排队论在高速公路收费系统中的应用研究

该文运用排队论,对高速公路收费系统建立了M/M/N排队模型,并分析了高速公路收费站服务强度、队列中排队等待的平均车辆数、车辆平均等待时间,进而计算出了适合在不同服务水平下的收费站最大通行能力。     

高速公路出入口收费车道数研究

根据收费站交通流特征、通行能力、收费方式、服务水平等,找出适合高速公路出入口收费车道数的计算方法,为今后高速公路收费设施规模的确定提供技术支持.根据2007年山东省高速公路的出人口交通流量数据,采用排队论分析收费站车流量,对收费站交通流分布特征、收费方式、收费时间、收费车辆延误、最大通行能力和服务水平等进行分析.根据实际数据与预测结果相对照,预测结果能够满足高速公路收费站的需求.山东省部分高速公路收费设施的改扩建已经采用了本研究结论.     

基于节能减排的高速公路流水作业式收费系统

为了提高高速公路收费站的通行能力,减少车辆在收费站的启停次数和排队时间,降低油耗和污染,实现节能减排的目的;通过实地调查分析收费过程和影响因素,优化了收费站的纵断面设计,采用流水作业的方式进行收费,从而提高收费站的效率。确定纵坡坡度、坡长、服务器间隔等设置的要求,并建立收费站车辆的油耗、时间模型,得出排队长度越长,降低延误和油耗的效果越明显的结论。研究表明:当排队长度为50辆小客车时,车辆通过收费站的总延误可降低58.4%,总排污量可降低74%。流水作业收费模式高效、节能环保,该模式为高速公路自动收费系统的研究提供了新的思路。     

无线射频技术在高速公路不停车收费系统中的应用

不停车电子收费系统是解决高速公路现有收费方式缺陷的有效手段。不停车电子收费系统利用车辆自动识别技术完成车辆与收费站之间的无线数据通讯,进行车辆自动识别和有关收费数据的交换,通过计算机网路对收费数据进行处理,实现不停车自动收费的全电子收费管理系统。     

基于节能减排的高速公路收费站处拥挤车流控制技术

针对高速公路收费站交通拥堵时车辆长时怠速且频繁启动导致油耗急剧增加的问题,提出了收费站拥堵车流交通控制系统.该系统通过设置车辆感应器防止收费亭空闲,利用车流控制灯将拥挤缓行的车流变为分批放行车流,综合考虑排队长度、收费通道数、收费广场长度、主线车道数、收费时间等因素,以排队系统中车辆油耗最低为目标,建立了车辆感应器和信号灯位置及信号灯时长等参数优化模型,从而实现了不增加车辆通行时间同时减少车辆怠速时间和停车次数的目的.最后结合实例,运用交通模拟技术对该控制系统效果进行了验证.结果表明:当收费站排队长度为2 000 m时,采用该控制系统可使车辆通过收费站的油耗降低90％.     

一种用于高速公路通行情况分析的收费数据挖掘方法

为更好地对高速公路通行情况进行分析,利用高速公路海量收费数据,提出了一种用于高速公路通行情况分析的数据挖掘方法。首先,在海量的贵州省高速公路收费数据中,筛选出指定进站名称及出站名称的数据并删除部分字段,仅保留与研究相关的内容,利用车辆进入收费站的时间和驶出收费站的时间计算出其在该路段上行驶的总时长,将行驶时长字段加入原数据。然后,采用孤立点检测算法清洗该数据,剔除其中异常值。完成上述预处理过程后,使用快速峰值聚类算法对行驶时长进行聚类分析,首先计算每条数据之间的距离,将距离矩阵作为该算法的输入并输出聚类结果;对比所采用的算法与K-Means算法对于行驶时长这一指标的聚类效果,可明显地看出该算法的聚类结果更接近于实际情况;然后将春节期间与2月第4周的收费数据进行聚类,通过对比可明显得出节假日期间各个车型通行比例的变化;将上述结果结合不同车型在不同时段的平均通行时间进行分析。研究结果表明：所提出的方法可有效地将在某段高速公路通行的车辆进行分类,并且分类结果与真实运行过程中车辆在高速公路上的通行情况一致,可为高速公路的运营管理以及维护方向提供合理的科学依据和数据支持。     

