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高速公路EWTC系統(tǒng)場站布設(shè)方案研究

王 磊1,2，周 偉2,3，董敏毅2，趙文博2，張紹陽2

(1.交通運輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088；2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064;3.交通運輸部，北京 100736)

摘要：為了研究更高效的收費站通行方式，采用了基于貨車不停車計重收費系統(tǒng)(Electronic Weight Toll Collection 簡稱：EWTC)的收費方式。通過排隊論的收費站通行能力評價理論對其場站布設(shè)方案進(jìn)行了深入研究，確定了EWTC場站設(shè)計的車道指示牌合理位置、收費半島長度及動態(tài)精稱區(qū)長度等主要技術(shù)參數(shù)，系統(tǒng)提出了貨車不停車計重收費系統(tǒng)(EWTC)場站設(shè)計方案，實現(xiàn)了貨車不停車計重收費、治超、勸返一體的系統(tǒng)功能。結(jié)果表明,在相同流量下該方案和其他類型動態(tài)稱重系統(tǒng)相比通行能力提高5～10倍，顯著改善了貨車計重帶來的收費站擁堵問題。

關(guān)鍵詞：交通工程；場站布設(shè)；通行能力評價； EWTC

0 引言

目前，我國公路動態(tài)稱重系統(tǒng)多采用彎板式稱重設(shè)備，其稱重精度受速度影響很大，加之一些司機有意沖稱、跳秤、S行駛等，導(dǎo)致動態(tài)稱重精度往往超過國家動態(tài)稱重精度的要求，經(jīng)常造成稱重糾紛與收費站的擁堵。為解決這類問題，陜西等省貨車收費廣泛采用靜態(tài)稱重系統(tǒng)，應(yīng)用此系統(tǒng)的收費站點通行能力低，大大降低了道路整體收費效率[1-5]。所以，EWTC系統(tǒng)(Electronic Weight Toll Collection 簡稱：EWTC)的開發(fā)與研究可大大提高收費站通行效率，緩解擁堵減少使用者延誤費用，提高收費管理水平。

電子不停車計重收費系統(tǒng)結(jié)合了電子不停車收費系統(tǒng)(ETC)和動態(tài)稱重系統(tǒng)(WIM)二者的功能，實現(xiàn)了不停車計重與收費的同步進(jìn)行，場站設(shè)計是EWTC系統(tǒng)實現(xiàn)的基本保證，因此研究解決EWTC場站合理布設(shè)問題，對提升收費場站的通行能力、改善貨車計重收費站點的擁堵問題具有重要意義[6-8]。

1 EWTC場站需求分析

EWTC系統(tǒng)設(shè)計整體目標(biāo)旨在通過對過往收費站的車輛進(jìn)行動態(tài)稱重，再由計算機系統(tǒng)根據(jù)預(yù)定的費率進(jìn)行收費，對嚴(yán)重超限車輛限制通行，從而進(jìn)行快速、合理的收費，保證高速公路運輸暢通、延長使用壽命。

EWTC系統(tǒng)設(shè)計考慮將入口治超稱重相結(jié)合并識別車輛IC卡信息，需滿足以下功能：

(1)入口治超稱重、精稱合二為一，檢查核對車輛IC卡，記錄進(jìn)站信息；

(2)出口識別信息、收費；

(3)無卡、無效卡及卡上資金不足車輛變道行駛。

2 EWTC場站設(shè)計參數(shù)研究

2.1 車道主要設(shè)計參數(shù)

2.1.1 EWTC車道寬度

由于收費站收費亭的存在，給快速通過收費站的司機造成視覺和心理上的影響，故EWTC專用車道的車道寬度應(yīng)與常規(guī)車道不同，其寬度確定需考慮：

(1)規(guī)范規(guī)定的車道寬度

依照《高速公路收費站及收費廣場設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，收費通道標(biāo)準(zhǔn)寬度為3.20 m，受限制時可采用3.00 m，ETC車道寬度為3.50 m[1]。

