基于社会成本节约的高速公路收费站车道改造

林枫

（广东新粤交通投资有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

我国高速公路收费方式经历了纯人工收费方式到半人工，再到现今的电子不停车收费（ETC）主流收费模式。2019年以来，撤销省界收费站工程的实施实现了全国“一张网”的运行，ETC被普遍推广，推动交通运输向智能化、信息化、网络化的方向发展。由于ETC建设成本高，国内各地标准存在差异，且为确保未安装车载单元（OBU）的车辆可以正常通行，大多数收费站仍保留少量人工收费车（MTC），采用ETC和MTC混合收费模式[1]。

省界收费站的取消以及ETC的推广使到达收费站车流中ETC渗透率不断提高，提高部分路段的通行效率，但却为部分未及时增设ETC车道的非省界收费站带来更多的车辆通行压力和车辆延误成本。

合理的车道配置方案是提高收费站运行效率，降低运行成本的关键，针对混合型收费站运行现状，国内学者进行了一系列研究。LIU Lili等通过VISSIM仿真模拟，得出不同数量MTC和ETC车道时的收费站通行能力差异，进而对ETC与MTC的合理配置方案进行探析；Bomoico等人采用随机排队模型计算出所需不同收费方式的车道数；许润南等通过研究车辆排队现状定义了不同收费站服务水平下的收费站通行能力这间系数，得到不同服务水平各类收费车道优化配置算法；姬杨蓓蓓等从建设运营成本和延误成本两个角度出发，构建低成本模型，提出当ETC比例大于70%时，提高ETC比例能降低建设运营费用；周崇华等基于成本效率最大化提出建立ETC车道优化配置模型，为车道的合理配置提供了科学的计算方法；冯尧等基于排队论模型对ETC车道配置进行分析，得到不同车流量下ETC车道的合理配置数量；孙晶结合实际工程造价，从占地要求、车道布局、车道数设计等方面对不同车道数方案造价进行对比，并提出收费通道配置策略和建议[2]。

本文在前人研究的基础上结合已有车道优化配置算法，具体分析收费站成本影响因子，探析收费站综合成本节约的模式。

1 收费站成本分析

1.1 经营者成本

一般来说，收费站的经营者成本主要由前期建造成本和后期日常营运成本两部分组成。建设成本包括土地征用费、建设施工费和MTC和ETC车道的建设费。日常运营成本包括车道设备运行成本、收费站员工月收入等[3]。

收费站的营运成本如下。

式中：Ccon——收费站的建造成本，元/d；CMco——单条MTC车道的建造成本，元/d；CEco——单条ETC车道的建造成本，元/d；nM——MTC车道的数量，条；nE——ETC车道的数量，条。

综上可得收费站的经营者成本如下。

式中：Cman——收费站经营者成本，元/d；Cope——收费站的营运成本，元/d；CMeq——单条MTC车道的设备运行成本，元/d；CEeq——单条ETC车道的设备运行成本，元/d；Csal——收费站员工月收入，元/月。

1.2 使用者成本

使用者的成本指车辆使用者经过收费站，因候车、停留等原因产生的成本，这种成本既有物质层面，也包括非物质层面。物质层面主要为车辆燃油消耗的金钱成本，而非物质层面是指使用者在经过收费站时耗费的时间成本。

从收费站建设的角度看，由于ETC车道前端交易流程，在对车辆通过ETC收费车道所需时间进行分析时，一般将收费时间分为服务时间和离开时间，服务时间是指ETC车辆到达触发线圏到完成交易离开落杆线圈的时间间隔，离开时间是指ETC车辆驶离落杆线圏到下一辆车到达触线圈的时间间隔，除了与车型和车辆长度有一定联系外，跟不同收费站服务水平和服务能力有较强相关性[4]。

ETC和MTC车道的平均车辆到达率分别如式（4）、式（5）所示。

收费车道的平均延误时间（含服务时间）如式（6）所示。

某日到达收费站的客车延误时间成本如式（8）所示。

货车的延误成本与货车的小时纯收益相关[13]，某日到达收费站的货车延误时间成本Ctt如式（9）所示。

收费站的延误时间成本Ct如式（10）所示。

式中：Vt——人均时间价值，元/（人·h）；Im——人均月收入，元/月；Ctb——收费站的客车延误时间成本，元/d；N——车道总数，条；h——每车平均载客数，人/veh；rb——客车比例；Ctt——收费站的货车延误时间，元/d；It——货车小时净收益，元/h；rt——货车比例。

根据排队论可得收费车道的平均排队车辆数如式（11）所示。

因此，平均每日车辆的怠速油耗成本与启动加速油耗成本分别为Cf1、Cf2，如式（12）、式（13）所示。

由此可得收费站使用者成本Cuse，如式（14）所示。

式中：Li——车道i的平均排队车辆数，辆；Cf1——车辆的怠速油耗成本，元/d；Gj——j型车的怠速油耗率，ml/s，j取1表示客车，2表示货车；Cf2——车辆的启动加速油耗成本，元/d；Fj——j型车的单次启动加速油耗量，ml；c——平均油价，元/ml。