高速路网不停车收费车道优化布设方法

合理设置高速公路收费站ETC (Electronic Toll Collection)车道数量，对高速公路通行效率至关重要。针对目前路网中ETC与MTC (Manual Toll Collection)车辆混行的情况，考虑ETC的普及率，结合多用户路网均衡模型和排队论方法，建立基于双层规划模型的高速路网ETC车道优化布设方法。上层模型以车辆总通行时间最小为目标，优化设置进出收费站的ETC车道数量；下层模型为多用户路网均衡模型，反映ETC和MTC车辆的路径和收费车道选择行为。下层模型通过设计收费站的等价拓扑结构，表征收费站的车道使用规则及车辆的收费车道选择行为，并采用排队论方法估计ETC和MTC车道的收费排队时间。根据模型的特点设计了基于主动集的启发式算法，利用参数二进制与拉格朗日函数法确定迭代下降方向，解决了下降方向与步长难以计算的问题；通过内嵌优化函数的方式，保证在主动集转化过程中上层约束均不会失效，且避免了迭代过程中的模型解退化问题。基于上海市绕城高速进行实证分析，结果表明：随着ETC普及率的提升，收费排队时长按照负指数趋势下降；与按比例布设ETC车道的方法相比，所提方法最高可降低57.4%的收费排队时间，且该方法可以避免ETC车道布设过多对于MTC车道通行能力挤压造成的负面效果。研究成果可以有效指导高速路网ETC车道的布设，提高路网通行效率。     

基于高速公路收费系统的车辆全路径贝叶斯推断匹配技术研究

利用高速公路通行费收费系统监测数据,针对现行高速公路通行费分省联网的收费数据无法真实反映跨省车辆完整行驶路径的问题,引入了车牌串接贝叶斯推断匹配技术。通过对现有收费系统主要指标数据可利用性和逻辑关联性分析,最终选择了通行时间、车种、车辆轴数、车货总重等属性指标作为匹配推断的参考指标,设计了匹配方法和具体流程,对现行高速公路通行费收费系统中跨省通行车辆的完整行驶路径进行了车牌匹配和全路径模拟还原。并选择了2个典型省界收费站进行了实证分析,测算结果表明利用推荐的匹配算法可以把货运车车辆的匹配度提高20个百分点。     

面向安全改善的收费站收费通道布设方案研究

基于高速公路收费站分流区安全改善需求,通过航拍获取真实车辆轨迹数据,从中提取车辆微观运动特征,标定车辆微观运动模型及收费通道配置等参数,构建收费站VISSIM仿真模型;结合SSAM软件,通过单因素变化仿真和正交试验,分析ETC(电子不停车收费)通道数量、ETC通道位置、ETC通道限速与ETC车辆比例对收费站交通安全的影响,研究面向安全改善的收费站收费通道布设方案。     

排队车辆工况构建及经济效益分析

收费站前,车辆排队等候服务的现象普遍存在,一方面排队现象增加了车辆的行程延误,另一方面排队中车辆频繁启停,增加了车辆的能耗以及对环境的污染。对于收费站而言,车辆的运行状态与车辆距离收费站的距离有着更加明显的关系,越接近收费站,车辆受前车影响越大,车辆的起停更加频繁,相比于速度-时间描述车辆的行驶工况,构建速度-空间的行驶工况更符合车辆在收费站前的运行特征。基于对行驶工况模型现有的研究,通过分析高速公路收费站出口处排队车辆运行工况数据,使用聚类分析和马尔可夫过程结合的方法构建排队车辆空间工况模型。模型主要包含划分空间区段、建立空间工况数据库、拼接工况片段3部分。通过与实际工况数据的速度-加速度联合分布进行对比表明模型能够很好地拟合出排队车辆的运行工况。另外,根据排队车辆的油耗及排放与VSP之间的关系,借助构建的空间工况模型对排队区间车辆的行程延误、油耗增加量以及排放增加量进行分析:将行程延误和油耗增加量量化为道路使用者成本增加量,将排放增加量量化为政府环境治理投入的增加量,分析了收费站出口处的排队现象的经济效益。     

基于复式收费系统双收费亭联动控制的研究

在以往高速公路收费站采用增加车辆分配器或者人工复式解决联动控制外设的研究应用基础上,针对国内目前一些高速公路采用的单车复式收费,提出单车道上复式收费中多个收费亭的联动处理解决方案,目的在于改善与解决同一车道上多个收费亭之间不能联动控制外设,导致收费站人员投入多、收费速度慢、逃费现象等问题。从软件角度,根据计算机数据结构中队列的概念,在复式车道中增加收费亭间通信功能,使同一收费车道上的多个收费亭能共享车道内通过车辆的信息,减少由于人工操作带来的不利影响。同时在不增加外设的情况下,对收费车道软件系统做相应的改造,解决了复式收费中联动控制外设的问题。     