(2)高速車道設(shè)計寬度

重型貨車多為多軸車，考慮到大型車寬度超限，右側(cè)最外車道采用5.0 m。

(3)EWTC收費通道寬度計算分析

①橫向安全距離

根據(jù)波良可夫模型，車道橫向安全距離的計算公式為：

(1)

式中,C為車輛行駛的橫向安全距離；V為車輛行駛速度。

計算時速度V取20 km/h，得到橫向安全距離C=0.5 m。

②EWTC收費通道寬度計算

如圖1所示，進(jìn)行計算。

(2)

式中，a為單車寬度；c為車輪與島臺間距；b為EWTC車道寬度。

依照《超限運輸車輛行駛公路管理規(guī)定》的規(guī)定，車貨總寬度2.5 m以上視為超限運輸車輛。綜合考慮貨車自身寬度及貨車駛?cè)胧召M車道后兩側(cè)后視鏡與收費亭間的安全距離，車身寬度取2.75 m。

由式(1)、(2)計算得到EWTC的車道寬度為3.75 m。

③交通標(biāo)志線和收費亭的不同影響

根據(jù)駕駛員的交通心理需求，汽車后輪邊緣到車道邊線之間的距離應(yīng)滿足：

(3)

汽車后輪邊緣到建筑物的距離應(yīng)滿足：

(4)

由式(3)、(4)得Y1Y2，計算得汽車后輪邊緣到收費亭之間的距離Y2為0.32 m。

由式(1)得橫向安全距離為0.5 m，大于汽車后輪邊緣到收費亭之間的距離0.32 m，故EWTC的車道寬度應(yīng)取3.75 m。

2.1.2 車道標(biāo)志設(shè)置合理位置

(1)入口收費站

入口處標(biāo)志用于提醒車輛根據(jù)情況進(jìn)入各自的車道，應(yīng)設(shè)立在稱重設(shè)備的前方，包括預(yù)檢稱重系統(tǒng)及異常時變道，共需要考慮提示牌視覺消失距離L1、車輛變道行駛距離L2及外側(cè)車輛車頭時距影響L3這3項。

①L1

(5)

式中，h為標(biāo)志頂端到司機水平視線高度；l1為標(biāo)志識認(rèn)距離，一般取250 m;β2為垂直視角，一般取8°。計算時，h取5 m，β2取8°，則L1=286 m。

②L2

(6)

式中，a為加速度，取2 m/s2；Δt為變道所需時間。

(7)

式中，x為變道時移動的橫向長度，2×3.75=8.5 m；β為轉(zhuǎn)向角。

(8)

則計算得轉(zhuǎn)向角β=1.59°，變道所需時間Δt=8 s，變道距離L2為98 m。

③L3

車頭時距服從移位負(fù)指數(shù)分布，標(biāo)志的設(shè)置應(yīng)滿足車輛在L3之間能夠變道的概率不小于α，可表示為：

(9)

式中，P為車輛完成變道的幾率；τ為臨界車頭時距，取3 s；tm為最小車頭時距，取1 s；λ為最外側(cè)車道車輛的到達(dá)率，取0.11 veh/s。

故滿足變道成功概率所需要的最小空檔數(shù)n為：

(10)

變道成功幾率α=95%,計算得n=1.86，取2。

(11)

式中，S為車輛減速長度；a1為車輛減速度；V1為正常行駛車速，取80 km/h；V2為最低限速(V1>V2)，取60 km/h，則減速距離S為71.9 m。

(12)

式中，f為變換車道數(shù)，取2。根據(jù)以上參數(shù)計算結(jié)果，入口收費站L3=558 m。故：

(13)

(2)出口收費站

標(biāo)志位置應(yīng)滿足：

(14)

