第七章收费站通行能力分析

110第七章收费站通行能力分析公路建设是耗资巨大的基础设施项目，只靠政府的投入是远远不够的，公路收费不仅是回收建设投资的手段，而且也有利于交通设施的日常经营及维修养护，随着越来越多的收费高速公路及其它一些收费公路的建设，收费站的规划设计对公路上交通运行的影响越来越得到了人们的重视。目前世界上10万多km的高速公路中大约有25％是用征收通行费偿还贷款的方法建成的，许多国家都取得了这方面的成功经验。我国在改革开放以前将近40年的时间在公路建设方面的投资很少，国家主干线公路的基本建设主要依赖国家的投资，因此公路建设缓慢，公路等级偏低。改革开放以来，实行了集资、分级管理体制建设公路。在筹资方面，除贷款方式外，还引进了BOT模式、发行公路债券、股票等形式，公路收费必然成为公路建成后偿还资金的重要手段。我国实行贷款道路收费制度已有10多年的历史，这一制度的实施对我国公路尤其是高速公路建设的迅猛发展起了极大的推动作用。建设收费道路必须建设相应的收费系统，收费系统最主要的组成部分是收费站。收费站是指为收取对通行车辆规定的通行费用的设施，通常由收费广场、收费车道、收费岛、收费亭、地下通道、收费遮棚、收费监控楼和其它一些配套设施构成。收费站的大小和收费车道的多少对建设时期的土建投资以及运营时的收费人员的配置具有决定性的影响。由于我国目前常用的收费方式仍需要通行的车辆停下来缴费，这样会对自由交通流产生很大的影响，造成相应的延误。如果交通需求大于收费广场的通行能力，收费广场将成为交通的“瓶颈”，将导致等候车辆延误时间大大增加，等候车队不断向后延伸，降低了收费广场的服务水平，减少了收费道路经营者的收入，同时也给环境造成了极大的废气污染等问题。故收费广场的规划、设计与运营管理必须配合主线、匝道交通量，应整体考虑，尽量避免形成交通“瓶颈”，所以收费广场的通行能力为收费公路的规划、设计与营运管理提供了重要的基本数据。我国关于收费站通行能力的研究尚处于起步阶段，在理论研究和实践经验方面尚落后于发达国家，我国收费站通行能力研究的主要目的是研究我国公路收费站交通的交通特点、交通特性，并将研究成果应用于公路收费站的规划、设计及运营管理中。第一节概述一、收费站的分类收费站有很多种类，其分类基本上是按照设立的位置、收费制式和收费形式来划分。1．按设立的位置分类依收费站所处的位置可分为主线收费站和匝道收费站。⑴主线收费站主线收费站是指设在主线上的收费站。收费卡门设在高速公路主线上，一般位于高速公路两端出入口，一级、二级公路每一收费路段的端口处或桥梁、隧道、高架路等设施的端口。由于主线上交通量较大，所以主线收费站一般有较多的收费车道。但是对于预期的高交通量会造成收费广场太宽，而使道路用地宽的不切合实际，造成征地困难问题。111⑵匝道收费站匝道收费站是指设置匝道上或联络线上的收费站。收费卡门设在互通式立交的进出匝道上。由于匝道上交通量一般较主线上少，所以相应的收费车道也较少。2．按收费公路的收费制式分类收费制式是指收取道路通行费的位置。目前，世界各国的收费系统常采用的收费制式可分为全线均等收费制（简称均一式，亦称匝道栏栅式）、按路段均等收费制（简称开放式，亦称主线栏栅式）和按互通立交区段收费制（简称封闭式，亦称匝道封闭式）三种。也有些公路部门根据其道路情况采用两种或两种以上制式的混合型，例如常采用的主线/匝道栏栅式（开放式与均一式混合）。⑴均一式均一式是最简单的一种收费制式，收费站一般设置在高速公路的各个匝道出入口和主线两端出入口，用路者不论行驶里程多少，仅需经过一个收费站缴费。收费标准根据车型一个因素确定，与行驶里程无关，而且各个收费站都取同一收费标准。这种收费制式可适用在公路里程比较短的高速公路上。如：适合于城市高速公路和短途城市间的高速公路。⑵开放式开放式收费系统的收费站建在高速公路主线上，一般每隔30㎞～50㎞设置一个收费站，各个匝道出入口不再设收费站，这样车辆可以自由进出，不受控制，高速公路对外呈“开放”状态。