隨機(jī)分布，同時(shí)一旦選擇后很難在不同服務(wù)車道之間任意變換，所需服務(wù)車道數(shù)K可按照多路多通道排隊(duì)論數(shù)學(xué)模型來估計(jì)。系統(tǒng)中車輛的平均排隊(duì)長(zhǎng)度為：

排隊(duì)中平均等待時(shí)間為：

綜上，收費(fèi)站內(nèi)需設(shè)置的車道數(shù)為：

K=max（X1，X2）

3　實(shí)例分析

鄭州新鄭機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站擔(dān)負(fù)著為新鄭國際機(jī)場(chǎng)集散幾乎所有旅客和貨郵物資運(yùn)輸?shù)闹匾蝿?wù)，是機(jī)場(chǎng)的咽喉通道，被譽(yù)為“中州第一門”。隨著河南省經(jīng)濟(jì)的快速穩(wěn)定發(fā)展，加上鄭州市交通樞紐城市的區(qū)位優(yōu)勢(shì)，除鐵路、公路客運(yùn)外，飛機(jī)成為高效的交通運(yùn)輸方式，越來越多的乘客選擇乘坐飛機(jī)出行，新鄭國際機(jī)場(chǎng)日趨繁忙。隨著新鄭國際機(jī)場(chǎng)航班的增加，通過機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站的車輛迅猛增加，如果收費(fèi)車道布局不合理，將在航班高峰期出現(xiàn)間歇性交通堵塞，嚴(yán)重影響其河南省對(duì)外開放窗口的形象。

2007年以來，機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站歷年平均日分車型交通量見表1，年平均日交通量增長(zhǎng)趨勢(shì)見圖1。

表1　機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站歷年年平均日交通量　輛/d

圖1　機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站年平均日交通量增長(zhǎng)趨勢(shì)

在預(yù)測(cè)期限內(nèi)，道路上的各運(yùn)輸方式不存在重大變化，交通量預(yù)測(cè)時(shí)不考慮轉(zhuǎn)移交通量。誘增交通量為趨勢(shì)交通量的10%。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站完成改擴(kuò)建后，出口第10年（2025年）交通量將達(dá)到39124pcu/d，第15年（2030年）交通量將達(dá)到50940pcu/d（見表2）。

歷年交通量小時(shí)分布數(shù)據(jù)顯示，機(jī)場(chǎng)高速公路高峰小時(shí)交通量約占全天交通量的10%，出入口不均衡系數(shù)采用0.55。考慮到航班高峰期經(jīng)常出現(xiàn)間歇性交通堵塞，高峰期入口交通量按照預(yù)測(cè)交通量的1.5倍計(jì)算。依據(jù)《高速公路收費(fèi)站及收費(fèi)廣場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范（報(bào)批版）》，考慮到ETC收費(fèi)服務(wù)能力是人工收費(fèi)服務(wù)能力的5～8倍，高峰時(shí)段的標(biāo)準(zhǔn)車型入口平均服務(wù)時(shí)間按6s、出口平均服務(wù)時(shí)間按15s計(jì)算。根據(jù)《河南省高速公路聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù)要求（暫行）》的相關(guān)規(guī)定，服務(wù)水平采用標(biāo)準(zhǔn)值1.0，即每條車道平均等待車輛為1輛。由此得到機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站對(duì)應(yīng)的收費(fèi)車道數(shù)（見表3）。

表2　機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站交通量預(yù)測(cè)結(jié)果　pcu/d

表3　機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站收費(fèi)車道數(shù)

受用地限制，在減少征用土地的情況下，可考慮在原有收費(fèi)站布置的基礎(chǔ)上按“13+10”車道布局，含2條ETC收費(fèi)車道；人工收費(fèi)車道實(shí)施復(fù)式收費(fèi)模式（一島雙亭），實(shí)施復(fù)式收費(fèi)后單個(gè)收費(fèi)車道的通行能力可提高1.4倍左右。該布局模式能滿足未來年機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站高峰小時(shí)通行需要。收費(fèi)車道優(yōu)化布局方案見圖2，實(shí)施效果見圖3。

4　結(jié)語

該文針對(duì)河南省高速公路收費(fèi)站日漸突出的擁堵問題，提出基于車輛服務(wù)時(shí)間的高速公路車輛車型折算標(biāo)準(zhǔn)；以交通量預(yù)測(cè)為基礎(chǔ)，考慮河南省ETC車道實(shí)施實(shí)際情況，依據(jù)排隊(duì)論模型優(yōu)化布局

圖2　機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站收費(fèi)車道優(yōu)化布局平面圖

圖3　機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站收費(fèi)車道優(yōu)化布局效果圖

機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站收費(fèi)車道。收費(fèi)車道的布局優(yōu)化將有效提高機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站通行能力，緩解目前收費(fèi)擁堵狀況。但“十三五”時(shí)期河南省將推廣ETC車輛，需增加ETC收費(fèi)車道，如何在交通量預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化布局ETC收費(fèi)車道和人工收費(fèi)車道，還有待進(jìn)一步研究。

［1］ JT/T×××-2001，高速公路收費(fèi)站及收費(fèi)廣場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范（報(bào)批版）［S］.

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1671-2668（2016）04-0026-03

2015-09-15