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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流过路收费亭对高速公路交通的影响.精品文档.过路收费站对高速公路交通的影响*国家自然科学基金(批准号：10362001,10562001,70371067)资助的课题E-mail: zhuliuhua646 通讯作者朱留华1) 陈时东2) 孔令江1) 刘慕仁1)1) (广西师范大学物理与电子工程学院， 桂林 541004)2) (玉林师范学院物理与信息科学系， 玉林 537000)我们研究过路收费站对高速公路交通的影响基于Nagel-Schreckenberg交通流模型，建立了关于单车道ETC和MTC系统的元胞自动机交通流模型。通过计算机数值模
2、拟，得到了混合车辆在不同参数下交通流模型的基本图，并对ETC和MTC共存系统的交通流特性进行了分析和讨论。关键词：元胞自动机， ETC系统，MTC系统，数值模拟PACC: 05501引言近年来，交通问题已引起了广泛的注意16。基于各种交通流模型的模拟，人们对交通问题的认识更为深刻。然而，交通流涉及到多自由度，高速公路的交通更是车辆之间强烈相互作用的多体系统，给模拟工作带来了意外的艰巨性。元胞自动机由于其独特的优越性被广泛应用于交通流研究。我国目前正值高速公路建设高峰，国家对公路的投入逐年加大，随着我国公路事业的发展，解决收费口人工收费排队等待的交通“瓶颈”问题和其它日益增长的交通需求引起了社会
3、与交通管理部门的广泛关注。 目前发达国家普遍采用ETC(Electronic Toll Collection)技术，不仅缓解了收费站交通堵塞，而且减少了环境污染。ETC不停车收费方式是目前世界上最先进的路桥收费方式。通过安装在车辆挡风玻璃上的车载电子标签与在收费站ETC车道上的微波天线之间的微波专用短程通讯，利用计算机联网技术与银行进行后台结算处理，从而达到车辆通过路桥收费站不需停车而能交纳路桥费的目的。ETC系统允许车辆高速()通过，可大大提高公路的通行能力。.我国幅员辽阔，地区差异显著，各省市的公路收费方式不尽相同。国内虽然新建了一些不停车收费站，但是常在收费站的前方安装对无车载电子标签的
4、车辆进行人工收费的警示标志牌和检测设备。一旦发现无车载电子标签的车辆进入时，改由人工进行现场收费并放行。这种方法，一方面，由于部分车辆接受人工收费，使得正常车辆通行受阻；另一方面，由于不停车收费车辆的通行速度快，一旦客户增加、交通流量增大时，交通事故非常容易发生，造成正常的收费通行秩序混乱。这篇文章中，我们着重研究传统人工收费方式（Manual Toll Collection，简称MTC）的保留对交通流的影响。2ETC和MTC共存模型在本文的模型中，高速公路的车道被视为长度为的一维离散格点链，每一格点在每一时刻或为空或被一辆车占据。考虑车辆付费方式的差异，车辆被分为两类：一类是：电子付费，对应
5、于ETC系统；另一类是：现场付费，对应于MTC系统。2.1 电子付费的车辆演化规则7：由于ETC系统允许车辆高速()通过，因此车辆在经过收费站时，既不需要减速，更不需要停车。电子付费车辆的演化由下列四个过程构成：（1）、确定性加速：（2）、确定性减速：（3）、随机减速： 以概率p（4）、位置更新：其中： 相邻车辆间距。2.2 现场付费车辆的演化规则8：由于是现场付费，因此车辆进入收费站区必须减速。根据道路交通法的相关规定：警告标志牌通常设置在MTC站来车方向150 m以外，且规定车辆进入收费站区车速不超过。到达MTC站后，驾驶员通过停车进行现金交易，等候零钱和票据。这一过程需要驾驶员在收费站滞
6、留一定的时间，现场付费车辆的演化由下列过程构成： （1）、速度演化：IF(（a）、确定性加速：（b）、确定性减速：（c）、随机减速： 以概率pELSE IF (且) ELSE（a）、确定性加速：（b）、确定性减速：（c）、随机减速： 以概率p（2）、位置更新：；（3）、时间反馈：IF ()， ；其中：为警告标志牌位置； 为MTC站位置；为车辆停滞时间；相邻车辆间距：。采用周期性边界条件，取L=5000cells组成一维格点链，每个格点对应的实际道路长为7.5m，整个格点链对应的实际道路长为37.5Km。ETC站设置在道路的中间部位，MTC站设置在ETC站后方3个格点处，警告标志牌与MTC站间距
