（载运工具运用工程专业论文）高等级公路收费站通行能力研究.pdf

摘要 高等级公路收费站的通行能力直接影响着路段通行能力，从而在总体上制约 着公路的交通运行状况。因此提高高等级公路收费站的通行能力和服务水平，是 改善高等级公路通行能力及服务水平的有效方法。 论文首先介绍了收费站及其通行能力的概念，介绍了国内外高等级公路收费 站通行能力研究背景和现状，并在此基础上理性分析了云南地区高等级公路收费 站的交通流特性，确定了本文的研究目的和研究方法。 其次，针对云南的县体情况，制定了云南地区高等级公路收费站通行能力研 究的数据采集方案，进行了大量的收费站交通流运行数据的现场调查工作，采集 了云南地区有代表性收费站的交通流运行数据。通过对这些实测数据的分析，确 定了收费站上游来车分布、各种车型在收费站的服务时间和离去时间的统计分 布，并且对这些特征参数进行了标定。 再次，针对五一、十一黄金周时期，假日经济给收费站交通流量带来的影响 和变化做了专门的统计分析。通过这些统计分析，确定云南地区收费站高峰期的 交通特性，为计算收费站通行能力及评估其服务水平提供参考依据。 最后，根据不同类型收费站的特征参数，应用m g k 排队论模型计算出 各种类型收费站的基本通行能力，并且采用收费站平均排队车辆数作为评价收费 站服务水平的指标，把云南地区高等级公路收费站的服务水平定量划分为四级， 并得到了不同类型收费站各级服务水平标准和相应的最大服务交通量。通过对收 费站服务方式的分析和探讨，提出了如何提高收费站通行能力的几种方法。 关键词：高等级公路；收费站；通行能力；服务水平 a b s t r a c t t h e 廿a f f i cc a p a c i t yo fh i g h w a yt o l l s t a t i o ni si n f l u e n c i n gt h e 仃a f f i cc a p a c i t yo f h i g h w a ys e c t i o nd i r e c t l y , t h u sr e s t r i c t i n g t h et r a f f i co p e r a t i o nc o n d i t i o n so ft h e h i g h w a yo nt h ew h o l e s oi m p r o v i n gt h et r a f f i cc a p a c i t yo fh i g h w a yt o l l s t a t i o na n d l e v e lo fs e r v i c e ，i sa l le f f e c t i v em e t h o do fi m p r o v i n gt h et r a f f i cc a p a c i t yo ft h e h i 【g h w a ya n ds e r v i c el e v e l f i r s t l y , t h ec o n c e p t so ft o l l s t a t i o n a n di t st r a f f i cc a p a c i t ya r ei n t r o d u c e d i n a d d i t i o n ，t h eb a c k g r o u n da n dc u r r e n ts i t u a t i o no ft h et r a f f i cc a p a c i t yo fh i g h w a y t o l l s t a t i o ni nt h ew o r l da r ec o n t i n u a l l yd i s c u s s e d o nt h eb a s i so f 血a t t h et r a f f i cf l o w c h a r a c t e r so fh i g h w a yt o l l - s t a t i o nw e r er e a s o n a b l ya n a l y z e di ny u n n a n ，a n dt h e n ，t h e m e t h o d sa n d s t e p sw e r e f i x e d s e c o n d l y , d u et oi d