基于Paramics的ETC专用车道布设位置仿真

研究了高速公路收费站ETC车道的设置位置与整个收费站的运行效率的关系,从而优化车道布置。基于Paramics仿真软件,以上海市某高速公路主线收费站出口为例,以降低车辆运行延误、减少收费站排队长度为优化目标,通过对比新增ETC专用车道分别设置在不同位置下的收费站运行效率,研究ETC专用车道的最佳布设位置。经过分析,在收费车道数较多的情况下,两侧各设置1条ETC车道有利于减少车辆交织,提高收费站的运行效率。     

隧道收费站拥堵免费快速通行位置判定标准研究——以青岛胶州湾隧道为例

为解决目前隧道收费站拥堵免费快速通行位置判定缺少相关理论依据的问题,以青岛胶州湾隧道工程为例,基于排队论提出一种隧道收费站拥堵免费快速通行位置判定方法; 同时,为使结果更加合理,提出车道长度折算修正模型和车道长度及面积折算修正模型2种模型,得出较为合理的隧道收费站拥堵免费快速通行位置判定标准理论值和修正值。研究成果以期为相关收费站拥堵免费快速通行法规的制定提供理论支撑,并为以后隧道工程及类似的公路工程研究提供参考。     

一种军警与ETC混合的车道系统

目前,高速公路为军警车开辟的专用车道车流量明显不足,资源浪费严重。为提升高速公路收费站的整体通行能力,基于电子不停车收费的理念以及军警车道的特殊性,提出军警与ETC混合的车道系统设计方案,结合车牌识别与ETC技术,实现军警与ETC混合的车道应用。     

公路收费站ETC系统改造项目经济费用效益计算方法的研究

分析了公路收费站ETC系统改造项目的主要利害关系者及其收益,基于排队论研究了车辆途径收费站时在"有此项目"和"无此项目"两种情况下各种参数指标计算方法,推导出车辆时间消耗减少和刹车次数减少的计算公式,确定了节约运输成本效益与节约时间效益的计算方法,从而得到ETC系统改造项目经济费用效益分析的通用计算方法。最后分析了一处收费站ETC改造项目实例,按本文提出的计算方法进行计算并得到了经济费用效益评价结果。     

高速公路ETC交易耗时估计与车道分区设计

大多数高速公路ETC车道的长度都是以停车视距计算方法为设计依据的,但这忽视了各省市ETC交易耗时的差异,且此依据与ETC系统可实现不停车自动收费的目标相矛盾。不合理的车道长度会导致部分车辆因时间不足而无法完成交易,或出现跟车干扰等现象,降低收费站服务水平。以陕西省170多万条交易数据为样本,采用随机过程与数理统计方法,对交易耗时进行数字特征分析和参数估计,并提出ETC车道划分为交易区和安全控制区,将置信度为99.9%的交易耗时估计结果和停车制动距离应用于区域长度设计中。陕西全省ETC系统建设实践证明,该方法提高了ETC车辆通过率,保障了行车安全,取得了良好效果。     

基于网联车辆轨迹数据的周期排队长度估计

近年，基于网联车辆轨迹数据的交通管控与服务研究方兴未艾。其中，信号控制交叉口排队长度估计备受关注。然而，在低渗透率条件下，单个周期内轨迹稀少且提供的交通信息十分有限。现有研究仅以当前周期内网联车辆轨迹数据为输入，难以获得准确且可靠的周期级排队长度估计结果。因此，融合利用历史网联车辆轨迹数据提供的车辆到达和停车位置信息以及当前周期内实时观测的网联车辆排队信息，提出一种基于最大后验概率的周期最大排队长度估计方法。首先，依据历史轨迹数据的停车位置信息，估计排队长度的先验分布；其次，依据历史轨迹数据的车辆到达信息，估计周期内车辆的历史到达分布，并结合周期内最后1辆排队网联车辆的到达时刻与停车位置，构建排队长度似然函数；最后，基于贝叶斯理论，结合前述先验分布与似然函数，推导周期排队长度的后验分布，并采用最大后验概率方法实现周期最大排队长度的估计。仿真结果表明：所提方法在不同饱和度和渗透率条件下，均优于现有的方法；即使在车辆轨迹数不超过1 veh·周期^-1的低渗透率条件下，所提方法的平均绝对估计误差也不超过2 veh·周期^-1。实证结果表明：在渗透率仅为8.96%的条件下，所提方法的平均绝对误差为2.12 veh·周期^-1，平均相对估计误差为12.4%，同样优于现有同类方法。     

计重收费下主线收费站设计

针对车辆进出收费站速度低、计重收费下货车收费时间长的特性,提出了客货分离收费模式,以绝对交通量为标准,对客货车分别按不同的服务时间计算收费车道数,客货车收费广场前后设置的模式,提高了收费站的通行能力,减少了收费站场的用地。