高速公路主線收費(fèi)站緩堵管控技術(shù)研究

宋安寧+喬建剛

摘 要：隨著車輛數(shù)量的不斷增加，交通擁堵頻發(fā)，尤其是主線收費(fèi)站，不僅造成大量的時(shí)間延誤，而且頻繁的車輛啟動(dòng)與制動(dòng)使得油耗增大，尾氣排放量急劇增加，對(duì)環(huán)境造成污染。為了提高道路的經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的，通過(guò)實(shí)地調(diào)研，以交通工程學(xué)、控制論等為基礎(chǔ)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法分析高速公路收費(fèi)站停車間距、服務(wù)時(shí)間等交通流特性，通過(guò)構(gòu)建排隊(duì)系統(tǒng)模型，建立了車流控制系統(tǒng)，并確定了車流控制系統(tǒng)參數(shù)，運(yùn)用VISSIM仿真驗(yàn)證了控制系統(tǒng)效果良好，為道路擁堵的解決提出新的研究思路。

關(guān)鍵詞：主線收費(fèi)站；交通擁堵；VISSIM；控制技術(shù)

中圖分類號(hào)：F506 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： With the increasing number of vehicles， traffic congestion often occurs， especially in main line toll station. Traffic congestion caused a lot of delays and frequent starting and braking of the vehicle so that the fuel consumption increases， a sharp increase in exhaust emissions， causing environmental pollution. In order to improve the economy of the road and achieve the purpose of energy saving and emission reduction， the parking distance， service hours and other traffic flow characteristics in highway toll station were investigated， and analyze the data with mathematical statistics based on traffic engineering and cybernetics. Then a queuing system model is build to establish a traffic control system， and then determined the traffic control system parameters. At last， a VISSIM simulation is used to verify that the control system is effective and that research provide a new idea to solve road congestion.

Key words： main line toll station； traffic congestion； VISSIM； control technique

0 引 言

高速公路主線收費(fèi)站的收費(fèi)系統(tǒng)制約著道路的通行能力，容易導(dǎo)致等候車輛延誤時(shí)間增加形成交通擁擠。車輛排隊(duì)前進(jìn)、等待過(guò)程中，頻繁的啟動(dòng)制動(dòng)大量排出的尾氣造成了收費(fèi)站局部區(qū)域的空氣污染，影響收費(fèi)站工作人員的身體健康。肖化昆對(duì)收費(fèi)站分析表明，收費(fèi)站附近環(huán)境質(zhì)量一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫和粉塵均有部分高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[1]。陳克軍對(duì)重慶市4個(gè)收費(fèi)站的收費(fèi)亭內(nèi)外一氧化碳、二氧化氮、總烴和可吸入顆粒物進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)亭內(nèi)外二氧化氮和茶園站亭內(nèi)外氧化碳的小時(shí)平均濃度值超過(guò)環(huán)境空氣二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[2]。目前在高速公路收費(fèi)站的研究中常用美國(guó)丹尼爾和“日本高速公路設(shè)計(jì)規(guī)范”中所推導(dǎo)的公式[3-4]。而收費(fèi)站擴(kuò)容設(shè)計(jì)應(yīng)用的資料卻不多，收費(fèi)站的緩堵設(shè)計(jì)又少見(jiàn)報(bào)端，存在很多需要探索和研究的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1 高速公路收費(fèi)站車流特性

高速公路主線收費(fèi)站通行能力遠(yuǎn)小于路段通行能力，車輛處于跟馳狀態(tài)，頻繁啟停[5]。收費(fèi)站車輛的到達(dá)時(shí)間間隔被設(shè)定符合隨機(jī)分布，高速公路中的通行車輛到達(dá)收費(fèi)站一般被設(shè)定服從泊松分布[6]。用式（1）表示n個(gè)車輛在Δt時(shí)間內(nèi)到達(dá)收費(fèi)站的概率：

式中：λ為單位時(shí)間內(nèi)車輛的平均到達(dá)率，其單位為：輛/h。

得到不同車型收費(fèi)站到達(dá)時(shí)間的均值和方差見(jiàn)表1所示，達(dá)到車輛的車長(zhǎng)度分布如圖1所示。

由表1可見(jiàn)，小型車平均到達(dá)時(shí)間為5.5s，大型車平均到達(dá)時(shí)間為8.3s；由圖1可見(jiàn)收費(fèi)站到達(dá)車輛車長(zhǎng)較多在4.0～4.7m之間，也就是小型客車較多。車輛到達(dá)后接受收費(fèi)服務(wù)，收費(fèi)時(shí)間由高速公路收費(fèi)亭服務(wù)的過(guò)程由送卡（領(lǐng)卡）、繳費(fèi)組成。研究表明，認(rèn)為是服從正態(tài)分布的。其收費(fèi)站接受服務(wù)時(shí)停車間距頻數(shù)分布圖如圖2所示，服務(wù)時(shí)間分布圖如圖3所示。

由圖2可見(jiàn)，收費(fèi)站到達(dá)車輛接受服務(wù)時(shí)，車頭間距較多在1.2～1.7m之間，所以密度較大；由圖3可見(jiàn)收費(fèi)站到達(dá)車輛收費(fèi)時(shí)間較多在16～20s之間，服務(wù)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致通行效率下降。

2 車輛排隊(duì)系統(tǒng)模型的建立

通行車輛陸續(xù)到達(dá)高速公路收費(fèi)站，在收費(fèi)亭處排隊(duì)繳費(fèi)，然后駛離。這個(gè)過(guò)程是一個(gè)典型的輸入過(guò)程、排隊(duì)規(guī)則和服務(wù)機(jī)構(gòu)排隊(duì)系統(tǒng)。

2.1 排隊(duì)系統(tǒng)模型建立

假設(shè)通行車輛的到達(dá)時(shí)間間隔服從負(fù)指數(shù)分布（M），收費(fèi)服務(wù)時(shí)間服從負(fù)指數(shù)分布（M），假設(shè)有m個(gè)收費(fèi)亭同時(shí)提供收費(fèi)服務(wù)，系統(tǒng)可以為無(wú)限多車輛提供服務(wù)（∞），通行車輛數(shù)量也是無(wú)限的（∞），系統(tǒng)服務(wù)的規(guī)則滿足“先到達(dá)先服務(wù)”原則（FCFS），則得到M/M/m/∞/∞/FCFS模型。

2.2 模型算法

4 結(jié)束語(yǔ)

高速公路主線收費(fèi)站的收費(fèi)系統(tǒng)制約著道路的通行能力，容易導(dǎo)致等候車輛延誤時(shí)間增加形成交通擁擠。采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法分析高速公路收費(fèi)站停車間距、服務(wù)時(shí)間等交通流特性，得到服務(wù)時(shí)間較長(zhǎng)，使得通行效率降低，通過(guò)排隊(duì)理論構(gòu)建了系統(tǒng)排隊(duì)模型，提出了車流控制系統(tǒng)，確定了車流控制燈最佳位置點(diǎn)和分流點(diǎn)等車流控制系統(tǒng)參數(shù)；運(yùn)用VISSIM進(jìn)行仿真驗(yàn)證控制系統(tǒng)效果，在距收費(fèi)口處530m處對(duì)車流進(jìn)行控制，在176.77m為分流點(diǎn)，為道路擁堵的解決提出新的研究思路。

參考文獻(xiàn)：

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