客貨車分流通行的收費站通行能力研究＊

李巧茹 陳 亮 刁文文

（河北工業大學土木工程學院1） 天津 300401） （河北省土木工程技術研究中心2） 天津 300401）

0 引 言

目前我國絕大多數高速公路采用收費通行模式，因此收費站是高速公路系統重要的組成部分．高速公路收費站是高速公路交通流的“瓶頸”，在來車強度較高的時段，收費站的通行能力將會直接影響到上游路段的通行能力，從而在總體上制約高速公路的交通運行狀況．因此，研究如何提高收費站的通行能力將為解決高速公路暢通提供保證，為收費站的規劃及設計改進提供理論支撐．目前，對于公路收費站的通行能力，國內外學者均作了一定的研究．全世界140 000km收費公路中100 000km在中國，美國及其他發達國家收費公路所占比例較小，因此對收費站通行能力的研究相對較少．美國、日本等國部分學者以等候理論為基礎，經過等候理論模型推導，求出收費站平均每車等候時間與平均車輛等候長度，從而評估了收費站的服務水平［1－2］．我國對高速公路收費站通行能力的研究起步較晚，但也取得了一些成就．丁創新、曾應昆［3］建立了收費站的排隊模型，在深入分析實地調查數據的基礎上，應用M／G／K模型，計算出了收費站的最大服務交通量，并提出了分析收費站通行能力的方法．杭文、何杰［4］通過對交通流運行特性和分布特性的分析，建立了公路收費站通行能力的系統動力學仿真模型，對高速公路收費站的通行能力進行了研究．

從目前來看，收費站依然是高速公路的通行瓶頸，收費站的通行能力亟待進一步提高．尤其對于承擔著重要運輸任務的國道主干線高速公路，如青銀高速、京珠高速、連霍高速由于大量物流運輸貨車的混入，使得整條高速公路的通行能力大大降低．本文針對此種現象，提出了高速公路車輛進入收費站前的客貨車強制分流系統，并計算了指示標志設置的位置以及強制減速區域的長度，提高了收費站的通行能力．

1 強制分流設施的合理設置

為了提高高速公路收費站處的通行能力，應加強車輛進入收費站前的強行客貨分流．車輛在高速公路主線上行駛時，由于道路等級高，線形平穩，車輛之間側向干擾小，車速快，在進入收費站之前將貨車與小型車進行強制分流，必須在收費站前合適的位置設置相應的減速設施，同時在設施前方合適的位置設置醒目的道路指示標志和標線．

1．1 減速指示標志設置的要求及位置

由交通心理學可知，駕駛員對限速標志的反應過程主要分為發現、認讀、理解和行動4個階段，在這4個反應過程中，駕駛員需要花費一定的時間來執行，同時車輛會有一定的制動距離．根據駕駛員對限速標志的這一獲取過程，限速標志在確定設置位置點時，要考慮駕駛員的這4個反應特性．如圖1駕駛員對限速標志的認讀過程所示，車輛行進方向如圖中箭頭所示．正常情況下，駕駛員在L段距離內依據標志牌所載信息完成對所駕車輛實施操作的相關動作，如使行駛車輛減速、改變行駛方向等．

圖1 指示標志設置位置示意圖

設從G點到M點的距離為駕駛員讀完標志后距離a（簡稱為讀完后距離a）；從K點到標志M點的距離為駕駛員可操作距離m（簡稱為可操作距離m）；從R點到標志M點的距離為對標志的視認距離S；從標志M點到P點的距離為標志設置的前置距離D（簡稱為前置距離D）．由于讀完后距離a與標志的設置地點相關，而可操作距離m則主要與駕駛員自身的生理、心理特性相關，如果讀完后距離a與可操作距離m相等或比其短，就意味著駕駛員在讀完標志后沒有時間從容地對所獲信息進行分析判斷．

為了保證駕駛員能夠有效地利用交通標志傳遞的信息，駕駛員讀完信息后距標志牌的距離必須大于可操作距離．在實際應用中：（1）除安置在門架上的標志外，其他標志的設置位置一般與駕駛員的正前方視線斜偏一定角度；（2）駕駛員從交通標志獲得信息后，對所駕車輛實施的操作主要為行駛中的車道變換及車速改變，根據汽車行駛理論，行駛中車輛車速變化過程中行駛的距離為：（v22－v21）／（2a）；因此，理論上駕駛員有效利用交通標志傳遞信息的條件為：

