| 标题 | 高峰期高速公路收费广场交通拥堵的解决方案 |
| 范文 | 郭珺然 摘要：针对高峰时段高速公路收费广场交通拥堵现象日益严重，介绍了收费站的收费通行方式，搭建车辆分段经过收费广场的时间延误模型、车辆换道模型和综合评价模型，考虑到收费站的建设成本，利用模糊层次分析法分析评价了传统单亭式收费广场的车辆交通流。为提高收费站的交通流量、安全性和经济性，提出了改进型单入双出复式双亭收费车道，通过理论设计、数值分析、模拟仿真，以及对低车流量和堵车情况时的性能分析，较好的验证了该设计方案的可行性，为我国高速路收费广场建设提供了一条新思路。 Abstract： In response to the increasingly serious traffic congestion on the toll plaza during the peak hours， the toll collection station's charging method was introduced， the time delay model for building vehicles passing through the toll plaza， the vehicle lane change model， and the comprehensive evaluation model were taken into consideration， taking into account the construction cost of the toll station. Using fuzzy analytic hierarchy process to analyze and evaluate the vehicle traffic flow in the traditional single booth toll plaza. In order to improve the traffic flow， safety and economy of the toll station， an improved single-in， double-out， dual-kiosk toll lane was proposed， through theoretical design， numerical analysis， simulation， and analysis of performance at low traffic flow and traffic jams. This has proved the feasibility of the design proposal and provided a new idea for the construction of the toll plaza in China. 關键词：高速公路；收费站；交通拥堵；复式收费；交通仿真 Key words： highways；toll stations；traffic congestion；duplex charges；traffic simulation 中图分类号：U417；U491 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）28-0113-05 0 引言 随着我国经济水平飞速发展，汽车保有量持续增加，人口流动和物质交换需求日益变大，高速公路的交通量呈现逐年增长趋势[1，2]。收费站作为高速公路通信能力的瓶颈，尤其是在节假日及早晚高峰时段，交通拥堵现象十分严重。因此，分析高速公路主线收费站拥堵机理和事故应急处理，规划设计一种新型收费车道，确保高峰时段收费广场车流量畅通，是高速公路收费站设计管理中所面临的重要任务[3]，对加快我国高速路经济发展建设、提高人民生活质量有着积极影响。 1 收费站收费方式 高速公路收费站往往通过“坡道收费”和“障碍收费”收取过往车辆的通行费用。坡道收费是设立在高速公路的出入口斜坡处的收费窗口。障碍收费是一排跨过高速路的，垂直于交通流的方向的收费站。根据服务人员参与收费的多少，可把收费方式分为三种：常规人工收费、半自动收费、电子收费。其中，常规人工收费无任何电子设备而是由人工手动全权参与，但是人为性漏收概率过大，现已基本淘汰，本文不予讨论。 2 高速公路收费站交通流分析 2.1 时间延误模型 车辆经过收费广场的过程应包括车辆自进入收费广场接受服务，到驶离收费广场所经历的总路程。