收費口站前廣場擁堵排隊模擬與誘導(dǎo)方法

文/張鑫

1 前言

在高速公路系統(tǒng)中，收費站一直是以“瓶頸”的形象存在，影響著我國高速公路運輸業(yè)的發(fā)展。對收費口站前廣場的車輛排隊情況建立模型進行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測結(jié)果可以對高速公路出入站交通流進行交通管理，及時對交通流進行有效疏導(dǎo)，緩解收費站的服務(wù)壓力，降低收費站造成的延誤，提高收費站的出入站交通量。

2 收費站區(qū)域交通特性分析

本研究選取了重慶市南岸區(qū)迎龍收費站作為研究對象，該收費站是G5001 重慶繞城高速南岸區(qū)的一個收費站。該收費站的車輛車頭時距情況如圖1所示。

圖1 車頭時距分布頻數(shù)圖

從圖1 看出，收費站的到達車輛的車頭時距分布符合負(fù)指數(shù)分布，根據(jù)研究表明，在車頭時距符合負(fù)指數(shù)分布的情況下，車輛到達分布符合泊松分布，選用泊松分布（式1）來描述收費站區(qū)域車輛的到達特性。

式（1）中：λ 為車輛平均到達率；t 為計數(shù)時間間隔；P(k)為在t 時間內(nèi)到達k 輛車的概率。

對于采取不同收費方式的車道，服務(wù)時間是不一樣的。由于電子不停車收費系統(tǒng)（Electronic Toll Collection， 簡稱：ETC）和人工收費系統(tǒng)（Manual Toll Collection，簡稱：MTC）在服務(wù)水平上有很大差異，因此對ETC 車道和MTC 車道的服務(wù)時間分別進行分析。ETC 車道的服務(wù)時間特性相對簡單，其影響因素主要是駕駛員的駕駛技術(shù)、汽車性能以及收費站ETC 車道限速條件。在交通量較小，收費廣場區(qū)域無排隊時，車輛不用停車，只需減速到限速閾值以下即可快速通過收費車道完成收費，其服務(wù)時間等于車輛通過ETC 車道的時間。MTC 車道需要車輛停車進行人工收費，其服務(wù)時間相對于ETC 車道要花費更多的時間，即使在交通量較小時，只要收費通道中存在車輛在接受服務(wù)，后續(xù)到達車輛就需要排隊等待。通過實際調(diào)研，MTC 車道的服務(wù)時間符合正態(tài)分布[1]。

車輛從主線道路進入收費廣場，通常情況下車輛會在上游路段開始進行適當(dāng)減速，駕駛員再根據(jù)車輛類型和收費站各收費通道的實際情況進行變道。如一般安裝了ETC 設(shè)備的小汽車，在上游路段會更傾向于左側(cè)車道行駛；貨車由于需要稱重過磅，貨車會在上游路段傾向于右側(cè)車道行駛。在進入收費廣場后，車輛會進一步減速并根據(jù)收費站各收費車道的排隊長度選擇合適的收費車道進行收費。MTC 車輛到達收費亭后需要停車進行人工收費，收費結(jié)束后才會加速駛離。ETC 車輛進入ETC 車道無須停車等待，通常以20km/h 的速度通過ETC 車道，然后加速駛離。車輛通過收費車道的時間與車輛類型、駕駛員和收費系統(tǒng)有關(guān)[2]。

在此將影響收費站車輛運行特性的區(qū)域進行劃分，主要劃分為：上游區(qū)域、減速區(qū)域、收費區(qū)域、加速區(qū)域以及下游區(qū)域，如圖2 所示。

圖2 收費站區(qū)域劃分示意圖

3 收費站排隊仿真模擬

排隊問題中各種相關(guān)要素組成的有機整體稱為一個排隊系統(tǒng)。排隊系統(tǒng)主要有三個基本組成部分：輸入過程、排隊及排隊規(guī)則、服務(wù)機制。通過VISSIM平臺對迎龍收費站收費排隊進行模擬，建立仿真方案如下：

第一步，設(shè)定收費站的收費車道為3 條。其中，ETC 車 道2 條，MTC 車道1 條，ETC 車道與MTC 車 道流量比為9∶1，初始車輛到達率為1500veh/h 每次仿真增加100veh/h，增加至2500veh/h 結(jié)束。

第二步，分別將收費車道數(shù)量設(shè)置為3、4、5、6。其中，MTC 車道設(shè)置為1 條。分別仿真不同車道數(shù)量不同到達率情況下，各個收費車道的車輛排隊長度并記錄分析數(shù)據(jù)。

VISSIM 平臺的輸入模塊中，車輛的到達分布選擇泊松分布，車輛跟馳模型選擇駕駛生理-心理模型。ETC 車道為不停車收費，通過設(shè)置減速區(qū)域?qū)崿F(xiàn)仿真，設(shè)定通過速度為20km/h，MTC 車道需要停車收費，通過停車標(biāo)志實現(xiàn)仿真，停車時間符合正態(tài)分布，期望為10 秒，方差為4s2。

