混合式高速公路收費(fèi)通行率調(diào)節(jié)策略研究

混合式高速公路收費(fèi)通行率調(diào)節(jié)策略研究

1收費(fèi)車道的通行能力高速公路站直接影響到高速公路主航道的正常運(yùn)行能力，是高速公路的瓶頸之一。有效提高高速公路站的通行能力，減少車輛延誤，減少車站車輛車隊(duì)的長度，已成為重要的高速公路站設(shè)計(jì)、運(yùn)營和管理任務(wù)。國內(nèi)外學(xué)者針對高速公路收費(fèi)站開展了相關(guān)研究,在延誤分析方面,Ozmen-Ertekin認(rèn)為所提出的宏觀模型與基于PARAMICS的微觀模型延誤結(jié)果接近,Aycin提出的中觀方法比VISSIM方法更接近實(shí)際延誤。在通行能力研究方面,Zarrillo采用所提出的SHAKER方法對佛羅里達(dá)州的5個(gè)高速公路收費(fèi)站進(jìn)行了通行能力分析。文獻(xiàn)應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法研究了人工半自動(dòng)收費(fèi)方式收費(fèi)車道通行能力。由于傳統(tǒng)的MTC方式難以滿足高速公路交通的通行需求,近年來發(fā)展的電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)(ETC)在我國部分地區(qū)高速公路收費(fèi)站得到了應(yīng)用,其中大部分是將現(xiàn)有收費(fèi)站的部分人工收費(fèi)車道改建成ETC車道,形成混合式高速公路收費(fèi)站,ETC系統(tǒng)的應(yīng)用在一定程度上緩解了收費(fèi)站擁擠問題。針對MTC與ETC混合式收費(fèi)站的交通特性,Komada研究了混合式收費(fèi)站交通流的基本圖,朱留華采用元胞自動(dòng)機(jī)方法做了類似研究。高翔、Nezamuddin基于Paramics對ETC收費(fèi)站進(jìn)行了仿真研究。劉斌開發(fā)了ETC收費(fèi)站仿真系統(tǒng)并對ETC車道數(shù)與收費(fèi)站服務(wù)水平的關(guān)系進(jìn)行仿真研究,但該仿真系統(tǒng)收費(fèi)站車道僅有4條。對于高速公路收費(fèi)站,由于一天24小時(shí)中小時(shí)流量變化較大,若實(shí)際收費(fèi)車道數(shù)過少,則通行能力低而使車輛排隊(duì)長度大,甚至超過免費(fèi)放行線,過多則收費(fèi)人員空閑率高,因此實(shí)際收費(fèi)車道數(shù)在一定的車輛排隊(duì)長度范圍內(nèi)應(yīng)與交通流量相適應(yīng)。本文選擇贛粵高速定南收費(fèi)站單向15條收費(fèi)車道作為仿真對象,采用多智能體技術(shù)進(jìn)行后續(xù)的模型建立和仿真設(shè)計(jì)。2收費(fèi)系統(tǒng)的原則和結(jié)構(gòu)2.1各系統(tǒng)間監(jiān)控和操作混合式高速公路收費(fèi)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了MTC和ETC兩種收費(fèi)方式。所謂的MTC是基于人工和計(jì)算機(jī)相結(jié)合的方式,在收費(fèi)站配備計(jì)算機(jī)系統(tǒng),在收費(fèi)管理過程中安裝各種設(shè)備,包括快速電動(dòng)欄柵、車道控制計(jì)算機(jī)、車輛計(jì)數(shù)器、付費(fèi)顯示牌等,并利用閉路電視監(jiān)視子系統(tǒng)對整個(gè)收費(fèi)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。而人工的操作主要為費(fèi)用的收取與找兌,判斷車型及各種特殊情況的處理;收費(fèi)機(jī)主要負(fù)責(zé)對過往車輛進(jìn)行計(jì)數(shù),將收費(fèi)操作分類統(tǒng)計(jì);閉路電視子系統(tǒng)可加強(qiáng)系統(tǒng)監(jiān)督的功能,記錄通過車輛的車型并真實(shí)有效的完成視頻切換并處理各類情況。