因此，出口收費站的長度取1 000 m。

2.1.3 收費半島長度

收費半島長度需布置EWTC車道中各設(shè)備，應(yīng)考慮前后天線設(shè)置、司機應(yīng)變時間及汽車變道等因素。

(1)規(guī)范規(guī)定的收費島長度

《高速公路收費站及收費廣場設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，匝道收費島的長度為32.0 m[9-11]。

(2)收費半島長度計算分析

①ETC前置天線響應(yīng)距離L響應(yīng)

(15)

式中，E為車載卡信息時間，取0.5 s；F為顯示設(shè)備反應(yīng)時間，取0.5 s。L響應(yīng)計算得5.5 m。

②司機反應(yīng)長度L反應(yīng)

(16)

式中，c為司機反應(yīng)時間，取3 s。L反應(yīng)計算得16.7 m。

③汽車變道長度L變道

(17)

式中，g為車輛變道橫向位移；h為一般車輛側(cè)移速度。

(18)

式中，k為收費島寬度；I為普通人工車道寬度。

由式(17)、(18)計算得到L變道=32.25 m。

則前置天線設(shè)置在島臺前的距離L前置天線計算公式為：

(19)

式中，L通信為天線通信距離，取10 m。由式(19)計算得到收費半島長度為44.5 m。

2.1.4 動態(tài)精稱區(qū)長度

動態(tài)精稱區(qū)長度包括稱重設(shè)備布設(shè)長度S1、一個車長S2和設(shè)備反應(yīng)距離S3。

由稱重設(shè)備布設(shè)方案可知，S1=2.04 m；考慮目前拖掛車最長車長，S2=24 m；S3=VT，T為稱重設(shè)備的反應(yīng)時間，取500 s。動態(tài)精稱區(qū)長度S稱重為：S稱重=S1+S2+S3=28.82 m。

綜上所述，動態(tài)精稱區(qū)的長度取30 m。

2.2 可變信息標(biāo)志設(shè)置合理位置

(1)可變信息標(biāo)志1

(20)

式中，m為地感線圈反應(yīng)時間，取0.5 s；n為稱重設(shè)備反應(yīng)時間，取0.2 s；q為系統(tǒng)處理時間，取 0.5 s。

計算得可變信息標(biāo)志距高速稱重預(yù)檢系統(tǒng)距離L標(biāo)志1為390 m，取400 m。

(2)可變信息標(biāo)志2

標(biāo)志消失位置

：

(21)

式中，d為標(biāo)志距車道水平中心的距離，3.75/2=1.875 m；β1為水平視角，約15°。

(22)

式中，參數(shù)取值同上。計算得L標(biāo)志2為2.6 m，因此可變信息標(biāo)志2設(shè)置于前置天線后3 m。

(3)可變信息標(biāo)志3

式中，L通信為天線通信距離，取10 m;L車為車身長度取20 m;z為稱重數(shù)據(jù)處理時間，取0.5 s。則計算得L標(biāo)志3為26.7 m。

(4)可變信息標(biāo)志4

L可變信息標(biāo)志4=L可變信息標(biāo)志2，故取相同數(shù)值，設(shè)置于前置天線后3 m。

2.3 前置天線設(shè)置合理位置

車輛變道距離

計算如下：

(24)

故L前置天線計算如下：

(25)

計算得L前置天線為44.5 m?？紤]車輛排隊長度，前置天線L取50 m。出口前置天線與入口計算方法一致，同樣為50 m。

2.4 后置天線設(shè)置合理位置

(1)入口收費廣場

(2)出口收費廣場

2.5 其他位置的合理設(shè)置

除了以上主要從設(shè)計參數(shù)的確定之外，還應(yīng)確定勸返匝道、動態(tài)稱重預(yù)檢系統(tǒng)、車牌識別設(shè)備位置等的合理設(shè)置[12-13]。

