一种高速公路收费站可变向车道通行控制方法与流程

本发明涉及一种高速公路收费站可变向车道设计方案，旨在解决高速收费站在周末开始和结束时，以及在法定节假日或通行免费期间出现的一侧服务需求远大于另一侧服务需求造成的单侧拥堵现象。

背景技术

由于高速收费站法定节假日期间免费通行政策的实施，以及周末往来于两城之间车辆数的增加，造成收费站服务需求大的一侧因服务窗口数量不足而出现拥堵，而服务需求小的一侧因排队长度较短，出现服务窗口数量富裕，这不仅造成了收费站现有资源的浪费，还会导致收费站服务水平的降低。

为了解决这一问题，有学者针对暑期浙江舟山跨海大桥收费站的单侧拥堵现象，感性的提出了开设往复车道的方案(大流量下收费站保畅解决方案[j].中国交通信息化,2013(12):40-42.)；针对高速收费站车辆时常拥堵现象，有学者提出了增加收费车道、建设不停车收费系统和开设往复车道的方案(高速公路收费站拥堵解决方案[j].山东交通科技,2012(3):70-71.)。现有研究中，大多集中于通过扩建收费站、提高管理效率、利用先进科技提高服务效率等手段解决高速收费站拥堵问题，但对于充分利用收费站现有资源缓解拥堵的方案考虑较少。

技术实现要素：

本发明针对现有技术不足，提出了一种高速公路收费站可变向车道通行控制方法，以mtc(半自动式)收费站为研究对象，采用m/g/1排队论方法建立模型，分析了不同车道数及车辆到达率对收费站可变向车道数目的影响，并进行计算机编程分析，实现了对收费站可变向车道数的自动计算，然后通过设计单片机信号控制系统，实现了对可变向收费车道的实时动态自动调整。

本发明所采用的技术方案：

一种高速公路收费站可变向车道通行控制方法，针对高速收费站在周末开始和结束时，以及在法定节假日或通行免费期间出现的进、出口需求不平衡特征，对高速收费站部分车道进行可变向设计，以mtc收费站为研究对象，对车辆在高速收费站的排队情况进行研究，建立m/g/1排队论模型，建立收费车道数与车辆到达率、服务时间、收费广场长度之间的关系，得到需要开放的可变向车道数；

采用计算机编程方法编写计算机源程序，通过输入进、出口车辆到达率、mtc车道数、服务时间以及收费广场长度，程序自动运行，实现车辆拥堵时对可变向车道数的自动计算；

设计单片机信号控制系统，实现对可变向车道的自动控制。

所述的高速公路收费站可变向车道通行控制方法，采用m/g/1排队论方法建立符合高速收费站实际的排队论模型，过程如下：

1)车辆到达分布

在任意时间段内到达收费站的车辆符合泊松流(poisson)的三个条件，即流的平稳性、流的无后效性和流的普遍性，车辆到达分布服从泊松分布；

2)服务时间分布

对高速收费站进行调查，得到进口服务时间频率数据以及出口服务时间频率数据，车辆的进出口服务时间均服从正态分布；

3)模型建立

收费站拥堵情况下，车辆进行排队，此时每一个收费窗口就是一个独立的系统，同时车辆到达服从泊松分布，服务时间服从正态分布，符合m/g/1模型的使用条件；

单位时间内每车道平均到达车辆数：

式中：λ总，收费站进、出口车辆到达率，veh/h；λetc，收费站进、出口etc车辆到达率，veh/h；k，除etc车道外的进、出口车道数；

计算车辆到达率λ时，采用公式(2)将交通组成中各类车型的交通量换算为标准汽车交通量：

ve＝v∑piei(2)

式中：ve，换算交通量，也称为当量交通量，pcu/h；v，未经换算的总交通量，veh/h；pi，第i类车交通量占总交通量的百分比；ei，第i类车的车辆换算系数；

相同时间间隔内车辆的平均到达数与能被服务车辆的平均数之比为服务强度，公式如下：

式中：μ―服务率，pcu/h，t―服务时间，s；

对调查数据进行分析，得到入口车道、出口车道的服务时间期望值与方差，如表1所示：

表1服务时间统计结果

收费广场可容纳的最大车辆排队长度：

式中：l―在收费广场可容纳的最大车辆排队长度，pcu；s―收费广场的长度，m；h―相邻两辆车的车头间距，m，一般取6m；

平均排队长度：

利用上述公式求出的l与lq，然后进行比较，当l＝lq时，收费站达到拥堵的临界点，此时需开放的最小车道数为：

当l＞lq时，收费站出现拥堵现象，利用k′计算出应开启的可变向车道数目，充分利用收费站的进出口车道解决单侧拥堵问题；当l＜lq时，收费站未出现拥堵现象，无需开放可变向车道。

