基于社會成本節(jié)約的高速公路收費站車道改造

林楓

（廣東新粵交通投資有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

我國高速公路收費方式經(jīng)歷了純?nèi)斯な召M方式到半人工，再到現(xiàn)今的電子不停車收費（ETC）主流收費模式。2019年以來，撤銷省界收費站工程的實施實現(xiàn)了全國“一張網(wǎng)”的運行，ETC被普遍推廣，推動交通運輸向智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。由于ETC建設(shè)成本高，國內(nèi)各地標準存在差異，且為確保未安裝車載單元（OBU）的車輛可以正常通行，大多數(shù)收費站仍保留少量人工收費車（MTC），采用ETC和MTC混合收費模式[1]。

省界收費站的取消以及ETC的推廣使到達收費站車流中ETC滲透率不斷提高，提高部分路段的通行效率，但卻為部分未及時增設(shè)ETC車道的非省界收費站帶來更多的車輛通行壓力和車輛延誤成本。

合理的車道配置方案是提高收費站運行效率，降低運行成本的關(guān)鍵，針對混合型收費站運行現(xiàn)狀，國內(nèi)學者進行了一系列研究。LIU Lili等通過VISSIM仿真模擬，得出不同數(shù)量MTC和ETC車道時的收費站通行能力差異，進而對ETC與MTC的合理配置方案進行探析；Bomoico等人采用隨機排隊模型計算出所需不同收費方式的車道數(shù)；許潤南等通過研究車輛排隊現(xiàn)狀定義了不同收費站服務(wù)水平下的收費站通行能力這間系數(shù)，得到不同服務(wù)水平各類收費車道優(yōu)化配置算法；姬楊蓓蓓等從建設(shè)運營成本和延誤成本兩個角度出發(fā)，構(gòu)建低成本模型，提出當ETC比例大于70%時，提高ETC比例能降低建設(shè)運營費用；周崇華等基于成本效率最大化提出建立ETC車道優(yōu)化配置模型，為車道的合理配置提供了科學的計算方法；馮堯等基于排隊論模型對ETC車道配置進行分析，得到不同車流量下ETC車道的合理配置數(shù)量；孫晶結(jié)合實際工程造價，從占地要求、車道布局、車道數(shù)設(shè)計等方面對不同車道數(shù)方案造價進行對比，并提出收費通道配置策略和建議[2]。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上結(jié)合已有車道優(yōu)化配置算法，具體分析收費站成本影響因子，探析收費站綜合成本節(jié)約的模式。

1 收費站成本分析

1.1 經(jīng)營者成本

一般來說，收費站的經(jīng)營者成本主要由前期建造成本和后期日常營運成本兩部分組成。建設(shè)成本包括土地征用費、建設(shè)施工費和MTC和ETC車道的建設(shè)費。日常運營成本包括車道設(shè)備運行成本、收費站員工月收入等[3]。

收費站的營運成本如下。

式中：Ccon——收費站的建造成本，元/d；CMco——單條MTC車道的建造成本，元/d；CEco——單條ETC車道的建造成本，元/d；nM——MTC車道的數(shù)量，條；nE——ETC車道的數(shù)量，條。

綜上可得收費站的經(jīng)營者成本如下。

式中：Cman——收費站經(jīng)營者成本，元/d；Cope——收費站的營運成本，元/d；CMeq——單條MTC車道的設(shè)備運行成本，元/d；CEeq——單條ETC車道的設(shè)備運行成本，元/d；Csal——收費站員工月收入，元/月。

1.2 使用者成本

使用者的成本指車輛使用者經(jīng)過收費站，因候車、停留等原因產(chǎn)生的成本，這種成本既有物質(zhì)層面，也包括非物質(zhì)層面。物質(zhì)層面主要為車輛燃油消耗的金錢成本，而非物質(zhì)層面是指使用者在經(jīng)過收費站時耗費的時間成本。

從收費站建設(shè)的角度看，由于ETC車道前端交易流程，在對車輛通過ETC收費車道所需時間進行分析時，一般將收費時間分為服務(wù)時間和離開時間，服務(wù)時間是指ETC車輛到達觸發(fā)線圏到完成交易離開落桿線圈的時間間隔，離開時間是指ETC車輛駛離落桿線圏到下一輛車到達觸線圈的時間間隔，除了與車型和車輛長度有一定聯(lián)系外，跟不同收費站服務(wù)水平和服務(wù)能力有較強相關(guān)性[4]。

ETC和MTC車道的平均車輛到達率分別如式（4）、式（5）所示。

收費車道的平均延誤時間（含服務(wù)時間）如式（6）所示。

某日到達收費站的客車延誤時間成本如式（8）所示。

貨車的延誤成本與貨車的小時純收益相關(guān)[13]，某日到達收費站的貨車延誤時間成本Ctt如式（9）所示。

收費站的延誤時間成本Ct如式（10）所示。

式中：Vt——人均時間價值，元/（人·h）；Im——人均月收入，元/月；Ctb——收費站的客車延誤時間成本，元/d；N——車道總數(shù)，條；h——每車平均載客數(shù)，人/veh；rb——客車比例；Ctt——收費站的貨車延誤時間，元/d；It——貨車小時凈收益，元/h；rt——貨車比例。

根據(jù)排隊論可得收費車道的平均排隊車輛數(shù)如式（11）所示。

因此，平均每日車輛的怠速油耗成本與啟動加速油耗成本分別為Cf1、Cf2，如式（12）、式（13）所示。

由此可得收費站使用者成本Cuse，如式（14）所示。

式中：Li——車道i的平均排隊車輛數(shù)，輛；Cf1——車輛的怠速油耗成本，元/d；Gj——j型車的怠速油耗率，ml/s，j取1表示客車，2表示貨車；Cf2——車輛的啟動加速油耗成本，元/d；Fj——j型車的單次啟動加速油耗量，ml；c——平均油價，元/ml。