另一種收費(fèi)方式ETC則通過應(yīng)用全自動(dòng)電子收費(fèi)系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行車種的判別。ETC的核心是收費(fèi)車道設(shè)備,自動(dòng)車輛識(shí)別裝置可快速便捷的自主辨識(shí)車輛基本參數(shù),并通過車載識(shí)別卡與微波發(fā)射接收機(jī)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,使系統(tǒng)在極短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫和存儲(chǔ),使得車輛經(jīng)過收費(fèi)窗口時(shí)得以實(shí)現(xiàn)不停車快速通過。2.2基于多元互通的交通仿真系統(tǒng)架構(gòu)一般研究者認(rèn)為Agent是一個(gè)獨(dú)立的、自治的實(shí)體,可以根據(jù)其它實(shí)體和系統(tǒng)反映出來的不同狀態(tài)互相協(xié)調(diào),決定自己的動(dòng)作與狀態(tài)。多智能體系統(tǒng)(Multi-AgentSystem,MAS)則由一組Agent相互間的協(xié)同合作構(gòu)成,該系統(tǒng)中的各個(gè)Agent均具有自主性、社交性、反應(yīng)性和超前的行動(dòng)性等特點(diǎn)。在混合式高速公路收費(fèi)站仿真系統(tǒng)中,涉及到的路段、車輛(包括駕駛員)、收費(fèi)亭(包括電子收費(fèi)設(shè)備或收費(fèi)員)、可變標(biāo)志、信號(hào)燈、標(biāo)線及檢測設(shè)備等均可看作Agent。由于Multi-Agent之間的實(shí)時(shí)交互比較復(fù)雜,并形成了仿真系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程,故在實(shí)際開發(fā)中只需將具有較為顯著智能性和自主性的實(shí)體對象抽象為Agent,如路段Agent、車輛Agent和收費(fèi)亭Agent。而車輛生成Agent、信號(hào)控制Agent及數(shù)據(jù)處理Agent等結(jié)構(gòu)單元組成了除實(shí)體外的功能性Agent。與此同時(shí),交互Agent作為用戶與仿真系統(tǒng)的接口也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。具體的微觀交通仿真系統(tǒng)基本框架如圖1所示。根據(jù)文獻(xiàn)、文獻(xiàn)等相關(guān)研究,分析了ETC專用車道的優(yōu)缺點(diǎn)、適用性以及與通行率的對應(yīng)關(guān)系,本文將車道布局設(shè)計(jì)為中間3條固定ETC專用收費(fèi)通道,內(nèi)外側(cè)均為MTC收費(fèi)通道,開放次序由內(nèi)外側(cè)依次向中間開放,該布局有利于減少車輛交織,降低車輛變道的數(shù)量,提高收費(fèi)站的通行率,具體實(shí)體示意圖如圖2所示。2.3息傳遞及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)路段Agent的基本組成包括其自身基本屬性、知識(shí)庫、路段評價(jià)、路段信息公布、傳感器和通訊器,是高速公路收費(fèi)站仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)。路段Agent在信息傳遞和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)可實(shí)現(xiàn)如下的功能:1)當(dāng)車輛駛?cè)?或駛離)本路段時(shí),應(yīng)對路段內(nèi)的車輛信息進(jìn)行相應(yīng)的注冊(或注銷);2)每條路段在車輛違章或事故監(jiān)測情況下能夠及時(shí)負(fù)責(zé)監(jiān)控、維護(hù)和協(xié)調(diào)工作,并根據(jù)不同限制條件給予相應(yīng)地處理;3)路段Agent能夠在任意時(shí)刻根據(jù)該區(qū)域內(nèi)車輛的數(shù)目對交通是否擁堵進(jìn)行判斷,信息搜集后將迅速傳遞給控制中心,使得路段內(nèi)的車輛Agent能接收來自控制中心的反饋,并根據(jù)實(shí)時(shí)的交通狀況對行駛計(jì)劃進(jìn)行部分調(diào)整。