7、取，相当于20个格点设道路上车辆总数为N，车辆最大速度取，对应的实际车速为135Km/h。车辆另一最大速度取，对应的实际车速为27Km/h。其中车辆密度、平均速度和平均车流量的计算公式如下：车辆密度： 车辆平均速度： 平均车流量： 3. 数值模拟与分析数值模拟时，初始时刻现场付费车辆和电子付费车辆按一定的比例，以给定的全局密度随机分布在一维格点链L上，其中现场付费车辆占总车辆的混合比例为。为消除暂态影响，每次运行对最初的时步不做统计。以后时步进行时间平均，这样就得到了每一次运行的结果。为了减小初始分布对结果的影响，取样本数为30。图中的每个点是30次运行的平均值。3.1 混合比例对交通流的影响
8、图1 .基本图图2 速度随密度变化曲线 图1为本文模型在，而取不同值时得到的基本图。从中可以看出的取值对模拟道路的通行能力影响很大。当现场付费车辆仅占车辆总数的10%时，对应的最大流量值比单纯ETC系统的最大流量值下降了35%左右。随着现场付费车辆的比例增加，对应的最大流量值逐渐减小。当现场付费车辆达到道路上车辆总数的一半时，对应的最大流量值也大约是单纯ETC系统的最大流量值的一半。因为在单车道上，若一辆电子付费车辆前面紧邻的车辆是现场付费车辆，由于现场付费车辆需要停车付费，后面紧邻的车辆尽管不需要停车，甚至不需要减速就可以通过收费站，但是受单车道条件的限制，后面紧邻的车辆也被迫停车等候，导致
9、车道平均速度急剧下降，如图2所示。这样收费站口就出现了向后传播的交通堵塞，造成了整个道路的通行能力下降3.2 滞留时间对交通流的影响图3 .基本图图3为本文模型在，而取不同值时得到的基本图。从中可以看出的取值对低密度情形即曲线的前半部分几乎没有任何影响，因为在这一阶段车辆之间的平均间距较大，在前一辆现场付费车辆的停车付费的过程中，后面的车辆不能及时跟上，不至于在收费站口处形成堵塞；在中等密度区域，都出现了流量平台，随着密度的增加，车辆之间的耦合程度加剧，平均速度减小，因而流量相对保持在一稳定的值；在高密度区域，车辆之间的平均间距较小，车辆时走时停现象经常发生，滞留时间不再影响道路的通行能力。3
10、.3 车流演化状态分析 为了具体的描述收费站口车流随车辆密度增加而出现由畅行相向宽幅运动阻塞相的演化过程，本文模拟了车辆运动过程中车辆位置与运动时间的关系图。取参数；，模拟的空间位置为：21002600，时间为：5000050400。 图中黑点表示车辆，白色表示空白区域，图4为时的车辆位置与时间的关系图，此时车道上车辆密度较低，在警告标志牌与MTC站以外的区域，车流处于畅行相，所有的车辆都以较高的速度行驶；在警告标志牌与MTC站之间的区域，由于受到现场付费车辆停车付费的影响，车辆的速度明显减小。收费站口甚至出现了零星的静止车辆并形成了一些很小的堵塞区域，但是随着停车付费等待过程的结束，小的堵塞
11、区域又很快消散了。图 4 时的位置与时间的关系图 图 5 时的位置与时间的关系图图 6 时的位置与时间的关系图 图 5为 时的车辆位置与时间的关系图。此时在收费站口出现了大范围的局部阻塞，且向后传播。随着全局密度的增加，局部阻塞不再限制在警告标志牌与MTC站之间的区域，可以进一步向后蔓延。图 6 为时的车辆位置与时间的关系图，此时车辆密度较大，行驶车辆明显受到其它车辆的影响，自由运动的程度显著减小，车辆时走时停现象经常发生，ETC系统不再发挥其应有的功效。4. 结论 从数值模拟的结果来看，当现场付费车辆仅占车辆总数的10%时，对应的最大流量值比单纯ETC系统的最大流量值下降了35%左右。可见现
12、场付费车辆与电子付费车辆混合收费，不仅减低了道路的通行能力，而且不能发挥ETC系统应有的功效，造成了资源的极大浪费。一方面，为了提高车辆通过收费站的能力，现场付费车辆与电子付费车辆应分道行驶，分道收费；另一方面，ETC系统消除了收费口的“瓶颈“效应，疏解了公路的交通堵塞，减少了交通延误损失；减少了停车次数和停车时间，从而减少了燃油消耗和汽车部件耗损，降低了运输成本，改善了人类生存环境。 目前，各国都把不停车收费系统作为ITS(Intelligent Transport System)领域最先投入应用的系统来开发。我国交通部门已经把不停车收费系统的开发和应用列为我国ITS领域首先启动的项目，并在
