河南高速公路收费站收费车道布局优化研究

王琰

（河南省交通科学技术研究院有限公司，河南郑州 450006）

河南高速公路收费站收费车道布局优化研究

王琰

（河南省交通科学技术研究院有限公司，河南郑州 450006）

收费站作为高速公路基层运营单位，是广大司乘人员与高速公路直接接触的“第一站”和“最后一站”，是展现高速公路“服务人民，奉献社会”的重要窗口。近期河南高速公路交通量年增长达到25%～30%，收费站拥堵已严重影响高速公路的运行和形象。文中结合河南省实施ETC收费和人工收费的实际情况，在交通量预测的基础上，建立多对多数学排队论模型，提出高速公路收费站收费车道优化布局方案，并以机场收费站为例验证其实用性，为高速公路收费站优化布局提供依据。

公路交通；高速公路；收费车道；优化布局；排队论

据统计，截至2015年底，河南省公路通车里程已达26.7万km，其中高速公路通车里程6305 km，居全国第三位。预计到2020年，河南省公路交通网络总里程将达到27万km左右，其中高速公路通车里程将达到7000km左右，5年净增700km，继续位居全国前列；新增省际出口通道8个，达到35个，建成以郑州为中心、覆盖全省、通达全国、内捷外畅的高速公路网络。

根据有关资料，“十二五”期间河南省高速公路ETC（电子不停车收费系统）收费站点覆盖率达到90%，并实现与全国联网；省际、市际客运班线及旅游包车客运车辆实现二维码电子身份管理；初步建成交通运输部试点项目郑州市出租汽车服务管理信息系统。《河南省综合运输服务“十三五”发展规划》明确提出高速公路ETC覆盖率达到100%，货车ETC取得进展。加快高速公路ETC建设与推广，实现全省高速公路收费站出入口ETC车道全覆盖，提高ETC服务网点覆盖率，提高ETC安装率和使用率，进而提高高速公路通行效率和服务水平。该文根据河南省高速公路ETC收费和人工收费实施情况对高速公路收费车道布局优化进行研究。

1　高速公路收费站交通量预测

参考《高速公路收费站及收费广场设计规范（报批版）》，车型的服务时间采取折算的方法，小型客、货车折算为1辆标准小汽车（1pcu），中型客、货车折算为1.5辆标准小汽车（2pcu），大型客、货车折算为2辆标准小汽车（3pcu）。交通量预测主要采用时间序列法，以历史数据为根本探究数据的一般规律，并在此基础上按照时间顺序将历史数据进行引伸外推，预测其发展趋势。

2　收费车道优化布局

河南省高速公路收费站一般设置2条ETC收费车道，分别为1个入口和1个出口ETC收费车道。影响收费车道设置数量的因素主要为车辆高峰小时平均到达率λ（veh/s）、收费车道（含ETC）平均服务效率μ（veh/s）及车辆最大排队长度L-或最大排队长度等待时间的期望值W-等。车辆在收费车道服务台前排队等待服务的行为可视为一个典型的排队论系统，故可利用排队论中的模型进行收费车道优化与布局。首先假设：1）收费站的车流量符合泊松分布，车辆高峰小时平均到达率为λ；2）服务台单位乘客服务时间符合负指数分布，收费车道（含ETC）平均服务效率为μ，每辆车的服务时间为1/μ （s/veh）；3）一般情况下满足到达车辆服务要求，不会产生排队系统崩溃情况；4）在高速公路运行高峰时段，到达车辆远大于收费站前的排队车辆数，同时收费站连续进行服务，即车辆是连续运行的，可认为该时段排队系统的车流是无限的。

设服务车道数为K，一般情况下设置2条ETC车道（1个入口和1个出口）。设单位时间内完成服务的车辆数即服务车辆强度为ρ，ρ=λ/K·μ（）。若ρ≤1，则服务满足需求，否则车辆出现拥堵现象。实际上，由于车辆总数不会无限地到达，对于单条服务车道而言，初期由于到达率高于服务率，会出现越来越长的车辆排队，但随着到达率的下降，排队程度会降低，甚至降为零。

