面向全量交通流的高速公路收費(fèi)站解堵保暢技術(shù)方案研究

賀新光 劉玲慧

摘要：近年來，各地高速公路收費(fèi)站存在常態(tài)擁堵、高峰期擁堵等問題。文章對多省份收費(fèi)站擁堵情況進(jìn)行了調(diào)研分析，依托自由流收費(fèi)的推廣應(yīng)用，提出了ETC特情誘導(dǎo)、ETC預(yù)交易、CPC卡預(yù)計(jì)費(fèi)+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(jīng)運(yùn)營數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(guān)鍵詞：全量交通流；解堵保暢；ETC預(yù)交易；CPC卡預(yù)計(jì)費(fèi)

中圖分類號：F542文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

高速公路收費(fèi)站一般設(shè)置于城市周邊，是聯(lián)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(jié)點(diǎn)。隨著2020年12月疫情管控的全面放開，公眾出行需求呈現(xiàn)“報(bào)復(fù)性”增長，高速公路收費(fèi)站擁堵問題日益突出，給高速公路的運(yùn)營管理和公眾出行體驗(yàn)造成嚴(yán)重影響。

本文根據(jù)國內(nèi)高速公路收費(fèi)站調(diào)研，分類分析收費(fèi)站擁堵原因，在用地資源緊張、車道擴(kuò)建難度大的前提下，提出了成本節(jié)約型高速公路收費(fèi)站智慧擴(kuò)容方案，對緩解收費(fèi)站擁堵、減輕運(yùn)營管理壓力、提升公眾出行體驗(yàn)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(fèi)站調(diào)研，擁堵情況主要呈現(xiàn)常態(tài)化全車道擁堵、電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)（Electronic Toll Collection，ETC）專用車道不規(guī)律擁堵和ETC/MTC車道高峰期排隊(duì)等特征。主要有以下原因。

1.1 車流量遠(yuǎn)超收費(fèi)站通行能力，產(chǎn)生常態(tài)擁堵

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，車輛保有量大幅增加。受限于用地資源，收費(fèi)站的車道數(shù)量難以無限擴(kuò)張。當(dāng)車流量過大，尤其是節(jié)假日免費(fèi)通行時，收費(fèi)站出現(xiàn)常態(tài)化擁堵。

1.2 ETC專用車道特情頻發(fā)，快速通道通行不暢

車道設(shè)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(chǎn)生倒車、調(diào)頭等現(xiàn)象^[1]，從而造成收費(fèi)站擁堵。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(kuò)大。

1.3 ETC/MTC車道繳費(fèi)時間長，排隊(duì)現(xiàn)象突出

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

2 設(shè)計(jì)思路

高速公路收費(fèi)站擁堵問題主要是收費(fèi)站通行效率不夠高，成為限制高地交通轉(zhuǎn)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(fèi)站整體通行效率，實(shí)現(xiàn)收費(fèi)站解堵保暢的目標(biāo)。高速公路收費(fèi)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(yàn)證等措施，通過增加交易次數(shù)、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(yàn)證

通過建立匝道/主線ETC門架，將名單驗(yàn)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(jìn)行驗(yàn)證和對未交易成功的車輛再次交易，減少了車道軟硬件設(shè)備的工作強(qiáng)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(jù)匝道/主線ETC門架預(yù)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(bào)板發(fā)布提示信息，提前誘導(dǎo)特情車輛行駛混合車道。

2.2 面向非ETC車輛

通過計(jì)費(fèi)前移、提前自助繳費(fèi)、車道投卡驗(yàn)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(jì)費(fèi)等功能前移至ETC門架，提前計(jì)算非ETC車輛的通行費(fèi)用。駕駛員在收費(fèi)廣場排隊(duì)時掃碼支付通行費(fèi)，若收費(fèi)系統(tǒng)驗(yàn)證投入CPC卡內(nèi)信息與繳費(fèi)信息一致，則允許放行。所提方案有效縮短了單車的服務(wù)時間。

3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 方案目標(biāo)

本文方案以ETC車輛和非ETC車輛全量交通流為對象，以系統(tǒng)性提升為思路、ETC技術(shù)應(yīng)用為手段，強(qiáng)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(fèi)站運(yùn)行安全、通行效率和出行體驗(yàn)水平。

3.2 方案構(gòu)成

本文方案主要包括ETC預(yù)交易門架系統(tǒng)、ETC特情誘導(dǎo)系統(tǒng)、掃碼付系統(tǒng)、車道系統(tǒng)等。

3.2.1 預(yù)交易門架系統(tǒng)

ETC預(yù)交易門架系統(tǒng)設(shè)置在收費(fèi)站出入口前匝道/主線，對入口ETC車輛預(yù)標(biāo)記/出口ETC車輛預(yù)交易、出口CPC卡預(yù)計(jì)費(fèi)等。

（1）入口ETC車輛預(yù)標(biāo)記/出口ETC車輛預(yù)交易。

預(yù)交易門架RSU天線讀取ETC車輛OBU信息，進(jìn)行OBU有效性、用戶卡有效性、OBU和用戶卡發(fā)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(xiàng)不成功，則不寫入入口標(biāo)記/出口交易信息；若成功，則寫入入口標(biāo)記/出口交易信息。

（2）出口CPC卡預(yù)計(jì)費(fèi)。

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

3.2.2 ETC特情誘導(dǎo)系統(tǒng)

在收費(fèi)站廣場前設(shè)置可變情報(bào)板，ETC特情誘導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)布預(yù)交易門架已鎖定的ETC特情車輛的車牌信息，提前誘導(dǎo)特情車輛行駛至ETC/MTC車道。

