临近城区的高速公路收费站通行效率及车道配置研究

林弼胄， 李之红

(1.福建省交通规划设计院有限公司， 福建 福州 350004; 2.北京建筑大学 土木与交通工程学院， 北京 100044)

近年来，随着我国城镇化的快速发展，高速公路和普通国省道临近城市建成区路段，在承担对外和过境交通的同时，越来越多地承担着城市交通的功能，不同的交通流交织密集，许多高速公路出入口，路段拥堵严重。以沈海高速厦门段为例，既有高速进出口路段节假日的交通拥堵已形成常态，影响了高速公路主线通行效率的同时还影响了临近城市路网的运行效率。

国家相关的规范对高速公路收费方式与收费站设置有相关的指导性意见[1-3]，但面对电子支付日益常态化的阶段，如何通过更先进的优化策略，以更先进的方式去提高高速公路的通行效率的问题没有给出具体的指导建议。

一些专家学者也针对高速公路和电子不停车快捷收费系统(ETC)问题进行了深入的研究，对ETC收费的研究已经较为成熟。张为民等[4]研究了北京市电子不停车收费系统的综合效益，刘伟铭等[5]建立了ETC系统的缴费方式选择模型。高速公路ETC收费的研究主要集中在ETC系统在高速公路的应用[6-9]、ETC站位设施等优化布局[10]、高速公路通行效率分析与仿真[11-13]、经济效益评估[14]、高速公路收费站取消的影响[15]等方面。

然而随着先进的智能设备在高速公路中的应用，如何对高速公路的通行进行优化设计，尤其针对是否可以通过增设ETC出口等进行优化仍然处于探索阶段。2016年6月国家发展和改革委员会、交通运输部、住房和城乡建设部、国土资源部4部委联合发文关注临近城市建成区的高速公路影响、高速主线与城市道路网的运行效率等问题，提出了完善进出城道路网络布局、尽快缓解瓶颈路段拥堵状况、加快升级改造重要拥堵节点、增设干线公路进出城出入口4条意见。

目前，高速公路基本取消省界收费站，并推广ETC，同时优化货车通行费计费方式，对封闭式高速公路收费站入口同步实行不停车称重。新增出入口采用ETC或混合收费模式，可极大地降低工程投资、用地和管理运营成本，对相关部门接受并采纳本次方案研究成果有着极大的促进作用。

本文基于沈海高速厦门段既有人工收费系统(MTC)和ETC出入口的通行特征，分析邻近城区段高速公路ETC车道通行效率，并对该段高速公路出入口进行优化设计，为未来的广泛普及提供有力的借鉴。

1 邻近城区段高速公路收费车道通行效率分析

收费车道的通行效率分析主要有理论分析、实测检验和交通仿真法。本文采用交通仿真法对沈海高速厦门段进行建模。

在邻近城区段，交通量普遍较大，在车辆跟驰过程中，通过ETC前有减速行为，仿真模型采用Wiedeman 99模型描述车辆的跟驰行为。为了得到不同数量的ETC和MTC车道组合情况下的通行效率，构建了多种仿真方案。

方案设计中由于收费站本身已有部分MTC和ETC车道，所以在增设的情况下以增设ETC为主要部分，配合少部分MTC车道。同时，实际情况下，由于车辆行驶轨迹和驾驶行为，主线正对的收费车道往往最容易被选择使用。因此距离主线的远近或轨迹的顺畅程度可以作为折减系数。

仿真模型分为输入、运行和输出模块。输入部分的主要参数为收费站几何参数、到达车辆速度分布、车辆到达规律分布。运行部分的主要参数有车辆减速行为、缴费方式、缴费时间分布。输出模块主要输出每辆车的实时速度、加速度、行程时间、排队长度、服务时间、通行能力等。

根据现场数据统计分析，沈海高速厦门段中MTC入口车道的车辆缴费时间服从正态分布，均值为10.88 s/辆，MTC单车道通行能力为333辆/h；MTC出口人均缴费时间服从正态分布，均值为18.65 s/辆，通行能力为193辆/h。ETC车道出入口耗时均为2.98 s/辆，单车道通行能力观测值平均为1 196辆/h。考虑不同的服务制式，仿真模型中对ETC出入口服务时间设置为3 s/辆。

局部模型仿真如图1所示，其结果见表1。基于仿真计算结果，对比观测数值，误差为8.76%，仿真模型有效。如图2所示，ETC使用率的增加能够提升混合收费站的总体通行效率，交通量越大，ETC作用效果越明显。

