面向全量交通流的高速公路收費站解堵保暢技術方案研究

賀新光 劉玲慧

摘要：近年來，各地高速公路收費站存在常態擁堵、高峰期擁堵等問題。文章對多省份收費站擁堵情況進行了調研分析，依托自由流收費的推廣應用，提出了ETC特情誘導、ETC預交易、CPC卡預計費+掃碼付等面向ETC車輛和非ETC車輛的全量交通流的快速通行方案。經運營數據統計，特情車輛占比下降86%，ETC專用車道通行效率提升32%，ETC/MTC車道通行效率提升30%。

關鍵詞：全量交通流；解堵保暢；ETC預交易；CPC卡預計費

中圖分類號：F542文獻標志碼：A

0 引言

高速公路收費站一般設置于城市周邊，是聯系普通國省道、市政道路的紐帶，也是車輛行駛速度突變的節點。隨著2020年12月疫情管控的全面放開，公眾出行需求呈現“報復性”增長，高速公路收費站擁堵問題日益突出，給高速公路的運營管理和公眾出行體驗造成嚴重影響。

本文根據國內高速公路收費站調研，分類分析收費站擁堵原因，在用地資源緊張、車道擴建難度大的前提下，提出了成本節約型高速公路收費站智慧擴容方案，對緩解收費站擁堵、減輕運營管理壓力、提升公眾出行體驗感具有顯著效果和重要意義。

1 原因分析

本文通過對河南、江蘇、廣東等多座收費站調研，擁堵情況主要呈現常態化全車道擁堵、電子不停車收費系統（Electronic Toll Collection，ETC）專用車道不規律擁堵和ETC/MTC車道高峰期排隊等特征。主要有以下原因。

1.1 車流量遠超收費站通行能力，產生常態擁堵

隨著經濟社會的發展，車輛保有量大幅增加。受限于用地資源，收費站的車道數量難以無限擴張。當車流量過大，尤其是節假日免費通行時，收費站出現常態化擁堵。

1.2 ETC專用車道特情頻發，快速通道通行不暢

車道設備可靠性、容錯性不高，ETC車輛由于車載單元（On board Unit，OBU）、卡簽、黑名單等特情造成交易異常，產生倒車、調頭等現象^[1]，從而造成收費站擁堵。據統計，由于特情的影響，ETC專用車道單車通過時間將增加至7倍，后方有跟車時影響范圍擴大。

1.3 ETC/MTC車道繳費時間長，排隊現象突出

ETC使用率達到瓶頸，ETC/MTC車道交通量居高不下。單個車輛繳費時間相較于ETC專用車道更長，ETC/MTC車道排隊情況較為突出^[2]。

2 設計思路

高速公路收費站擁堵問題主要是收費站通行效率不夠高，成為限制高地交通轉換的瓶頸。本文面向ETC車輛和非ETC車輛，開展差異化方案研究，分別提升ETC專用車道和ETC/MTC車道的通行效率，從而提升收費站整體通行效率，實現收費站解堵保暢的目標。高速公路收費站解堵保暢方案研究思路如圖1所示。

2.1 面向ETC車輛

采用交易前移、ETC特情剝離、車道驗證等措施，通過增加交易次數、分散交易壓力、減少車輛交織，本文所提方案提高了ETC專用車道通行效率。

2.1.1 交易前移+車道驗證

通過建立匝道/主線ETC門架，將名單驗證、交易等功能前移至ETC門架^[3]，車道僅需對交易成功的車輛進行驗證和對未交易成功的車輛再次交易，減少了車道軟硬件設備的工作強度，從而提高了交易成功率，提升了ETC車道的通行效率。