(1)車牌識別設(shè)備設(shè)置位置應(yīng)考慮m、設(shè)備拍照時間約0.5 s及拍照范圍約5 m。

(2)動態(tài)稱重預(yù)檢系統(tǒng)設(shè)置位置應(yīng)考慮系統(tǒng)反應(yīng)時間1.7 s包括m，n，q，F，v，v為司機認(rèn)知時間與反應(yīng)時間，取5 s。

(3)勸返匝道設(shè)置可根據(jù)《公路路線設(shè)計規(guī)范》(JTG D20—2006)進(jìn)行設(shè)置。

3 EWTC場站方案驗證

3.1 依托工程

依托工程為我國典型重載運煤高速公路——準(zhǔn)興高速公路項目,如圖2所示。

3.2 主線入口收費場站布設(shè)方案

準(zhǔn)興重載高速不停車計重收費項目主線入口場站由內(nèi)到外順次為MTC客車道、隔離的EWTC車道、MTC貨車道，并設(shè)異常車輛出口、無卡及無效卡車輛駛離EWTC車道。

入口收費場站漸變段長度400 m，入口車道加寬段900 m，直線段300 m，總長1 600 m。收費廣場入口設(shè)置5條貨車車道、1條EWTC車道?？倢挾?22.25 m?？傮w布置及入口收費廣場平面布設(shè)方案如圖3、圖4所示。

3.3 主線出口收費站場站布設(shè)方案

出口EWTC車道需實現(xiàn)正常車輛自動扣費及對無效卡或卡上資金不足車輛的甄別和分流誘導(dǎo)。出口收費廣場漸變段長度235 m，直線段長度300 m，總長535 m,總寬度122.25 m。包括1條EWTC車道,14條普通貨車收費車道?？傮w布設(shè)方案如圖5、圖6所示。

3.4 實施效果對比分析

3.4.1 基于排隊論的收費站通行能力評價方法

EWTC系統(tǒng)研究的目標(biāo)，就是減小收費站排隊長度，減少等待時間，因此檢驗其路用性能的重要指標(biāo)就是收費站通行能力[1]。

收費站通行能力主要由其延誤時間所決定，包括以下幾個部分：

(1)車輛進(jìn)入收費站前的減速時間

(26)

(2)車輛在收費站停留時間

w=ES+Wq。

(27)

(3)車輛駛離收費站的加速時間

(28)

上述式中,V0為正常行駛速度；a1為車輛減速度；a2為車輛加速度；ES為服務(wù)時間期望；Wq為平均排隊時間。

當(dāng)收費站具有多條通道時其通行能力表示為：

(1)平均排隊時間：

(29)

(2)平均停留時間：

W=ES+Wq。

(30)

(3)均排隊長度：

(31)

由于二者服從正態(tài)分布，根據(jù)矩陣的性質(zhì)得到：

E(S+G)=ES+EG，

(32)

D(S+G)=DS+DG，

(33)

式中，λ為平均來流量；K為最大車道數(shù)；ES為服務(wù)時間期望值；EG為離開時間期望值；DS為服務(wù)時間方差；DG為離開時間方差。根據(jù)M/G/K排隊論模型可得到收費站在不同時間內(nèi)，不同車道數(shù)下，不同車流量下的通行能力矩陣。

(34)

式中,Lq為平均排隊長度；K為收費車道數(shù)。

簡化后可得車輛延誤時間d計算表達(dá)式：

(35)

式中，V0為正常行駛速度；a1,a2為車輛減速度及車輛加速度；m為車隊長度換算系數(shù)；W為車輛平均逗留時間；λ為平均來車強度；EV為服務(wù)時間期望值；DV為服務(wù)時間方差。

3.4.2 收費站最大通行能力

依托準(zhǔn)興重載高速公路對其收費站的通行能力加以對比，如圖7所示。

由圖7可以看出，采用EWTC稱重系統(tǒng)，通行能力能提高7～10倍，效果非常明顯。

3.4.3 平均排隊長度

平均排隊長度與交通量及收費車道數(shù)有關(guān)，給定交通量100～1 500 veh/h，終點收費站通過EWTC車道的數(shù)量占總數(shù)量的30%，計算在確定交通量下收費站的平均排隊長度，EWTC車道車輛平均排隊長度較靜態(tài)稱重減小55%左右。