i o g r a p h i ci n s t a n c e o ft o l l s t a t i o ni ny u n n a nl o c a l ，d a t a c o l l e t i n gp r o j e c tf o rr e s e a r c h i n go l lc a p a c i t yo fh i 9 4 h w a yt o l l - s t a t i o nw a s e s t a b f i s h e d ， a n dt h e n ，m a s sf i e l dt o l l s t a t i o nt r a f f i cd a t aw e r es u r v e y e d ，t h ed a t ac o n t a i nt h e r e p r e s e n t a t i v et y p e so ft o l l s t a t i o ni ny u n n a nl o c a l a f t e rf i e l dd a t aw e r ea n a l y z e d ， u p f l o wh e a d w a yd i s t r i b u t i n g ，s e v e rt i m ea n da w a y - t i m ed i s t r i b u t i n go fd i f f e r e n tt y p e v e h i c l ei nt o l l s t a f t o nw e r ec a l c u l a t e d t h i r d l y , d u et ot h ei n f l u e n c e sa n dc h a n g e so ft r a f f i cf l o wi m p o s e db yt h o s e h o l i d a y ss u c ha s “m a y1 s ta n do c t o b e r1 s t ，s p e c i a ls t a t i s t i c sa n da n a l y s i sa r em a d e b yt h e s es t a t i s t i c sa n da n a l y s i s ，t r a f f i cc h a r a c t e r so ft o l l s t a t i o no fy u n n a ni nr u s h h o u r sa r ec a l c u l a t e dt o p r o v i d e r e f e r e n c ef o r c a l c u l a t i n g t r a f f i cc a p a c i t ya n d e v a l u a t i n gi t sl e v e lo fs e r v i c e l a s t l y , u s i n gm g kq u e u i n gm o d e l ，t h eb a s ec a p a c i t yo fd i f f e r e n tt y p e t o l l l a n e w e r ec a l c u l a t e d ，a n dt h en u m b e ro fa v e r a g eq u e u i n gv e h i c l ew e r eu s e dt oe v a l u a t et h e s e r v i c el e v e lo ft o l l s t a t i o n a n dt h e n ，t h el e v e lo fs e r v i c eo ft o l l s t a t i o nw e r ed i v i d e d i n t o4c l a s s ，t h ec a p a c i t yo fe v e r yl e v e lo fs e r v i c ec l a s sw e r ec a l c u l a t e d a n db y a n a l y s i sa n dd i s c u s so fs e r v e rw a yo ft o l l s t a t i o n ，s e v e r a lm e t h