如果进出口均没有达到收费广场可容纳的最大排队长度，或都已超过最大排队长度，此时程序结束，车流仍以原始的收费方向继续行进；

一旦收费站出现单侧平均排队长度超过收费广场可容纳的最大排队长度的情况，此时程序自行选择另一种运算：原平均排队长度中的车道数更改为开放k条变向车道后对应的数值，但k值必须小于进、出口车道数，更改的车道数从1开始，以自然数的顺序迭代，直到进出口车辆排队长度相对平衡，此时的k值作为最优解被保留，本程序最后显示的数据为调整后的进出口车道数。

所述的高速公路收费站可变向车道通行控制方法，可变向车道开放后，应根据以下几种情况对可变向车道进行变向：若对对向车辆造成干扰:当对向车辆平均排队长度达到收费广场可容纳的最大排队长度时，应将此时检测到的车辆到达率输入程序，得到最佳进出口车道数；若不对对向车辆造成干扰:应根据检测时的车辆到达率，判断双向平均排队长度是否达到收费广场可容纳的最大排队长度，若未达到应关闭开放的变向车道。

本发明的有益效果：

1、本发明高速公路收费站可变向车道通行控制方法，根据节假日和周末开始及结束时段，收费站进出口需求不平衡的特征，对高速收费站部分车道进行可变向设计。实现了对收费站可变向车道数的自动计算以及对可变向收费车道的实时动态自动调整。实物模型制作表明，本设计方案可行，设计成果对缓解高速收费站拥堵具有明显效果。

2、本发明高速公路收费站可变向车道通行控制方法，通过对高速公路收费站进行实地调查，得到车辆的排队特征，运用m/g/1排队论模型，建立收费车道数与车辆到达率、服务时间、收费广场长度之间的关系，得到需要开放的可变向车道数。采用计算机编程，实现在车辆拥堵时对可变向车道数的自动计算，并采用单片机系统设计技术实现了对可变向车道的自动控制，缓解高速公路收费站出现的单侧拥堵现象，提高收费站的利用率和服务水平；设计科学合理。

附图说明

图1是进口服务时间频率图；

图2是出口服务时间频率图；

图3是本发明高速公路收费站可变向车道通行控制方法计算机程序流程图；

图4是usb转串口工作原理；

图5是单片机控制电路原理图；

图6是运行结果图；

图7是可变向车道地面标线设计图；

图8是可变向车道地面标线局部放大图；

图9-1、图9-2是可变向车道标识牌。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

本发明高速公路收费站可变向车道通行控制方法，针对高速收费站在周末开始和结束时，以及在法定节假日或通行免费期间出现的进出口需求不平衡特征，对高速收费站部分车道进行可变向设计，以mtc(半自动式)收费站为研究对象，对车辆在高速收费站的排队情况进行研究，建立m/g/1排队论模型，建立收费车道数与车辆到达率、服务时间、收费广场长度之间的关系，得到需要开放的可变向车道数。

采用计算机语言进行编程，通过输入进出口车辆到达率、mtc车道数、服务时间以及收费广场长度，程序自动运行，实现车辆拥堵时对可变向车道数的自动计算。

利用ch340gusb转串口芯片，采用单片机系统设计技术实现对可变向车道的自动控制。

根据交通设计、交通控制理论，分析驾驶员的驾驶心理，对可变向收费广场的地面标线、指示灯和标志牌进行设计，使驾驶员及时获得收费站的相关信息，以保证可变向车道的安全高效运行。对于本研究，因为没有设计etc(自动式)专用可变向车道，若收费站中存在etc收费车道，需将其设置在同向最右侧。