3.2.3 掃碼付系統(tǒng)

駕駛員通過廣場設(shè)置的二維碼繳費(fèi)，錄入車輛車牌號碼，查詢需繳納通行費(fèi)，通過第三方支付平臺進(jìn)行繳費(fèi)，繳費(fèi)成功后返回支付提示，通行費(fèi)實(shí)時（自然日/隔日）進(jìn)入省聯(lián)網(wǎng)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(fèi)。

3.2.4 車道系統(tǒng)

車道系統(tǒng)包括ETC專用車道系統(tǒng)和ETC/MTC車道系統(tǒng)。

（1）ETC專用車道系統(tǒng)。

ETC專用車道在島頭島尾設(shè)置雙天線，增加收費(fèi)交易次數(shù)，以提升交易成功率。車輛從主線駛?cè)胧召M(fèi)車道，島頭路側(cè)單元（Road Side Unit，RSU）天線對預(yù)標(biāo)記/交易車輛OBU進(jìn)行核驗(yàn)，若驗(yàn)證通過，則抬桿放行，島尾天線無操作；若驗(yàn)證不通過，則系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)記/交易。島尾RSU天線對島頭標(biāo)記/交易的車輛OBU進(jìn)行核驗(yàn)，若驗(yàn)證通過后，則抬桿放行；若驗(yàn)證不通過，則再次進(jìn)行標(biāo)記/交易，標(biāo)記/交易成功則放行，標(biāo)記/交易不成功提示人工處置。

（2）ETC/MTC車道系統(tǒng)。

車道系統(tǒng)根據(jù)車牌識別與司機(jī)投入的CPC卡內(nèi)信息進(jìn)行比對，比對一致且已繳費(fèi)成功，抬桿放行。對未繳費(fèi)車輛進(jìn)行攔截繳費(fèi)，可人工或者自助繳費(fèi)。

3.3 設(shè)備布局

按照匝道/主線、收費(fèi)廣場、收費(fèi)車道分段描述設(shè)備布局方案，如圖2所示。

3.3.1 匝道/主線設(shè)備布局

（1）設(shè)備布設(shè)及功能。

按來車方向順序，匝道/主線2套門架進(jìn)行如下設(shè)置。

第一套門架，每車道（含應(yīng)急車道）面向來車方向設(shè)置1套RSU天線、1套車型車牌抓拍一體機(jī)，主要完成ETC車輛預(yù)交易、CPC卡預(yù)計(jì)費(fèi)、車型車牌數(shù)據(jù)獲取等功能。

第二套門架，安裝可變情報(bào)板，用于發(fā)布特情車輛誘導(dǎo)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(fā)布門架到收費(fèi)車道距離測算方法：根據(jù)《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線第3部分：道路交通標(biāo)線》（GB5768.3—2009）中規(guī)定，120 km/h速度變換1個車道所需最短距離140 m。連續(xù)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(yīng)酌情延長。

根據(jù)ETC車輛OBU信息讀取、驗(yàn)證反應(yīng)時間和人的閱讀時間，結(jié)合車輛行駛速度，確定預(yù)交易門架和信息發(fā)布門架的最小距離。根據(jù)收費(fèi)系統(tǒng)調(diào)研，從ETC天線讀取車輛OBU信息、經(jīng)后臺比對到情報(bào)板信息發(fā)布，時延約1 s；人的閱讀速度是300字/min，讀完情報(bào)板內(nèi)容20字約需4 s。在120 km/h的車速下，識別與誘導(dǎo)門架間距應(yīng)不小于166.6 m。

3.3.2 收費(fèi)廣場設(shè)備布局

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

3.3.3 收費(fèi)車道設(shè)備布局

ETC專用車道布設(shè)島頭島尾采用L型立柱安裝RSU天線。

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

4 應(yīng)用效果

本解堵保暢方案在河南收費(fèi)站落地實(shí)施。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，實(shí)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(fèi)站出入口共計(jì)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(fèi)站交通流超過設(shè)計(jì)極限流量，長時間處于超飽和狀態(tài)，是擁堵的主要因素。

4.2 實(shí)施歷程

2022年，該收費(fèi)站完成ETC預(yù)交易系統(tǒng)和ETC特情誘導(dǎo)系統(tǒng)建設(shè)，有效降低了ETC專用車道特情車輛的影響。2023年，該收費(fèi)站完成CPC卡掃碼付系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了收費(fèi)站全量交通流的通行效率提升。

4.3 實(shí)施效果

通過改造前后運(yùn)營數(shù)據(jù)調(diào)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(shí)施效果顯著。

4.3.2 縮短了ETC/MTC車道服務(wù)時間，排隊(duì)現(xiàn)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(wù)時間約提升33%。

5 結(jié)語

在土地資源和經(jīng)濟(jì)資源限制的情況下，本文方案深入分析了高速公路收費(fèi)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(shí)現(xiàn)了在“小改造、大提升”的原則下全面提升收費(fèi)站運(yùn)行安全、通行效率和出行體驗(yàn)水平的目標(biāo)，實(shí)際落地應(yīng)用效果顯著。

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展和感知、計(jì)算、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備的研發(fā)，技術(shù)方案應(yīng)進(jìn)一步更新升級。同時，研究應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化運(yùn)營管理體制機(jī)制，以匹配無人化、少人化的發(fā)展趨勢，逐步實(shí)現(xiàn)全路網(wǎng)自由流通行的終極目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]羅煜，何子牛，陳鍶，等.基于ETC自由流多措疏堵的應(yīng)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(yīng)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(fèi)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(qiáng)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