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公路与汽运
H ighw ays L Automotive Applications总第175期
河南高速公路收费站收费车道布局优化研究
王琰
(河南省交通科学技术研究院有限公司，河南郑州450006)
摘要：收费站作为高速公路基层运营单位，是广大司乘人员与高速公路直接接触的“第一站”
和“最后一站”，是展现高速公路“服务人民，奉献社会”的重要窗口。近期河南高速公路交通量年
增长达到25;!30;，收费站拥堵已严重影响高速公路的运行和形象。文中结合河南省实施
ETC收费和人工收费的实际情况，在交通量预测的基础上，建立多对多数学排队论模型，提出高速
公路收费站收费车道优化布局方案，并以机场收费站为例验证其实用性，为高速公路收费站优化
布局提供依据。
关键词：公路交通；高速公路；收费车道&尤化布局；排队论
中图分类号：U492.2 文献标志码：A文章编号：1671 —2668(2016)04 —0026 —03
据统计，截至2015年底，河南省公路通车里程
已达26. 7万km，其中高速公路通车里程6305 km，居全国第三位。预计到2020年，河南省公路交 通网络总里程将达到27万km左右，其中高速公路 通车里程将达到7 000 k m左右，5年净增700 km，继续位居全国前列；新增省际出口通道8个，达到 35个，建成以郑州为中心、覆盖全省、通达全国、内捷外畅的高速公路网络。
根据有关资料，“十二五”期间河南省高速公路 ET C(电子不停车收费系统）收费站点覆盖率达到 90;，并实现与全国联网；省际、市际客运班线及旅 游包车客运车辆实现二维码电子身份管理；初步建 成交通运输部试点项目郑州市出租汽车服务管理信 息系统。《河南省综合运输服务“十三五”发展规划》明确提出高速公路E T C覆盖率达到100;，货车 E T C取得进展。加快高速公路E T C建设与推广，实现全省高速公路收费站出人口 E T C车道全覆盖，提高E T C服务网点覆盖率，提高E T C安装率和使 用率，进而提高高速公路通行效率和服务水平。该 文根据河南省高速公路E T C收费和人工收费实施 情况对高速公路收费车道布局优化进行研究。
1高速公路收费站交通量预测
参考《高速公路收费站及收费广场设计规范（报 批版）》，车型的服务时间采取折算的方法，小型客、货车折算为1辆标准小汽车（1PCU)，中型客、货车 折算为1.5辆标准小汽车（2Pcu)，大型客、货车折 算为2辆标准小汽车（[cu)。交通量预测主要采用时间序列法，以历史数据为根本探究数据的一般 规律，并在此基础上按照时间顺序将历史数据进行 引伸外推，预测其发展趋势。
2收费车道优化布局
河南省高速公路收费站一般设置2条E T C收 费车道，分别为1个人口和1个出口 E T C收费车 道。影响收费车道设置数量的因素主要为车辆高峰 小时平均到达率A(veh/s)、收费车道(含ETC)平均服务效率p(veh/s)及车辆最大排队长度L或最大排队长度等待时间的期望值W等。车辆在收费车 道服务台前排队等待服务的行为可视为一个典型的 排队论系统，故可利用排队论中的模型进行收费车 道优化与布局。首先假设'）收费站的车流量符合 泊松分布，车辆高峰小时平均到达率为A;2)服务 台单位乘客服务时间符合负指数分布，收费车道(含 ETC)平均服务效率为"，每辆车的服务时间为1“ (s/veh);3) —般情况下满足到达车辆服务要求，不 会产生排队系统崩溃情况#)在高速公路运行高峰 时段，到达车辆远大于收费站前的排队车辆数，同时 收费站连续进行服务，即车辆是连续运行的，可认为 该时段排队系统的车流是无限的。
设服务车道数为K，一般情况下设置2条ETC 车道(1个人口和1个出口）。设单位时间内完成服 务的车辆数即服务车辆强度为P^u A A K • “）。若P#1，则服务满足需求，否则车辆出现拥堵现象。实际上，由于车辆总数不会无限地到达，对于单条服
2016年第=期王琰：河南高速公路收费站收费车道布局优化研究27
务车道而言，初期由于到达率高于服务率，会出现越 来越长的车辆排队，但随着到达率的下降，排队程度 会降低，甚至降为零。
在高峰小时期间，综合考虑乘客对于服务的选 择行为服从随机分布，同时一旦选择后很难在不同 服务车道之间任意变换，所需服务车道数K可按照 多路多通道排队论数学模型来估计。系统中车辆的 平均排队长度为：
L =!/K)2/) - (%-X/K)]
排队中平均等待时间为：
W=a/K)/) -(%-#/K)*
手机病毒查杀假设高峰时期要求单位车道的最大排队长度不超过期望值L，可通过求解式（1)确定所需收费车 道数，设X i为式（1)的解。
清明节放几天假#/(K - %)# 1
' - %)
)(A/ K)2/) - (% —#/K)*#L
假设高峰时期每辆车的等待时间不超过期望值 W，可通过求解式（2)确定收费车道数，设叉2为式
2 )的解 。
JA/CK - %)# 1
l%/K)/[% - %-A/K)]#W
综上，收费站内需设置的车道数为:
K=m ax(H)
2)
3实例分析
2012年成人高考试题及答案