3.4.4 平均延誤時間及逗留時間

收費車道平均利用率ρ取20%～80%，不同稱重系統(tǒng)的車輛平均延誤時間及平均逗留時間如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可以看出，平均延誤時間與逗留時間隨車道利用率的增加而增大，且增大幅度加快；采用靜態(tài)稱重車輛平均延誤時間及逗留時間最長；相比彎板稱重靜態(tài)稱重，石英稱重車輛平均延誤時間與逗留時間減小25%和55%。EWTC車道平均延誤時間與平均逗留時間最低，且不受車道利用率變化的影響。這也證明了EWTC車道通行能力最高，且服務(wù)效果穩(wěn)定。

3.4.5 效果對比

采用EWTC系統(tǒng)后收費站點通行能力提高明顯，最主要表現(xiàn)為，在收費車道利用率增大時，其排隊時間、等待時間并無明顯變化；在相同狀態(tài)下，采用EWTC系統(tǒng)的車道通行能力較未使用和使用其他類型動態(tài)稱重系統(tǒng)提高5～10倍。

4 結(jié)論

本文對EWTC場站設(shè)計技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，得到了主線入口和出口收費站場技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計方案， 實現(xiàn)了貨車不停車計重收費、治超、勸返一體的系統(tǒng)功能，主要結(jié)論如下：

(1)研究了EWTC系統(tǒng)場站需求，確定了收費半島長度、動態(tài)精稱區(qū)長度等主要技術(shù)參數(shù)，為場站設(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)。

(2)提出了EWTC場站入口布設(shè)方案，實現(xiàn)了入口EWTC、MTC和治超多功能一體化。

(3)提出了EWTC出口場站布設(shè)方案，確定了主要車道位置的合理布置，實現(xiàn)了正常車輛自動扣費及對無效卡或余額不足貨車的甄別和分流誘導(dǎo)功能。

(4)提出了基于收費站排隊論的車道通行能力評價方法。

(5)論文成果經(jīng)工程實際驗證，效果良好，顯著改善了貨車計重收費站點的擁堵問題，大大提高了收費場站的通行能力。

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Study on Station Arrangement for Expressway EWTC System

WANG Lei1,2，ZHOU Wei2,3，DONG Min-yi2，ZHAO Wen-bo2,ZHANG Shao-yang2

(1. Research Institute of Highway, Ministry of Transport，Beijing 100088，China；2.School of Highway，Chang’an University,Xi’an Shaanxi 710064, China;3.Ministry of Transport, Beijing 100736, China)

Abstract：To study a more effective toll collection method, the mode of electronic weight toll collection system (EWTC) based on truck is adopted. The station layout is thoroughly studied according to appraisal theory of capacity of toll station in the queuing theory. The main technical parameters of the toll station are identified, such as the proper location of lane indicator, the length of toll collection peninsula and dynamic weighing area with high accuracy. Thus, a systematical EWTC station layout design scheme is presented, which achieved the comprehensive system function of truck electronic weight toll collection, overload control and persuading to return. The result shows that adopting EWTC system scheme can increase traffic capacity by 5-10 times compared to other kinds of dynamic weighing system under the same condition. The new system can significantly reduce the traffic congestion at toll stations caused by truck weighing process.

Key words：traffic engineering; station layout; capacity evaluation; electronic weight toll collection(EWTC)

References：

收稿日期：2016-03-08

基金項目：內(nèi)蒙古交通科技項目(NJ-2013-13)

作者簡介：王磊(1984-)，男，陜西西安人，博士研究生，高級工程師.(wang_lei84@163.com)

doi：10.3969/j.issn.1002-0268.2016.09.019

中圖分類號：F542；U417.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-0268(2016)09-0120-07