一种高速公路收费站可变向车道通行控制方法技术

本发明专利技术涉及一种高速公路收费站可变向车道设计方案。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。

【技术实现步骤摘要】
一种高速公路收费站可变向车道通行控制方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术不足，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。本专利技术所采用的技术方案：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。本专利技术的有益效果：1、本专利技术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、本专利技术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是本专利技术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，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。实施例1本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述的高速公路收费站可变向车道通行控制方法，其特征在于：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；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李爱增，凌长春，武肖艳，韩唐姗，姜前成，周齐，吴冰花，
申请(专利权)人：河南城建学院，
类型：发明
国别省市：河南,41