高速公路收費廣場的設計

吳涵

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714103

摘要：本文將排隊理論和道路規范相結合，對收費廣場附近的交通情況進行建模，使用AutoCAD設計出收費廣場的形狀、大小和路障前后的歸并區，以及研究無人駕駛車輛的發展對收費站的影響。最后根據所建立的模型以及實際中存在的一些問題向收費公路管理局提出合理化建議。

關鍵詞：排隊理論；道路規范；AutoCAD

一、問題研究背景

路障收費是設置在高速路的一系列收費亭，與交通流的方向垂直，為了盡可能地不影響單位時間交通流，通常收費亭要比進入車道多。收費區需要設置路障的區域，包括路障前的扇形離開區域、路障和路障后的扇形進入區域。汽車從正常行駛車道進入收費區到最后回到正常行駛車道的整個過程為：準備進入收費站，減速進入收費區，排隊等候服務，接受服務（繳費），加速離開收費區，進入正常行駛軌道。

二、模型建立與求解

假設高速公路的每個行車方向有L條車道，B個收費亭，且B>L。查閱相關資料[1]可以得出事故發生率、車輛出入量、建設費用這三個條件直接影響著收費站的形狀、大小、路障前后的歸并區。

圖（1） 車輛進出收費站的流程

以雙向六車道為研究對象，查閱相關規范[2]取ADT為60000、D為0.5、K為10%，車道交通量DHV=ADT×D×K=3000（pcu/h），通過計算可得平均等待車輛為2.28輛，服務水平滿足要求，擬采用12條收費車道，單向采用6條。收費道取20m，從收費廣場向標準寬度路段過渡的漸變段，要求能夠使車輛順暢行駛。設Ls1為合流區長度，S為漸變段寬度，根據路線設計規范規定收費廣場在主線上時，廣場收斂漸變率需大于3～4，所以Ls1=4S=38.4m，由于高速路左右兩側為對稱，所以分流區與合流區的長度為L=Ls1+Ls2=2×38.4=76.8m，取整為80m。

確定路障前后的歸并區的形狀：緩和曲線通過其曲率逐漸變化，可更好地適應汽車轉向的行駛軌跡；汽車從一曲線過渡到另一曲線的行駛過程中離心加速度逐漸變化，緩和曲線可作為超高和加寬的過渡段。所以從安全性考慮，在路障前后的歸并區采用緩和曲線進行過渡。緩和曲線的計算：查閱相關規范[3]可以得出Ls1=R/9～R，由上面計算的Ls1=59.85可求出R=59.85～540m，當半徑越大時的所需要的面積越小，但是收費亭的數目也相應減小，綜合考慮取R=400m。

當進入收費區的分流區時，為求L1的長度，假設汽車的有效長度為3m，若所有車排滿收費廣場時，單向三車道每一個車道有n輛車，則總車數為3n，進入收費道路時，每道路平攤3n÷6=0.5n，為防止排隊造成的擁擠導致通行能力降低，按上述算的平均來車時間為1.2s，查閱相關資料[3]得出收費站的平均服務時間為5s，汽車進入收費區的限制速度為v=30km/h，L1≥64m，綜合考慮取L1=70m。根據所建立的模型可確定雙向六車道收費站的形狀大小，如圖所示：

圖（2） 雙向六車道收費站的設計

三、無人駕駛車輛的發展對收費站的影響

把無人駕駛車輛的發展分為三個階段：初期、中期、末期。在初期時從安全方面和通行能力方面考慮，把靠近道路內車道上的收費站作為無人駕駛車輛和網上繳費車輛專用的收費站，并且把人工收費車道設置成階梯分布。中期時，無人駕駛車輛的速度會有所增加，收費亭的個數會相應減少，且電子收費亭的形狀、占地面積也會減小。末期時，無人駕駛車輛可以不設收費亭，只需劃定一個收費區，利用網上收費系統對駛入車輛進行收費。

四、合理化建議

（1）對于一些交通流較大的高速公路，可在進入收費站的路段上設置加寬來有效緩解交通的擁擠，當車輛較多時可以使車輛進入緩和曲線區進行等待服務，增加了可排隊的空間和收費亭，這樣可在很大程度上提高道路通行能力和安全系數。

（2）利用緩和曲線的曲率逐漸變化使汽車行駛更加平穩的優點，采用緩和曲線段來設計合并區，可提高行駛的安全性，在路障區前后加入減速區和加速區，可更好地解決擁擠帶來的通行能力不足的問題。

參考文獻：

[1]曹園園.高速公路收費站的通行能力和服務水平[J].北京公路，2004，（6）：1013.

[2]中交第一公路勘察設計研究院.公路路線設計規范（JTG D202006）.北京：人民交通出版社，2006.

[3]中建標公路委員會.公路工程技術標準（JTG B012003）.北京：人民交通出版社，2004.