o d st oi m p r o v et r a f f i c c a p a c i t yo fh i g h w a yt o l l s t a t i o na r ep u tf o r w a r d i k e yw o r d s ：h i g h w a y ；t o l l s t a t i o n ；c a p a c i t y ；l e v e lo fs e r v i c e i v 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不合任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：丁划眵 日期：洲年幺月甘 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留、 送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：鲎垒垫论文作者签名：i 垒j 驾 日 期：鲨堕生竺月碰 旦 昆明理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 交通运输无论是过去、现在和将来，都是人类进步的重要物质基础。随着改 革开放的深化，我国的国民经济实力不断增强，交通运输也得到空前迅猛发展。 截至2 0 0 1 年底，全国公路里程为1 6 9 8 万公里，其中，高速公路1 9 万公里，仅 次于美国，居世界第二位f 1 】。根据交通部“十五”计划和2 0 2 0 年长远规划，在 最近的十多年间，我国的公路里程还将大幅度增加，到2 0 1 0 年和2 0 2 0 年，全国 公路通车里程将分别达到1 8 0 万公里和2 3 0 万公里，其中，高速公路分别达到 3 5 万和5 5 万公里，二级以上公路比重达到2 0 和2 5 【l 】。高速公路建设投资 巨大，每公里造价高达2 0 0 0 5 0 0 0 万元，建造一座普通立体交叉口需投资2 0 0 1 0 0 0 万元。而道路基础设施的主要决策依据为预测交通量及道路设施的通行能 力吲。由于我国目前还没有科学的通行能力分析方法与标准体系，道路设施通行 能力的分析不够准确，导致公路建设标准过高或平行建设，以致建设资金超前投 入而造成巨额经济损失。此外，有时由于对某些已有道路或交叉口的通行能力估 计过高，使得在交通严重阻塞时仍得不到改建，或在建成后不久就产生严重交通 堵塞而影响公路运输效率，造成巨大经济损失。因此，道路通行能力研究的成果， 是合理确定公路建设规模和标准，科学地进行公路网规划、项目可行性研究、公 路设计以及公路建设项目后评价的重要依据，如速度流量关系、行车延误和服 务水平等。特别是当前中国实施西部大开发战略，云南的旅游资源丰富，经济也 正处于快速发展时期，公路客运和货运的运输需求迅猛增加，需要加快公路等基 础设施的发展。如何充分有效地利用有限的建设资金加快公路建设，如何改善交 通管理，挖掘现有交通设施潜力，缓解失衡的交通供求关系，己成为各级公路、 交通管理部门亟待解决的问题。 国外十分重视道路通行能力研究，并在该领域取得了一系列研究成果，但由 于我国交通组成复杂，特别是占干线公路网9 0 以上的一般公路，其交通条件和 道路环境与国外同类道路相比存在明显差异，车辆动力性能相差悬殊，快、慢机 动车混合行驶以及机动车受路侧的自行车和行人干扰严重。因此，根据我国实际 高等级公路收费站通行能力研究 的道路、交通条件，展开公路通行能力研究具有十分重要的现实意义。 交通部公路科学研究所曾在1 9 8 4 年至1 9 8 7 年，历时三年，对混合交通双车 道公路路段设计通行能力进行了较系统的研究，确定了各等级公路设计通行能力 与服务水平的分级指标，研究成果纳入“公路工程技术标准”后，曾在我国公路 建设决策中发挥了重要作用【3 。然而，需要指出的是，由于近十年来我国经济的 快速持续增长，综合国力进一步增强，不仅公路交通运输得到了迅猛发展，公路 客货运量己经超过全国运输总量的一半，而且道路环境、交通组成及车辆性能与 八十年代相比均发生了很大变化，以前所确定的公路设计通行能力与服务水平的 分级指标己经不适用现在的交通运输现状。因此，为正确指导公路建设，需要进 一步展开调研，以确定适应当前公路交通特点的各等级公路通行能力和服务水平 指标体系。