高速公路主線收費站緩堵管控技術研究

宋安寧+喬建剛

摘 要：隨著車輛數量的不斷增加，交通擁堵頻發，尤其是主線收費站，不僅造成大量的時間延誤，而且頻繁的車輛啟動與制動使得油耗增大，尾氣排放量急劇增加，對環境造成污染。為了提高道路的經濟性，實現節能減排的目的，通過實地調研，以交通工程學、控制論等為基礎，采用數理統計法分析高速公路收費站停車間距、服務時間等交通流特性，通過構建排隊系統模型，建立了車流控制系統，并確定了車流控制系統參數，運用VISSIM仿真驗證了控制系統效果良好，為道路擁堵的解決提出新的研究思路。

關鍵詞：主線收費站；交通擁堵；VISSIM；控制技術

中圖分類號：F506 文獻標識碼：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

高速公路主線收費站的收費系統制約著道路的通行能力，容易導致等候車輛延誤時間增加形成交通擁擠。車輛排隊前進、等待過程中，頻繁的啟動制動大量排出的尾氣造成了收費站局部區域的空氣污染，影響收費站工作人員的身體健康。肖化昆對收費站分析表明，收費站附近環境質量一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫和粉塵均有部分高于國家標準[1]。陳克軍對重慶市4個收費站的收費亭內外一氧化碳、二氧化氮、總烴和可吸入顆粒物進行分析發現亭內外二氧化氮和茶園站亭內外氧化碳的小時平均濃度值超過環境空氣二級標準[2]。目前在高速公路收費站的研究中常用美國丹尼爾和“日本高速公路設計規范”中所推導的公式[3-4]。而收費站擴容設計應用的資料卻不多，收費站的緩堵設計又少見報端，存在很多需要探索和研究的關鍵技術問題。

1 高速公路收費站車流特性

高速公路主線收費站通行能力遠小于路段通行能力，車輛處于跟馳狀態，頻繁啟停[5]。收費站車輛的到達時間間隔被設定符合隨機分布，高速公路中的通行車輛到達收費站一般被設定服從泊松分布[6]。用式（1）表示n個車輛在Δt時間內到達收費站的概率：

式中：λ為單位時間內車輛的平均到達率，其單位為：輛/h。

得到不同車型收費站到達時間的均值和方差見表1所示，達到車輛的車長度分布如圖1所示。

由表1可見，小型車平均到達時間為5.5s，大型車平均到達時間為8.3s；由圖1可見收費站到達車輛車長較多在4.0～4.7m之間，也就是小型客車較多。車輛到達后接受收費服務，收費時間由高速公路收費亭服務的過程由送卡（領卡）、繳費組成。研究表明，認為是服從正態分布的。其收費站接受服務時停車間距頻數分布圖如圖2所示，服務時間分布圖如圖3所示。

由圖2可見，收費站到達車輛接受服務時，車頭間距較多在1.2～1.7m之間，所以密度較大；由圖3可見收費站到達車輛收費時間較多在16～20s之間，服務時間較長，導致通行效率下降。

2 車輛排隊系統模型的建立

通行車輛陸續到達高速公路收費站，在收費亭處排隊繳費，然后駛離。這個過程是一個典型的輸入過程、排隊規則和服務機構排隊系統。

2.1 排隊系統模型建立

假設通行車輛的到達時間間隔服從負指數分布（M），收費服務時間服從負指數分布（M），假設有m個收費亭同時提供收費服務，系統可以為無限多車輛提供服務（∞），通行車輛數量也是無限的（∞），系統服務的規則滿足“先到達先服務”原則（FCFS），則得到M/M/m/∞/∞/FCFS模型。

2.2 模型算法

4 結束語

高速公路主線收費站的收費系統制約著道路的通行能力，容易導致等候車輛延誤時間增加形成交通擁擠。采用數理統計法分析高速公路收費站停車間距、服務時間等交通流特性，得到服務時間較長，使得通行效率降低，通過排隊理論構建了系統排隊模型，提出了車流控制系統，確定了車流控制燈最佳位置點和分流點等車流控制系統參數；運用VISSIM進行仿真驗證控制系統效果，在距收費口處530m處對車流進行控制，在176.77m為分流點，為道路擁堵的解決提出新的研究思路。

參考文獻：

[1] 肖化昆. 系統仿真中任意概率分布的偽隨機數研究[J]. 計算機工程與設計，2005，26（1）：168-171.

[2] 馬軍. 高速公路收費站擁堵問題調查與分析[J]. 公路交通科技，2012（4）：301.

[3]（美）丹尼爾L. 鳩洛夫，等. 交通流理論[M]. 北京：人民交通出版社，1983.

[4] 日本道路工團. 日本高速公路設計要領[M]. 交通部工程管理司譯制組，譯. 西安：陜西旅游出版社，1991.

[5] 易濤，熊堅，萬華森. 高速公路基本路段交通流微觀仿真建模與實現[J]. 昆明理工大學學報（理工版），2004，29（3）：94-97.

[6] 王東升，劉玉堂. 泊松過程在排隊論中的應用[J]. 河南機電高等專科學校學報，2007（4）：121-122，125.