因此，驶入收费站的车辆经收费广场驶离的过程划分为三个阶段：进入收费广场过渡段、收费站等候服务段、离开收费广场过渡段，如图1。设这三个阶段所用总时间T为：T=Ti+Tw+To。 2.1.1 进入过渡段的布局设计与时间规划 由于交通流本身在一定条件下具备流体性质，利用排队论，根据流体连续性方程，建立交通流连续性方程[4]。假设车辆以初始交通流速v0、初始交通流量q0的自由交通流进入收费广场，按照交通流连续性方程q0=v0k0（k0为交通流密度）。当交通流位于进入收费广场过渡段中某一目标位置时，交通流速v、交通流量q0、交通流密度k的关系为： 2.1.2 等候服务段的布局设计与时间规划 假设进入收费站车流量q1平均分配到各个收费口，最后以车流量q2离开收费路口。在一定时间段内交通流不变，即q1=q2。由此对应每个排队车道的交通流为q1/n，按照排队论原理，每个收费车道都服从M/M/1系统，那么等候服务段车辆进入收费站就服从多个M/M/1系统。如果求得平均车辆到达率λ和平均车辆服务率μ，就可推倒出车辆在等候服务段内所消耗的平均时间，即： 假设平均每平方米土地价格和公路建设费用合计为Punit，则收费广场的建设价格为Pcost=Ar×Punit 2.3 车辆换道模型 车辆在高速公路上行驶时，事故概率与驾驶员变换车道和并道行驶密切相关。驾驶员即使需要具备敏锐的信息感知能力和判断能力，但也极可能对能否正确安全换道做出错误的判断，从而提高车辆潜在事故概率。在进入收费站路段，车道频繁换道，也会加剧碰撞事故的潜在发生概率，一定程度上还增加了车辆排队长度和延误时间，带来难以消除的负面影响。 为分析事故预防对收费站性能评价的影响，建立基于最小安全距离的车辆换道模型。假设车辆M出收费站后变换车道时所处环境如图5所示。为保证车辆M变换车道时不与目标车道上的后车Fd发生追尾事故或者斜向刮擦，则需满足关系式： 式中SLd为换道时间t内车辆Fd行驶的路程，DMSS为最小纵向安全距离。 设车辆Fd在原目标车道上匀速向前行驶，而右车道车辆M在变更车道前先以加速度aM加速行驶，直至与车辆Fd速度相同并靠前于车辆Fd，而后保持相對匀速行驶。若换道结束未与后车车辆Fd发生碰撞事故，那么在接下来的跟驰阶段亦不会出现此类事故[5]。在换道时间t= （VFd-VM）/aM内，车辆M所行驶的路程为： α为消耗时间的权重，β为成本Pcost的权重，ω为最小安全距离DMSS的权重。当评价指数Eva较大时，收费广场的经济效率和运输成本均不理想。 2.5 模糊层次分析法 层次分析法（AHP）作为定量与定性相结合的多目标决策法，在经济管理、城市规划等众多领域取得了广泛应用。如果将模糊灰色理论与AHP相结合，构造出模糊层次分析法，不仅可以减轻了AHP中判断矩阵与人类思维一致性所存在的差异。为解决层次分析法中存在的问题，引入模糊一致矩阵，即无需再进行一致性检验，直接由模糊层次分析法确定权重[6]。为满足计算精度要求，通过运用幂法计算排序向量，来减少迭代次数，可以有效提高收敛速度和计算精确度。 将事故概率，成本，吞吐量分别记为事件A、B、C，那么在基于最小安全距离的换道模型中，事故概率与安全距离成正比；在成本模型中，成本与收费广场的形状及大小成正相关；在时间延误模型中，吞吐量与车流量和收费广场性能有关。设A、B、C三者的优先关系矩阵为 3 单入双出复式双亭收费车道 3.1 解决方案 收费站出入口的布局对于交通流量有着十分重要的影响。传统单亭式收费站布设收费站时按照一对一原则，一条车道布设一个收费站。车辆根据驶入收费站的时间先后依序缴费。在土地资源受到限制时，建设该模式下的收费广场会十分困难[7]。 复式双亭收费车道是在传统单亭式收费站基础上，每一收费岛前增设一个收费亭。车流量密集时，同一车道可以同时驶入两辆车，相应由前后两个收费亭提供服务，即两个或多个收费节点，对应一个出口。但是，若前车交易时间比后车长，或前车突发故障等不确定性事件，势必会增加后车的等待时间，甚至加剧拥堵状况。那么提前服务完毕的后车必须要等待前车服务结束后方能离开。因此，如此做法仅仅把排队等待时间转移，并没有完全消除车辆过站时间。 基于此，在传统复式双亭收费站的基础上再进行改进，充分有效利用收费站和收费广场的土地资源，如图7。对于改进型双亭收费站，在保留原收费亭、收费广场的基础上，为后车新增一道闸杆。例如在图7右行车道中，在收费亭C后设计增设一道闸杆②，其中收费亭A控制栏杆②，收费亭B，C为传统收费亭不变。 