高速公路收费广场的设计

吴涵

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714103

摘要：本文将排队理论和道路规范相结合，对收费广场附近的交通情况进行建模，使用AutoCAD设计出收费广场的形状、大小和路障前后的归并区，以及研究无人驾驶车辆的发展对收费站的影响。最后根据所建立的模型以及实际中存在的一些问题向收费公路管理局提出合理化建议。

关键词：排队理论；道路规范；AutoCAD

一、问题研究背景

路障收费是设置在高速路的一系列收费亭，与交通流的方向垂直，为了尽可能地不影响单位时间交通流，通常收费亭要比进入车道多。收费区需要设置路障的区域，包括路障前的扇形离开区域、路障和路障后的扇形进入区域。汽车从正常行驶车道进入收费区到最后回到正常行驶车道的整个过程为：准备进入收费站，减速进入收费区，排队等候服务，接受服务（缴费），加速离开收费区，进入正常行驶轨道。

二、模型建立与求解

假设高速公路的每个行车方向有L条车道，B个收费亭，且B>L。查阅相关资料[1]可以得出事故发生率、车辆出入量、建设费用这三个条件直接影响着收费站的形状、大小、路障前后的归并区。

图（1） 车辆进出收费站的流程

以双向六车道为研究对象，查阅相关规范[2]取ADT为60000、D为0.5、K为10%，车道交通量DHV=ADT×D×K=3000（pcu/h），通过计算可得平均等待车辆为2.28辆，服务水平满足要求，拟采用12条收费车道，单向采用6条。收费道取20m，从收费广场向标准宽度路段过渡的渐变段，要求能够使车辆顺畅行驶。设Ls1为合流区长度，S为渐变段宽度，根据路线设计规范规定收费广场在主线上时，广场收敛渐变率需大于3～4，所以Ls1=4S=38.4m，由于高速路左右两侧为对称，所以分流区与合流区的长度为L=Ls1+Ls2=2×38.4=76.8m，取整为80m。

确定路障前后的归并区的形状：缓和曲线通过其曲率逐渐变化，可更好地适应汽车转向的行驶轨迹；汽车从一曲线过渡到另一曲线的行驶过程中离心加速度逐渐变化，缓和曲线可作为超高和加宽的过渡段。所以从安全性考虑，在路障前后的归并区采用缓和曲线进行过渡。缓和曲线的计算：查阅相关规范[3]可以得出Ls1=R/9～R，由上面计算的Ls1=59.85可求出R=59.85～540m，当半径越大时的所需要的面积越小，但是收费亭的数目也相应减小，综合考虑取R=400m。

当进入收费区的分流区时，为求L1的长度，假设汽车的有效长度为3m，若所有车排满收费广场时，单向三车道每一个车道有n辆车，则总车数为3n，进入收费道路时，每道路平摊3n÷6=0.5n，为防止排队造成的拥挤导致通行能力降低，按上述算的平均来车时间为1.2s，查閱相关资料[3]得出收费站的平均服务时间为5s，汽车进入收费区的限制速度为v=30km/h，L1≥64m，综合考虑取L1=70m。根据所建立的模型可确定双向六车道收费站的形状大小，如图所示：

图（2） 双向六车道收费站的设计

三、无人驾驶车辆的发展对收费站的影响

把无人驾驶车辆的发展分为三个阶段：初期、中期、末期。在初期时从安全方面和通行能力方面考虑，把靠近道路内车道上的收费站作为无人驾驶车辆和网上缴费车辆专用的收费站，并且把人工收费车道设置成阶梯分布。中期时，无人驾驶车辆的速度会有所增加，收費亭的个数会相应减少，且电子收费亭的形状、占地面积也会减小。末期时，无人驾驶车辆可以不设收费亭，只需划定一个收费区，利用网上收费系统对驶入车辆进行收费。

四、合理化建议

（1）对于一些交通流较大的高速公路，可在进入收费站的路段上设置加宽来有效缓解交通的拥挤，当车辆较多时可以使车辆进入缓和曲线区进行等待服务，增加了可排队的空间和收费亭，这样可在很大程度上提高道路通行能力和安全系数。

（2）利用缓和曲线的曲率逐渐变化使汽车行驶更加平稳的优点，采用缓和曲线段来设计合并区，可提高行驶的安全性，在路障区前后加入减速区和加速区，可更好地解决拥挤带来的通行能力不足的问题。

参考文献：

[1]曹园园.高速公路收费站的通行能力和服务水平[J].北京公路，2004，（6）：1013.

[2]中交第一公路勘察设计研究院.公路路线设计规范（JTG D202006）.北京：人民交通出版社，2006.

[3]中建标公路委员会.公路工程技术标准（JTG B012003）.北京：人民交通出版社，2004.