面向全量交通流的高速公路收费站解堵保畅技术方案研究

贺新光 刘玲慧

摘要：近年来，各地高速公路收费站存在常态拥堵、高峰期拥堵等问题。文章对多省份收费站拥堵情况进行了调研分析，依托自由流收费的推广应用，提出了ETC特情诱导、ETC预交易、CPC卡预计费+扫码付等面向ETC车辆和非ETC车辆的全量交通流的快速通行方案。经运营数据统计，特情车辆占比下降86%，ETC专用车道通行效率提升32%，ETC/MTC车道通行效率提升30%。

关键词：全量交通流；解堵保畅；ETC预交易；CPC卡预计费

中图分类号：F542文献标志码：A

0 引言

高速公路收费站一般设置于城市周边，是联系普通国省道、市政道路的纽带，也是车辆行驶速度突变的节点。随着2020年12月疫情管控的全面放开，公众出行需求呈现“报复性”增长，高速公路收费站拥堵问题日益突出，给高速公路的运营管理和公众出行体验造成严重影响。

本文根据国内高速公路收费站调研，分类分析收费站拥堵原因，在用地资源紧张、车道扩建难度大的前提下，提出了成本节约型高速公路收费站智慧扩容方案，对缓解收费站拥堵、减轻运营管理压力、提升公众出行体验感具有显著效果和重要意义。

1 原因分析

本文通过对河南、江苏、广东等多座收费站调研，拥堵情况主要呈现常态化全车道拥堵、电子不停车收费系统（Electronic Toll Collection，ETC）专用车道不规律拥堵和ETC/MTC车道高峰期排队等特征。主要有以下原因。

1.1 车流量远超收费站通行能力，产生常态拥堵

随着经济社会的发展，车辆保有量大幅增加。受限于用地资源，收费站的车道数量难以无限扩张。当车流量过大，尤其是节假日免费通行时，收费站出现常态化拥堵。

1.2 ETC专用车道特情频发，快速通道通行不畅

车道设备可靠性、容错性不高，ETC车辆由于车载单元（On board Unit，OBU）、卡签、黑名单等特情造成交易异常，产生倒车、调头等现象^[1]，从而造成收费站拥堵。据统计，由于特情的影响，ETC专用车道单车通过时间将增加至7倍，后方有跟车时影响范围扩大。

1.3 ETC/MTC车道缴费时间长，排队现象突出

ETC使用率达到瓶颈，ETC/MTC车道交通量居高不下。单个车辆缴费时间相较于ETC专用车道更长，ETC/MTC车道排队情况较为突出^[2]。

2 设计思路

高速公路收费站拥堵问题主要是收费站通行效率不够高，成为限制高地交通转换的瓶颈。本文面向ETC车辆和非ETC车辆，开展差异化方案研究，分别提升ETC专用车道和ETC/MTC车道的通行效率，从而提升收费站整体通行效率，实现收费站解堵保畅的目标。高速公路收费站解堵保畅方案研究思路如图1所示。

2.1 面向ETC车辆

采用交易前移、ETC特情剥离、车道验证等措施，通过增加交易次数、分散交易压力、减少车辆交织，本文所提方案提高了ETC专用车道通行效率。

2.1.1 交易前移+车道验证

通过建立匝道/主线ETC门架，将名单验证、交易等功能前移至ETC门架^[3]，车道仅需对交易成功的车辆进行验证和对未交易成功的车辆再次交易，减少了车道软硬件设备的工作强度，从而提高了交易成功率，提升了ETC车道的通行效率。

2.1.2 ETC特情剥离

根据匝道/主线ETC门架预交易已锁定的ETC特情车辆的车牌信息，本文方案在可变情报板发布提示信息，提前诱导特情车辆行驶混合车道。

2.2 面向非ETC车辆

通过计费前移、提前自助缴费、车道投卡验证等措施，所提方案提高了ETC/MTC车道通行效率。

通过建立匝道/主线ETC门架，本文将非ETC车辆的车牌识别、车型识别、CPC卡计费等功能前移至ETC门架，提前计算非ETC车辆的通行费用。驾驶员在收费广场排队时扫码支付通行费，若收费系统验证投入CPC卡内信息与缴费信息一致，则允许放行。所提方案有效缩短了单车的服务时间。

