面向無人值守收費站入口通行的主動限流協同控制策略研究

摘要：高速公路無人值守收費站目前主要面臨擁堵問題，影響用戶通行體驗和效率。為此，文章以高速公路主線、收費站、收費站地面連接路口組成的高地系統為研究對象，針對收費站入口場景，考慮高速公路入口匝道匯流引起的主線通行能力下降以及交通事故、施工等引起的入口匝道排隊積壓蔓延問題，利用收費站連接路口信號控制截流手段，提出收費站入口通行的主動限流協同控制策略，實現最大化高速公路主線通行效率、防止擁堵排隊阻塞收費站入口與地面連接路口的控制目標。

關鍵詞：高速公路收費站；主動限流；協同控制；SUMO仿真

中圖分類號：U491.54文獻標志碼：A

0 引言

隨著交通運輸領域建設的不斷深化，我國高速公路系統快速發展，運營里程明顯增加，服務水平顯著提高。然而，高速公路出入口收費站與銜接的城市道路交叉口之間的交通擁堵問題日益凸顯，成為制約交通效率的關鍵因素。這一問題出現的根本原因在于高速公路和城市道路分屬不同部門的獨立管轄，相鄰節點缺乏協同控制［1］，高速公路與城市道路銜接處的交通流傳播不協調，形成了擁堵瓶頸，制約了2個路網的順暢運行。

目前，我國絕大部分高速公路采用封閉式收費模式，而出入口設置的收費站是交通運行的瓶頸點［2］，出入口收費站與相鄰交叉口之間的區域往往成為高速公路與城市道路銜接的薄弱環節，頻繁發生擁堵現象，嚴重影響交通效率。同時，在城區范圍不斷擴張的背景下，城市周邊環城高速公路逐漸成為市民日常通勤的必經之路，但高速公路與城市道路之間的協同控制缺失，導致交通擁堵問題凸顯，供需矛盾逐漸加劇。此外，由于電子不停車收費系統（Electronic Toll Collection System，ETC）的不斷推廣與普及，截至2019年年底，全國ETC用戶已累計達到1.92億，ETC安裝率為73.8%，ETC通道覆蓋率為90%［3］。相較于人工車道，ETC車道具有更高的收費效率和更強的通行能力，而現有的城市路網環境并未進行相應的提升，難以有效容納經ETC車道通行的大量交通流，致使高速公路收費站周邊的擁堵問題頻發。

傳統的交通解決方案主要集中在增加交通設施建設、優化收費站管理、改善城市道路交叉口控制等方面，然而這些單一措施缺乏高速公路與城市道路的協調控制，未能從根本上解決高速公路出入口收費站與銜接信號交叉口之間的交通擁堵問題。當前，部分城市郊區高速公路和城市道路之間的交叉口區域已呈現嚴重的超負荷運輸狀態，而缺乏協同控制機制，導致交通擁堵問題日益突出，嚴重時甚至出現交叉口的車輛排隊滿溢到收費站的現象，極大地制約了交通系統的通行效率。

此外，無人值守收費站逐漸成為行業發展的主流趨勢，在“取消高速公路省界收費站”的大背景下［4］，基于全國高速公路“一張網”運行新階段，結合“交通運輸領域新型基礎設施建設”要求和智慧公路建設持續推進，江蘇省正在穩步建設無人收費站，開展自助繳費、準自由流收費、云收費等高速公路收費新模式研究和實踐，降低收費站運營成本，優化收費站通行效率。在無人值守收費站的運營條件下，如何精準高效地協調交通流，緩解當前或即將到來的交通擁堵，降低遠程管理人員的工作壓力，成了高速公路管控領域亟待解決的問題。