实施例2

参见图3，本实施例的高速公路收费站可变向车道通行控制方法，与实施例1的不同之处在于：采用m/g/1排队论方法建立符合高速收费站实际的排队论模型，过程如下：

1)车辆到达分布

在任意时间段内到达收费站的车辆符合泊松流(poisson)的三个条件，即流的平稳性、流的无后效性和流的普遍性，车辆到达分布服从泊松分布；

2)服务时间分布

对高速收费站进行调查，得到进口服务时间频率数据以及出口服务时间频率数据，车辆的进出口服务时间均服从正态分布；

3)模型建立

收费站拥堵情况下，车辆进行排队，此时每一个收费窗口就是一个独立的系统，同时车辆到达服从泊松分布，服务时间服从正态分布，符合m/g/1模型的使用条件；

单位时间内每车道平均到达车辆数：

式中：λ总―收费站进(出)口车辆到达率，veh/h；λetc―收费站进(出)口etc车辆到达率，veh/h；k―除etc车道外的进(出)口车道数。

收费站车型复杂，计算车辆到达率λ时，将交通组成中各类车型的交通量换算为标准汽车交通量：

换算交通量：ve＝v∑piei(2)

式中：ve―换算交通量，也称为当量交通量，pcu/h；v―未经换算的总交通量，veh/h；pi―第i类车交通量占总交通量的百分比；ei―第i类车的车辆换算系数；

以小型车作为标准车，大中型车与特大型车的车辆换算系数分别为1.3和1.7(中国公路学会《交通工程手册》编委会.交通工程手册[m].北京:人民交通出版社,1998.)；

相同时间间隔内车辆的平均到达数与能被服务车辆的平均数之比为服务强度，公式如下：

式中：μ―服务率，pcu/h，t―服务时间，s；

对调查数据进行分析，得到入口车道、出口车道的服务时间期望值与方差，如表1所示：

表1服务时间统计结果

收费广场可容纳的最大车辆排队长度：

式中：l―在收费广场可容纳的最大车辆排队长度，pcu；s―收费广场的长度，m；h―相邻两辆车的车头间距，m，一般取6m；

平均排队长度：

利用上述公式求出l与lq，然后进行比较，当l＝lq时，收费站达到拥堵的临界点，此时需开放的最小车道数为：

当l＞lq时，收费站出现拥堵现象，利用k′计算出应开启的可变向车道数目，充分利用收费站的进出口车道解决单侧拥堵问题；当l＜lq时，收费站未出现拥堵现象，无需开放可变向车道。

实施例3

本实施例的高速公路收费站可变向车道通行控制方法，与实施例2的不同之处在于：进一步的，如果进出口均没有达到收费广场可容纳的最大排队长度，或都已超过最大排队长度，此时程序结束，车流仍以原始的收费方向继续行进；

一旦收费站出现单侧平均排队长度超过收费广场可容纳的最大排队长度的情况，此时程序自行选择另一种运算：原平均排队长度中的车道数更改为开放k条变向车道后对应的数值，但k值必须小于进(出)口车道数，更改的车道数从1开始，以自然数的顺序迭代，直到进出口车辆排队长度相对平衡，此时的k值作为最优解被保留，本程序最后显示的数据为调整后的进出口车道数。

该程序应用于单侧拥堵的高速收费站，使用时间没有限定，通过输入单位时间内各车道车流量检测器检测到的车辆数，以及进出口车道数、服务时间和收费广场长度的数据，程序会自动运行，计算平均排队车辆数。

实施例4

本实施例的高速公路收费站可变向车道通行控制方法，与实施例3的不同之处在于：可变向车道开放后，应根据以下几种情况对可变向车道进行变向：

若对对向车辆造成干扰:当对向车辆平均排队长度达到收费广场可容纳的最大排队长度时，应将此时检测到的车辆到达率输入程序，得到最佳进出口车道数；

若不对对向车辆造成干扰:应根据检测时的车辆到达率，判断双向平均排队长度是否达到收费广场可容纳的最大排队长度，若未达到应关闭开放的变向车道。

实施例5

本实施例的高速公路收费站可变向车道通行控制方法，与实施例1或实施例2的不同之处在于：采用计算机编程方法编写计算机源程序，实现车辆拥堵时对可变向车道数的自动计算，方法如下；