3 系统方案设计

3.1 方案目标

本文方案以ETC车辆和非ETC车辆全量交通流为对象，以系统性提升为思路、ETC技术应用为手段，强化高效交易、特情剥离，提高交易成功率和特情分离率，全面提升高速公路收费站运行安全、通行效率和出行体验水平。

3.2 方案构成

本文方案主要包括ETC预交易门架系统、ETC特情诱导系统、扫码付系统、车道系统等。

3.2.1 预交易门架系统

ETC预交易门架系统设置在收费站出入口前匝道/主线，对入口ETC车辆预标记/出口ETC车辆预交易、出口CPC卡预计费等。

（1）入口ETC车辆预标记/出口ETC车辆预交易。

预交易门架RSU天线读取ETC车辆OBU信息，进行OBU有效性、用户卡有效性、OBU和用户卡发行属地一致性判定、车卡绑定以及黑名单查询等判定流程。若任意一项不成功，则不写入入口标记/出口交易信息；若成功，则写入入口标记/出口交易信息。

（2）出口CPC卡预计费。

预交易门架RSU天线读取CPC卡车辆的入口信息、行程累计通行费、上一门架等信息上传CPC卡预交易平台。平台根据这些信息判断是否异常，若无异常，则计算截至本站点的累计通行费，计算完成将车牌号码、卡号与计算通行费总额推送扫码付系统。

3.2.2 ETC特情诱导系统

在收费站广场前设置可变情报板，ETC特情诱导系统发布预交易门架已锁定的ETC特情车辆的车牌信息，提前诱导特情车辆行驶至ETC/MTC车道。

3.2.3 扫码付系统

驾驶员通过广场设置的二维码缴费，录入车辆车牌号码，查询需缴纳通行费，通过第三方支付平台进行缴费，缴费成功后返回支付提示，通行费实时（自然日/隔日）进入省联网公司指定账户。即使交易失败也可在出口ETC/MTC车道正常缴费。

3.2.4 车道系统

车道系统包括ETC专用车道系统和ETC/MTC车道系统。

（1）ETC专用车道系统。

ETC专用车道在岛头岛尾设置双天线，增加收费交易次数，以提升交易成功率。车辆从主线驶入收费车道，岛头路侧单元（Road Side Unit，RSU）天线对预标记/交易车辆OBU进行核验，若验证通过，则抬杆放行，岛尾天线无操作；若验证不通过，则系统进行标记/交易。岛尾RSU天线对岛头标记/交易的车辆OBU进行核验，若验证通过后，则抬杆放行；若验证不通过，则再次进行标记/交易，标记/交易成功则放行，标记/交易不成功提示人工处置。

（2）ETC/MTC车道系统。

车道系统根据车牌识别与司机投入的CPC卡内信息进行比对，比对一致且已缴费成功，抬杆放行。对未缴费车辆进行拦截缴费，可人工或者自助缴费。

3.3 设备布局

按照匝道/主线、收费广场、收费车道分段描述设备布局方案，如图2所示。

3.3.1 匝道/主线设备布局

（1）设备布设及功能。

按来车方向顺序，匝道/主线2套门架进行如下设置。

第一套门架，每车道（含应急车道）面向来车方向设置1套RSU天线、1套车型车牌抓拍一体机，主要完成ETC车辆预交易、CPC卡预计费、车型车牌数据获取等功能。

第二套门架，安装可变情报板，用于发布特情车辆诱导信息，提醒ETC特情车辆前往ETC/MTC车道通行。

（2）门架位置确定。

考虑特情车辆向右变道至ETC/MTC车道，信息发布门架到收费车道距离测算方法：根据《道路交通标志和标线第3部分：道路交通标线》（GB5768.3—2009）中规定，120 km/h速度变换1个车道所需最短距离140 m。连续变换2个车道所需最短距离为280 m，若车流量大，则变道距离应酌情延长。

根据ETC车辆OBU信息读取、验证反应时间和人的阅读时间，结合车辆行驶速度，确定预交易门架和信息发布门架的最小距离。根据收费系统调研，从ETC天线读取车辆OBU信息、经后台比对到情报板信息发布，时延约1 s；人的阅读速度是300字/min，读完情报板内容20字约需4 s。在120 km/h的车速下，识别与诱导门架间距应不小于166.6 m。