这已成为我国公路交通领域决策者和专家们的共识。为此，国家计委 将“公路通行能力研究”作为“九五重点攻关课题”进行研究h 。 本文研究的对象是云南地区的高等级公路通行能力。其内容包括基本路段、 交织区、匝道及收费站四个部分。由于时间、工作量等原因，本文着重研究收费 站对高等级公路通行能力的影响以及对其服务水平进行评价。 - - - - - - - - - _ - + - - - - - - - -一+ - - - - - - - - - - 一+ 一+ _ 1 收费站r 一 一9 0 m 1 卜一1 2 0 m 斗 1 2 基本定义 图1 1 高速公路收费站结构布置示意图 收费站是指为收取车辆的通行费用而设立的交通设旌翻，如图1 1 所示。收 费站的通行能力是指在单位时间内，一定的服务水平下能够通过收费站的最大车 昆明理工大学硕士学位论文 辆数。其中收费车道的通行能力决定收费站的通行能力。 1 3 研究的意义和目的 1 3 1 收费站通行能力研究的意义 目前，我国在通行能力研究方面尚未形成统一的、完整的方法，缺少适合我 国各地区实际情况的参数、模型及较合理的通行能力分析体系，因而在公路工程 前期工作中，如公路网规划、工程可行性研究、经济效益分析以及在公路设施和 交通工程设施的规划和设计中尚未明确规定要进行通行能力分析。为了使有限的 公路建设资金投入到急需的工程及公路管理上，提高预测分析以及规划、设计的 科学性，对公路通行能力进行系统地研究己迫在眉捷，这既是我国公路建设快速 发展的结果，也是公路管理向科学化迈进的必然趋势。因此对云南地区高等级公 路通行能力进行系统研究，具有非常现实的经济和社会意义。可以节省巨额公路 建设资金、提高公路运输效率、完善行业技术标准、规范体系等。 目前世界上1 0 多万公里的高速公路中大约有2 5 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，我国实行贷款修路，收 费还贷制度已有2 0 多年的历史，这一制度的实施对我国公路尤其是高等级公路 建设的迅速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，收费站的大小和收费车道的多少对建设初期的土建投资以及运营时期收费 人员的配置有决定性的影响。世界银行“对京津塘高速公路收费可行性的评价” 报告提出：根据国际经验，在有效经营的情况下，数量适中、设备较为简单的收 费设施的运营成本与收入比为5 1 0 ；如果收费设施的数量大于所需数量时， 运营成本与收入比增大到1 0 1 5 ；如果经营不善，则可能高达3 0 以上。而 收费广场的规模及所需的车道数是由交通量( 平均来车间隔) 、每个收费车道的通 行能力和服务水平三个因素决定的。通过对收费通行能力及服务水平的研究，可 以为建设合理规模的高速公路收费站提供科学的理论依据，为有效利用有限的公 路建设资金奠定基础。因此，确定各个交通量和不同服务水平下的收费车道的通 行能力具有十分重要的经济意义。 高等级公路收费站通行能力研究 1 3 2 收费站通行能力研究的目的 收费站的作业不仅是影响高等级公路车流运行是否顺畅的重要关键，也是 影响服务品质的重要因素之一。我国的高等级公路投入使用以后通过征收通行费 方式，来回收建设成本以及作为公路营运维修经费。至于征收方式，主要采用主 线适当间距设置收费站，对所有通过的车辆分别收取通行费。高等级公路具有专 用路权的特性，尤其是高速公路，采用封闭式管理，其主线没有瓶颈问题，但是 收费站则可能成为对车流产生延滞，因此收费站的设计容量以及服务方式，对于 高等级公路系统的运作与控制尤其显得重要。 环顾国内外收费高等级公路目前常用的收费方法，若以收费站设置的区位 来划分，有匝道封闭式、主线匝道式及混合式三种；如果依据通行费的收取方式 区分，主要则有人工收费、机器收费及电子收费三种。就通行费收取方式而言， 人工式收费及机器式收费两种方式的实施效果以及改善策略，目前已有多项研究 加以讨论“2 j 。因此，本文侧重于分析高等级公路收费站的通行能力及其服务水 平、提高收费站通行能力的途径，并以云南地区高等级公路收费站作为研究对象， 探讨云南地区高等级公路收费站的通行能力、服务水平以及各种交通量情况下如 何有效地提高其通行能力。