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1、中图分类号； U491 _ 密级： 公开 UDC： _ 本校编号： _ 硕 士 学 位 论 文 论文题目： 基 于 元 胞 自 动 机 的 高 等 级 公路 复式收费站能耗仿真与应用 研究生姓名： 邵晓明 学号： 021 0026 学 校 指 导 教 师 姓 名 ： 钱勇生 _ 职称： 教授 申请学位等级： 工学硕士学位 专业： _ 交通运输规划与管理 论文提交日期 ： 201 3年 4月 论 文 答 辩 日 期 : 2 01 3年 6月 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过
2、的研 究成果，也不包含获得 兰州交通大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 本学位论文作者完全了解 兰州交通大学 有关保留、使用学位论文的规定特授权 兰州交通大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和磁盘。 C保密的学位论文在解密后适用本授权说明 ） 学位论文版权使用授权书 硕 士 学 位 论 文 基于元胞自动机的高等级公路 复式收费站能耗仿真与应用 Energy Consum
3、ption Simulation and Application for Highway Multi-point Tollbooth Traffic Flow Based on Cellular Automaton 作者姓名： 邵晓明 学科、专业 ： 交通运输规划与管理 学 号： _ 0210026 指导教师： 钱勇生 完成日期： _ 2013.06 兰 州 交 通 大 学 Lanzhou Jiaotong University 兰州交通大学硕士学位论文 摘 要 近年来，我国高等级公路发展迅速，截止到 2012年底，我国高速公路的通车里程 已达到 97355公里，比 2011年增长 14.6%
4、。而我国自 1984年以来实行 贷款修路、收 费还贷 的政策，主要对二级以上的高等级收费公路征收道路通行费，收费系统的运营 管理直接关系到公路的通行效率和经济效益。交通运输 十二五 发展规划明确提 出了 落实建设 两型 社会发展战略，加快构建绿色交通运输体系 的发展目标，而 我国收费系统交通阻塞、安全和环境问题日益突出，车辆经过收费系统的车辆经常处于 时走时停 和排队等待状态，能耗损失严重。有关研究表明，超过 20%的原油消耗和 空气污染是由于交通拥堵和 时走时停 交通引起的，车辆速度由 40km/h减小到 10km/h,燃料消耗将增加 2 4倍。电子不停车收费 (ETC)系统虽然可以提高收费
5、站的 通行能力，但在我国的经济发展水平和应用条件下还难以普及，我国的缴费主体车辆仍 然是人工收费车辆 (MTC)。复式 收费模式在原有的收费设施基础上添加了多套收费设 施，实现了单车道可以对多辆车进行收费，大大减少了收费系统的投资，而有效提高了 收费系统的通行能力，降低了车流能耗。 本文以元胞自动机经典 NaSch模型为基础，结合复式收费站车辆的运行特性，建立 了复式收费站车辆状态演化的更新规则；另外，鉴于收费站车流行驶状态的特殊性，本 文对传统车辆能耗模型进行了改进，加入了车辆停车怠速状态下的空盘能耗损失因素； 最后，构建了复式收费站车流和能耗多维 CA仿真模型，在此基础上探讨了 MTC/E
6、TC 车流和复式收费岗亭 (节点 )使用 规则对复式收费站单车道交通流和能耗的影响，得出了 如下结论： (1) 混合车流比例系数尺、空盘能耗取值瓦、车辆最大速度 Vmax、收费滞留时间心 和随机慢化概率 p对复式收费站车流和能耗的影响 混合车流包含 MTC车辆时，各流量曲线都出现 2个峰值，第二个峰值为曲线的最 大流量， i?、rw、 p值越大，车辆在复式收费站附近的堵塞越严重，车流越不容易从阻 塞相向自由流相转变，vmax影响下的最大流量相差不大； /?、 rw、 p、 Vmu、艮越大，车 辆的总能耗 &越大，空盘能耗的走势与总能耗一致。 (2) 收费岗亭个数 M、 收费岗亭设置位置、有效收
7、费岗亭排列方式对复式收费站车 流和能耗的影响 复式收费站的通行能力随着 M的增加而增大，增幅减小，临界个数为 M=7个，最 大流量比传统收费站提高约 50%。收费岗亭设置位置对复式收费站交通流没有影响，有 效收费岗亭排列方式中，来车方向的第一个岗亭间距越大，最大流量越大，但也存在临 基于元胞自动机的高等级公路复式收费站能耗仿真与应用 界值。 M值越大，复式收费站总能耗越低，降低的幅度也在下降。收费岗亭的设置位置 与排列方式对车流能耗影响不大。 关键 词：复式收费站；交通流；能耗；元胞自动机 论文类型：基础研究 y、 卜丨交通大学硕士学位论文 Abstract In recent years,
8、rapid progress has been witnessed in the China9s high-grade highways. By the end of 2012, our countrys highway mileage has reached 97355 km, 14.6% more than last year. Under the policy of “loaning for expressway and charging repay a loan” ， the main toll collection for high-grade highways directly r
9、elates to highway traffic efficiency and economic benefits. Implementing the resource-saving and environment-friendly society as well as accelerating the construction of green transportation system has been set forth as a goal in the “Twelfth Five-year transportation development plan. However, traff
10、ic congestion, safety and environmental problems in toll system have become increasingly prominent. Vehicles passing the toll system are often in a stop-go and queued state， consuming a mass of energy. Related research shows that more than 20% of the oil consumption and air pollution are due to traf