2.1.2 ETC特情剝離

根據匝道/主線ETC門架預交易已鎖定的ETC特情車輛的車牌信息，本文方案在可變情報板發布提示信息，提前誘導特情車輛行駛混合車道。

2.2 面向非ETC車輛

通過計費前移、提前自助繳費、車道投卡驗證等措施，所提方案提高了ETC/MTC車道通行效率。

通過建立匝道/主線ETC門架，本文將非ETC車輛的車牌識別、車型識別、CPC卡計費等功能前移至ETC門架，提前計算非ETC車輛的通行費用。駕駛員在收費廣場排隊時掃碼支付通行費，若收費系統驗證投入CPC卡內信息與繳費信息一致，則允許放行。所提方案有效縮短了單車的服務時間。

3 系統方案設計

3.1 方案目標

本文方案以ETC車輛和非ETC車輛全量交通流為對象，以系統性提升為思路、ETC技術應用為手段，強化高效交易、特情剝離，提高交易成功率和特情分離率，全面提升高速公路收費站運行安全、通行效率和出行體驗水平。

3.2 方案構成

本文方案主要包括ETC預交易門架系統、ETC特情誘導系統、掃碼付系統、車道系統等。

3.2.1 預交易門架系統

ETC預交易門架系統設置在收費站出入口前匝道/主線，對入口ETC車輛預標記/出口ETC車輛預交易、出口CPC卡預計費等。

（1）入口ETC車輛預標記/出口ETC車輛預交易。

預交易門架RSU天線讀取ETC車輛OBU信息，進行OBU有效性、用戶卡有效性、OBU和用戶卡發行屬地一致性判定、車卡綁定以及黑名單查詢等判定流程。若任意一項不成功，則不寫入入口標記/出口交易信息；若成功，則寫入入口標記/出口交易信息。

（2）出口CPC卡預計費。

預交易門架RSU天線讀取CPC卡車輛的入口信息、行程累計通行費、上一門架等信息上傳CPC卡預交易平臺。平臺根據這些信息判斷是否異常，若無異常，則計算截至本站點的累計通行費，計算完成將車牌號碼、卡號與計算通行費總額推送掃碼付系統。

3.2.2 ETC特情誘導系統

在收費站廣場前設置可變情報板，ETC特情誘導系統發布預交易門架已鎖定的ETC特情車輛的車牌信息，提前誘導特情車輛行駛至ETC/MTC車道。

3.2.3 掃碼付系統

駕駛員通過廣場設置的二維碼繳費，錄入車輛車牌號碼，查詢需繳納通行費，通過第三方支付平臺進行繳費，繳費成功后返回支付提示，通行費實時（自然日/隔日）進入省聯網公司指定賬戶。即使交易失敗也可在出口ETC/MTC車道正常繳費。

3.2.4 車道系統

車道系統包括ETC專用車道系統和ETC/MTC車道系統。

（1）ETC專用車道系統。

ETC專用車道在島頭島尾設置雙天線，增加收費交易次數，以提升交易成功率。車輛從主線駛入收費車道，島頭路側單元（Road Side Unit，RSU）天線對預標記/交易車輛OBU進行核驗，若驗證通過，則抬桿放行，島尾天線無操作；若驗證不通過，則系統進行標記/交易。島尾RSU天線對島頭標記/交易的車輛OBU進行核驗，若驗證通過后，則抬桿放行；若驗證不通過，則再次進行標記/交易，標記/交易成功則放行，標記/交易不成功提示人工處置。

（2）ETC/MTC車道系統。

車道系統根據車牌識別與司機投入的CPC卡內信息進行比對，比對一致且已繳費成功，抬桿放行。對未繳費車輛進行攔截繳費，可人工或者自助繳費。

3.3 設備布局

按照匝道/主線、收費廣場、收費車道分段描述設備布局方案，如圖2所示。

3.3.1 匝道/主線設備布局

（1）設備布設及功能。

按來車方向順序，匝道/主線2套門架進行如下設置。

第一套門架，每車道（含應急車道）面向來車方向設置1套RSU天線、1套車型車牌抓拍一體機，主要完成ETC車輛預交易、CPC卡預計費、車型車牌數據獲取等功能。

第二套門架，安裝可變情報板，用于發布特情車輛誘導信息，提醒ETC特情車輛前往ETC/MTC車道通行。

（2）門架位置確定。

考慮特情車輛向右變道至ETC/MTC車道，信息發布門架到收費車道距離測算方法：根據《道路交通標志和標線第3部分：道路交通標線》（GB5768.3—2009）中規定，120 km/h速度變換1個車道所需最短距離140 m。連續變換2個車道所需最短距離為280 m，若車流量大，則變道距離應酌情延長。

