高速公路ETC通道通行能力研究

周煒地等

摘要：高速公路收費(fèi)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(jìn)了國外的ETC自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)。隨著ETC系統(tǒng)在我國的大規(guī)模應(yīng)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(jì)算方法。

關(guān)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(fèi)站處往往發(fā)生嚴(yán)重的交通擁堵，此時(shí)高速公路的通行效率就大大降低。

造成收費(fèi)站擁堵的最大原因往往是停車收費(fèi)。傳統(tǒng)的人工收費(fèi)方式使得車輛到達(dá)收費(fèi)站時(shí)就必須減速停車收費(fèi)，當(dāng)排隊(duì)的車輛較多時(shí)，往往就會(huì)造成交通的擁堵。

而此時(shí)ETC不停車收費(fèi)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(duì)時(shí)車輛產(chǎn)生的尾氣污染。因此，ETC收費(fèi)系統(tǒng)在我國高速收費(fèi)系統(tǒng)中得到了快速的推廣應(yīng)用。

1.2研究現(xiàn)狀

在高速公路收費(fèi)站通行能力研究中，廖固通過對(duì)收費(fèi)站處進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，得出ETC使用率與收費(fèi)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(fèi)站通行能力確定方法的研究中，李劍具體分析了混合收費(fèi)時(shí)人工收費(fèi)與ETC收費(fèi)不同的交通流特征。并結(jié)合對(duì)收費(fèi)站的實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)設(shè)置相關(guān)參數(shù)，并建立了VISSIM仿真模型，最終獲得收費(fèi)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(fèi)車道在我國高速公路上的大力應(yīng)用，那么研究其通行能力也成為了必然。通過對(duì)其通行能力的研究能為后期ETC車道的改擴(kuò)建或新建提供理論支持。

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

因此，本文結(jié)合交通流理論計(jì)算ETC車道通行能力，目的在于完善計(jì)算ETC車道通行能力理論。

2. ETC通道通行能力調(diào)查

ETC收費(fèi)通道指的是安裝了不停車收費(fèi)系統(tǒng)的車道。其主要是利用通信設(shè)施、感應(yīng)設(shè)施等組成的自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)。ETC收費(fèi)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(zhì)量。

3.ETC通道通行能力計(jì)算理論分析

ETC收費(fèi)通道無需停車?yán)U費(fèi)便可完成收費(fèi)過程，因此，使得很難通過排隊(duì)論來解決。

本文利用交通流理論中相關(guān)知識(shí)提出計(jì)算ETC收費(fèi)車道通行能力的方法。本文認(rèn)為當(dāng)通行能力最大時(shí)，收費(fèi)車輛之間將保持最小的安全距離，同時(shí)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(guān)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(guān)。如式（1）（2）所示，密度和流量存在極大值點(diǎn)。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(shí)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(jì)算ETC通道通行能力

當(dāng)車輛進(jìn)入收費(fèi)站時(shí)常常是呈縱向排列跟車行進(jìn)，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(yīng)該為前車發(fā)生緊急制動(dòng)時(shí)，后車經(jīng)過司機(jī)反應(yīng)時(shí)間后還能停下車輛而不發(fā)生交通事故時(shí)的最小距離。

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

圖1 ETC通道前后兩車制動(dòng)關(guān)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(dòng)后，其經(jīng)過大腦反應(yīng)，也開始減速制動(dòng)；

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

最后得到最小的安全距離L的計(jì)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(dòng)時(shí)的反應(yīng)距離（m）；

一減速制動(dòng)前A、B兩車的初始行駛速度（km/h ） ；

—A、B兩車減速制動(dòng)時(shí)的最大減速度（m/ ） ；

-駕駛員遇突發(fā)情況時(shí)的反應(yīng)時(shí)間以及減速制動(dòng)過程需要的協(xié)調(diào)時(shí)間（s）；

一從開始減速到最終停止的時(shí)間（s）；假設(shè)A、B兩車的制動(dòng)性能是一致的，那么 的值應(yīng)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(shè)相同的。

本文在計(jì)算通行能力的時(shí)候，我們通常都是假設(shè)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(dòng)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(jì)算式如下：

（8）

由于不同的ETC設(shè)備其靈敏性是不同的，盡管我們要求車輛通過ETC車道時(shí)必須限速才能感應(yīng)，但是不同的ETC收費(fèi)系統(tǒng)，由于其靈敏性的不同導(dǎo)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(fèi)管理中心中ETC設(shè)備要求不超過20km/h，山東高速集團(tuán)有限公司ETC收費(fèi)設(shè)備要求車速不能超過30km/h。

本文經(jīng)過分析認(rèn)為，根據(jù)我國國情，ETC收費(fèi)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(fèi)車道通行能力。

5.結(jié)語

本文從交通流理論基礎(chǔ)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(jì)算思路。本文的研究將為以后ETC車道的改擴(kuò)建或者新建提供理論支撐的依據(jù)，為高速公路收費(fèi)站的運(yùn)營管理提供決策的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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