臨近城區(qū)的高速公路收費(fèi)站通行效率及車道配置研究

林弼胄， 李之紅

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

近年來(lái)，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，高速公路和普通國(guó)省道臨近城市建成區(qū)路段，在承擔(dān)對(duì)外和過(guò)境交通的同時(shí)，越來(lái)越多地承擔(dān)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(yán)重。以沈海高速?gòu)B門段為例，既有高速進(jìn)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(shí)還影響了臨近城市路網(wǎng)的運(yùn)行效率。

國(guó)家相關(guān)的規(guī)范對(duì)高速公路收費(fèi)方式與收費(fèi)站設(shè)置有相關(guān)的指導(dǎo)性意見[1-3]，但面對(duì)電子支付日益常態(tài)化的階段，如何通過(guò)更先進(jìn)的優(yōu)化策略，以更先進(jìn)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(dǎo)建議。

一些專家學(xué)者也針對(duì)高速公路和電子不停車快捷收費(fèi)系統(tǒng)(ETC)問題進(jìn)行了深入的研究，對(duì)ETC收費(fèi)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(fèi)系統(tǒng)的綜合效益，劉偉銘等[5]建立了ETC系統(tǒng)的繳費(fèi)方式選擇模型。高速公路ETC收費(fèi)的研究主要集中在ETC系統(tǒng)在高速公路的應(yīng)用[6-9]、ETC站位設(shè)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(jì)效益評(píng)估[14]、高速公路收費(fèi)站取消的影響[15]等方面。

然而隨著先進(jìn)的智能設(shè)備在高速公路中的應(yīng)用，如何對(duì)高速公路的通行進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，尤其針對(duì)是否可以通過(guò)增設(shè)ETC出口等進(jìn)行優(yōu)化仍然處于探索階段。2016年6月國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、交通運(yùn)輸部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國(guó)土資源部4部委聯(lián)合發(fā)文關(guān)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(yùn)行效率等問題，提出了完善進(jìn)出城道路網(wǎng)絡(luò)布局、盡快緩解瓶頸路段擁堵狀況、加快升級(jí)改造重要擁堵節(jié)點(diǎn)、增設(shè)干線公路進(jìn)出城出入口4條意見。

目前，高速公路基本取消省界收費(fèi)站，并推廣ETC，同時(shí)優(yōu)化貨車通行費(fèi)計(jì)費(fèi)方式，對(duì)封閉式高速公路收費(fèi)站入口同步實(shí)行不停車稱重。新增出入口采用ETC或混合收費(fèi)模式，可極大地降低工程投資、用地和管理運(yùn)營(yíng)成本，對(duì)相關(guān)部門接受并采納本次方案研究成果有著極大的促進(jìn)作用。

本文基于沈海高速?gòu)B門段既有人工收費(fèi)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(duì)該段高速公路出入口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為未來(lái)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(fèi)車道通行效率分析

收費(fèi)車道的通行效率分析主要有理論分析、實(shí)測(cè)檢驗(yàn)和交通仿真法。本文采用交通仿真法對(duì)沈海高速?gòu)B門段進(jìn)行建模。

在鄰近城區(qū)段，交通量普遍較大，在車輛跟馳過(guò)程中，通過(guò)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(shè)計(jì)中由于收費(fèi)站本身已有部分MTC和ETC車道，所以在增設(shè)的情況下以增設(shè)ETC為主要部分，配合少部分MTC車道。同時(shí)，實(shí)際情況下，由于車輛行駛軌跡和駕駛行為，主線正對(duì)的收費(fèi)車道往往最容易被選擇使用。因此距離主線的遠(yuǎn)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(yùn)行和輸出模塊。輸入部分的主要參數(shù)為收費(fèi)站幾何參數(shù)、到達(dá)車輛速度分布、車輛到達(dá)規(guī)律分布。運(yùn)行部分的主要參數(shù)有車輛減速行為、繳費(fèi)方式、繳費(fèi)時(shí)間分布。輸出模塊主要輸出每輛車的實(shí)時(shí)速度、加速度、行程時(shí)間、排隊(duì)長(zhǎng)度、服務(wù)時(shí)間、通行能力等。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，沈海高速?gòu)B門段中MTC入口車道的車輛繳費(fèi)時(shí)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(fèi)時(shí)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(shí)均為2.98 s/輛，單車道通行能力觀測(cè)值平均為1 196輛/h?？紤]不同的服務(wù)制式，仿真模型中對(duì)ETC出入口服務(wù)時(shí)間設(shè)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?jì)算結(jié)果，對(duì)比觀測(cè)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(fèi)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(gè)收費(fèi)站總車道通行能力仿真結(jié)果

2 基于仿真的沈海高速?gòu)B門段收費(fèi)車道配置

從交通管理與控制角度，收費(fèi)站對(duì)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(fèi)站、在節(jié)假日增加開放數(shù)目的方式。由于ETC收費(fèi)車道通行效率和服務(wù)時(shí)間遠(yuǎn)優(yōu)于MTC車道，故在配置各收費(fèi)口收費(fèi)方式時(shí)以ETC形式為主。