2.4車輛修理區(qū)2.4.1智能駕駛功能車輛駕駛員單元(簡稱車輛Agent)是交通仿真MAS的核心,是根據(jù)實(shí)際交通中的駕駛員的駕駛行為而抽象出來的智能實(shí)體。它涵蓋了車輛和駕駛員兩個(gè)對象的特性,不但能自動(dòng)獲取外部交通環(huán)境所傳達(dá)的信息,還具有決策判斷能力,可根據(jù)不同的交通狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整駕駛行為。通常,從決策復(fù)雜性和時(shí)間尺度上可將駕駛行為分為三層,即策略層、方法層及操作層,車輛Agent結(jié)構(gòu)如圖3所示。2.4.2前導(dǎo)車勻速行駛工況本文的混合式高速公路收費(fèi)站的設(shè)計(jì)采用了基于最小安全距離的跟馳模型。最小安全距離的跟馳模型是針對分別處于靜止?fàn)顟B(tài)、勻速狀態(tài)和勻減速狀態(tài)等不同狀態(tài)下,前導(dǎo)車與跟馳車之間不會(huì)發(fā)生追尾事故的最小距離而建立的。該模型的特點(diǎn)是避免了傳統(tǒng)模型中應(yīng)用加速度突變問題的發(fā)生,綜合考慮了車輛行駛過程中的加速度漸變的情況。設(shè)間隔為S0的a、b兩車輛分別以va0、vb0速度在同一道路上沿同一方向行駛,ve=va0=vb0-abmaxtb2/(2tb0)為兩車初始相對速度,Sa和Sb分別為a、b兩車的行駛距離,兩車的制動(dòng)減速度的最大值分別是aamax、abmax。1)前導(dǎo)車處于靜止?fàn)顟B(tài)前導(dǎo)車處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),該車輛的行駛速度va0=0,前導(dǎo)車a的行駛的距離Sa=0,則跟馳車的最小跟馳的安全距離如下所示:S0=vb0(tr+tb2)+v2b02abmax+l(1)S0=vb0(tr+tb2)+vb022abmax+l(1)其中,tr為駕駛員反應(yīng)時(shí)間及制動(dòng)器協(xié)調(diào)時(shí)間的總和,l為停車后前導(dǎo)車與本車間的最小距離,一般可在2～5m范圍內(nèi)進(jìn)行取值。2)前導(dǎo)車勻速行駛在車輛行駛過程中,當(dāng)前導(dǎo)車保持勻速行駛狀態(tài)下,跟馳車的車速明顯高于前導(dǎo)車的車速且相對速度比較大時(shí),并且跟馳車的車速明顯大于前導(dǎo)車,若跟馳車的車速仍然保持比不變,經(jīng)過一定時(shí)間后,兩車一定會(huì)發(fā)生追尾事故。所以跟隨車與前導(dǎo)車的車距即將到達(dá)安全車距時(shí),前者應(yīng)該減速以保證兩車可以安全行駛,避免追尾事故的發(fā)生。由于前導(dǎo)車a一直處于勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài),故當(dāng)跟馳車制動(dòng)減速到與前導(dǎo)車速度相等時(shí),就可以保證安全的跟馳。根據(jù)前面的分析可知,前導(dǎo)車和跟馳車的總行駛距離分別為Sa、Sb,表述如下:Sa=va0(tr+vb0?va0abmax+tb2)(2)Sa=va0(tr+vb0-va0abmax+tb2)(2)Sb=vb0(tr+tb2)+v2b0?v2a02abmax(3)Sb=vb0(tr+tb2)+vb02-va022abmax(3)跟馳車與前導(dǎo)車之間最小跟馳的安全距離為:S0=ve(tr+tb2)+v2e2abmax+l(4)S0=ve(tr+tb2)+ve22abmax+l(4)當(dāng)跟馳車車速大于前導(dǎo)車的相對速度較小時(shí),經(jīng)過tb時(shí)間后,跟馳車速度可能就與前導(dǎo)車的速度一樣,即va0=vb0-abmaxt2bb2/(2tb0),則兩車之間的最小安全距離應(yīng)為:S0=ve(tr+tb0)?abmaxt2b06+l(5)S0=ve(tr+tb0)-abmaxtb026+l(5)3)前導(dǎo)車勻減速行駛行駛過程中前導(dǎo)車車速低于跟馳車車速具有一定的危險(xiǎn)性,因?yàn)榍皩?dǎo)車在行駛過程中屬于有準(zhǔn)備行駛,故其作勻減速運(yùn)動(dòng)不存在延遲,反應(yīng)時(shí)間tr可忽略不計(jì)。