在高峰小时期间，综合考虑乘客对于服务的选择行为服从随机分布，同时一旦选择后很难在不同服务车道之间任意变换，所需服务车道数K可按照多路多通道排队论数学模型来估计。系统中车辆的平均排队长度为：

排队中平均等待时间为：

综上，收费站内需设置的车道数为：

K=max（X1，X2）

3　实例分析

郑州新郑机场收费站担负着为新郑国际机场集散几乎所有旅客和货邮物资运输的重要任务，是机场的咽喉通道，被誉为“中州第一门”。随着河南省经济的快速稳定发展，加上郑州市交通枢纽城市的区位优势，除铁路、公路客运外，飞机成为高效的交通运输方式，越来越多的乘客选择乘坐飞机出行，新郑国际机场日趋繁忙。随着新郑国际机场航班的增加，通过机场收费站的车辆迅猛增加，如果收费车道布局不合理，将在航班高峰期出现间歇性交通堵塞，严重影响其河南省对外开放窗口的形象。

2007年以来，机场收费站历年平均日分车型交通量见表1，年平均日交通量增长趋势见图1。

表1　机场收费站历年年平均日交通量　辆/d

图1　机场收费站年平均日交通量增长趋势

在预测期限内，道路上的各运输方式不存在重大变化，交通量预测时不考虑转移交通量。诱增交通量为趋势交通量的10%。预测结果显示机场收费站完成改扩建后，出口第10年（2025年）交通量将达到39124pcu/d，第15年（2030年）交通量将达到50940pcu/d（见表2）。

历年交通量小时分布数据显示，机场高速公路高峰小时交通量约占全天交通量的10%，出入口不均衡系数采用0.55。考虑到航班高峰期经常出现间歇性交通堵塞，高峰期入口交通量按照预测交通量的1.5倍计算。依据《高速公路收费站及收费广场设计规范（报批版）》，考虑到ETC收费服务能力是人工收费服务能力的5～8倍，高峰时段的标准车型入口平均服务时间按6s、出口平均服务时间按15s计算。根据《河南省高速公路联网监控技术要求（暂行）》的相关规定，服务水平采用标准值1.0，即每条车道平均等待车辆为1辆。由此得到机场收费站对应的收费车道数（见表3）。

表2　机场收费站交通量预测结果　pcu/d

表3　机场收费站收费车道数

受用地限制，在减少征用土地的情况下，可考虑在原有收费站布置的基础上按“13+10”车道布局，含2条ETC收费车道；人工收费车道实施复式收费模式（一岛双亭），实施复式收费后单个收费车道的通行能力可提高1.4倍左右。该布局模式能满足未来年机场收费站高峰小时通行需要。收费车道优化布局方案见图2，实施效果见图3。

4　结语

该文针对河南省高速公路收费站日渐突出的拥堵问题，提出基于车辆服务时间的高速公路车辆车型折算标准；以交通量预测为基础，考虑河南省ETC车道实施实际情况，依据排队论模型优化布局

图2　机场收费站收费车道优化布局平面图

图3　机场收费站收费车道优化布局效果图

机场收费站收费车道。收费车道的布局优化将有效提高机场收费站通行能力，缓解目前收费拥堵状况。但“十三五”时期河南省将推广ETC车辆，需增加ETC收费车道，如何在交通量预测的基础上进一步优化布局ETC收费车道和人工收费车道，还有待进一步研究。

［1］ JT/T×××-2001，高速公路收费站及收费广场设计规范（报批版）［S］.

［2］ 马军.高速公路收费站拥堵问题调查与分析［J］.公路交通科技：应用技术版，2012（4）.

［3］ 孙永余.对建设高速公路文明高效收费站的思考［J］.改革与开放，2011（14）.

［4］ 张晋伟，邹云，武立超.基于M/G/K排队模型的高速公路收费站设置方法研究［J］.交通标准化，2010（9）.

［5］ 廖固.高速公路收费站通行能力分析［J］.公路工程，2010，35（3）.

［6］ 梁夏.上海高速公路收费站拥堵状况和扩容改造措施［J］.中国市政，2010（4）.

［7］ 杨宇翔，魏琳，任俊学.河南省高速公路收费站收费车道布局方案研究［J］.公路与汽运，2013（3）.

U492.2

A

1671-2668（2016）04-0026-03

2015-09-15