每个收费站的收费标准和均一式一样仅根据车型不同而变化，但各收费站的收费标准则因控制距离不等而有所区别，这方面和均一式不同。车辆通过收费站时需停车缴费，长途车辆因经过每个收费站而需多次缴费，体现了依行驶里程决定收费金额的原则。这种收费制式可适用在里程较短或互通立交稀少的高速公路以及收费桥梁、隧道和非封闭的道路。⑶封闭式封闭式收费系统的收费站建在高速公路的所有出入口处，高速公路对外界呈“封闭”状态。目前封闭式收费系统也有采取“入口收费，出口验票”办法的。该方法可防止因某种原因在使用完收费公路后驾驶员闯卡不缴费的现象，也在一定程度上防止了收费人员贪污作弊问题的产生，适合于全人工的收费系统。这种收费制式可适用在道路里程较长，互通立交较多，以及车辆的行驶里程差距较大的封闭式道路。⑷混合式（主线/匝道栏栅式）主线/匝道栏栅式收费系统是开放式和均一式的混合形式，在开放式收费公路的上（或下）匝道上增设收费站，通过每个收费站均收取固定的通行费。主线与匝道收费标准可能不同，且为了避免驾驶员在过短距离内在主线及匝道收费站连续缴费，距主线收费站上（下）游一定范围内的入（或出）口匝道，不再设收费站。这种收费制式可适用在距离长、互通立交间距大、长途行驶车辆较多的道路。3．按收费方式分类收费方式是指收取过路费中的一系列操作过程，涉及到车型的分类、通行券、通行费的计算、付款方式和停车/不停车收费等因素。每种因素又有不同的形式，不同的形式组合成不同的收费方式，但它们之间存在着关联和制约作用。根据收费员参与收费过程的多少，收费方式可分为停车人工收费、停车半自动收费、停车自动收费和不停车自动112收费。⑴停车人工收费停车人工收费是指当车辆到达收费站停下车后，收费过程全部由人工完成的方式，即人工判别车型，人工套用收费标准，人工收钱、找零、给票据。该方式需要用到较多的收费人员且收费程序单调繁琐，但所需设备简单、人工费便宜。而缺点是停车缴费时间长，差错率高、服务水平低，难以杜绝徇私舞弊、贪污等现象。⑵停车半自动收费半自动收费方式是指收费过程由人工和机器共同完成，它通过使用计算机、电子收费设备、交通控制和显示设施代替人工收费方式操作的一部分工作。而停车半自动收费是当车辆到达收费站停下车后，车型可以自动检测，收费还是通过人工进行。这种方式的特点是使用了一些设备代替人工操作，降低了收费人员的劳动强度，将人工审计核算、人工财务统计报表转变为计算机数据管理，极大地减轻了收费人员的劳动强度，使收费公路的收费管理系统化和科学化。目前，我国收费站绝大部分采用此种收费方式。⑶停车自动收费停车自动收费是指当车辆到达收费站时停下车后，收费过程由机器完成，即车型可以自动检测，收费通过磁卡记账缴费，审计核算等工作都通过计算机数据管理。但是该收费方式仍需要车辆在收费站前停下来办理收费手续，还是会造成一定的延误。⑷不停车自动收费不停车自动收费（ElectronicTollCollection，简称ETC）方式是全自动收费方式的一种，全自动收费方式是指收取通行费的全过程均由机器完成，操作人员不需直接介入，只需要对设备进行管理监督以及处理特别事件。其中，不停车自动收费是指利用电子、计算机与通讯技术，使驾驶员不需停在收费站缴费，可以缓解因收费而造成的交通排队现象的技术，是收费方式的发展方向。二、车型分类及车辆折算系数国内外所有的收费公路都毫无例外地对车辆加以分类，按类收取不同的通行费，以保证通行费征收的相对合理性（车类间的公平性）。不同的国家、不同的地区、不同的道路，根据当地的车辆构成、交通量水平、收费目的、分类方法等实际情况，在类别划分上有的简单，有的复杂。因此，任何一条公路在收费前，对车型分类进行研究是必须的，同时，不同的车型分类方法对收费系统所需的硬件、软件要求也不同。车辆分类的主要目标就是要保证车类间收费的公平性，以体现出费用责任意义上的公平性和所得效益上的公平。