3.3.2 收费广场设备布局

本文方案仅需在ETC/MTC车道前导流线上设置扫码付二维码和操作指引展架，引导驾驶员扫码支付通行费。

3.3.3 收费车道设备布局

ETC专用车道布设岛头岛尾采用L型立柱安装RSU天线。

ETC/MTC车道在收费亭前或收费亭嵌入式安装自助投卡机，用于自助回收已扫码支付的CPC卡。

4 应用效果

本解堵保畅方案在河南收费站落地实施。经统计，实施后ETC特情占比下降86%，ETC专用车道通行效率提升32%，ETC/MTC车道通行效率提升30%。

4.1 基本情况

河南省某高速公路主线收费站出入口共计25条车道，其中入口车道11条（8条为ETC），出口车道14条（7条为ETC）。工作日平均交通量为入口6.75万辆，出口6.67万辆，出入口ETC特情车辆占ETC车辆的比例约为5%。每日[07：00，11：00]和[15：00，19：00]时段，收费站交通流超过设计极限流量，长时间处于超饱和状态，是拥堵的主要因素。

4.2 实施历程

2022年，该收费站完成ETC预交易系统和ETC特情诱导系统建设，有效降低了ETC专用车道特情车辆的影响。2023年，该收费站完成CPC卡扫码付系统建设，实现了收费站全量交通流的通行效率提升。

4.3 实施效果

通过改造前后运营数据调研分析，主要有以下2个方面效果。

4.3.1 降低了ETC特情比例，ETC专用车道通行效率提升

改造后，出入口日均流量增加0.23万辆，其中ETC车辆增加0.04万辆，ETC特情车辆减少0.45万辆，特情率由5%下降至0.7%，在总交通量变化不大的前提下，ETC特情占比下降86%，通行效率提升32%，实施效果显著。

4.3.2 缩短了ETC/MTC车道服务时间，排队现象明显缓解

改造后，出入口日均非ETC车辆增加0.19万辆，ETC/MTC车道车辆平均通行时间由每辆30 s缩短至21 s，车道服务时间约提升33%。

5 结语

在土地资源和经济资源限制的情况下，本文方案深入分析了高速公路收费站拥堵的根本原因，提出了面向ETC车辆和非ETC车辆的全量交通流解堵保畅方案，实现了在“小改造、大提升”的原则下全面提升收费站运行安全、通行效率和出行体验水平的目标，实际落地应用效果显著。

随着人工智能、大数据、云计算等技术的发展和感知、计算、工业机器人等设备的研发，技术方案应进一步更新升级。同时，研究应进一步优化运营管理体制机制，以匹配无人化、少人化的发展趋势，逐步实现全路网自由流通行的终极目标。

参考文献

[1]罗煜，何子牛，陈锶，等.基于ETC自由流多措疏堵的应用研究[J].湖南交通科技，2022（3）：177-182.

[2]郝杰鹏，陈忠元，翟晓光，等.高速公路入口疏堵解决方案及应用[J].中国交通信息化，2022（4）：133-137.

[3]周玲，龙开红，陈洽尧.高速公路收费站拥堵缓解方案探究[J].中国交通信息化，2022（4）：138-142.

（编辑 沈 强编辑）

Research on traffic congestion management solutions at expressway toll stations for all traffic flows

He  Xinguang， Liu  Linghui

（JSTI Group Co.， Ltd.， Nanjing 210019， China）

Abstract：  In recent years， there are some problems of normalization traffic congestion at expressway toll stations during the rush hour. This article conducts research and analysis on the congestion situation of toll stations in multiple provinces， based on the promotion and application of free flow charge， the fast transit solutions for ETC vehicles and non ETC vehicles are proposed， including ETC trading abnormal vehicle induction， ETC pre-transaction， CPC advance billing and scan code payment， etc. According to operational data statistics， the proportion of ETC trading abnormal vehicle has decreased by 86%， the traffic efficiency of ETC dedicated lanes has increased by 32%， and the traffic efficiency of ETC/MTC lanes has increased by 30%.

Key words： all traffic flows; traffic congestion management; ETC pre-transaction; CPC advance billing