11、fic congestion and stop-go traffic, and the fuel consumption will increase by 2 4 times when vehicle velocity reduces from 40 km/h to lOkm/h. Though Electronic Toll Collection (ETC) can improve the traffic capacity of toll station, the system is difficult to deploy in Chinas economic level and appli
12、cation conditions. Moreover, most vehicles paying the toll in our country are still Manual Toll Collection (MTC) vehicles. Multi-point tollbooth adds multiple sets of toll facilities on the basis of the existing toll facilities, achieving the function of charging multiple vehicles in each lane. The
13、charging mode greatly reduces toll system investment, improving the capacity of the toll system and reducing the energy consumption of the traffic flow. Considering the driving characteristics of vehicles passing multi-point tollbooth, the paper establishes the evolution rules of vehicle state on th
14、e basis of classical NaSch model. Additionally, adding the factor of idling energy consumption, the traditional vehicle energy consumption model was improved in this paper in view of the particularity of vehicle traveling state when passing multi-point tollbooth. Lastly, a multidimensional CA model
15、for multi-point tollbooth traffic flow and energy consumption was proposed, on the basis of which, the paper analyzes the influence of MTC/ETC vehicles and toll booths setting rules on traffic flow and energy consumption on a single lane, making the following conclusions: (1) The impacts of mixed ra
16、tio R, the value of Es, the maximum velocity ymax of the vehicle, dwell time Tw and random deceleration probability p on multi-point tollbooth traffic flow and energy consumption. Under J? 0, each flux curve has two peaks, the second peak is its maximum flux. As the values of /?, Tw and p increase,
17、more and more serous clogging of the vehicles near the tollbooth, and more difficult the phase transition from the jam phase to the free flow phase. Nevertheless, the flux curve is independent of ymax. When the values of R, Tw, p, Kiax and Es 基于元胞自动机的高等级公路复式收费站能耗仿真与应用 increase, the total energy cons
18、umption Ed increases accordingly, and the varying tendency of idling energy consumption is consistent with curve. (2) The impacts of booths number M, the booths setting position and booths arrangement mode on multi-point tollbooth traffic flow and energy consumption. As M increases, the capacity of
19、multi-point tollbooth gets larger with lower amplitude, existing a critical number M=7, where the capacity is about 50 percent higher than that of traditional toll station. In addition, the flux curve is independent of the booths setting position, when the gap between the first two booths from vehic
20、les approaching direction gets larger, the peak flux increases within the critical range. Additionally, as M increases, the total energy consumption drops with lower amplitude. Numerical tests indicate that booths setting position and arrangement mode show less impact on vehicle energy consumption.
