高速公路入口称重车道通行能力分析及冗余建设方案研究

吴明亮 贾圆飞 马生涛

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550000)

2020年1月1日起，我国全面实施高速公路收费站按车(轴)型收费标准，不停车称重检测工作也同步进行[1]。完善高速公路入口称重检测系统，规范称重检测流程，提高称重数据和收费数据质量，确保称重和车型辨别准确，对于进一步提高入口称重车道通行能力，巩固深化收费公路制度改革，夯实取消高速公路省界收费站工作成果具有重要意义。

随着物流货运的快速发展，城市工业集群的道路运输大量汇集，各收费站入口的货车通行压力不断增大。高峰出行时段容易出现拥堵、排队回溯、瓶颈效应等现象，严重影响道路通行效率。本文通过分析入口称重车道的通行能力，提出针对性的冗余建设方案，并以杭瑞高速遵义段深溪收费站为例，进行高速公路入口称重车道通行能力分析及冗余建设方案研究。

研究表明，超限、超载运输对公路的损坏，与车辆轴载质量呈几何级数增加，极易对路面、桥涵造成灾难性破坏[2]。超限、超载运输对公路的损坏，缩短了公路使用寿命，增加了公路养护成本。因此，本文对高速公路入口称重车道通行能力及冗余建设方案进行研究，实现高速公路全域内入口各关键节点针对危化品车、大件运输车、超限车辆的发现和跟踪，可有效保护公路使用寿命，提升交通安全水平，保障人民生命安全。

1 称重系统组成

称重系统有站前治超车道用于入口称重、出口混合车道的计重设备用于出口抽查，同时称重计算机系统与现有收费系统互联互通，称重系统构成图见图1。

图1 称重系统组成结构

入口治超检测系统[3]主要包括称重秤台、车辆分离器、称重仪表、车牌识别、工控机、LED显示屏、栏杆机、通行信号灯等相关机电设施，实现货车信息、重量、轴数识别等功能，实现识别结果的传输、处理及发布功能，并配置相关存储设备，为入口治超劝返提供依据[4]。

我国高速公路收费站一般仅设置1条入口称重车道，故在货车流量较大的站容易造成货车排队通过称重车道，拥堵交通。通过分析收费站称重车道的通行能力，合理布设收费站称重冗余车道，可提高收费站货车通行能力。

2 称重车道通行能力分析

收费站入口称重车道建设方案主要分为2种，一种为分体式模式，即将称重车道建设在收费站外，在内广场或设立专用车道掉头；另一种为一体式模式，即将称重设备在入口收费车道内统一建设。本节就2种不同建设模式，分析其货车通行能力。

2.1 通行特点分析

分体式车道服务于称重货车车辆快速通行，在理想条件下，车道不拥堵、无其他车辆误入等干扰因素的情况下，采用动态称重的方式，可以为称重车辆提供无需停车、自由通行的快捷服务。

一体式车道由于称重设备设置于车道内，受制于栏杆机、显示屏等设施，进入车道内需停车等待，采用静态称重方式，待称重结果输出后，可发卡驶离车道。

称重车辆进入收费广场进行减速，并根据收费广场相关信息提示进入称重车道，并按照相应的限制速度通过称重车道，称重后驶离称重车道。因此，分体式车道为具有约束条件的不通车称重车道，一体式车道则为经典排队理论分析的停车称重车道，本文将从这两方面进行通行能力分析。

2.2 分体式车道通行能力

称重车道设置于收费广场，不受车道显示屏，栏杆机等设备制约，采用动态称重方式，货车驶入收费站速度控制在20 km/h，称重车道常规限速5 km/h，分布式称重车道结构见图2。

图2 分布式称重车道结构

分体式称重车道通行能力主要受驾驶员的反应时间、制动协调时间、制动安全距离等因素的影响，单车道通行能力由式(1)、式(2)计算得出。

(1)

L0=L1+Lmin

(2)

式中：v为行车速度，收费广场速度按20 km/h，称重车道速度按5 km/h；L0为最小车头间距；L1为车辆平均长度，货车按18 m取值，其中，Lmin为货车安全行车间距，可由式(3)计算。

(3)