面對這一現狀，文章致力于探討無人值守高速公路入口收費站與銜接信號交叉口之間的協同控制機制，目的在于建立一個更為高效的交通管理系統，提升道路通行效率與資源利用率。高速公路收費站與銜接交叉口是控制公路主線、提升城區道路服務水平的最佳節點，其可控性與自適應調節的便捷性最強。通過對這一關鍵節點的協同控制，整合高速公路銜接信號交叉口的交通信號、流量控制等手段，使得這些要素能夠相互協調配合，實現更為順暢的交通流動。通過協同控制進行統一調控，促進交叉口周邊的路段流量分布更加均衡，有效遏制了流量不匹配、排隊溢出等問題，有助于緩解交通擁堵問題，提高了整體交通系統的通行效率。文章旨在通過研究科學高效的協同控制機制，探討一種利用交叉口信號控制對收費站的通行交通流進行更有效管理與控制的方法，從而建立一個更加智能、協調的高速公路與城市道路一體化交通管理系統。

1 技術路線及方案

1.1 協同控制需求分析

高速公路收費站的交通擁堵不僅影響駕駛員的通行體驗，還會降低收費站的收費效率。在無人值守的條件下，由于管理人員的一職多能化，當發生交通擁堵時，管理人員不僅需要處理各類收費特勤事件，還擔負著疏導收費站交通通行的任務，面臨巨大的工作壓力。相比有人值守的收費站，無人值守收費站更加迫切地需要獲取智能化的交通管控手段，以提高收費站的通行效率。

1.2 協同控制流程設計

針對收費站入口擁堵的場景，考慮高速公路入口匝道匯流引起的主線通行能力下降以及天氣、交通事故、施工等引起的入口匝道排隊積壓蔓延問題，文章利用地面連接路口信號控制截流手段，提出收費站入口通行的主動限流協同控制策略，實現高速公路主線通行效率的最大化控制目標，防止擁堵排隊造成收費站入口與地面連接路口阻塞。其中，面向無人值守收費站入口通行的主動限流協同控制流程如圖1所示。

1.2.1 事件判定模塊

針對優先保障高速公路主線暢通這一需求，事件判定模塊主要用于確定主線交通狀況。流感知設備為斷面車輛檢測器，一般布設在入口匝道上、下游各100～150 m處。車輛檢測器將獲取主線匯流區上下游的斷面流量、速度、占有率數據，用于判別入口匝道車流匯入前后的交通流運行狀態，可劃分為自由通行、臨界通行能力、擁堵3種狀態。自由通行狀態表示匯流區交通運行平穩，主線車流受入口匝道車流的影響較小，此時若沒有模塊響應記錄，則無需進行控制，若模塊已響應記錄，則認為干預控制取得了預期效果，將解除控制；臨界通行能力狀態表示主線與入口匝道匯入流量接近或達到臨界通行能力值（最大通行能力），匯流區交通流運行于不穩定狀態，若入口匝道流量進一步增加，匯入車流產生的干擾可能導致匯流區通行能力的驟降（下降幅度可達10%～20%不等）［5］，此時需要限制入口匝道匯入流量，以維持高速公路主線的通行效率；擁堵狀態表示通行流量小于通行能力，匯流區交通擁堵已經形成，入口匝道處用戶開始排隊，擁堵情況將逐步蔓延，此時需要限制入口匝道匯入流量，抑制入口匝道排隊的蔓延趨勢。

1.2.2 收費廣場響應模塊

在事件判定模塊確定主線臨近或超過通行能力后，則需要入口收費廣場立即采取措施，此時參照匝道視頻流排隊狀況、匝道最大排隊容量進行判斷。若未超出匝道最大排隊容量，則收費站入口僅需要增加ETC車道抬桿的延遲響應時間，延緩車輛進入匝道；若已經臨近匝道最大排隊容量，則收費站需要關閉部分收費車道進行限流，并定時評估廣場內部存車狀況。需要說明的是，雖然關閉收費車道的手段可以達到限流的目的，但是車道關閉的實施將導致車輛排隊積壓在開放的收費車道內，而關閉車道無法發揮存車作用，導致收費站入口廣場的實際容量下降，可能進一步加劇排隊的蔓延趨勢。