21、Key Words： Multi-point Tollbooth； Traffic Flow； Energy Consumption； Cellular Automaton i州交通大学硕士学位论文 目 录 矛商 . I Abstract . Ill 1谢仑 . 1 1_1研究背景及意义 . 1 1丄 1研究背景 . 1 1丄 2研究目的和意义 . 2 1.2国内外石开究现状综述 . 2 1.2.1收费站的研究现状 . 2 1.2.2交通流能耗的研究现状 . 4 1.2.3高速公路交通流元胞自动机模型研究现状 . 4 1.3研究内容、思路及技术路线 . 5 1.3.1研究内容和思路 . 5 1
22、.3.2技术路线 . 6 1.4 /J、 . 7 2高等级公路收费系统比较性分析 . 8 2.1公路收费系统运行模式 . 8 2丄 1收费制式简介 . 8 2.1.2收费站类型及形式 . 8 2.1.3收费方式简介 . 10 2.2复式收费模式简介 . 11 2.2.1复式收费模式优缺点分析 . 11 2.2.2复式收费模式车道设置 . 12 2.2.3复式收费模式交通组织 . 13 2.2.4复式收费模式工作流程 . 15 2.3 . 17 3高等级公路复式收费站仿真模型构建 . 18 3.1元胞自动机 NaSch模型简介 . 18 3.1.1运行规则 . 18 3.1.2边界条件 . 18
23、 3.2交通流参数分析 . 19 3.2.1 ylfi . 19 基于元胞自动机的高等级公路复式收费站能耗仿真与应用 3.2.2 速度 . 20 3.2.3密度和占有率 . 21 3.2.4交通流三参数间的基本关系 . 22 3.3复式收费站车辆运行特性分析 . 24 3.3.1非收费路段 . 24 3.3.2 KiSEg . 25 3.3.3收费区段 . 25 3.4单车道复式收费站车流 CA仿真模型构建 . 25 3.4.1模型建立 . 25 3.4.2模型演化规则 . 26 3.5车辆能耗模型的改进 . 28 3.6 29 4 MTC/ ETC车流对复式收费站交通流和能耗影响研究 . 3
24、0 4.1比例系数 7?对复式收费站车流和能耗的影响 . 30 4.2瓦取值对复式收费站车流和能耗的影响 . 34 4.3车辆最大速度 Vmax对复式收费站车流和能耗的影响 . 35 4.4滞留时间 rw对复式收费站车流和能耗的影响 . 39 4.5随机减速概率 p对复式收费站车流和能耗的影响 . 41 4.6应用性分析 . 43 4.7 43 5复式收费站岗亭使用规则对交通流和能耗影响研究 . 44 5.1收费岗亭个数 M对复式收费站车流和能耗的影响 . 44 5.2收费岗亭设置位置对复式收费站车流和能耗的影响 . 48 5.3有效收费岗亭排列方式对复式收费站车流和能耗的影响 . 49 5.
25、3.1有效收费岗亭个数 tolla(； tive=2排列方式分析 . 49 5.3.2有效收费岗亭个数 tollac;tive=3排列方式分析 . 50 5.4应用性分析 . 52 5.5 52 结论和展望 . 53 i射 . 55 参 考 文 献 . 56 攻读学位期间的研究成果 . 59 兰州交通大学硕士学位论文 1绪论 1.1研究背景及意义 1. 1. 1研究背景 我国高等级公路包含高速公路和一级公路，这些公路是公路路网中最主要的骨架运 输通道，具有较高的运输经济效益及社会效益，在现代化经济和社会发展中扮演着至关 重要的角色。以高速公路为例，我国高速公路建设起步于 1984年，至 201
26、2年年底，我 国高速公路的通车里程已到 97355公里，比 2011年新增 12409公里，形成了世界上规 模最大的高速公路系统 (不含各国的地方高速公路 )1。我国自 1984年实施 贷款修路 , 收费还贷 的政策以来，对高等级公路征收道路通行费是公路运营管理的重要任务之 一，收费系统的建设和营运直接影响到道路运营质量和管理的经济效益 2。 随着高等级公路的迅速发展，交通流量持续增大，收费站对交通系统通行能力的瓶 颈作用也日益凸显，交通堵塞、环境污染、交通安全等问题已经成为全球各个国家所面 临的共同难题。英国石油公司 BP于 2013年 1月发布了 BP 2030世界能源展望，研 究报告指出