式中：v为货车在收费广场的行驶速度；t2为货车制动协调时间；t1为驾驶员反应时间。

综合以往的研究，驾驶员的反应时间t1多集中在1.4～2 s，考虑货车载重大，驾驶员视线高，取反应时间t1为2 s，气压式制动系统的制动时间为0.3～0.9 s[5]，货车自重与载重较大，制动协调时间t2取 0.9 s[6]。车辆采取紧急制动后，安全距离一般为2～5 m，考虑该收费区域车型多为大型货车、拖挂车，制动安全距离取5 m。在不考虑前车突然减速的理想状况下，货车的保证安全的基本行车间距为Lmin。

2.3 一体式车道通行能力

一体式称重车道，称重设备设置于入口ETC/MTC混合车道内，车道限速5 km/h。一体式称重车道结构见图3。

图3 一体式称重车道结构

如图3所示，货车通行受制于栏杆机、显示屏等影响，通行方式同于在MTC状态下通行方式，由车辆排队理论可知，单车道通行能力与车道的服务时间成反比，一般可由标准车的服务时间与离开时间计算而得，见式(4)。

(4)

式中：C一体式车道为一体式车道的通行能力；TS为标准车服务时间；TC为标准车离开时间。

考虑入口称重检测存在复称、劝返等方面的影响，入口的服务时间和离开时间可适当增加，原有出口收费车道在实施计重收费时，收费车道数计算时，考虑计重收费对通行的影响，对交通量进行适当调整。目前由计重收费调整为车(轴)型收费，可不再对年平均日交通量进行调整，服务水平按照平均等待车辆数1辆考虑。

3 冗余建设方案设计

根据各省路网目前运行情况，结合本文冗余方案设计，依托现有的收费站地形条件建设入口称重系统冗余，旨在减少车辆高速公路收费站过站通行时间，提升货车入口称重系统效率，减缓拥堵。通过合理布设称重车道冗余，满足大流量货运通行的条件，同时减少因原有车道数量少造成收费站拥堵和部分入口称重系统维修期间收费站货车无法通行的情况。

3.1 横向冗余布设方案

在收费广场横向布设主、备2条分体式称重冗余车道，布设方案见图4。

图4 横向冗余车道布设方案

货车可同时通过2条车道进行过秤称重，提高收费广场的货车称重通行效率，缓解拥堵，横向布置货车通行交通流交织影响较小，其通行能力计算方法如式(5)所示。

(5)

3.2 纵向冗余布设方案

在收费广场布设1条分体式称重设备，在入口混合车道布设1条一体式称重设备，主、备冗余车道呈纵向布置，布设方案见图5。

图5 纵向冗余车道布设方案

纵向布置货车通行时存在交通流交织的情况，考虑交织影响，取交织修正系数θ为0.8，其通行能力计算如式(6)所示。

C=(C分体式车道+C一体式车道)×θ=

(6)

4 具体案例

本文以贵州省杭瑞高速公路(遵义段)深溪收费站为例对提出的高速公路入口称重车道通行能力分析及冗余建设方案进行研究。深溪收费站规模为4入7出，原场区设置1条场区分体式入口称重车道。随着该区域物流规划发展，深溪收费站成为了遵义市城区的主要货流通道，货车通行量激增，同时存在货车不文明驾驶行为，影响高速公路正常通行，导致深溪镇周边城市道路经常拥堵异常。据统计，该站点的单日流量达到300 veh/h，单条入口称重车道已不满足货车通行要求，于是提出增加称重车道冗余的要求。

由式(3)可得

由式(1)可得

根据收费广场冗余称重车道设置方案及实际交通量，计算冗余车道标准设计小时交通量(DHV)。结合上文冗余称重车道通行能力，计算得出车道数量，计算方法如式(7)。

n称重车道=DHV货车/C称重车道

(7)

式中：n称重车道为称重车道数；DHV货车为货车标准设计小时交通量；C称重车道为称重车道通行能力。

由式(7)可得

n称重车道=300/185≈2条

计算得出n=2，即布设2条称重车道满足该站通行需求，冗余布设方案采用广场横向布设2条称重车道冗余，具体设计见图6。

图6 深溪收费站冗余布设方案(单位：m)

经运行实施验证，该冗余布设及方案缓解了收费站货车过秤的拥堵情况，提高了收费站通行效率。

5 结语

大流量货车通行需求的收费站点，高峰密集时段拥堵、通行效率低已成为亟需解决的问题。本文通过构建通行能力分析模型，分析高速公路入口称重系统的通行能力，根据不同货车流量提出冗余车道建设方案设计，可有效解决收费站货车过秤拥堵问题，提高通行效率，为后续同类型工程项目提供参考。