基于數據可視化處理下對高速公路收費站的改造問題研究
——以西安曲江收費站為例

石雨萱 郭思佑

（西安建筑科技大學華清學院，陜西 西安 710043）

1 概述

城市從產生到發展都與交通有著密不可分的關系。高速公路拉近了地區之間的距離，各帶動了經濟溝通，促進了經濟發展，其中高速收費站發揮了重要的管控作用。收費站的規劃對于整個高速公路的運行至關重要。車輛進入收費站前需要選擇道路并停車繳費，這就容易導致收費站出現擁堵。因此，需要對高速收費站的路口進行管控和規劃。本文采用將普通的高速路收費站路口改造為蜂窩狀的收費站路口，這樣既減少了收費站的占地面積又可以有效提高站口的通行速度。

2 研究背景與意義

現有高速收費站的布局是平行式道路布局，每條車道對應一個收費站，當車輛行駛至收費站的等待區時，車輛需按照當前車道進入收費站，隨著汽車的保有量俱增，對道路通行能力的影響不容小覷。那么如何可以有效提高道路通行能力就顯得尤為重要，本文在搜集整理相關數據的基礎上對數據進行了可視化處理并作出了相應的預測，可以為交通管理部門提供較準確的指導性意見。

3 基于灰色理論數據可視化分析

3.1 數據可視化處理

數據可視化是當今大數據與人工智能社會對數據的更高層次要求，是數據視覺表現形式的科學技術研究，是將數據更為直觀化的表達方式。

本文搜集了西安繞城高速曲江收費站2020-2022年春運期間的交通流量數據（部分數據見表1），并對數據進行了處理做出統計圖（圖1）如下。

表1 曲江收費站春運期間的交通流量數據

圖1 2020-2022 年交通流量統計圖

由圖1 可知：在2020 年年初車流量相對較大且呈現增長趨勢。大致從2020 年1 月底交通流數據明顯下降，其主要原因是由于新冠疫情爆發。從2020 年2 月底交通流又緩慢上升。在2021 年年初交通流相對較大直至春節前期車流量發生了顯著下降，從2 月15 日左右交通流數據又增長，主要是春節后的返程流。在2022 年年初由于西安爆發了新冠疫情導致交通流下降，大致在春節前一周隨著疫情得到有效控制，交通流有了顯著提升。但是高位交通流僅維持了一周的時間，隨著春節到來車流量又發生了下降。春節后復工復產使得交通流數據又明顯提高，由此做出正態概率如圖2 所示。

圖2 2022 年交通數據正態概率圖

由此可知，如果不考慮疫情對交通的影響，橫向對比三年數據，同時期交通流量呈現高位增長的趨勢。這個主要是由于與近三年西安的汽車保有量逐漸增加，導致了交通發生嚴重擁堵所造成。

3.2 基于GM（1，1）灰色理論對交通流量的預測

設時間序列X（0）共有n 個觀察值，記：

其中α 為發展灰數，μ 為內生控制灰數

通過對3.1 中的數據進行預測及精度檢驗得到結論如圖3。

圖3 預測模型求解

計算得到：后驗差比值為：0.34832。通過MATLAB 計算得到預測精度好，預測擬合值為362.6332，378.2655。

由此可知，隨著時間的推移車流量交通數據會發生顯著增加，因此在一段時間內交通的擁堵仍然顯著。

4 基于交通波理論對汽車阻塞問題討論

4.1 交通波理論概述

實際交通中，車輛的行駛是連續的，呈現汽車運動流體，類比于流體力學。根據流體力學原理模擬連續性方程，建立汽車運行的連續性方程，將車流密度的變化類比于水波起伏抽象成車流波，車流發生變化就會形成車流波，根據車流波建立數學模型可找到車流密度，速度于流量之間的關系，此理論亦稱為流體力學模擬理論。雖然可以將車流的變化類比于流體力學流體的變化，但是二者仍存在很多不同，但是這種思想在分析交通擁堵中仍然有獨到之處。

4.2 車輛連續性方程建立

4.3 交通波模型建立

5 基于仿生學角度對高速公路收費站改造方案設計

5.1 傳統收費站方案概述

傳統的收費站分為基本路段，交織區，匝道區三個部分，車輛進入交織區后需減速行駛繳費，之后車輛重新起步經過匝道區，這種收費站的形式可簡化為由一個質點發散后經過合并成另一個質點的物理模型，如圖4，這種合并由于駕駛員的水平差異，車況等因素影響，會在車流量較大的時發生大面積的堵車。

圖4 收費站簡化物理模型

5.2 改造后收費站方案設計

近些年來，基于進化論提出的仿生學逐漸進入生產生活中。仿生學實際是利用動物或者植物的某些結構，形態功能來制作相應的機械設備供人們使用。

在結構力學中，由于六邊形可以劃分為六個三角型結構，所以六邊形的結構最穩定，在幾何學中，六邊形是密度較高，空間利用率較大的空間結構，受此啟發，考慮將高速收費站的布局改為正六邊形結構。

改造方案：高速公路原有收費站的基本路段區，交織區與匝道區不變，改造后車輛不能再由原來的一個質點經過發散后再形成質點。改造后，車輛進入交織區后會根據當前行駛車道進入收費站，收費站道路布局呈六邊形，駕駛員根據車輛的繳費方式選擇人工繳費或自動繳費。人工繳費的車輛可直行到收費站的南側收費口，進行繳費通過；自動繳費的車輛可以到收費站的北側收費口直接通過。過收費站后，通過每個收費站的兩個車道車輛進行合并為一個車道后正常行駛。改造方案設計如圖5。

圖5 收費站改造方案設計圖

改造后的收費站布局可實現收費站土地資源利用率最大化，減少了收費站建筑的面積，車輛的車道合并減少，由原有的多車道合一轉變為雙車道合一，有效地降低了事故的發生，提高了道路通行能力。

6 基于交通學通行理論方案可行性分析

6.1 最大服務交通量：

6.2 單向車行道設計通行能力：

其中CD為單向車道設計通行能力（單位：veh/h），N為單向車道行車道數，fw：車道寬度與側向凈寬對通行能力修正系數，fHV：大型車對通行能力修正系數，fp：駕駛員條件對通行能力修正系數。

7 建議與對策

7.1 六邊形收費站占地面積利用率以及通行能力顯著提升。

7.2 六邊形收費站提高了站點工作效率。

7.3 六邊形收費站相比于傳統的高速路收費站減緩了道路的擁堵和發生事故的概率。

8 結論

高速公路在交通運輸中起著重要的作用，因此解決高速收費站擁堵問題顯得尤為重要。本文設想將高速收費站口改為六邊形蜂窩狀收費站口，這樣可以減少占地面積同時也基于可以減緩高速路口的擁堵現象。