1.3 外部社会成本

车辆在通过收费站时会产生大量的废气，根据国家“碳中和”和“碳达峰”的规定，应对车辆造成的大气污染物进行征税和净化处理，每污染当量征收1.8元，由此带来一定的外部社会成本。收费站多使用微观仿真软件VISSIM获取车辆污染物排放量。

收费站平均每日的外部社会成本如式（15）所示。

式中：Cemi——收费站外部社会成本，元/d；Ei——污染物i的排放量，g；ei——i种污染物的当量值，kg。

2 社会成本节约型ETC改造和车道配置

2.1 项目概况

南沙大桥原称虎门二桥，是中国广东省境内一座连接广州市南沙区与东莞市沙田镇的跨海大桥，位于珠江狮子洋之上，为广州—龙川高速公路的西端部分；是继港珠澳大桥之后，珠江三角洲又一座世界级桥梁工程。南沙大桥西起广州市东涌立交，上跨狮子洋入海口，东至东莞市沙田立交；大桥全长12.886km；桥面为双向八车道高速公路，设计速度100km/h。

根据现状，南沙大桥建设段主要设有海鸥岛收费站，共有三个分广场，入口车道共计3条纯MTC和1条纯ETC车道，出口车道共计3条纯MTC车道，1条纯ETC车道，1条混合车道，总体上MTC车道数多于ETC车道，如表1所示。

表1 南沙大桥海鸥岛收费站车道设置现状

2.2 影响收费站成本的主要因素

根据上文相关论述，收费站成本主要来源于经营者成本、使用者成本和外部社会成本三大方面，结合实际案例和现有理论分析，ETC使用效率是影响混合收费站成本的关键因素。随着ETC收费站和ETC车辆的普及，ETC渗透率也随之上升，造成ETC车道的平均延误时间逐渐增加，MTC车道的平均延误时间逐渐减少[6]。当ETC渗透率过高时，ETC车道的平均延误时间增长量大于MTC车道的平均延误时间降低量，进而导致收费站的整体延误时间增加。总的来说，MTC和ETC车道数的配置是个动态变化过程，当ETC使用率为10%~30%时时，混合收费站的通行能力随着ETC车道数的增加反而减小；当ETC使用率为50%~70%时，混合收费站的通行能力随着ETC车道数的增加，呈现先增加后减小的趋势；当ETC使用率≥90%时，混合收费站的通行能力会随着ETC车道数的增加，呈现先增加后平稳的趋势[7]。

2.3 基于成本节约南沙大桥海鸥岛收费站车道改造配置方案

南沙大桥海鸥岛收费站升级改造主要包括硬软件设施的升级改造和MTC、ETC车道的优化配置。从硬件上优化，站内主要设置去重服务器、管理服务器、网络安全防火墙、北斗授时、以太网交换机等核心设备，收费站利用现有收费系统工作站。从软件上优化，对相应的收费站管理软件系统进行升级，同时增加备份链路来实现数据到路段中心、省中心、部中心的传输。

基于成本节约，在车道优化配置方面，主要采取以下方案。

（1）MTC车道改为专用ETC车道：增设ETC车道天线、ETC车道控制器、高速自动栏杆、反向雨棚信号灯（利旧）、车道LED指示标志、车道信息显示屏（含立柱）、单通道车辆检测器、检测线圈、车牌图像识别设备（含立柱）、ETC车道软件升级等。

（2）MTC车道改为混合车道：增设路侧读写单元、ETC车道控制器、高速自动栏杆机、车道LED指示标志、车道信息显示屏（含立柱）、单通道车辆检测器、检测线圈、车牌图像识别设备（含立柱）、读卡器升级、ETC/MTC混合车道软件升级等。

同时做好相应的标志牌、标线的施工。

如表2所示，由于海鸥岛收费站流通车辆多以ETC车辆为主，改造后的车道配置采用混合型车道结合ETC车道的模式。其中入口车道处布设混合型车道1条，ETC车道两条；出口车道布设混合车道2条，ETC车道3条，实现成本节约的车道优化配置。

表2 南沙大桥海鸥岛收费站车道升级改造方案

3 结语

收费站车道配置涉及经营者、使用者以及社会公众等各方的利益，由于高速公路收费站是一个密切联系的网络体系，因此单个收费站的规划建设不仅要基于该路段现状，更要充分考虑相邻区域或城市收费站建设现状和未来规划。本文基于实际项目，在综合考虑收费站的经营者成本、使用者成本和外部社会成本，以及影响收费站成本主要因素的基础上，充分结合项目现状提出收费站车道升级改造方案，以混合型车道结合ETC车道的模式车道配置，达到成本节约的目的。