表1 各个收费站总车道通行能力仿真结果

2 基于仿真的沈海高速厦门段收费车道配置

从交通管理与控制角度，收费站对于城区道路交通流的影响较大，常态和节假日差异明显，因此考虑采取在常态下开放一定数目的收费站、在节假日增加开放数目的方式。由于ETC收费车道通行效率和服务时间远优于MTC车道，故在配置各收费口收费方式时以ETC形式为主。

2.1 设计思路

本次方案研究旨在缓解沈海高速厦门段不同交通流交织密集带来的既有出入口及相关城市道路网拥堵问题。如何在保证高速主线和相关道路交通运营安全的前提下，结合征地拆迁、工程投资和管理运营等因素，合理选择增设出入口的位置；如何在满足交通需求的前提下控制工程规模；增设的出入口与城市道路及高速主线如何更加安全有效地衔接等问题是本次方案研究所要解决的。

目前沈海高速厦门段日均交通量约为81 314 pcu/d，且交通量逐年上升，高峰时段交通量达到了5 252 pcu/h，高峰小时流量比达到了6.46%，已接近饱和，服务水平逐年下降。节假日客流高峰期，各收费站以及与之衔接的周边路网均会出现严重的排队和拥堵现象，其中翔安、厦门、杏林收费站区域拥堵情况特别严重。

2.2 交通分析研究

根据仿真和现状分析，目前沈海高速厦门段沿线4个进出口，即翔安收费站、同安收费站、厦门收费站和杏林收费站，进出车道全部投入使用的情况下基本能满足非节假日的交通需求，但不能满足高峰时段。基于仿真情况，设定增设方案见表2。

表2 各个收费站交通分析预测

此外受收费站规模的影响，对应的相交道路也出现不同程度的拥堵现象。受高速进出匝道宽度、收费站用地以及衔接地方道路的服务水平等因素的影响，单纯在既有收费站增加进出口车道数显然不能有效缓解交通拥堵的现状，这就需要在既有高速沿线选择合理的位置增加进出口以达到分流的效果.

2.3 增设出入口位置布局

经调查分析，沈海高速厦门段各个收费站以及枢纽互通之间的间距均在10 km左右。同时《关于加强干线公路与城市道路有效衔接的指导意见》中明确提出进出城高速公路临近主城区路段和城市绕城公路，进出口平均间距可按不超过4 km设置， 较原规范的推荐值少了1 km，这就为在2个互通之间合适的位置增设上下高速进出口提供了良好的条件。根据高速沿线发达的城市道路网，经综合考虑用地、征地拆迁等因素后选定了翔安东路、龙掘东服务区、同安大道、杏锦路、前场二路和东孚服务区6个节点增设出入口(图3～图5)。

2.4 工程方案

考虑到用地、工程投资、拟使用纯ETC收费模式等因素，本次新增出入口不设置收费广场、收费棚等，仅设置上下匝道以及配套的电子收费设备等。

在此前提下需要适当控制并避免将大量上下高速的交通流吸引至新增的出入口处。

本次匝道拟采用单出入口，在满足通行能力的前提下，降低工程规模和对沈海主线通行的干扰，同时接入匝道拟采用双车道，在匹配收费车道数的同时，也可适当作为等候车道。匝道与加减速车道的其他技术标准按照规范要求布设。

此外，为避免未安装ETC的车辆误行，本次还考虑增设了误行车道，供误行车辆驶回主线，预防收费岛堵塞现象。

2.5 具体节点的工程方案

在此以翔安东路节点为例，介绍具体节点的工程方案。翔安东路为城市主干道，双向6车道设置，道路穿越翔安主城区，是贯穿翔安南北的重要通道，在该位置增设ETC进出口能有效辐射整个翔安区域。

既有的翔安东路设置桥梁上跨沈海高速，本次工程拟在沈海高速南北两侧避开既有建筑分别布置4条单向匝道进入ETC收费站，同时在南、北侧主线上分别设置下穿翔安东路跨线桥的误行车道,长度分别为412 m和352 m。在ETC匝道口通过展宽车道直接进出民安大道与翔安东路。

3 结论

本文阐述了当前高速公路增设收费站的相关研究，并构建了微观交通仿真模型，对沈海高速厦门段进行了混合收费车道布置优化，分析了具体的交通特性、拥堵原因和设计改造方案。通过案例分析，期望能将实践成果进行有效的推广，提高城区段高速公路的优化设计方法与通行效率。本次增设ETC进出口的研究成果已由厦门市高快速通道建设指挥部上报厦门市政府，经研究同意并正式启动了项目的前期工作，这为成果的推广提供了技术借鉴和参考，研究成果具有明确的应用价值。