跟馳車與前導(dǎo)車的不同在于跟馳車在前導(dǎo)車實(shí)施減速行為后才開始制動(dòng)減速,存在tr時(shí)間段的延遲。綜上所述,前導(dǎo)車與跟馳車的最小安全距離為:S0=vb0tr+va0tb2+v2b02abmax?v2a02aamax+l(6)S0=vb0tr+va0tb2+vb022abmax-va022aamax+l(6)若va0=vb0,即跟馳車車速等于前導(dǎo)車車速,則跟馳車與前導(dǎo)車的最小安全跟馳的距離為:S0=vb0tr+v2a02(1abmax?1abmax)+l(7)S0=vb0tr+va022(1abmax-1abmax)+l(7)2.5漸變路段收費(fèi)車道的選擇高速公路收費(fèi)站仿真MAS中重要的Agent還有收費(fèi)單元(簡稱收費(fèi)亭Agent),在基于Agent高速公路收費(fèi)站仿真中,收費(fèi)亭Agent模型的設(shè)計(jì)將直接影響收費(fèi)站的整體通行率?？紤]車輛付費(fèi)方式和收費(fèi)服務(wù)時(shí)間的差異,車輛在進(jìn)入漸變路段時(shí)應(yīng)收費(fèi)車道的選擇。據(jù)此,收費(fèi)亭Agent分為兩類,一類是對應(yīng)于現(xiàn)場收費(fèi)車輛的MTC收費(fèi)亭Agent,若前方有排隊(duì)等待收費(fèi)的車輛Agent則在接受服務(wù)的路段內(nèi)繼續(xù)等待,反之,則進(jìn)入收費(fèi)亭并停車收費(fèi)。此時(shí),收費(fèi)亭Agent會(huì)根據(jù)該車輛Agent駛?cè)氡韭范螘r(shí)的相關(guān)信息數(shù)據(jù)對其收取通行費(fèi)。另一類是對應(yīng)于電子收費(fèi)車輛的ETC收費(fèi)亭Agent,當(dāng)車輛Agent進(jìn)入ETC收費(fèi)車道(該車輛的車速應(yīng)該降到ETC專用收費(fèi)車道所要求的車速范圍內(nèi)),電子收費(fèi)設(shè)備感應(yīng)器會(huì)根據(jù)駛過收費(fèi)亭的車輛Agent在高速公路路段Agent中的注冊信息收取通行費(fèi)。3加油站管理策略的研究3.1mtc收費(fèi)站的服務(wù)水平收費(fèi)站服務(wù)水平的優(yōu)劣可通過效率指標(biāo)和評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行衡量,其中效率指標(biāo)包括交通密度、平均延誤以及交通密度和流量容量間的比值。由于混合式高速公路收費(fèi)站中設(shè)置有ETC專用車道,如若不出現(xiàn)交通擁堵的狀況,ETC收費(fèi)站將不存在排隊(duì)長度。因此,本文采用的方案是固定開放所有ETC專用通道,選取平均排隊(duì)長度作為MTC收費(fèi)站服務(wù)水平的評價(jià)指標(biāo)。根據(jù)不同交通流量下平均排隊(duì)長度(即車輛到達(dá)率的宏觀表現(xiàn))來確定MTC收費(fèi)車道的開放順序和數(shù)量,進(jìn)而根據(jù)收費(fèi)站的整體通行率對整個(gè)混合式高速公路收費(fèi)系統(tǒng)的服務(wù)水平進(jìn)行評估。3.2仿真操作條件仿真高速公路收費(fèi)站收費(fèi)車道動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)策略包括收費(fèi)車道數(shù)目調(diào)節(jié)、上游車速調(diào)節(jié)和上游入口匝道調(diào)節(jié)。ETC的初始開放數(shù)量為3條(第7、8、9號(hào)收費(fèi)亭全部開放),MTC為6條(第1、2、3、13、14、15號(hào)收費(fèi)亭,內(nèi)外側(cè)各3條,開放MTC收費(fèi)站總數(shù)的一半),具體分布如圖2所示。