费用责任意义上的公平概念要求道路使用者的通行费负担应该与道路使用者在使用收费道路的过程中所发生的费用成比例，发生的费用越大其承担的费用责任也应该越大。所得效益上的公平概念是指道路使用者的通行费应该与收费道路使用者所获得的效益成比例，即所获得的效益越大，其通行费负担也应该越大。车型分类的标准主要是依据不同车辆行驶对收费道路路面的破坏程度、对道路建设投资的影响、对收费公路通行能力的影响程度以及车辆行驶收费道路所获得的效益情况。车辆分类越细，则收费越趋合理，有利于吸引交通量。但过细的分类不仅增加了对分类设备或收费人员的要求，种类繁多的收费费率对于先进付费方式来说将带来车道处理能力的下降，进而降低了车道的通行能力。因此，现金付费的收费系统，车型类别一113般取四类、五类或六类，这样可以在核定各收费站收费标准时留有取整的余地（5元或10元的整数倍），避免找零带来的延误，同时也便于人工及机器进行分类以及对车型分类数据的分析。目前我国绝大多数收费系统是以货车额定载重量和客车座位数来进行车辆分类的，如表7-1所示。目前我国典型收费车辆分类表表7-1车辆类型车辆名称车辆判别参数额定载重量（t）座位数N1小型货车m≤2.5小型客车（含摩托车）N≤192中型货车2.5＜m≤7中型客车20≤N≤393大型货车7＜m≤14大型客车N≥404大型货车14＜m≤395特大型货车m≥40这种分类方法对于人工判别较为简单，适用于人工收费系统以及无车辆自动分类装置的半自动收费系统。但由于座位数、额定载重量和车辆几何尺寸并不存在严格的对应关系，又因我国各种改装车辆多，车型多达千种，这就使得根据外形准确判断车辆额定载重量和座位数成为一个难题，由额定载重量和座位数引起的收费标准的争议，在实际运营中经常发生。另外，按额定载重量和客车座位数分类也有不合理的成分，空车和满载车对路面破坏程度显然不一样，座位数并不能准确反映车辆的大小及对路面的破坏程度，例如，某些大型豪华客车车座少，但车身重，功率大且车身长，而某些客车本属于中型客车，但为了多载乘客，内部的座位设定较多，这样都会导致收费失当。而在收费站通行能力研究的车型分类中，为了简化分析计算的工作量，同时，又为了体现不同车型的车辆经过收费站的行为特性的差异，所采用的分类原则是各车型的外形尺寸、动力性能、轴数等。具体的分类如下：⑴小型车：包括两轮摩托车、微型面包车及其改装车、吉普车、客货两用车、小轿车、轻型货车（载重量﹤3.5t）、面包车等；⑵大中型车：载货汽车（3.5t≤载重量﹤8.0t）、大客车、半拖挂、全托挂等；⑶特大型车：大平板车、集装箱运输车、重型载货汽车（载重量≥8.0t）等。考虑到托挂车数量不多，而且不是目前我国汽车产业重点发展的车型，所以在研究时将托挂车归入大型车中。按照以上车型划分，公路收费站的车辆折算系数如下表7-2所示：收费站车辆换算系数表7-2收费形式交费找零流量出口验票流量入口领卡流量小时流量0-70-1400-280-3400-1100-1150小型车1-1-11-1-11-1-1大中型车1.15-1.10-1.051.18-1.13-1.051.22-1.17-1.05特大型车1.45-1.30-1.101.50-1.33-1.101.55-1.38-1.10三、收费站车辆排队理论数学化描述交通流的具体特征是公路收费站通行能力研究的基础和前提，交通流特征的数字化描述的准确程度在很大程度上影响着收费站通行能力研究成果的有效性和适114用性。最早应用于交通流理论的数学方法是概率论，其后又相继出现了跟驶理论、交通波理论（流体动力学模拟）和车辆排队理论。在收费站通行能力研究中，主要采用排队论。随机到达收费站（广场）的车辆，排队后通过收费站的过程，就是数理统计中的排队论问题。排队论也称随机服务系统理论，是研究排队现象的一门科学。相继到达并按一定规则排队等候服务的车辆，正在收费车道接受服务的车辆和收费设施一起组成一个“车辆收费排队系统”。以下将较为详细地介绍收费站车辆排队理论，它是进行收费站通行能力计算、服务水平分析的理论基础。1．基本概