27、，石油仍将是交通运输业的主导性燃料，尽管其比重将从 2011年的 94%降至 2030年的 89%,到 2030年的液体燃料需求增长主要来自非经合组织的交通运输业 (近 1400万桶 /日 ） 。相关研究表明，超过 20%的原油消耗和空气污染是由于交通拥堵和 时 走时停 交通引起的 3，车辆排出的 S02、 NOx、 CO、C02等有害物质甚至超过工业污 染，严重危害人类的身体健康 4，车辆速度由 40km/h减小到 10km/h,燃料消耗将增加 2 4倍 5。另外， 高速公路事故率虽然只有其他公路的 1/3 1/4,可一旦发生事故，多 为重大、恶性事故，其交通事故的死亡率是其他公路的 2至
28、10倍 6。 我国目前的收费方式多为停车式的人工收费系统 (Manual Toll Collection,简称 MTC),收费站附近易形成排队等待的交通瓶颈，产生大量延误。电子不停车收费系统 (Electronic Toll Collection， 简称 ETC)是提高收费站通行能力的有效途径，但是 ETC的 应用需要一个比较成熟的环境，受到诸多主客观因素的制约，目前不停车收费在我国还 处于探索阶段，即便是在不久的将来，不停车收费也不可能在我国普及，因此停车收费 仍将是我国高速公路的主要收费形式。现有收费站多采用道路扩张的办法把收费岗亭并 列设置，一方面占用了大量空间和资源，另一方面，收费站通
29、行能力饱和时受诸多因素 的影响很难再横向扩张，如收费站设计和远景规划不足、土地利用限制，多数不能占用。 复式收费模式就是在原车道一套收费设备的基础上，再增加一套或多套收费设备，根据 交通量大小灵活开启，一个车道可以同时对多辆车进行收费。因此，复式收费模式不仅 基于元胞自动机的高等级公路复式收费站能耗仿真与应用 可以有效节约土地使用面积，降低收费设施的投资成本，更重要的是可以缓解收费站对 高速公路通行的瓶颈制约，提高高速公路的通行能力。 1. 1.2研究目的和意义 高等级公路交通流的形成以动态、随机、反馈、自适应、多变为主导，以非线性和 复杂性为基本特征，积累效应、奇异吸引性、边界开放性进一步加
30、深了交通流的复杂程 度，这些现象都成为交通流理论的研究热点。 本文通过运用元胞自动机 (Cellular Automaton,简称 CA)这一解决非线性复杂系统 问题的先进科学方法，以 Matlab软件为仿真平台，结合我国高等级公路特征，构建复 式收费站车流和能耗仿真模型并进行数值模拟分析，进一步解析复式收费站交通流各种 复杂现象的形成、演化及传播特性，挖掘复式收费站车流能耗演化规律，提高高等级公 路交通流的稳定性。 因此进行复式收费站的车流特性和能耗研究可以为高等级公路收费站的设计和管 理提供理论依据和技术支持，对进一步丰富和完善交通流理论体系，缓解我国高等级公 路严峻的安全形势，减少交通耗
31、时和环境污染，有效提升高等级公路通行能力和服务水 平等均具有重要的理论价值和 现实意义。 1.2国内外研究现状综述 1.2. 1收费站的研究现状 国外对收费站的研究多集中在收费站的通行能力、管理控制、驾驶员心理等方面。 为了实现对高速公路拥堵的动态管理， Sheu和 Yang提出了基于收费和匝道控制的 混合动态控制方法，研究了整个高速公路的交通管理系统，对高速公路收费站的定价方 法和匝道控制策略进行协调控制，模型减少了平均旅行耗时，提高了高速公路的通行能 力 7。 Komada和 Masukura研究了高速公路 MTC/ETC双车道收费站交通流，对收费站 交通流状态和交通堵塞的形成进行分析，指
32、出车流密度、混合比率对交通流基本图的走 势有重要影响，车流状态随着上述参数的改变而变化 8。 Komada和 Nagatani对高速公 路多车道收费站的交通流状态和排队的形成进行分析，研究结果表明，车流状态随着密 度和收费车道数的增加而改变，当车流密度高于某一临界值时，车流在收费站前形成排 队 9。 Odeck和 Kjerkreit对通过收费站的驾驶员情绪进行了研究，对挪威六种不同特性 的收费方案进行了分析，研究结果表明，驾驶员对道路收费持负面情绪，这种负面情绪 与各种收费 方案和收费过程没有关系，而与提前告知驾驶员需要缴费的信息提示和收费 站的服务水平有直接关系 1()。 兰州交通大学硕士学