1.2.3 路口聯控模塊

在收費廣場響應模塊開始工作后，需要時刻注意廣場內部車輛是否超過排隊容量，如果臨近或已經超過廣場最大排隊容量，則需要連接交叉口進行聯控干預，避免因收費站排隊滿溢至相鄰交叉口，進而導致收費站周邊路網通行狀況急劇惡化甚至出現癱瘓。其中，連接交叉口聯控主要包括信號優化和組織調度2大類方式。

在信號優化方面，通過實時監測收費站入口廣場的排隊情況，利用綠時早斷、相位搭接等方式實時調整上游連接路口關聯相位的綠時，實現路口釋放流量的截流，防止排隊蔓延阻塞路口。協同控制（綠時早斷）相位如圖2所示，路口為典型的右轉不受控十字信號交叉口，對于收費站連接交叉口這類交通流量極易突變的場景，傳統信號控制的“同開同放”方案不利于對某一流向進行精準調控。因此，針對收費站入口廣場排隊達到閾值的這一情況，需要在現有控制方案的基礎上，動態加入相位搭接（如圖中協同控制方案虛線劃分所示），將控制減少、增加的綠時賦予非控制、非沖突流向的放行，從而最小化綠時早斷，延長控制對路口其他車流通行的影響，進一步延緩入口收費站的來車，減小主線、匝道和收費廣場的過車壓力，便于交通擁堵的快速消散。需要說明的是，在實際應用中，相位搭接的使用需要充分考慮到行人/非機動車的左轉需求，特別是當非機動車左轉時，需要配合非機動車左轉專用燈，消除非機動車與機動車之間的沖突隱患，保障路口安全通行。

在組織調度方面，連接交叉口的信號協同是以犧牲交叉口的通行能力為代價而延緩車輛進入廣場的，需要注意的是，早斷需要保證基本的通行綠時。當早斷依然無法延緩收費廣場前的大流量來車時，則需要人為干預進行交通組織調度，文章整理了目前使用較為廣泛的幾類交通組織方案，為研究高速公路收費站及連接交叉口具體場景下的適用性分析提供基礎，如表1所示。

2 仿真案例分析

文章選取位于滬武高速公路太倉至常州段（沿江高速）的太倉東收費站作為仿真實驗研究對象，收費站上下游路段關聯性較強，適宜作為典型應用案例進行協同控制研究。文章利用SUMO開源軟件平臺構建仿真區域路網系統，并通過Traci接口進行二次開發，對不同控制方案下的交叉口通行效率和應用效果進行比較分析。

2.1 路網環境搭建

太倉東收費站下游銜接交叉口為十字交叉口，東西走向為朝陽東路，南北走向為四通南路。該收費站包含3車道入口［包括1條ETC車道和2條公路半自動車道收費系統（Manual Toll Collection，MTC）車道］；4車道出口（包括2條ETC車道和2條MTC車道）。下游連接十字交叉口采用信號燈控制，距離收費站入口200 m、出口149 m；上下匝道長度在540～800 m范圍內（其中收費廣場120 m）。

2.2 交通流特性配置

經過前期資料搜集、現場人工調查、無人機航拍等方式確定交通特征參數，仿真設置下游連接道路車輛的限速為60 km/h，進入收費站及匝道路段的限速為40 km/h，高速公路主線的限速為120 km/h，高速主線的平峰流量約為2400 pcu/h，高速主線（早）高峰流量約為3200 pcu/h；連接交叉口東向來車（早）高峰時段的流量為1530 pcu/h，西向來車（早）高峰時段的流量約為2105 pcu/h，南向來車（早）高峰時段的流量約為505 pcu/h，北向來車（早）高峰時段的流量約為1025 pcu/h；客貨比設置為5∶3；現階段交叉口采用四相位固定配時方案，周期時長為150 s，東西直行綠時為35 s，東西左轉綠時為30 s，南北直行綠時為45 s，南北左轉綠時為28 s，黃燈統一為3 s。

