林弼胄， 李之紅

(1.福建省交通規(guī)劃設計院有限公司， 福建 福州 350004; 2.北京建筑大學 土木與交通工程學院， 北京 100044)

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，高速公路和普通國省道臨近城市建成區(qū)路段，在承擔對外和過境交通的同時，越來越多地承擔著城市交通的功能，不同的交通流交織密集，許多高速公路出入口，路段擁堵嚴重。以沈海高速廈門段為例，既有高速進出口路段節(jié)假日的交通擁堵已形成常態(tài)，影響了高速公路主線通行效率的同時還影響了臨近城市路網(wǎng)的運行效率。

國家相關的規(guī)范對高速公路收費方式與收費站設置有相關的指導性意見[1-3]，但面對電子支付日益常態(tài)化的階段，如何通過更先進的優(yōu)化策略，以更先進的方式去提高高速公路的通行效率的問題沒有給出具體的指導建議。

一些專家學者也針對高速公路和電子不停車快捷收費系統(tǒng)(ETC)問題進行了深入的研究，對ETC收費的研究已經(jīng)較為成熟。張為民等[4]研究了北京市電子不停車收費系統(tǒng)的綜合效益，劉偉銘等[5]建立了ETC系統(tǒng)的繳費方式選擇模型。高速公路ETC收費的研究主要集中在ETC系統(tǒng)在高速公路的應用[6-9]、ETC站位設施等優(yōu)化布局[10]、高速公路通行效率分析與仿真[11-13]、經(jīng)濟效益評估[14]、高速公路收費站取消的影響[15]等方面。

然而隨著先進的智能設備在高速公路中的應用，如何對高速公路的通行進行優(yōu)化設計，尤其針對是否可以通過增設ETC出口等進行優(yōu)化仍然處于探索階段。2016年6月國家發(fā)展和改革委員會、交通運輸部、住房和城鄉(xiāng)建設部、國土資源部4部委聯(lián)合發(fā)文關注臨近城市建成區(qū)的高速公路影響、高速主線與城市道路網(wǎng)的運行效率等問題，提出了完善進出城道路網(wǎng)絡布局、盡快緩解瓶頸路段擁堵狀況、加快升級改造重要擁堵節(jié)點、增設干線公路進出城出入口4條意見。

目前，高速公路基本取消省界收費站，并推廣ETC，同時優(yōu)化貨車通行費計費方式，對封閉式高速公路收費站入口同步實行不停車稱重。新增出入口采用ETC或混合收費模式，可極大地降低工程投資、用地和管理運營成本，對相關部門接受并采納本次方案研究成果有著極大的促進作用。

本文基于沈海高速廈門段既有人工收費系統(tǒng)(MTC)和ETC出入口的通行特征，分析鄰近城區(qū)段高速公路ETC車道通行效率，并對該段高速公路出入口進行優(yōu)化設計，為未來的廣泛普及提供有力的借鑒。

1 鄰近城區(qū)段高速公路收費車道通行效率分析

收費車道的通行效率分析主要有理論分析、實測檢驗和交通仿真法。本文采用交通仿真法對沈海高速廈門段進行建模。

在鄰近城區(qū)段，交通量普遍較大，在車輛跟馳過程中，通過ETC前有減速行為，仿真模型采用Wiedeman 99模型描述車輛的跟馳行為。為了得到不同數(shù)量的ETC和MTC車道組合情況下的通行效率，構(gòu)建了多種仿真方案。

方案設計中由于收費站本身已有部分MTC和ETC車道，所以在增設的情況下以增設ETC為主要部分，配合少部分MTC車道。同時，實際情況下，由于車輛行駛軌跡和駕駛行為，主線正對的收費車道往往最容易被選擇使用。因此距離主線的遠近或軌跡的順暢程度可以作為折減系數(shù)。

仿真模型分為輸入、運行和輸出模塊。輸入部分的主要參數(shù)為收費站幾何參數(shù)、到達車輛速度分布、車輛到達規(guī)律分布。運行部分的主要參數(shù)有車輛減速行為、繳費方式、繳費時間分布。輸出模塊主要輸出每輛車的實時速度、加速度、行程時間、排隊長度、服務時間、通行能力等。

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，沈海高速廈門段中MTC入口車道的車輛繳費時間服從正態(tài)分布，均值為10.88 s/輛，MTC單車道通行能力為333輛/h；MTC出口人均繳費時間服從正態(tài)分布，均值為18.65 s/輛，通行能力為193輛/h。ETC車道出入口耗時均為2.98 s/輛，單車道通行能力觀測值平均為1 196輛/h?？紤]不同的服務制式，仿真模型中對ETC出入口服務時間設置為3 s/輛。

局部模型仿真如圖1所示，其結(jié)果見表1?；诜抡嬗嬎憬Y(jié)果，對比觀測數(shù)值，誤差為8.76%，仿真模型有效。如圖2所示，ETC使用率的增加能夠提升混合收費站的總體通行效率，交通量越大，ETC作用效果越明顯。