其主要目的叙述如下： ( 1 ) 研究车辆到达时间与收费服务时间的分配形态模型，确定收费站的 通行能力及服务水平； ( 2 ) 探讨提高收费车道的通行能力。 1 4 论文研究内容以及研究步骤 1 4 1 研究内容 经过收费车道的车辆，进入收费车道时必须减速准备停车缴费，车辆缴费 完毕后离开收费站，以上的整个过程均属本文的研究范围。因为研究成本与时间 的限制以及考虑资料来源的便利性，所以本研究是以观测车流量的方法来获得 中、短期的数据，但是因为环境、使用特性等仍有部分差异，因此本研究所产生 的排队模型，仅适用于大部分收费站，但研究方法及步骤则不局限于此。 1 4 2 研究流程 本论文的主要研究方式如下： 4 昆明理工大学硕士学位论文 ( 】) 查阅参考文献 为了了解排队论在交通流上的实际运用，搜集国内外与高等级公路收费站 有关的类似研究、论文、期刊等文献资料，并归纳其研究过程及结论，作为本研 究的基础：经搜集后发现，有关计算收费车道通行能力及其服务水平方面的研究 较为丰富，而对于如何来提高收费站通行能力的研究则较为缺乏。 ( 2 ) 数学模型的推导 数学模型推导的方法不论在自然科学或社会科学研究中都占有重要的地 位，尤其在u n i v e r s i t yo fr o c h e s t 中有许多学者把经济与作业研究等计量模型运 用到信息管理研究中，以较为严谨的假设与数学推导来找出解决问题的方法。本 文即利用排队等候理论的数学推演逻辑，建立收费站排队等候现象的模型，用来 研究受服务的个体与服务设施之间的动态关系。 ( 3 ) 实地的自然观测 自然观测法就研究对象在自然状态下进行观察，一般把观察研究分为无结 构的观察( u n s t r u c t u r e do b s e r v a t i o n ) 与有结构的观察( s t r u c t u r e do b s e r v a t i o n ) 删，本 文在搜集车辆到达率与收费服务时间资料的基础上，实行有结构的非参与观察研 究法，在进行资料搜集前即己事先规划好所要观察的行为范围，且在不妨碍车流 及收费作业的情形下，通过人员和数据采集仪器观察采集车辆行经收费站的流程 及数据。 ( 4 ) 收费站通行能力的计算 标定模型，确定不同来车强度下，收费站的通行能力；确定服务水平分级 标准和各服务水平下的服务交通量；浅析一些提高收费站通行能力的方法。 本论文研究的流程如图1 2 所示，简述如下： ( 1 ) 拟定研究目的与范围研究初期先确立研究目的与研究范围，并 清楚定义题目内容； ( 2 ) 收费站交通特性分析对于云南地区收费站现况与未来发展加以 分析，并探讨收费站收费作业流程，对其交通量进行统计分析； ( 3 ) 文献资料回顾根据研究题目内容搜集相关国内外文献资料，以 了解收费站设施规划、空间设计、服务水平及交通量特性； ( 4 ) 理论与模型的研究收费站收费作业是一个典型的排队等候系统， 通过排队等候理论及其模型的研究可清楚了解其实际应用： ( 5 ) 研究设计对所收集的资料进行分析和研究，资料的正确性将直 接影响其效果的好坏，因此要针对车辆到达与交通量的数据，实行科学的规划， 高等级公路收费站通行能力研究 力求降低资料搜集过程中所产生的误差，确保资料的正确性、准确性； ( 6 ) 资料搜集与分析依据研究设计步骤来搜集近年来收费站的车流 量，并且汇总出分向每小时车流量( 九值时) ，选择具代表性的尖峰时段做实地 调查； ( 7 ) 数据验证把经实地调查所得的数据绘制成曲线图，再通过卡方 检验的统计方法验证数据特性，以确定数据适合的排队等候模型； 图1 2 研究流程图 昆明理工大学硕士学位论文 ( 8 ) 通行能力及服务水平的分析与评估通过分析数据，可求出不同 收费车道数目与车辆等候时间的关系，计算出收费站通行能力，评估服务水平， 提出提高收费站通行能力的方法； ( 9 ) 结论与建议对研究结果进行分析归纳，并对后续研究的方向提出 相关建议。 1 5 论文的主要研究成果 收费站通行能力研究的成果主要有： ( 1 ) 云南地区高等级公路上现有的收费站类型和收费方式，主要收费站类型 有开放式和封闭式两种，收费方式都是采用人工收费； ( 2 ) 收费站上游进入收费广场的来车分布，其交通流车头时距的概率分布曲 线形式类似于负指数分布； ( 3 ) 不同车型在不同类型收费站的平均服务时间，其概率分布曲线类似于正 态分布； ( 4 ) 根据收费时间的不同，得到适合云南地区收费站通行能力分析的车辆折 算系数，为简化通行能力的计算提供依据； ( 5 ) 五一、十一黄金周节假日时期交通流变化的特性； ( 6 ) 得到不同收费站类型中一条收费车道的理论通行能力，并与实际观测的 通行能力相比较，给出推荐值； ( 7 ) 不同服务水平下收费广场的通行能力； ( 8 ) 一些提高收费站通行能力的方法。 