高速公路收费站改扩建期间与衔接交叉口交通流管控方法与流程

本发明属于智能交通领域，涉及一种高速公路收费站改扩建期间与衔接交叉口交通流管控方法。

背景技术：

1、随着高速公路改扩建进程的加快，上下高速公路交通需求增加，收费站也需同步进行改扩建。同时当前仍有大量收费站存在交通拥堵缓行问题，针对这类收费站也迫切需要改扩建。然而收费站在改扩建过程中，因路基加宽、老路路面改造等道路施工会占用部分收费车道，进而降低收费站通行能力，会进一步加剧收费站改扩建期间交通拥堵。如何保障收费站改扩建期间通行能力及服务水平是当前迫切需要解决的。

2、收费站改扩建施工交通组织导改可划分为如图1所示的各个阶段。图1(a)为改扩建前的现状方案。图1(b)为收费站出口侧改扩建路基加宽施工，为便于路基及路面结构拼接，会拆除部分相邻收费车道进行施工，减少了收费站改扩建期可使用收费车道数。当出口侧改扩建加宽施工完成后，将上下高速公路车流导改到出口侧收费，收费站入口侧实施改扩建路基加宽施工，此时收费站依然只能使用部分收费车道，如图1(c)所示。在入口侧改扩建加宽施工完成后，将上下高速公路车流导改到收费广场两侧收费，收费广场中间车道实施路面改造施工，如图1(d)所示。最终改扩建完成后收费广场车道布设如图1(e)所示。

3、结合工程实际情况，收费站存在单侧加宽、两侧拼宽、收费广场整体偏移、错位横向扩建等多种改扩建模式。同时，在“边通车边施工”的建设方式下，如何平衡收费站改扩建期通行能力与施工进度及成本的关系？这些因素都会导致收费站改扩建施工交通组织导改方案不同。

4、为此，结合收费站改扩建期间施工交通组织导改方案特点，设计一种高速公路收费站改扩建期间与衔接交叉口交通流管控方法具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高速公路收费站改扩建期间与衔接交叉口交通流管控方法，克服改扩建施工造成收费站成为通行瓶颈、收费站改扩建期间与衔接交叉口管控不协调、车辆排队溢出等问题，提升收费站改扩建期间与衔接交叉口区段交通运行安全水平，实现交通流量激增下收费站改扩建期间与衔接交叉口区段的智慧扩容和精细化管控。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种高速公路收费站改扩建期间与衔接交叉口交通流管控方法，结合收费站改扩建期间施工交通组织导改方案特点，设计一种收费站改扩建期车道功能及方向均可以动态切换的车道控制优化方法，并考虑收费站与衔接交叉口协同控制，提出一种收费站改扩建期间车道控制与衔接交叉口信号配时协同优化方法，以适应不同施工交通导改阶段需要，尽量降低改扩建期间施工对收费站交通运行的影响。

4、该方法具体包括以下步骤：

5、s1：获取高速公路收费站改扩建期间的施工交通组织导改方案、收费车道在各导改阶段可使用情况，以及衔接交叉口车道布局和衔接区域线形条件等资料；

6、s2：设计收费站改扩建期车道功能及方向动态切换的车道控制优化策略，以灵活匹配收费站出入口交通需求，最大限度挖掘收费站通行潜力；

7、s3：设计收费站改扩建期间车道控制与衔接交叉口信号配时协同优化策略，以避免车辆排队溢出，提维持衔接区段运行的稳定性；

8、s4：构建收费站改扩建期间与衔接交叉口交通流管控算法。

9、进一步，步骤s2中，所述车道控制优化策略具体包括：每条收费车道根据在改扩建不同阶段是否被施工占用，存在不可使用和可使用两种状态；

10、每条收费车道若不被施工占用，根据收费设备支持情况，可支持入口etc、入口mtc、出口etc和出口mtc中1～4种收费功能及方向；若某条收费车道同时支持4种收费功能及方向，则在运营过程中根据实际交通状况可选择动态切换为其中1种，或者不启用这条收费车道；若某条收费车道同时支持3种收费功能及方向，则在运营过程中根据实际交通状况可选择动态切换为其中1种，或者不启用这条收费车道；若某条收费车道同时支持2种收费功能及方向，则在运营过程中根据实际交通状况可选择动态切换为其中1种，或者不启用这条收费车道；若某条收费车道仅支持1种收费功能及方向，则在运营过程中根据实际交通状况仅可选择切换为这1种，或者不启用这条收费车道；