表1 各個收費站總車道通行能力仿真結(jié)果

2 基于仿真的沈海高速廈門段收費車道配置

從交通管理與控制角度，收費站對于城區(qū)道路交通流的影響較大，常態(tài)和節(jié)假日差異明顯，因此考慮采取在常態(tài)下開放一定數(shù)目的收費站、在節(jié)假日增加開放數(shù)目的方式。由于ETC收費車道通行效率和服務時間遠優(yōu)于MTC車道，故在配置各收費口收費方式時以ETC形式為主。

2.1 設計思路

本次方案研究旨在緩解沈海高速廈門段不同交通流交織密集帶來的既有出入口及相關城市道路網(wǎng)擁堵問題。如何在保證高速主線和相關道路交通運營安全的前提下，結(jié)合征地拆遷、工程投資和管理運營等因素，合理選擇增設出入口的位置；如何在滿足交通需求的前提下控制工程規(guī)模；增設的出入口與城市道路及高速主線如何更加安全有效地銜接等問題是本次方案研究所要解決的。

目前沈海高速廈門段日均交通量約為81 314 pcu/d，且交通量逐年上升，高峰時段交通量達到了5 252 pcu/h，高峰小時流量比達到了6.46%，已接近飽和，服務水平逐年下降。節(jié)假日客流高峰期，各收費站以及與之銜接的周邊路網(wǎng)均會出現(xiàn)嚴重的排隊和擁堵現(xiàn)象，其中翔安、廈門、杏林收費站區(qū)域擁堵情況特別嚴重。

2.2 交通分析研究

根據(jù)仿真和現(xiàn)狀分析，目前沈海高速廈門段沿線4個進出口，即翔安收費站、同安收費站、廈門收費站和杏林收費站，進出車道全部投入使用的情況下基本能滿足非節(jié)假日的交通需求，但不能滿足高峰時段?；诜抡媲闆r，設定增設方案見表2。

表2 各個收費站交通分析預測

此外受收費站規(guī)模的影響，對應的相交道路也出現(xiàn)不同程度的擁堵現(xiàn)象。受高速進出匝道寬度、收費站用地以及銜接地方道路的服務水平等因素的影響，單純在既有收費站增加進出口車道數(shù)顯然不能有效緩解交通擁堵的現(xiàn)狀，這就需要在既有高速沿線選擇合理的位置增加進出口以達到分流的效果.

2.3 增設出入口位置布局

經(jīng)調(diào)查分析，沈海高速廈門段各個收費站以及樞紐互通之間的間距均在10 km左右。同時《關于加強干線公路與城市道路有效銜接的指導意見》中明確提出進出城高速公路臨近主城區(qū)路段和城市繞城公路，進出口平均間距可按不超過4 km設置， 較原規(guī)范的推薦值少了1 km，這就為在2個互通之間合適的位置增設上下高速進出口提供了良好的條件。根據(jù)高速沿線發(fā)達的城市道路網(wǎng)，經(jīng)綜合考慮用地、征地拆遷等因素后選定了翔安東路、龍掘東服務區(qū)、同安大道、杏錦路、前場二路和東孚服務區(qū)6個節(jié)點增設出入口(圖3～圖5)。

2.4 工程方案

考慮到用地、工程投資、擬使用純ETC收費模式等因素，本次新增出入口不設置收費廣場、收費棚等，僅設置上下匝道以及配套的電子收費設備等。

在此前提下需要適當控制并避免將大量上下高速的交通流吸引至新增的出入口處。

本次匝道擬采用單出入口，在滿足通行能力的前提下，降低工程規(guī)模和對沈海主線通行的干擾，同時接入匝道擬采用雙車道，在匹配收費車道數(shù)的同時，也可適當作為等候車道。匝道與加減速車道的其他技術標準按照規(guī)范要求布設。

此外，為避免未安裝ETC的車輛誤行，本次還考慮增設了誤行車道，供誤行車輛駛回主線，預防收費島堵塞現(xiàn)象。

2.5 具體節(jié)點的工程方案

在此以翔安東路節(jié)點為例，介紹具體節(jié)點的工程方案。翔安東路為城市主干道，雙向6車道設置，道路穿越翔安主城區(qū)，是貫穿翔安南北的重要通道，在該位置增設ETC進出口能有效輻射整個翔安區(qū)域。

既有的翔安東路設置橋梁上跨沈海高速，本次工程擬在沈海高速南北兩側(cè)避開既有建筑分別布置4條單向匝道進入ETC收費站，同時在南、北側(cè)主線上分別設置下穿翔安東路跨線橋的誤行車道,長度分別為412 m和352 m。在ETC匝道口通過展寬車道直接進出民安大道與翔安東路。

3 結(jié)論

本文闡述了當前高速公路增設收費站的相關研究，并構(gòu)建了微觀交通仿真模型，對沈海高速廈門段進行了混合收費車道布置優(yōu)化，分析了具體的交通特性、擁堵原因和設計改造方案。通過案例分析，期望能將實踐成果進行有效的推廣，提高城區(qū)段高速公路的優(yōu)化設計方法與通行效率。本次增設ETC進出口的研究成果已由廈門市高快速通道建設指揮部上報廈門市政府，經(jīng)研究同意并正式啟動了項目的前期工作，這為成果的推廣提供了技術借鑒和參考，研究成果具有明確的應用價值。