式中：（n－1）L＊為變換車道的距離；v1為E點的速度；v2為P點的速度；a為減速度．

若在較短時間內加速度沒有變化，推導出車道變換的時間Δt：

式中：Δt為車道變換所需時間；β為車輛變道時的轉向角；x為車道寬度；v為變道車輛的速度．由此可以求出變道所需要的距離y：

對于轉向角β的調查［5－7］表明，在高速公路上β值一般不大于1．6°．當速度增加時，轉向角β減小．對大量調查數據擬合，得出轉向角與車速的線性模型：

根據高速公路小型車及大貨車的平均行駛速度及不同車型的制動性能，以及到達P點的限制速度，可以計算出對于小汽車指示標志的前置距離為286m，大貨車的前置距離為258m，又需滿足兩種車型均可通過，因此交通標志的設置距離約為前方300m處．為防止駕駛員短暫性遺忘，建議在收費站前方500m處加設一個減速標志牌．

1．2 減速設施的設置

為了達到強制分流小型車與大貨車的目的，并且保證減速帶的耐久性及安全性，本文選用駝峰式橡膠減速帶．振動減速帶縱斷面為圓弧狀，高度為20mm．為了保證限速的質量并避免車輛速度過快對限高設施造成破壞，需要設置減速區域，確保所有車輛到達限高標志前車速達到預定要求．根據目前高速公路行車的特性（小型車車速110km／h，大貨車90km／h），以及車輛的減速度3．5m／s2，可以求得車輛在強制減速區域的行駛距離為80m，因此前置減速區域的距離應該大于等于80m，本文選取100m．

1．3 車速反饋標志的設置

車輛通過減速帶以后還應設置一個車速反饋標志，該標志通過靜態交通標志和動態實時車速顯示相結合，明確提示駕駛人需要注意的事項，在較遠位置提醒駕駛員注意，同時反饋行駛車輛的速度，警告駕駛員放慢車速．

1．4 強制限行措施的設置

本文采用的強制限行設施為限高架．為了達到客貨分流，在收費廣場前端內側設置兩條專供小型車使用的車道．目前我國大貨車的一般高度為2．2m，為限制大貨車通行，每隔10m設置一個高度為2m的限高架，共設3個，以加強限高的強制性；在限高架外側沿線加黃色反光警示標志以提醒貨車駕駛員．

根據以上分析，設計出具體的強制分流設施系統結構圖見圖2．

圖2 強制分流結構示意圖

2 用VISSIM仿真比較采用強制分流設施前后收費站通行能力

2．1 VISSIM微觀仿真模型參數的標定

為了使交通流模擬仿真更加接近實際交通情況，對微觀仿真模型參數的標定具有重要的意義．根據本文的研究對象，主要包括對高速公路交通規則、駕駛員特點和參與交通流仿真的各種車型參數標定．我國研究者對仿真模型參數標定與校正的方法有正交試驗法、遺傳模擬退火啟發式算法、SPSA算法等，校正結果基本相似．本文在結合以上文獻參數標定成果的基礎上，結合本文的研究特點，對參數進行以下標定．

本文采用的跟馳模型為VISSIM軟件中Wiedemann99模型．此模型是 Wiedemann于1999年專門針對城際快速路、高速公路等開發設計的模型，Wiedemann99模型的大部分參數基本滿足高速公路交通流運行的特征．此模型的主要參數見表1．

表1 Wiedemann99跟馳模型參數標定

此外，Wiedemann99跟馳模型還包括2個外部駕駛員參數：前視距離、觀察車輛數．駕駛員前視距離設為0～299．63m，觀察車輛數使用默認值2．

2．2 強制分流設施設置前后收費車道通行能力仿真比較

仿真路段選取某單向雙車道的高速公路，在出口處有2條收費車道．其中第一次仿真為未設置分流設施，第二次仿真為采用強制分流設施以后，2次仿真通過設置路徑決策對前兩條收費車道的通行車輛進行限制，實現強制分流設施的仿真．通過仿真計算得到車輛排隊長度、時間延誤等參數．