11、每条收费车道根据收费设备支持情况，在运营过程中可根据实际交通状况，可灵活切换为入口etc、入口mtc、出口etc和出口mtc中1～4种收费功能及收费方向，即可调整收费功能(etc、mtc)及收费方向(入口、出口)；在入口方向交通需求较大时，将出口方向未被充分利用的收费车道动态切换给入口方向使用；在出口方向交通需求较大时，将入口方向未被充分利用的收费车道动态切换给出口方向使用；进而最大限度利用了收费站通行资源。

12、在运营过程中，收费站各条车道的收费功能及方向切换，入口etc和入口mtc要位于收费站入口方向，出口etc和出口mtc要位于收费站出口方向，两者不能交叉，两者之间利用移动护栏分离；根据实际情况，可灵活调整移动护栏位置。

13、进一步，步骤s3中，所述协同优化策略具体包括：

14、交叉口衔接收费站出口方向的进口道通行能力应大于收费站出口交通需求，以避免交叉口车辆排队溢出至收费站；可通过信号配时增加衔接方向进口道通行能力以满足要求；

15、交叉口衔接收费站出口方向的进口道因信号控制形成的排队长度不能超过收费站与交叉口之间可容许的最大排队长度；

16、收费站入口通行能力应大于衔接交叉口各流向驶入的交通流量之和，以避免收费站入口排队溢出至收费站；可通过增大收费站入口通行能力或者采用信号配时减少衔接交叉口各流向驶入的交通流量以满足要求；

17、收费站入口因收费服务形成的排队长度不能超过收费站与交叉口之间可容许的最大排队长度。

18、进一步，步骤s4中，构建的收费站改扩建期间与衔接交叉口交通流管控算法包括非饱和状态与过饱和状态两种控制算法。

19、进一步，步骤s4中，所述非饱和状态控制算法包括：

20、1)设定收费站车道控制约束；

21、根据收费站车道控制策略，每条收费车道只有支持何种车道功能及方向，才能动态切换为这种车道功能及方向，见式(1)；每条收费车道仅同时允许1种车道功能及方向使用，见式(2)；每种车道功能及方向至少有1条收费车道，见式(3)；所有出口收费车道必须位于所有入口收费车道的左侧，见式(4)；为避免交通拥堵，每条收费车道的交通强度需小于1，见式(5)～(6)；

22、

23、

24、

25、

26、

27、

28、式中，i为收费站改扩建完成后入口侧往出口侧的所有车道编号，i∈i＝{1,2,…,ntoll}；ntoll为收费站改扩建完成后总收费车道数；j为收费车道功能及方向，j∈j＝{1,2,3,4}分别为入口etc、入口mtc、出口etc、出口mtc；yij表示收费车道i是否支持第j种车道功能及方向，yij∈{1,0}分别表示是、否；xij为收费车道i是否开放为第j种车道功能及方向，xij∈{1,0}分别表示是、否；λj为收费站选择第j种车道功能及方向的交通流量，pcu/h；μj为收费车道为第j种车道功能及方向的平均服务率，pcu/h；ρj为服务强度；

29、2)设定衔接交叉口信号配时约束；

30、采用信号控制双环相位结构相序方案衔接交叉口信号配时；两个相容相位组之间绿灯时长之和相等，见式(7)；每个环的相位时长之和等于周期时长，见式(8)；行人过街存在约束式(9)；绿灯时长和周期时长应在合理的范围内，见式(10)～(11)；各流向放行流量不大于通行能力，见式(12)；

31、

32、

33、

34、

35、cmin≤c≤cmax                                 (11)

36、

37、式中，gk为流向k绿灯时长，s；k为交叉口流向，k∈k＝{1,2,3,4,5,6,7,8}分别为西向左转、西向直行、南向左转、南向直行、东向左转、东向直行、北向左转和北向直行；i为黄灯时间，s；c为周期时长，s；lp,k为与流向k同时放行行人流的人行横道长度，m；vp,k为与流向k同时放行行人流的过街速度，m/s；qk为流向k交通需求，pcu/h；nk为流向k行驶车道数；sk为流向k饱和流率，pcu/h；gmin、gmax、cmin、cmax为变量约束最小值、最大值；

