基于保障高速公路互通区运行状态的匝道收费站收费车道数配置研究

李春元

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

1 问题的提出

随着我国城市化进程的加快，城市扩张速度不断加大，城市内部快速路网逐步完善。一般而言，为更好地解决城市对外交通需求快速集散，城市快速路应直接接入高速公路网[1]。因此，在这一背景下，环城高速公路上新增或改造互通的工程愈来愈多，这类工程特点一是主要服务于城市对外交通需求，往往代表着一个城市组团或片区的门户形象，城市管理者期望收费站大方、美观，而高速公路管理者主要希望满足功能、高效安全通行；二是新增或改造互通受城市总体规划影响，间距较近（3～5 km），且匝道收费站布置紧凑，通行车辆通过收费站后，快速向高速公路集散，交通组织较为复杂。

基于上述特点，从城市与高速公路管理者角度出发，前者要求收费站规模愈大愈好，后者则要求收费站满足交通需求、高效安全通行，二者之间对匝道收费站规模，特别是收费车道数的配置存在一定的矛盾点。目前，收费车道数主要依据收费站断面交通量预测结果进行计算后，结合交通发展情况，综合配置。但这种计算并未考虑匝道收费站断面交通量对高速公路主线及互通匝道通行能力的影响。因城市对外交通需求量较大，车辆通过收费站后，不能及时汇入高速公路主线，从而造成车辆在分合流点交织，进而影响高速公路主线交通流正常通行。

综上，本文考虑在保障高速公路互通区运行状态的情况下，以匝道收费站断面交通量预测结果为依据，首先分析互通区服务水平，在维持互通区二级服务水平基础上，提出断面交通量适应于收费车道数配置依据的前置条件，然后应用《收费公路联网收费技术要求》匝道收费站车道数计算模型进行车道数配置，以期合理地确定车道配置。

2 互通区通行能力计算模型

国内外对于互通通行能力及服务水平基本分3个部分进行分析：一是匝道与高速公路连接处；二是匝道通行能力；三是匝道与相连道路处的通行能力。一般而言，匝道自身通行能力虽较正常路段稍低，但通行能力相对较大，不是影响互通通行能力的主要因素；匝道与相连道路处的通行能力则主要受相连道路远景规划、周围地形及交通特征等影响[2]，应纳入相连道路统一进行通行能力分析；而在布设有匝道收费站的出入口上，因匝道收费站具有的匝道控制器功能(车辆减速—停车—服务(交费、领卡)—加速)，匝道与高速公路连接处的通行能力则主要决定了匝道和高速公路进出口的通行能力[3]。

目前，研究匝道连接处通行能力的方法主要为理论分析与实际观测数据为基础，回归经验公式，如《交通工程总论》、HCM2000中的分析方法，这些模型计算简单，应用范围广，还有一些以间隙接受理论、交通模拟及仿真[3-6]等方法。

本文以双向四车道高速公路为例，对《交通工程总论》、HCM2000中典型的通行能力计算图式及模型进行归纳分析。

2.1 《交通工程总论》中互通区通行能力计算图式及模型

《交通工程总论》中分析计算连接处通行能力时，分析3个关键交通量（见图1、图2），一是汇合交通量Vm（汇合车流交通量之和，veh/h），二是分离交通量是Vr（即将分离或分流的交通量，veh/h），三是主线交通量Vf，是匝道与高速公路连接处最大的单向交通量，即分合流点上下游单向交通量（veh/h），最后以Vm、Vr、Vf分别满足服务水平划分标准判定互通区服务水平。

图1 《交通工程总论》中单车道驶入图式

计算式：V1=136+0.345V′f-0.115Vr，

适用条件：

a)单车道驶入匝道(有或无加减速车道)；b)仅用于上游610 m内无相邻驶入匝道；c)使用范围：V'f=360～3 100 veh/h，Vr=50～1 300 veh/h.

图2 《交通工程总论》中单车道驶出图式

计算式：V1=165+0.345V'f+0.520Vr，

适用条件：

a)单车道驶入匝道(有或无加减速车道)；b)仅用于上游610 m内无相邻驶入匝道；c)使用范围：V'f=360～3 800 veh/h，Vr=50～1 400 veh/h.

2.2 HCM2000中双向四车道高速公路单车道驶入、驶出模型

美国道路能力手册HCM2000中，对双向四车道高速公路单车道驶入驶出的孤立匝道(图3、图4)连接处服务水平按车流密度k(pcu/(km·ln))进行评价，其中，k与匝道流量r(pcu/h)、上游流量 q12(pcu/h)和加减速车道La(m)呈线性关系。

图3HCM2000中单车道驶入图式

计算式：k=3.402+0.004 56r+0.004 8q12-0.012 78La.

图4HCM2000中单车道驶出图式

计算式：k=2.642+0.005 3q12-0.018 3La.