高等级公路收费站通行能力研究 第二章收费站通行能力研究历史、现状以及研究方法 2 1 国内外收费站通行能力研究历史和现状 2 1 1 国外收费站通行能力研究历史和现状 道路通行能力的研究始于美国，从2 0 世纪4 0 年代起，尤其是第二次世界大 战结束以后，美国加速建成了全国公路网，并针对公路的规划、设计、修建养护 及营运管理中出现的问题，开始对道路通行能力进行研究。美国于1 9 5 0 年、1 9 6 5 年、1 9 8 5 年、1 9 9 4 年分别出版了h c m 的第一、第二、第三及第三版修订版， 但对收费站通行能力的研究涉及较少。美国现用的各种收费系统每条收费车道的 通行能力，参见表2 1 ，仅为一般性统计资料，可供公路规划时参考，而实际通 行能力会因实际的交通流特性以及服务方式等条件的不同而有较大变化。其它发 达国家对收费站的通行能力研究也仅限于经验值。 表2 1 美国各类型收费系统中一条收费车道的通行能力7 1 收费系统类型每条收费车道的通行能力( 辆h ) 人工收费( 找零钱) 3 5 0 人工收费( 只收预售票) 5 0 0 硬币收费机( 收部分硬币) 5 0 0 硬币收费机( 全部收硬币) 6 5 0 低速自动车辆辨认收费系统 1 2 0 0 高速自动车辆辨认收费系统 1 8 0 0 2 1 2 国内收费站通行能力研究历史和现状 我国台湾省以排队理论为基础，在高峰小时，按车型分派到各收费车道圈。 根据收费站上游的车辆平均到达率以及收费站的服务时间，利用排队理论模型， 推导出每车在! ：足费站前平均等候时间与平均排队长度，从而评估收费站的服务水 平。其关键是针对不同车型采用专用收费车道。 我国( 大陆) 对收费站通行能力的研究尚处起步阶段。主要利用国外的研究成 8 昆明理工大学硕士学位论文 果，采用估计值嘲，并以收费站通行能力大于路段通行能力的原则进行收费站设 计。但近几年也有一些有关收费站交通特性及车辆延误的研究1 0 】。 2 2 公路收费站研究方法 2 2 1 国外公路收费站通行能力研究方法 目前在公路收费站的排队研究中，多沿用分别由美国n 国专题报告交通 流理论和日本高速公路设计规范中所推导的两套公式1 1 1 2 ”1 。在这两套公 式中，均采用的是m 心模型，相同处在于： ( 1 ) 系统中没有车辆的概率： p(0)5 i - 二1 了一 式( 2 1 ) v! ： + 17 ，怠o “t 一 ) ( 2 ) 系统中有n 辆车的概率： p ( ，z ) 2 鲁p ( o ) 式( 2 2 ) ( 3 ) 在队列中的平均等候时间： w g 2 瓦考壬可p ( o ) 式( 2 3 ) 以上各式中： p 交通强度或利用系数，p2 百a ； 兄车辆平均到达率，辆s ； 口平均服务率，辆s ； p ( h ) 系统中有n 辆车的概率； k 收费车道数。 但在队列中的平均排队长度公式略有不同，美国t r b 的推导公式为： = 瓦舞p ( o ) 式( ，4 ) 式中l 、。与队列中平均等候时间w q 的关系符合排队论中的l e e t h a l e r 公式 ( 对于任何排队服务系统，在任何顾客到达流，任何时间和任何服务规则的情况 下，顾客在系统内平均等候时间等于平均排队长度除以顾客到达强度) ，即 高等级公路收费站通行能力研究 w 口= t lq ，则l q = 五。 日本推导的平均排队长度计算公式为 l 。”= 番p ( o ) 式( 2 5 ) 式中l q 一与队列中平均等候时间w q 的关系式平均等候时间等于平均队长度 乘以一辆车的平均服务时间，即w 。= 鲁，则l 。2 。2 。 比较上述两个平均排队长度公式，lg = l 目x ( ) ，( 导) 是一个收费 站的交通强度，通常是一个小于l 的数，否则，就会造成收费站前的排队无限制 地继续下去。由于( ) 1 ，所以在其它条件如交通强度、服务时间、车道数 都相同的情况下，美国推导公式计算的平均排队长略小。 2 2 2 国内公路收费站通行能力研究方法 国内关于收费站通