33、位论文 我国对收费站的研究起步较晚，多集中于收费站车辆延误和交通流特性的研究。 Huang等人最早用元胞自动机研究了单车道高速交通中收费站的作用，指出收费站表现 为高速公路上的一类瓶颈，它的存在明显降低了道路的通行能力 11。丁创新根据不同类 型收费站选取不同参数，使用 M/G/K排队论理论计算了不同类型收费站的基本通行能 力，以排队车辆的平均队长作为评估收费站服务水平的标准，得到了不同服务水平下的 收费站最大车流量 12。姜锐等研究了不同慢化概率下，扩张段的长度以及收费站在扩张 段的位置对通行能力的影响，给出了不同参数下的交通流基本图 13。潘红对高速公路 ETC收费站的车流特性进行了分析，
34、利用 Visual C+对 ETC使用率、车道类型和数量、 MTC车辆干扰等因素进行了仿真研究，为既有 ETC收费站改建新建收费站的规划设计 提供智力支持 14。朱留华，陈时东等基于 NaSch模型建立了关于单车道电子收费和人工 收费系统 的元胞自动机交通流模型，对电子收费和人工收费共存系统的交通流特性进行 了分析和讨论 15。陈宁在他的硕士毕业论文中对高速公路收费站进行了微观交通流仿 真，研究了道路设施模型构建、车辆停驶模型建立、车辆换道模型的设计并实现了高速 公路收费站微观交通流仿真系统的开发与实现 16。赵琪将各个神经网络预测模型进行线 性组合，以数据挖掘理论为基础，使用数据集市及数据预
35、处理技术，构建了高速公路收 费站组合收费模型，模型的精度和适用性得到了提高 17。郭嘉利用 Vissim仿真软件建 立了混合收费站车道使用方式几种模 式，分别对 ETC收费车道的数量设置、混合收费 车道的数量设置、分部收费车道的使用、 ETC使用率、车流量不同情况下收费系统运 行进行分析 18。 近年来，部分学者对复式收费模式也进行了初步研究。简注清对江苏沿江高速公路 收费系统的管理机制、收费流程、系统组成等科学问题进行了比较详细的分析，同时对 复式收费系统应用软件的内部模块和收费流程进行了设计和实现，并提出了复式收费的 几种实施模式 19。周凯等利用排队论模型分析了高速公路货车通过复式收费站
36、进行计重 收费的可行性，研究表明复式收费站的应用可以降低收费站 的改造成本，有效缓解高速 公路的收费站的交通拥挤 2()。李昕在郑州机场收费站扩建项目中的收费方式的选择上， 利用排队论模型研究了传统单式和复式收费模式在单车道的通行能力，为复式收费站建 设规模提供了一定的参考依据 21。崔洪军等对复式收费站的收费过程和车辆运行特性进 行了分析，建立了复式收费车道的数值模拟模型，研究表明收费亭不断增加会导致通行 能力下降 22。谌海军等利用元胞自动机理论研究了串行收费站的设置方式、通行能力和 车队延误，研究表明，串行收费模式的车队延误随着流量的增加而不断增大，并给出了 车流不同到达强度下的最佳设置
37、个数 23。 基于元胞自动机的高等级公路复式收费站能耗仿真与应用 1.2.2交通流能耗的研究现状 国外学者 Lee等发展了集成的仿真模型，分析了交通政策的实施措施在减少交通流 能耗和空气污染有效性，并利用该模型实例分析了首尔交通政策的实施效果 24。 Nakayama等对理想速度模型进行了优化，首次提出了外部小扰动干扰下的车辆附加能 耗的估算方法 25。 Toledo等分别研究了跟驰模型、城市交通模型的能耗问题 26。 国内学者时伟等研究了几种典型跟驰模型的稳定性与附加能耗的关系，对每个车辆 在演化过程中的动能分布规律也进行了探讨 27。张伟等研究了元胞自动机确定性和非确 定性 NaSch模型
38、中每时间步各辆车的能耗问题以及边界效应的影响 28。田欢欢等提出了 元胞自动机混合交通流能耗公式，研究了不同车长、最大速度和混合比率对混合交通流 的影响 29。唐铁桥等提出了跟车模型的动能变化公式，研究了车辆变道概率对车流动能 的影响，研究结果表明，变道概率和相对速度对各车辆动能变化均有重要作用 3()。温坚 等基于周期性边界条 件，研究了元胞自动机 FI交通流模型在混合比率、最大车速、车 长以及随机慢化概率参数下的影响，模拟结果不同于 NaSch模型的影响 31。 1.2.3高速公路交通流元胞自动机模型研究现状 元胞自动机由于其在模拟交通流非线性复杂系统中的巨大优势，成为道路交通流领 域中的一个重要的研究热点，自 1986年 Cremer和 Ludwig将元胞自动机理论引入交通 系统以来 32，元胞自动机理论便在交通流领域得到快速发展。现有的元胞自动机模型可 以分为两类：高速公路交通流模型和城市网络交通流模型。这两类模型最著名的