如图8，图9，由于纵向双亭式设计，收费车道P可以同时驶入两辆机动车X、Y，收费车道Q驶入一辆机动车Z，接受服务后车辆X经闸杆①驶离收费站，车辆Y经闸杆②驶离收费站（必要时可经过闸杆①驶离），车辆Z经闸杆③驶离收费站。 与传统复式双亭收费站相比，本设计在扩建过程中，不必额外增加建设用地，且基本不影响收费站正常服务。仅在不改变原有收费站和收费广场等设施的情况下，在原设施基础上扩建部分闸杆并增加部分交通标志，改扩工程量小，耗时短，成本低。如遇到节假日等客流高峰时段、或是天气恶劣时，传统双亭收费站服务能力急剧下降，短期内收费站拥堵状况不容乐观，一旦有前车发生事故，那么整个车道都会受到一定程度影响，排队车辆不得不更换车道节约排队时间，由此又可能会引起新的刮、蹭、碰撞等事故，大大增加了收费站的车流混乱度和拥挤程度。对于改进型复式双亭收费站来说，不仅能够有效解决收费站拥堵问题，特别是当前车发生故障时，该车道仍可按照传统收费站正常工作，大大提高了收费站的通信能力和服务质量。 那么得到改进型收费站的评价指数Eva=α×T+β×Pcost+ω×DMSS=0.313。 改进型收费站的评价指数小于常规收费站的评价指数0.43，表明新设计的收费站相比于传统收费站在经济性、安全性、吞吐量上具有明显优势。具体为：改进型收费站建设成本，即收费广场的面积及大小要小于普通的收费广场；由于车道数的减少，车辆换道的平均次数会减少，发生事故的概率降低；由于渐变段车道数量的减少，延误时间会减小，通过收费亭的车辆数目会增加，吞吐量大于传统收费站。总之，改进型复式双亭收费站大幅度可以提高其在合并模式方面的性能，且由于道路的条数减少，司机变道概率随之降低，故其性能要远优于传统单亭式收费站。 3.2 VISSIM仿真模拟 如图11，通过VISSIM交通仿真模拟，并设置路网评估指标来判断收费站道路交通性能。选择平均出行时间，交通延误时间和平均排队长度为评价指标。 运用VISSIM仿真软件计算两种收费站的经收费站平均出行时间，延迟时间和平均队列长度，见表1，与传统模式相比，改进型收费站的车辆平均队列长度，延迟时间和平均出行时间都有显著提升，所以双入双出模式可以在一定程度上解决收费站车辆拥堵问题。 3.3 对于低车流量和堵车情况的性能分析 通过模糊层次分析法得到α=0.55，ω=0.45。依照国家交通行业标准，分别对传统收费站和双亭式收费站在车辆拥堵和低车流量时的车速进行对照，如表2-表5，并得出综合评价指标Eva。 传统收费站的评价指数会随着车流拥堵的状况明显增加，即该种收费站的综合评价指数很不稳定。而对于新型收费站，当车流量变化时，该收费站综合评价模型的稳定性很高，并且在低车流量状态时与传统收费站评价指数相差不大，而在拥堵情况下的评价指数明显优于传统收费站，所以该种设计方案在低车流量和堵车情况下都有助于缓解高速公路收费系统的拥堵状况。 4 结语 高速公路作为现代化的公路运输基础设施，伴随着我国经济的高速发展，高速路实际交通量远大于预测值，收费站的通行能力通常不能很好的与高速公路的通行能力相契合。为此，在考虑到收费站建站成本和车辆换道安全性的基础上，对高速公路收费站进站和出站的交通流进行分析评价。在不改变原有收费岛和收费亭等设施，改造工程量小，耗时短，成本低的情况下，建立新型复式收费站并提出拥堵解决方案。通过模型计算和模拟仿真，验证了该设计的可行性，有效提高主线收费站的通行能力和事故发生率。 参考文献： [1]刘奕，高咏玲.完善我国高速公路收费管理的对策研究——由京藏高速公路拥堵引发的思考[J].价格理论与实践，2010（10）：19-20. [2]赵述捷.高速公路收费通行能力及关键设计参数研究[D].河北工业大学，2012. [3]张晨琛，王艳辉，贾利民.高速公路主线收费站拥堵消散控制策略[J].中国公路学报，2013，26（04）：139-145. [4]吴春雷，常玉林.高速公路收费广场收费车道配置研究[J].公路工程，2008（05）：172-175. [5]胡三根. 面向驾驶辅助系统的车辆行驶安全预警模型研究[D].华南理工大学，2016. [6]朱克毓，杨善林.关于Saaty对模糊逻辑不适用于AHP观点的评述[J].系统工程理论与实践，2014，34（01）：197-206. [7]张楠.基于缓堵的主线收费站设计关键参数研究[D].河北工业大学，2015. |
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