怎么投票郑州新郑机场收费站担负着为新郑国际机场集 散几乎所有旅客和货邮物资运输的重要任务，是机 场的咽喉通道，被誉为“中州第一门’’。随着河南省 经济的快速稳定发展，加上郑州市交通枢纽城市的 区位优势，除铁路、公路客运外，飞机成为高效的交 通运输方式，越来越多的乘客选择乘坐飞机出行，新 郑国际机场日趋繁忙。随着新郑国际机场航班的增 加，通过机场收费站的车辆迅猛增加，如果收费车道 布局不合理，将在航班高峰期出现间歇性交通堵塞，严重影响其河南省对外开放窗口的形象。
2007年以来，机场收费站历年平均日分车型交 通量见表1，年平均日交通量增长趋势见图1。
表1机场收费站历年年平均日交通量 辆/d
年份
各车型交通量
合计父通量A客B客C客A货B货C货〇货E货
200711 294490150993543112 076 200812 9616851911134952214 008 200916 6028992351456964317 963 201018 0766532201574466519 167 201124 497937341845342425 922 2012269891 243524837552728 928 201327 8901 356634988674832 076 201428 9031 4536781179785933 405
35 000r
^30 000
•25 000
g20 000
_15 000
310000
S 5 000
俗0当兵祝福语大全
2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014
年份
A客 B客 C客 A货_B货_C货■D货_E货
图1机场收费站年平均日交通量增长趋势在预测期限内，道路上的各运输方式不存在重 大变化，交通量预测时不考虑转移交通量。诱增交 通量为趋势交通量的10;。预测结果显示机场收 费站完成改扩建后，出口第10年（2025年）交通量将达到39 12= pcu/d，第15年（2030年）交通量将达 到 50 940 p c u/d(见表 2)。
历年交通量小时分布数据显示，机场高速公路 高峰小时交通量约占全天交通量的10;，出入口不 均衡系数采用0:5。考虑到航班高峰期经常出现 间歇性交通堵塞，高峰期入口交通量按照预测交通 量的1.5倍计算。依据《高速公路收费站及收费广 场设计规范(报批版）》，考虑到E T C收费服务能力 是人工收费服务能力的5〜8倍，高峰时段的标准车 型入口平均服务时间按6s、出口平均服务时间按 15.计算。根据《河南省高速公路联网监控技术要 求(暂行）》的相关规定，服务水平采用标准值1. 0,
28公路与汽运2016年7月
即每条车道平均等待车辆为1辆。由此得到机场收
费站对应的收费车道数(见表3) &
表2机场收费站交通量预测结果 pcu/d
年份趋势交通量 诱增交通量预测结果
201530 35130430 655
201630 84130831 150
201731 33931331 652
201831 84531832 163
201932 35832432 682
202032 88132933 209
202133 41133433 745
202233 95034034 290
202335 47635535 831
202437 07037137 441
202538 73738739 124
202640 47840540 883
202742 29742342 720
202832 88146246 647
202948 26348348 746
203050 43550450 940
表3机场收费站收费车道数
年份
交 通 量/小时交通量/收费车道数/条(pcu •d_1)(pcu •h_1)人口出口
202032 8811 80876 202538 737 2 13098 203050 435 2 7741310注：平均等待车辆数为1辆。
受用地限制，在减少征用土地的情况下，可考虑 在原有收费站布置的基础上按“13 +10”车道布局，含2条E T C收费车道；人工收费车道实施复式收费 模式(一岛双亭），实施复式收费后单个收费车道的 通行能力可提高1：倍左右。该布局模式能满足未 来年机场收费站高峰小时通行需要。收费车道优化
布局方案见图2，实施效果见图3。
4结语
该文针对河南省高速公路收费站日渐突出的拥 堵问题，提出基于车辆服务时间的高速公路车辆车 型折算标准；以交通量预测为基础，考虑河南省 ETC车道实施实际情况，依据排队论模型优化布局
图3机场收费站收费车道优化布局效果图
机场收费站收费车道。收费车道的布局优化将有效提高机场收费站通行能力，缓解目前收费拥堵状况。但“十三五”时期河南省将推广E T C车辆，需增加E T C收费车道，如何在交通量预测的基础上进一步优化布局E T C收费车道和人工收费车道，还有待进一步研究。
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收稿日期'015— 09 —
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