2.3 结合《交通工程总论》与HCM2000的匝道连接处通行能力模型

从《交通工程总论》、HCM2000中的通行能力模型来看，前者主要考虑互通区主线交通流最外侧车道与匝道汇入或汇出交通流的叠加影响，模型对于加减速车道的布设考虑不够全面，而后者考虑了加减速车道的影响，但对于互通区交通流最外侧车道的交通量缺乏足够的计算依据。

实际上，互通区分合流点车流的运行状况，受交通安全设施(标志、标线)等引导，拟通过互通进行分合流的将提前实施转移车道行为，其中，分流点车辆逐渐增加、合流点逐渐减少。因此，互通区连接处的通行能力应重点考虑最外侧车流与分合流车流交织的过程，本文综合考虑上述因素后，拟采用《交通工程总论》最外侧车道流量计算模型分析最外侧车道流量，将最外侧车道交通量(veh/h)折算为标准小客车(pcu/h)后应用于HCM2000模型中的上游交通量(即令 q12=V1，Vr=r，)，最后通过车流密度(参照《公路通行能力手册》匝道连接处服务水平划分标准)评价匝道连接处服务水平。

2.4 合流和分流区的服务水平划分标准

表1 匝道连接处的服务水平划分标准 pcu/km/车道

表1匝道连接处(合/分流区)服务水平的划分标准是在影响区内车流稳定运行的前提下制定的，如果出现交通需求大于通行能力，包括需要进入影响区的交通流率大于主线中该区域的最大交通流率、匝道中交通需求大于匝道车行道通行能力或驶出合流区的交通流率大于主线通行能力等，都会出现交通阻塞的情况，不能采用密度来划分服务水平等级。这种情况下，建议匝道收费站开始实施其具有的调节器功能，适当控制车流出入，保障高速公路主线正常通行。

2.5 服务水平分析

通过对连接处通行能力的计算结果，应用表1的判别标准进行分析，若计算结果可以满足二级服务水平，则直接将匝道收费站断面交通量应用于收费车道数计算，若不满足二级服务水平，则利用上述模型进行反推，将反推后的断面交通量应用于收费车道数计算，这样就可以通过匝道收费站车道数配置等控制汇合车流，从而保障高速公路互通区的运行状态。

3 收费车道数计算模型

根据上述通行能力分析结果，结合《收费公路联网收费技术要求》(2007年第35号公告)，整理收费车道数计算流程，见图5所示。其中，虚线框内为本文核心，即新增匝道连接处通行能力判别单元(详细计算过程见第2节)。

图中大中型货车占有率R按实际取值；K按0.10～0.12取值；D按1取值 (已有分向交通量预测结果)；服务时间非自由流ETC车道为2～3 s，封闭式收费站入口为6～8 s，出口为14～20 s；收费服务水平一般为平均等待车辆数1辆；表F-2见《收费公路联网收费技术要求》附录F(限于篇幅，本文略)。

图5 收费车道数计算模型流程图

4 工程实例

太原市西环高速公路冶峪互通是为配合实施南中环街快速化改造，缓解周边城市道路交通压力，更快捷地疏散对外交通需求而提出的改造工程。该互通对于解决太原市西南片区对外交通出行需求具有重要意义，同时本互通也代表着这一区域的门户形象，因此，合理确定这一互通的收费车道，对于平衡城市管理者与高速公路管理者的不同要求，切实解决对外交通出行需求问题等具有重要意义。

互通改造方案(图6)在维持冶峪互通A匝道（环形匝道）及B匝道不变的情况下，对A匝道起点段由南向东调整，顺接南中环街西延段，同时改造C、D匝道与A匝道衔接。各匝道加减速车道长度见表2所示，互通交通量预测结果及车辆组成见图7、表3所示。

图6 冶峪互通改造方案简图

表2 各匝道加减速车道长度一览表 m

图7 交通量分布图

表3 车辆组成一览表 %

按上述模型及互通改造参数，计算连接处服务水平结果值见表4所示。

表4 连接处服务水平分析结果一览表

从上述计算结果来看，各匝道连接处服务水平可以维持在二级以上，即收费站断面交通量能满足收费车道数计算模型的前置条件，因此，综合考虑计重收费、治超检测、ETC车道布置等影响因素后，在服务时间入口取值10 s、出口取值14 s的情况下，查表F-2，该互通收费站收费车道数应配置为6进8出。

5 结论及展望

本文通过全面分析互通区通行能力计算的典型方法后，结合车流运行状况实际，提出进行匝道收费站收费车道数计算的前置条件，即匝道收费站断面交通量应满足保障高速公路互通运行状态的情况下进行合理取值，可以满足服务水平的直接应用，不满足服务水平的应在维持二级服务水平的基础上进行反推后，利用反推值进行车道数计算。

应用本文的互通收费站收费车道配置思路后，一方面可以保障高速公路互通区运行状态下，使互通区有一个良好的通行环境，另一方面则是可以合理控制收费车道数配置规模，避免因车流量不足或者过饱和状态而导致收费车道数关闭或者闲置，造成一定的社会影响。

本文模型中最外侧车道数计算、连接处车流密度模型等直接引用了《交通工程总论》、HCM2000中的标定结果，这些结果在分析中低密度车流条件下是适用的，但为更准确地配置收费车道，在工程实际应用中，特别是在条件允许的情况下，可选择拟新增或改造互通周边的互通收费站连接处实测数据，进一步对模型的相关参数进行标定。