我國高速公路規定的行駛速度為60～120 km／h，本文根據實際車輛行駛速度采用85～120 km／h．車輛到達收費站以后排隊交費通過收費站，其中根據調查得知小型車通過收費站的服務時間設置為12s，大貨車通過收費通道的服務時間為20s．仿真采用的車型比例按照小型車：貨車比例為72∶28．其中第1次仿真的效果圖見圖3．

圖3 第1次仿真結果圖

在進行第2次仿真的過程中，只需要在路徑決策的設置中對前2條收費車道的通行車輛進行限制即可實現強制分流，其他設置不變．

本文在仿真過程中選用的評價指標包括行程時間、車輛延誤、排隊長度．在排隊長度統計輸出中包括平均排隊長度、最大排隊長度和停車次數3個基礎數據．仿真輸出結果略．

從仿真結果可以看出，第1條收費車道的平均排隊長度的最大值由80變為64，第2條由34變為26，第3條沒有變化，第4條尤其明顯，由39變為4．仿真結果顯示在采用強制分流設施后每一條收費車道的通行能力都得到了不同程度的提高．

2次仿真車輛延誤的統計情況由于篇幅所限，略．延誤時間的測量由一個或幾個行程時間的測量定義，與選擇的車輛類別無關，所有這些車輛能被行程時間檢測器檢測到的同時也能被延誤時間檢測器檢測到．延誤時間檢測的定義為：同理想的行程時間相比（沒有其他車輛，無信號控制），在一個或一些路段上計算的所有觀測車輛的延誤時間的平均值．延誤就是車輛總延誤的平均值．

分別選擇2組數據的第1列，即小型車在內側車道的延誤時間．其中，檢測路段為減速漸變段的開始到加速漸變段的結束，根據仿真軟件中延誤的定義可以發現，在仿真時間內每一輛車的平均延誤時間減少了3．875s．每輛車的平均停車時間在輸出結果表格中已經明確顯示，未設置強制分流設施車輛通過收費車道的平均停車時間為81．7s，而采用強制分流設施后車輛通過收費車道的平均停車時間為63．2s，在停車次數方面，未設置強制分流設施時平均停車2．34次，而采用強制分流設施后平均停車2．11次．大型車通過收費站的平均停車時間由129．6s減少到了71s，而平均停車次數由3．25次減少到了2．6次．因此，設置強制分流設施是有效提高收費站通行能力的技術措施．

通過2次仿真所得數據可計算出采用強制分流設施以后，平均每條車道的排隊長度減少了35%，車輛通過收費車道的平均停車時間減少23%．因此，無論是在排隊長度方面，還是在時間延誤方面都得到明顯的改善，證實了設施設置的有效性．

3 結束語

為提高高速公路收費站的通行能力，本文提出了客貨車強制分流系統（包括指示標志、強制減速設施、速度反饋標志、強制限行設施），根據高速公路小型車及大貨車的平均行駛速度及不同車型的制動性能等計算出指示標志設置合理的位置以及強制減速區域的合理長度．并且應用VISSIM軟件對采取強制分流設施前后收費站的通行能力進行仿真模擬比較，選取排隊長度和車輛延誤時間作為評價指標，證實了設置分流設施可以有效的減少每條車道排隊長度，減少收費車輛平均停車時間，從而有效提高收費站的通行能力．

［1］TURNER D J．Traffic characteristies of rural motorwas［J］．Traffic Engineering ＆ Control，1983（5）：55－58．

［2］YANG Q，TSOPOULOS H N．A microscopic traffic simulator for evaluation of dynamic traffic management systems［J］．Transportation Research，Part C，1996，4（3）：113－129．

［3］丁創新，曾應昆．高等級公路收費站通行能力分析［J］．昆明理工大學學報：理工版，2005（2）：91－94．

［4］杭 文，何 杰．基于仿真的公路收費站通行能力研究［J］．交通與計算機，2007（2）：60－66．

［5］章 玉，于 雷，趙娜樂，等．SPSA算法在微觀交通仿真模型VISSIM參數標定中的應用［J］．交通運輸系統與工程，2010，10（4）：44－49．

［6］陳 斌，郭遠輝．高速公路車道變換仿真模型［J］．西華大學學報：自然科學版，2007（1）：35－40．

［7］廖 固．高速公路收費站通行能力分析［J］．公路工程，2010（6）：153－156．