根據ETC車輛OBU信息讀取、驗證反應時間和人的閱讀時間，結合車輛行駛速度，確定預交易門架和信息發布門架的最小距離。根據收費系統調研，從ETC天線讀取車輛OBU信息、經后臺比對到情報板信息發布，時延約1 s；人的閱讀速度是300字/min，讀完情報板內容20字約需4 s。在120 km/h的車速下，識別與誘導門架間距應不小于166.6 m。

3.3.2 收費廣場設備布局

本文方案僅需在ETC/MTC車道前導流線上設置掃碼付二維碼和操作指引展架，引導駕駛員掃碼支付通行費。

3.3.3 收費車道設備布局

ETC專用車道布設島頭島尾采用L型立柱安裝RSU天線。

ETC/MTC車道在收費亭前或收費亭嵌入式安裝自助投卡機，用于自助回收已掃碼支付的CPC卡。

4 應用效果

本解堵保暢方案在河南收費站落地實施。經統計，實施后ETC特情占比下降86%，ETC專用車道通行效率提升32%，ETC/MTC車道通行效率提升30%。

4.1 基本情況

河南省某高速公路主線收費站出入口共計25條車道，其中入口車道11條（8條為ETC），出口車道14條（7條為ETC）。工作日平均交通量為入口6.75萬輛，出口6.67萬輛，出入口ETC特情車輛占ETC車輛的比例約為5%。每日[07：00，11：00]和[15：00，19：00]時段，收費站交通流超過設計極限流量，長時間處于超飽和狀態，是擁堵的主要因素。

4.2 實施歷程

2022年，該收費站完成ETC預交易系統和ETC特情誘導系統建設，有效降低了ETC專用車道特情車輛的影響。2023年，該收費站完成CPC卡掃碼付系統建設，實現了收費站全量交通流的通行效率提升。

4.3 實施效果

通過改造前后運營數據調研分析，主要有以下2個方面效果。

4.3.1 降低了ETC特情比例，ETC專用車道通行效率提升

改造后，出入口日均流量增加0.23萬輛，其中ETC車輛增加0.04萬輛，ETC特情車輛減少0.45萬輛，特情率由5%下降至0.7%，在總交通量變化不大的前提下，ETC特情占比下降86%，通行效率提升32%，實施效果顯著。

4.3.2 縮短了ETC/MTC車道服務時間，排隊現象明顯緩解

改造后，出入口日均非ETC車輛增加0.19萬輛，ETC/MTC車道車輛平均通行時間由每輛30 s縮短至21 s，車道服務時間約提升33%。

5 結語

在土地資源和經濟資源限制的情況下，本文方案深入分析了高速公路收費站擁堵的根本原因，提出了面向ETC車輛和非ETC車輛的全量交通流解堵保暢方案，實現了在“小改造、大提升”的原則下全面提升收費站運行安全、通行效率和出行體驗水平的目標，實際落地應用效果顯著。

隨著人工智能、大數據、云計算等技術的發展和感知、計算、工業機器人等設備的研發，技術方案應進一步更新升級。同時，研究應進一步優化運營管理體制機制，以匹配無人化、少人化的發展趨勢，逐步實現全路網自由流通行的終極目標。

參考文獻

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

[2]郝杰鵬，陳忠元，翟曉光，等.高速公路入口疏堵解決方案及應用[J].中國交通信息化，2022（4）：133-137.

[3]周玲，龍開紅，陳洽堯.高速公路收費站擁堵緩解方案探究[J].中國交通信息化，2022（4）：138-142.

（編輯 沈 強編輯）

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