該仿真方案針對不同的交通流量級(jí)數(shù)、不同的收費(fèi)站窗口數(shù)目及不同的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)策略進(jìn)行仿真。具體操作如下:1)N0:不進(jìn)行任何動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。2)N1:當(dāng)?shù)却召M(fèi)的車輛的排隊(duì)長度達(dá)到一定長度l1時(shí),增加內(nèi)外兩側(cè)入口方向各1條MTC車道,反之,當(dāng)?shù)却召M(fèi)的排隊(duì)長度減少到一定長度并持續(xù)一段時(shí)間時(shí),則通過關(guān)閉該組收費(fèi)車道來避免造成人員浪費(fèi)問題;若增開2條MTC車道后,排隊(duì)長度還在繼續(xù)增加,且到達(dá)排隊(duì)長度l2(l2>l1)時(shí),再增加內(nèi)外兩側(cè)入口方向各1條的MTC車道,當(dāng)排隊(duì)長度減少到一定長度并持續(xù)一段時(shí)間時(shí),關(guān)閉該組車道;以此類推,如果增開4條MTC車道后,排隊(duì)長度仍在增加且排隊(duì)長度達(dá)到l3(l3>l2)時(shí),增加最后2條MTC通道(此時(shí)所有15條單向車道均處于工作狀態(tài))后達(dá)到最大飽和流量。3)N2:若采用N1后,排隊(duì)長度仍在增加,若此時(shí)排隊(duì)長度到達(dá)l4(l4>l3),可在收費(fèi)站上游l5(l5>l4)米處設(shè)置限速標(biāo)志來降低上游車速,調(diào)節(jié)車輛到達(dá)收費(fèi)站的時(shí)間,縮短排隊(duì)長度,當(dāng)排隊(duì)長度明顯縮短時(shí)即可還原上游車輛的行駛速度。4)N3:若綜合采用N1、N2后,限速控制無效,排隊(duì)長度仍不斷增加,則需調(diào)節(jié)上游入口匝道的匯入流量以降低主線流量,減少收費(fèi)站交通需求。4模擬研究4.1微觀仿真系統(tǒng)開發(fā)混合式高速公路收費(fèi)站仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是基于WinXP的編程環(huán)境,在VisualStudio6.0的開發(fā)平臺(tái)上將VC++編程技術(shù)與MATLAB技術(shù)集成開發(fā)了高速公路收費(fèi)站微觀仿真系統(tǒng),將交通仿真數(shù)據(jù)處理的結(jié)果以圖形的方式顯示,仿真系統(tǒng)運(yùn)行的主界面如圖4所示。仿真系統(tǒng)具體流程圖如圖5所示。4.2仿真結(jié)果的輸出該系統(tǒng)有6條入口車道和15條收費(fèi)車道,ETC專用收費(fèi)車道的交通流量設(shè)置為30%(非ETC收費(fèi)車道的為70%),根據(jù)文獻(xiàn),實(shí)際交通運(yùn)行狀況可將平均車速和平均收費(fèi)服務(wù)時(shí)間分別設(shè)置為40km/h和3s(非ETC收費(fèi)車道為14s)。通過調(diào)整車輛運(yùn)行軌跡,確定MTC車道配置數(shù)量,由于不同的調(diào)節(jié)策略均能合理控制平均排隊(duì)長度而不造成數(shù)據(jù)溢出,據(jù)此,可將動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)策略中的參數(shù)分別設(shè)置為l1=50m、l2=70m、l3=90m、l4=110m、l5=120m。仿真結(jié)果的輸出及數(shù)據(jù)處理如圖6、圖7所示,分別表示不同動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)策略下對混合式高速公路收費(fèi)站的平均排隊(duì)長度和通行率的影響。由圖6可知,當(dāng)交通流量在600vph到3000vph之間時(shí),動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)策略N0的平均排隊(duì)長度整體呈持續(xù)增長趨勢,