1)输入单位时间内各车道车流量检测器检测到的车辆数，以及进出口车道数、服务时间和收费广场长度的数据，计算平均排队车辆数；

2)如果进出口均没有达到收费广场可容纳的最大排队长度，或都已超过最大排队长度，此时程序结束，车流仍以原始的收费方向继续行进；一旦收费站出现单侧平均排队长度超过收费广场可容纳的最大排队长度时，此时程序自行选择另一种运算：原平均排队长度中的车道数更改为开放k条变向车道后对应的数值，但k值必须小于进、出口车道数，更改的车道数从1开始，以自然数的顺序迭代，直到进出口车辆排队长度相对平衡，此时的k值作为最优解被保留，本程序最后显示的数据为调整后的进出口车道数。

该程序应用于单侧拥堵的高速收费站，使用时间没有限定，程序自动运行。

实施例6

参见图1-图9，本发明高速公路收费站可变向车道通行控制方法，根据节假日和周末开始及结束时段，收费站进出口需求不平衡的特征，对高速收费站部分车道进行可变向设计。

以mtc(半自动式)收费站为研究对象，对车辆在高速收费站的排队情况进行研究，得到符合高速收费站实际的排队论模型。根据模型编写有关进出口车辆到达率、mtc车道数、服务时间以及收费广场长度的计算程序，自动计算应开放的变向车道数目，并通过设计单片机信号控制系统实现对可变向车道的实时自动控制。根据交通设计、交通控制理论及驾驶员的驾驶心理，设计了高速公路及匝道指示牌和收费广场地面标线，使驾驶员及时获得收费站的相关信息。对于本研究，因为没有设计etc(自动式)专用可变向车道，若收费站中存在etc收费车道，需将其设置在同向最右侧。

1.数学模型建立

1.1车辆到达分布

经调查，在任意时间段内到达收费站的车辆符合泊松流(poisson)的三个条件，即流的平稳性、流的无后效性和流的普遍性，车辆到达分布服从泊松分布。

1.2服务时间分布

对南洛高速平顶山市新城区收费站进行调查，数据分析得出在不同情况下，车辆的进出口服务时间均服从正态分布，如图1、图2所示。

1.3模型建立

收费站拥堵情况下，车辆进行排队，此时每一个收费窗口就是一个独立的系统，同时车辆到达服从泊松分布，服务时间服从正态分布，符合m/g/1模型的使用条件。

单位时间内每车道平均到达车辆数：

式中：λ总―收费站进(出)口车辆到达率，veh/h；λetc―收费站进(出)口etc车辆到达率，veh/h；k―除etc车道外的进(出)口车道数。

由于收费站车型复杂，为了方便计算车辆到达率λ，需要将实际的或预计的交通组成中各类车型的交通量换算为标准汽车交通量。

换算交通量：

ve＝v∑piei(2)

式中：ve―换算交通量，也称为当量交通量，pcu/h；v―未经换算的总交通量，veh/h；pi―第i类车交通量占总交通量的百分比；ei―第i类车的车辆换算系数。

以小型车作为标准车，其中大中型车与特大型车的车辆换算系数分别为1.3与1.7(中国公路学会《交通工程手册》编委会.交通工程手册[m].北京:人民交通出版社,1998)。

相同时间间隔内车辆的平均到达数与能被服务车辆的平均数之比为服务强度，公式如下：

式中：μ―服务率，pcu/h，t―服务时间，s。

利用调查数据得到了入口车道、出口车道的服务时间期望值与方差，如表1所示。

表1服务时间统计结果

收费广场可容纳的最大车辆排队长度：

式中：l―在收费广场可容纳的最大车辆排队长度，pcu；s―收费广场的长度，m；h―相邻两辆车的车头间距，m，一般取6m。

平均排队长度：

利用上述公式求出l与lq，然后进行比较，当l＝lq时，收费站达到拥堵的临界点，此时需开放的最小车道数为：

当l＞lq时，收费站出现拥堵现象，利用k′计算出应开启的可变向车道数目，充分利用收费站的进出口车道解决单侧拥堵问题；当l＜lq时，收费站未出现拥堵现象，无需开放可变向车道。

2.程序编写(流程图如图3所示)

该程序应用于单侧拥堵的高速收费站，使用时间没有限定，通过输入单位时间内各车道车流量检测器检测到的车辆数，以及进出口车道数、服务时间和收费广场长度的数据，程序会自动运行，计算平均排队车辆数。如果进出口均没有达到收费广场可容纳的最大排队长度，或都已超过最大排队长度，此时程序结束，车流仍以原始的收费方向继续行进；一旦收费站出现单侧平均排队长度超过收费广场可容纳的最大排队长度时，此时程序自行选择另一种运算：原平均排队长度中的车道数更改为开放k条变向车道后对应的数值，但k值必须小于进(出)口车道数，更改的车道数从1开始，以自然数的顺序迭代，直到进出口车辆排队长度相对平衡，此时的k值作为最优解被保留，本程序最后显示的数据为调整后的进出口车道数。