1.3 外部社會成本

車輛在通過收費站時會產(chǎn)生大量的廢氣，根據(jù)國家“碳中和”和“碳達峰”的規(guī)定，應(yīng)對車輛造成的大氣污染物進行征稅和凈化處理，每污染當量征收1.8元，由此帶來一定的外部社會成本。收費站多使用微觀仿真軟件VISSIM獲取車輛污染物排放量。

收費站平均每日的外部社會成本如式（15）所示。

式中：Cemi——收費站外部社會成本，元/d；Ei——污染物i的排放量，g；ei——i種污染物的當量值，kg。

2 社會成本節(jié)約型ETC改造和車道配置

2.1 項目概況

南沙大橋原稱虎門二橋，是中國廣東省境內(nèi)一座連接廣州市南沙區(qū)與東莞市沙田鎮(zhèn)的跨海大橋，位于珠江獅子洋之上，為廣州—龍川高速公路的西端部分；是繼港珠澳大橋之后，珠江三角洲又一座世界級橋梁工程。南沙大橋西起廣州市東涌立交，上跨獅子洋入?？?，東至東莞市沙田立交；大橋全長12.886km；橋面為雙向八車道高速公路，設(shè)計速度100km/h。

根據(jù)現(xiàn)狀，南沙大橋建設(shè)段主要設(shè)有海鷗島收費站，共有三個分廣場，入口車道共計3條純MTC和1條純ETC車道，出口車道共計3條純MTC車道，1條純ETC車道，1條混合車道，總體上MTC車道數(shù)多于ETC車道，如表1所示。

表1 南沙大橋海鷗島收費站車道設(shè)置現(xiàn)狀

2.2 影響收費站成本的主要因素

根據(jù)上文相關(guān)論述，收費站成本主要來源于經(jīng)營者成本、使用者成本和外部社會成本三大方面，結(jié)合實際案例和現(xiàn)有理論分析，ETC使用效率是影響混合收費站成本的關(guān)鍵因素。隨著ETC收費站和ETC車輛的普及，ETC滲透率也隨之上升，造成ETC車道的平均延誤時間逐漸增加，MTC車道的平均延誤時間逐漸減少[6]。當ETC滲透率過高時，ETC車道的平均延誤時間增長量大于MTC車道的平均延誤時間降低量，進而導致收費站的整體延誤時間增加。總的來說，MTC和ETC車道數(shù)的配置是個動態(tài)變化過程，當ETC使用率為10%~30%時時，混合收費站的通行能力隨著ETC車道數(shù)的增加反而減??；當ETC使用率為50%~70%時，混合收費站的通行能力隨著ETC車道數(shù)的增加，呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；當ETC使用率≥90%時，混合收費站的通行能力會隨著ETC車道數(shù)的增加，呈現(xiàn)先增加后平穩(wěn)的趨勢[7]。

2.3 基于成本節(jié)約南沙大橋海鷗島收費站車道改造配置方案

南沙大橋海鷗島收費站升級改造主要包括硬軟件設(shè)施的升級改造和MTC、ETC車道的優(yōu)化配置。從硬件上優(yōu)化，站內(nèi)主要設(shè)置去重服務(wù)器、管理服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)安全防火墻、北斗授時、以太網(wǎng)交換機等核心設(shè)備，收費站利用現(xiàn)有收費系統(tǒng)工作站。從軟件上優(yōu)化，對相應(yīng)的收費站管理軟件系統(tǒng)進行升級，同時增加備份鏈路來實現(xiàn)數(shù)據(jù)到路段中心、省中心、部中心的傳輸。

基于成本節(jié)約，在車道優(yōu)化配置方面，主要采取以下方案。

（1）MTC車道改為專用ETC車道：增設(shè)ETC車道天線、ETC車道控制器、高速自動欄桿、反向雨棚信號燈（利舊）、車道LED指示標志、車道信息顯示屏（含立柱）、單通道車輛檢測器、檢測線圈、車牌圖像識別設(shè)備（含立柱）、ETC車道軟件升級等。

（2）MTC車道改為混合車道：增設(shè)路側(cè)讀寫單元、ETC車道控制器、高速自動欄桿機、車道LED指示標志、車道信息顯示屏（含立柱）、單通道車輛檢測器、檢測線圈、車牌圖像識別設(shè)備（含立柱）、讀卡器升級、ETC/MTC混合車道軟件升級等。

同時做好相應(yīng)的標志牌、標線的施工。

如表2所示，由于海鷗島收費站流通車輛多以ETC車輛為主，改造后的車道配置采用混合型車道結(jié)合ETC車道的模式。其中入口車道處布設(shè)混合型車道1條，ETC車道兩條；出口車道布設(shè)混合車道2條，ETC車道3條，實現(xiàn)成本節(jié)約的車道優(yōu)化配置。

表2 南沙大橋海鷗島收費站車道升級改造方案

3 結(jié)語

收費站車道配置涉及經(jīng)營者、使用者以及社會公眾等各方的利益，由于高速公路收費站是一個密切聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)體系，因此單個收費站的規(guī)劃建設(shè)不僅要基于該路段現(xiàn)狀，更要充分考慮相鄰區(qū)域或城市收費站建設(shè)現(xiàn)狀和未來規(guī)劃。本文基于實際項目，在綜合考慮收費站的經(jīng)營者成本、使用者成本和外部社會成本，以及影響收費站成本主要因素的基礎(chǔ)上，充分結(jié)合項目現(xiàn)狀提出收費站車道升級改造方案，以混合型車道結(jié)合ETC車道的模式車道配置，達到成本節(jié)約的目的。