2.1 設(shè)計(jì)思路

本次方案研究旨在緩解沈海高速?gòu)B門段不同交通流交織密集帶來(lái)的既有出入口及相關(guān)城市道路網(wǎng)擁堵問題。如何在保證高速主線和相關(guān)道路交通運(yùn)營(yíng)安全的前提下，結(jié)合征地拆遷、工程投資和管理運(yùn)營(yíng)等因素，合理選擇增設(shè)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(shè)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?gòu)B門段日均交通量約為81 314 pcu/d，且交通量逐年上升，高峰時(shí)段交通量達(dá)到了5 252 pcu/h，高峰小時(shí)流量比達(dá)到了6.46%，已接近飽和，服務(wù)水平逐年下降。節(jié)假日客流高峰期，各收費(fèi)站以及與之銜接的周邊路網(wǎng)均會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的排隊(duì)和擁堵現(xiàn)象，其中翔安、廈門、杏林收費(fèi)站區(qū)域擁堵情況特別嚴(yán)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?gòu)B門段沿線4個(gè)進(jìn)出口，即翔安收費(fèi)站、同安收費(fèi)站、廈門收費(fèi)站和杏林收費(fèi)站，進(jìn)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(shí)段?；诜抡媲闆r，設(shè)定增設(shè)方案見表2。

表2 各個(gè)收費(fèi)站交通分析預(yù)測(cè)

此外受收費(fèi)站規(guī)模的影響，對(duì)應(yīng)的相交道路也出現(xiàn)不同程度的擁堵現(xiàn)象。受高速進(jìn)出匝道寬度、收費(fèi)站用地以及銜接地方道路的服務(wù)水平等因素的影響，單純?cè)诩扔惺召M(fèi)站增加進(jìn)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(jìn)出口以達(dá)到分流的效果.

2.3 增設(shè)出入口位置布局

經(jīng)調(diào)查分析，沈海高速?gòu)B門段各個(gè)收費(fèi)站以及樞紐互通之間的間距均在10 km左右。同時(shí)《關(guān)于加強(qiáng)干線公路與城市道路有效銜接的指導(dǎo)意見》中明確提出進(jìn)出城高速公路臨近主城區(qū)路段和城市繞城公路，進(jìn)出口平均間距可按不超過(guò)4 km設(shè)置， 較原規(guī)范的推薦值少了1 km，這就為在2個(gè)互通之間合適的位置增設(shè)上下高速進(jìn)出口提供了良好的條件。根據(jù)高速沿線發(fā)達(dá)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(wù)區(qū)、同安大道、杏錦路、前場(chǎng)二路和東孚服務(wù)區(qū)6個(gè)節(jié)點(diǎn)增設(shè)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(fèi)模式等因素，本次新增出入口不設(shè)置收費(fèi)廣場(chǎng)、收費(fèi)棚等，僅設(shè)置上下匝道以及配套的電子收費(fèi)設(shè)備等。

在此前提下需要適當(dāng)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(duì)沈海主線通行的干擾，同時(shí)接入匝道擬采用雙車道，在匹配收費(fèi)車道數(shù)的同時(shí)，也可適當(dāng)作為等候車道。匝道與加減速車道的其他技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)按照規(guī)范要求布設(shè)。

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

2.5 具體節(jié)點(diǎn)的工程方案

在此以翔安東路節(jié)點(diǎn)為例，介紹具體節(jié)點(diǎn)的工程方案。翔安東路為城市主干道，雙向6車道設(shè)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(shè)ETC進(jìn)出口能有效輻射整個(gè)翔安區(qū)域。

既有的翔安東路設(shè)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(jìn)入ETC收費(fèi)站，同時(shí)在南、北側(cè)主線上分別設(shè)置下穿翔安東路跨線橋的誤行車道,長(zhǎng)度分別為412 m和352 m。在ETC匝道口通過(guò)展寬車道直接進(jìn)出民安大道與翔安東路。

3 結(jié)論

本文闡述了當(dāng)前高速公路增設(shè)收費(fèi)站的相關(guān)研究，并構(gòu)建了微觀交通仿真模型，對(duì)沈海高速?gòu)B門段進(jìn)行了混合收費(fèi)車道布置優(yōu)化，分析了具體的交通特性、擁堵原因和設(shè)計(jì)改造方案。通過(guò)案例分析，期望能將實(shí)踐成果進(jìn)行有效的推廣，提高城區(qū)段高速公路的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與通行效率。本次增設(shè)ETC進(jìn)出口的研究成果已由廈門市高快速通道建設(shè)指揮部上報(bào)廈門市政府，經(jīng)研究同意并正式啟動(dòng)了項(xiàng)目的前期工作，這為成果的推廣提供了技術(shù)借鑒和參考，研究成果具有明確的應(yīng)用價(jià)值。