2.3 仿真方案設計

仿真程序的總運行時間為3600 s，前900 s作為仿真程序的預熱時間，數據采集時段為900～3600 s，其中900～1800 s和2700～3600 s為平峰時段，1800～2700 s為高峰時段。參照前述協同控制流程，仿真程序在連接交叉口進出口車道、收費站廣場前端布設排隊檢測器，在高速公路主線合流區上下游布設占有率檢測器。

2.4 仿真評價分析

文章基于未控制（即采用現有固定配時方案）、協同控制對太倉東收費站路網進行仿真，分別改變SUMO車輛生成隨機種子，進行多次仿真驗證，輸出仿真過程中主線通行平均車流量、連接交叉口平均通行量、交叉口車均延誤等指標數據，其中連接交叉口通行量變化如圖3所示。

結果表明，收費站入口通行的主動限流協同控制相比于傳統定時控制，在平峰和高峰時段的表現更為優秀，相比于現存定時控制，匝道排隊長度下降了18.6%，交叉口通行量提升了8.9%，車均延誤減小了14%。但需要注意的是，由于限制收費站入口廣場的車流進入，高速公路主線下游流量有所減少。

3 結語

由于高速公路的封閉性與城市道路的開放性在結構與功能上均存在顯著差異，這導致兩者之間的銜接缺乏有效的協同控制，在高速公路與城市道路的連接路段尤為明顯。針對上述問題，文章提出了一種面向高速公路入口通行的主動限流協同控制策略。研究中高速公路收費站的流量調節功能被充分利用，以此來控制進入匝道和主線的車流。同時，通過協調匹配收費站的通行能力與城市道路交叉口的信號配時資源，確保了高速公路入口車流的順暢通行，緩解了交會路段的交通壓力，提高了整體的通行效率。SUMO車輛實際案例仿真分析驗證了本文所提協調控制方法的有效性，所提方法可以緩解銜接路段的交通擁堵問題，降低了車輛延誤并能夠預防銜接路段發生排隊溢出，為高速公路入口限流與城市道路信號相互協調控制提供了較為有效的處置流程和策略支持。

盡管本方法取得了一定成效，還有若干問題值得被進一步研究，例如連接交叉口信號的早斷、遲延對相鄰交叉口和整體路網通行效率的影響。此外，高速公路沿線收費站及相應連接交叉口的區域級聯控制系統的研究，對于推動高速公路運營管理邁向高質量發展具有重要意義。

參考文獻

［1］劉偉銘，陳綱梅，林觀榮，等.高速公路收費站與銜接信號交叉口協調控制研究［J］.廣西師范大學學報（自然科學版），2019（4）：16-26.

［2］陳綱梅.收費公路出入口匝道與銜接信號交叉口的協同控制方法研究［D］.廣州：華南理工大學，2020.

［3］宋文通.城市高速公路收費站與銜接路段協同控制優化研究［D］.廣州：華南理工大學，2023.

［4］沈琦.取消高速公路省界收費站有關問題的思考［J］.中國市場，2022（6）：162-163.

［5］OH S， YEO H. Estimation of capacity drop in highway merging sections［J］. Transportation Research Record： Journal of the Transportation Research Board， 2012（1）： 111-121.

Research on collaborative control strategy for proactive traffic flow restriction at electronic

toll collection station

Abstract：Expressway electronic toll collection station currently faces significant congestion challenges， adversely affecting transit experience and efficiency of users. This paper takes the highland system composed of the expressway main line ， toll stations and toll station ground connection intersections as the research object. Aiming at the entrance scenarios of toll stations， the paper addresses the decrease in mainline traffic capacity due to the merging traffic from entrance ramps and the issues of queue spillover caused by traffic accidents or construction at entrance ramps. Utilizing signal control at the connecting junctions of toll stations as a traffic interception method， an optimized collaborative control strategy for proactive flow restriction at toll station entrances is proposed，which maximizes the efficiency of mainline traffic on highways and prevent congestion and queue blockages at toll station entrances and their connecting junctions.

Key words： expressway toll station; proactive flow restriction; collaborative control; SUMO simulation