運行模塊中，設(shè)置排隊計數(shù)器記錄最大排隊長度以及平均排隊長度。由于VISSIM 平臺在仿真的前600s 中交通量是不穩(wěn)定的，因此設(shè)定仿真時間為4200s，分析后3600s 的仿真車輛排隊長度。

運用SPSS 對收費站車輛平均排隊長度數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)平均排隊長度與車輛到達率和收費站車道數(shù)呈線性關(guān)系。擬對平均排隊長度進行多元線性回歸分析，得到多元線性回歸方程（式2）。

式(2)中：Y 為收費站車輛平均排隊長度；x1為收費站車輛到達率（veh/h）；x2為收費站車道數(shù)量[3]。

根據(jù)線性回歸分析結(jié)果顯示，擬合度為89.71%，車輛到達率的顯著性水平sig = 0.0023 ＜0.05，收費站車道數(shù)量顯著性sig = 0.0016 ＜0.05，因此該回歸模型能夠較好預(yù)測收費站的車輛平均排隊長度。

同時運用SPSS 對收費站最大排隊長度進行分析，發(fā)現(xiàn)收費站車輛最大排隊長度與收費站車輛到達率和車道數(shù)量呈線性關(guān)系，以此擬建立多元回歸模型對車輛最大排隊長度進行擬合，得到多元線性回歸方程（式3）。

式(3)中：Z 為收費站車輛最大排隊長度。

根據(jù)線性回歸分析結(jié)果顯示，擬合度為86.84%，車輛到達率顯著性水平sig = 0.036 ＜0.05，收費站車道數(shù)量顯著性sig = 0.0010 ＜0.05，因此該回歸模型能較好預(yù)測收費站車輛最大排隊長度。

4 交通誘導(dǎo)方案

交通誘導(dǎo)是現(xiàn)代智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，通過現(xiàn)代化信息技術(shù)手段向即將出行或者在途交通發(fā)布實時交通信息，引導(dǎo)未出行者出行方式和在途交通選擇出行路線，將交通流合理分配在路網(wǎng)中。通過對迎龍收費站附近路網(wǎng)的實地調(diào)查，迎龍收費站的車流量主要來自石塔立交方向，經(jīng)過T 型交叉口進入收費廣場。迎龍收費站距離主線道路茶園大道很近，車輛經(jīng)過交叉口后就直接到達收費廣場，因此，當(dāng)收費站發(fā)生擁堵，收費廣場已經(jīng)無法容納全部車輛時，交叉口等待車輛無法進入收費廣場，收費站的擁堵也會導(dǎo)致茶園大道該交叉口的擁堵。

根據(jù)“遠(yuǎn)端分流、逐級分流”原則，對于茶園大道前往迎龍收費站的車輛，選擇石塔立交和生態(tài)園立交兩個分流點進行誘導(dǎo)分流。其中石塔立交分流路線為：路線1——由石塔立交左轉(zhuǎn)進入通江大道，再由開迎路經(jīng)石渝收費站進入重慶繞城高速，全程約9.3km；路線2——由石塔立交右轉(zhuǎn)進入通江大道-長生路-210 國道-惠西路從惠民收費站進入繞城高速，全程約12km。生態(tài)園立交分流路徑：路線3——由生態(tài)園立交左轉(zhuǎn)進入富源大道，經(jīng)開迎路到達石渝收費站進入繞城高速，全程約5.3km。

通過移動手機平臺和可變情報板來發(fā)布誘導(dǎo)信息。其中手機平臺主要分為短信和地圖APP 導(dǎo)航分別以文字、圖像和語音的形式發(fā)布誘導(dǎo)信息?？勺兦閳笮畔逶O(shè)置在路側(cè)或者中央分隔帶，以文字、符號和數(shù)字的形式發(fā)布實時交通運行狀況，發(fā)布信息實現(xiàn)交通誘導(dǎo)分流。

5 結(jié)語

采取了VISSIM 仿真模擬和SPSS 數(shù)據(jù)擬合分析，對收費站排隊現(xiàn)象進行了研究，提出了針對收費站擁堵排隊現(xiàn)象的誘導(dǎo)方案，并以迎龍收費站為例設(shè)計了交通誘導(dǎo)方案。

本研究還存在著一些不足之處，在仿真方案設(shè)計上，MTC 車道的設(shè)置始終保持1 條車道，這在實際中存在不合理性。在數(shù)據(jù)擬合階段，由于只采取了迎龍收費站的數(shù)據(jù)進行模擬，回歸模型的實際運用中，對其他收費站的預(yù)測誤差可能較大。