宋安宁+乔建刚

摘 要：随着车辆数量的不断增加，交通拥堵频发，尤其是主线收费站，不仅造成大量的时间延误，而且频繁的车辆启动与制动使得油耗增大，尾气排放量急剧增加，对环境造成污染。为了提高道路的经济性，实现节能减排的目的，通过实地调研，以交通工程学、控制论等为基础，采用数理统计法分析高速公路收费站停车间距、服务时间等交通流特性，通过构建排队系统模型，建立了车流控制系统，并确定了车流控制系统参数，运用VISSIM仿真验证了控制系统效果良好，为道路拥堵的解决提出新的研究思路。

关键词：主线收费站；交通拥堵；VISSIM；控制技术

中图分类号：F506 文献标识码：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

高速公路主线收费站的收费系统制约着道路的通行能力，容易导致等候车辆延误时间增加形成交通拥挤。车辆排队前进、等待过程中，频繁的启动制动大量排出的尾气造成了收费站局部区域的空气污染，影响收费站工作人员的身体健康。肖化昆对收费站分析表明，收费站附近环境质量一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫和粉尘均有部分高于国家标准[1]。陈克军对重庆市4个收费站的收费亭内外一氧化碳、二氧化氮、总烃和可吸入颗粒物进行分析发现亭内外二氧化氮和茶园站亭内外氧化碳的小时平均浓度值超过环境空气二级标准[2]。目前在高速公路收费站的研究中常用美国丹尼尔和“日本高速公路设计规范”中所推导的公式[3-4]。而收费站扩容设计应用的资料却不多，收费站的缓堵设计又少见报端，存在很多需要探索和研究的关键技术问题。

1 高速公路收费站车流特性

高速公路主线收费站通行能力远小于路段通行能力，车辆处于跟驰状态，频繁启停[5]。收费站车辆的到达时间间隔被设定符合随机分布，高速公路中的通行车辆到达收费站一般被设定服从泊松分布[6]。用式（1）表示n个车辆在Δt时间内到达收费站的概率：

式中：λ为单位时间内车辆的平均到达率，其单位为：辆/h。

得到不同车型收费站到达时间的均值和方差见表1所示，达到车辆的车长度分布如图1所示。

由表1可见，小型车平均到达时间为5.5s，大型车平均到达时间为8.3s；由图1可见收费站到达车辆车长较多在4.0～4.7m之间，也就是小型客车较多。车辆到达后接受收费服务，收费时间由高速公路收费亭服务的过程由送卡（领卡）、缴费组成。研究表明，认为是服从正态分布的。其收费站接受服务时停车间距频数分布图如图2所示，服务时间分布图如图3所示。

由图2可见，收费站到达车辆接受服务时，车头间距较多在1.2～1.7m之间，所以密度较大；由图3可见收费站到达车辆收费时间较多在16～20s之间，服务时间较长，导致通行效率下降。

2 车辆排队系统模型的建立

通行车辆陆续到达高速公路收费站，在收费亭处排队缴费，然后驶离。这个过程是一个典型的输入过程、排队规则和服务机构排队系统。

2.1 排队系统模型建立

假设通行车辆的到达时间间隔服从负指数分布（M），收费服务时间服从负指数分布（M），假设有m个收费亭同时提供收费服务，系统可以为无限多车辆提供服务（∞），通行车辆数量也是无限的（∞），系统服务的规则满足“先到达先服务”原则（FCFS），则得到M/M/m/∞/∞/FCFS模型。

2.2 模型算法

4 结束语

高速公路主线收费站的收费系统制约着道路的通行能力，容易导致等候车辆延误时间增加形成交通拥挤。采用数理统计法分析高速公路收费站停车间距、服务时间等交通流特性，得到服务时间较长，使得通行效率降低，通过排队理论构建了系统排队模型，提出了车流控制系统，确定了车流控制灯最佳位置点和分流点等车流控制系统参数；运用VISSIM进行仿真验证控制系统效果，在距收费口处530m处对车流进行控制，在176.77m为分流点，为道路拥堵的解决提出新的研究思路。

参考文献：

[1] 肖化昆. 系统仿真中任意概率分布的伪随机数研究[J]. 计算机工程与设计，2005，26（1）：168-171.

[2] 马军. 高速公路收费站拥堵问题调查与分析[J]. 公路交通科技，2012（4）：301.

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

[4] 日本道路工团. 日本高速公路设计要领[M]. 交通部工程管理司译制组，译. 西安：陕西旅游出版社，1991.

[5] 易涛，熊坚，万华森. 高速公路基本路段交通流微观仿真建模与实现[J]. 昆明理工大学学报（理工版），2004，29（3）：94-97.

[6] 王東升，刘玉堂. 泊松过程在排队论中的应用[J]. 河南机电高等专科学校学报，2007（4）：121-122，125.