3.系统结构

利用ch340gusb转串口芯片，使pc通过ch340g芯片与单片机进行通信。当电脑向单片机传输数据时，单片机响应并接收，同时单片机进行奇偶校验，确认无误，完成通讯。usb转串口工作原理如图4所示。

按照上拉的方式，发光二极管的阴极与单片机相连，发光二极管的阳极通过限流电阻与电源相连。当单片机置于低电平时，发光二极管工作，反之熄灭。主电路图如图5所示。

4.案例分析

假设进出口车辆到达率λ1＝1200pcu/h，λ2＝200pcu/h，当进出口mtc车道数均为4条、服务时间分别为10.4s和19.9s，收费广场长度均为102m时，平均排队车辆数分别为进口lq1＝37pcu，出口lq2＝2pcu，收费广场可容纳的最大排队长度l＝17pcu，满足单侧拥堵的条件，通过计算得出当k＝2时，进口的lq1'＝11pcu，出口的lq2'＝7pcu，进出口均没有达到收费广场可容纳的最大排队长度，程序最后显示出推荐的进出口车道数分别为6条和2条。程序运行结果界面如图6所示。

对运行结果进行分析：该程序提供开放变向车道数的最优值，进而缓解收费站进口方向拥堵状况，能有效提高收费站的服务水平。

可变向车道开放后，应根据以下几种情况对可变向车道进行变向：

若对对向车辆造成干扰：当对向车辆平均排队长度达到收费广场可容纳的最大排队长度时，应将此时检测到的车辆到达率输入程序，得到此时的最佳车道数；若不对对向车辆造成干扰：应根据当地情况，每隔一段时间输入一次检测到的车辆到达率。当双向平均排队长度均未达到收费广场可容纳的最大排队长度时，关闭开放的变向车道。

5.附属设施

标线：在收费站广场，可变向车道的地面标线由“v”型线和双黄实线结合表示，黄色用以警告，“v”型线用以区分不可变向车道，实线表示车辆不可跨越。考虑到可变车道有两个行驶方向，在地面上标示双色双向箭头，黑色指示原始行车方向，黄色指示可变向车道开启时的行车方向，可变向车道地面标线如图7、图8所示。

提示灯：在可变向车道上方设置提示灯，当某方向开启时，该方向一侧显示绿色箭头，另一侧显示红色叉号，红色叉号表示车辆在该车道、该方向禁止通行，绿色箭头表示车辆在该车道、该方向允许通行，其余车道不改变原有显示。

在可变向车道隔离栏末端，设置禁止通行提示灯。可变向车道开启前点亮红色叉形提示灯、同时关闭顶棚处对应的显示屏，该车道内不允许再有车辆进入，用以清空此时未驶离的车辆，持续时间根据收费广场的长度而定。

指示牌：依据《交通工程手册》，当设计车速在70～90km/h时，指示牌尺寸为160×120cm，指示牌颜色为蓝底、白边框、蓝色衬边，指示文字的颜色为白色。指示牌上的显示内容如图9-1、图9-2所示。

本发明运用m/g/1排队论模型，建立收费车道数与车辆到达率、服务时间、收费广场长度之间的关系，得到需要开放的可变向车道数；采用计算机编程，实现在车辆拥堵时对可变向车道数的自动计算，并采用单片机系统设计技术实现了对可变向车道的自动控制；分析驾驶员的驾驶心理，采用交通设计理论对可变向收费广场的地面标线、指示灯和标志牌进行设计，保证可变向车道的安全高效的运行。

适用范围：(1)高速收费站某一时段内进出口流量差异较大，存在单侧拥堵现象；(2)高速收费站用地面积受限，难以通过扩建增加收费窗口数量；(3)以mtc收费车道为主，且单侧至少有两条车道；(4)etc车道设置在最右侧。

目前，国内大多数收费站都设置了etc收费车道，一般情况下etc收费车道单向只设置一条，所以本方案未对etc收费车道进行可变向设计。