38、3)设定收费站与衔接交叉口协同控制约束；

39、衔接交叉口西进口通行能力应大于收费站出口交通需求，见式(13)；同时其信号控制导致的排队长度不能超过可容许的最大排队长度，见式(14)；收费站入口通行能力应大于衔接交叉口南向左转、东向直行和北向右转交通需求之和，见式(15)；同时其收费服务导致的排队长度不能超过可容许的最大排队长度，见式(16)；

40、

41、

42、

43、

44、式中，δk为收费站出口选择流向k比例；δj为收费站入口选择第j种收费方式的比例；qr为北向右转交通需求，pcu/h；ψ为停车排队车头间距，m/pcu；lmax为收费站与衔接交叉口之间的长度，m；hj为收费站平均排队长度，pcu；η1、η2、η3、η4为因交通波动而引入的折减系数，0＜η1,η2,η3,η4≤1；

45、4)构建目标函数；

46、当收费站改扩建期与衔接交叉口处于非饱和状态时，为提升衔接区域服务水平，以收费站平均等待时间及衔接交叉口车均延误之和最小化为优化目标，以此建立目标函数，如下：

47、

48、式中，dj为收费站第j种车道功能及方向的平均等待时间，s；dk为交叉口流向k车均延误，s；

49、收费站车辆排队行为可采用经典m/m/n排队模型来描述，由此确定收费站出入口平均等待时间，如下：

50、

51、

52、

53、

54、

55、式中，nj为收费站第j种车道功能及方向的收费车道数；pj(0)为系统没有车辆的概率；pj(m)为系统有m辆车的概率；ρj为服务强度；ρjm为ρj的m次方；

56、衔接交叉口各流向车均延误采用如下公式计算：

57、

58、

59、

60、

61、式中，σk为交叉口流向k绿信比；χk为饱和度；fk为通行能力，pcu/h；t为信号控制分析时段时长，h；e为信号控制修正系数。

62、进一步，步骤s4中，所述过饱和状态控制算法包括：

63、1)设定收费站车道控制约束；

64、根据收费站车道控制策略，每条收费车道只有支持何种车道功能及方向，才可以动态切换为这种车道功能及方向，见式(1)；每条收费车道仅同时允许1种车道功能及方向使用，见式(2)；每种车道功能及方向至少有1条收费车道，见式(3)；所有出口收费车道必须位于所有入口收费车道的左侧，见式(4)；为避免交通拥堵，每条收费车道的交通强度需小于1，见式(27)和式(6)；

65、

66、式中，为收费站改扩建期间共用流量系数；

67、2)设定衔接交叉口信号配时约束；

68、采用信号控制双环相位结构相序方案衔接交叉口信号配时；两个相容相位组之间绿灯时长之和相等，见式(7)；每个环的相位时长之和等于周期时长，见式(8)；行人过街存在约束式(9)；绿灯时长和周期时长应在合理的范围内，见式(10)～(11)；各流向放行流量不大于通行能力，见式(28)；

69、

70、式中，为衔接交叉口共用流量系数；

71、3)设定收费站与衔接交叉口协同控制约束；

72、衔接交叉口西进口通行能力应大于收费站出口交通需求，见式(29)；同时其信号控制导致的排队长度不能超过可容许的最大排队长度，见式(14)；收费站入口通行能力应大于衔接交叉口南向左转、东向直行和北向右转交通需求之和，见式(30)；同时其收费服务导致的排队长度不能超过可容许的最大排队长度，见式(16)；

73、

74、

75、4)构建目标函数；

76、当收费站改扩建期与衔接交叉口处于过饱和状态时，应尽量促使更多车辆通过衔接区域，故以共用流量系数最大化作为优化目标，见式(31)；

77、

78、式中，a1、a2为权重系数，且a1≥a2。

79、本发明的有益效果在于：本发明可应用于高速公路收费站改扩建施工期及运营阶段，用于收费站及衔接交叉口精细化智能管控，通过收费站改扩建期车道功能及方向动态切换，灵活匹配出入口交通需求，最大程度挖掘收费站通行潜力，同时收费站与衔接交叉口协同管控可以有效避免车辆排队溢出，维持衔接区域稳定的运行状态，提升衔接区域通行效率。

80、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。