13、“十五”期间列入交通科技的技术创新重点之一。1 Helbing D, Schreckenberg M 1999 Phys. Rev. E. 59 25052 Knospe W, Santen L, Schadschneider A, Schreckenberg M 2000 J. Phys. A. 33 4773 Lei L,Dong L Y,Dai S Q 2006 Acta Phys. Sin. 55 1711 (in Chinese) 雷丽、董力耘、戴世强 2006物理学报55 17114 Ge H X,Zhu H B, ,Dai S Q 2005 Acta Phys. Sin. 54
14、4621(in Chinese) 葛红霞、祝会兵、戴世强2005 物理学报 54 46215 Maerivoet S, Moor B D 2005 .Phys Rep. 419 466 Tang T Q,Huang H J ,Xue Y 2006 Acta Phys. Sin. 55 4026 (in Chinese) 唐铁桥、黄海军、薛郁2006 物理学报 55 40267 Nagel K, Schreckenberg M 1992 J.Phys. I. France 2 22218 Huang D W, Huang W N 2002 Phys. A.312 597图形说明图1 .基本图图2
15、 速度随密度变化曲线图3 .基本图图 4 时的位置与时间的关系图图 5 时的位置与时间的关系图图 6 时的位置与时间的关系图图1 .基本图图2 速度随密度变化曲线图3 .基本图图 4 时的位置与时间的关系图图 5 时的位置与时间的关系图图 6 时的位置与时间的关系图The influence of tollbooths on highway traffic*Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos.10362001, 10562001,70371067) .E-mail: z
16、huliuhua646 Corresponding author. Zhu Liu-Hua 1) Chen Shi-Dong 2) Kong Ling-Jiang 1) Liu Mu-Ren 1)1) (College of Physics and Electronic Engineering,Guangxi Normal University,GuiLin 541004, China)2) (Department of Physics and Information Science , Yulin Normal College,Yulin 537000, China)AbstractWe s
17、tudy the effects of tollbooths on the traffic flowBased on the Nagel-Schreckenberg model of traffic flow，the traffic flow models on ETC and MTC systems are establishedWe obtain the fundamental diagrams of traffic flow under different parameters via using computer numerical simulationMoreover, the characters of coexistence of ETC and MTC systems are presented and analyzed Keywords: cellular automaton，ETC system，MTC system，numerical simulationPACC: 0550