針對高速公路收費站處微擁堵的智能交通控制系統(tǒng)

張洋洋 龐夢月

（1.河南省城鄉(xiāng)建筑設計院有限公司，河南鄭州 451460；2.北京北咨工程咨詢有限公司，北京 100020）

本系統(tǒng)將地感線圈、信號中轉站和車載裝置三模塊有機結合，運用電磁感應和電磁互轉等信號傳輸途徑，實時得到某車輛在控制區(qū)內前方的車輛數(shù)n、該車離收費站的距離l和此收費站的單向非ETC收費窗口數(shù)量m，經(jīng)過車載裝置中的單片機處理，最終將行駛的最佳速度在顯示屏中輸出，用于司機實時調整速度，實現(xiàn)動態(tài)控制。

1 研究背景

近年來，車輛數(shù)量不斷增長，惡劣天氣、交通事故、收費站處的服務速度低于后續(xù)車輛的到達速度、車輛到達的時空不均衡等都會對收費站的交通情況產生影響，收費站常出現(xiàn)微擁堵現(xiàn)狀。在擁堵條件下，汽車不得不進行長距離跟車行駛，車輛頻繁起停、長時怠速使得燃油的燃燒品質下降，導致能源浪費、環(huán)境污染。

據(jù)統(tǒng)計，車輛啟動油耗是正常行駛油耗的3～6倍，怠速3 min的油耗可以供車輛行駛1 km，車輛以緩行狀態(tài)通過收費站的耗油量是正常通過的16～20倍。

針對收費站擁堵的情況，常用的方法是開辟ETC通道，但目前ETC的用戶普及率較低，不足10%，收費站口的微擁堵依然存在，短時間內難以徹底消除。

另一種解決方案是采用分批段放行技術，通過紅綠燈進行分批控制、分批放行，對嚴重的擁堵效果顯著，但對微擁堵的情況見效甚微。目前，高速公路收費站口大范圍嚴重擁堵的情況基本消除，除了大型的節(jié)假日外，多數(shù)時間都處于微擁堵狀態(tài)。

2 設計內容及原理

2.1 設計思路

到達收費站前的車輛行駛速較快，在收費站處卻必須降速跟車行駛，如果能夠平均一段距離內車輛的車速，可以保證在時間不變的前提下，降低車輛的起停次數(shù)，大幅度減少排放，達到節(jié)能減排的效果。

根據(jù)設計思路，設計了智能交通控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由地感線圈、信號中轉塔、車載裝置構成，結合道路、車輛和收費站共同構成一個完整的信息交互系統(tǒng)。

車輛進入和離開控制區(qū)都會經(jīng)過地感線圈，產生相應的電路震蕩，將震蕩信息傳至路基的信號中轉塔，經(jīng)中轉塔的電磁轉換處理向控制區(qū)傳播無線電磁波信號。將此收費站的單向非ETC收費窗口數(shù)量和控制區(qū)長度信息融入無線電磁波中，車輛中的車載裝置接收并存儲包含相關信息的電磁波信號，通過車載裝置中的單片機進行數(shù)據(jù)處理，將計算得到的最佳行駛速度通過顯示屏輸出[1]。

系統(tǒng)簡易模型如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)簡易模型

2.2 有效的微擁堵量化

（1）假設1。

每一輛車（無論大小）通過收費站用時均相同。

（2）假設2。

所有收費通道都始終處于工作狀態(tài)，期間沒有車輛中斷的情況。

（3）假設3。

在控制區(qū)內，沒有車輛主動和被動超車現(xiàn)象。

（4）假設4。

未安裝車載裝置的汽車在控制區(qū)內都以正常速度行駛。

通過驗證假設可知，微擁堵程度與控制區(qū)長度不存在相關性，車輛速度動態(tài)控制在10～35 km/h時效果最為顯著。

有效控制的微擁堵表具體如表1所示。

表1 有效控制的微擁堵表

由表1可知，7～105 輛/（km·車道）為有效控制的微擁堵范圍，范圍包含了大多數(shù)的現(xiàn)實車輛密度，對微擁堵的調控范圍較大[2]。

2.3 系統(tǒng)的各組成部分

（1）地感線圈。

①地感線圈的位置。

地感線圈屬于公共基礎設施，本系統(tǒng)設置兩個地感線圈，一個緊靠收費站窗口，另一個安裝在收費站前的公路上。線圈的具體位置從地理條件的限制和控制效果的角度出發(fā)，結合收費站的通行量進行確定，兩個地感線圈的區(qū)間就是系統(tǒng)的控制范圍。

②地感線圈的作用原理。

車輛進入控制區(qū)時，由地感線圈感應，得到震蕩信號，將信號通過變換傳輸至地感線圈單片機組成的頻率測量電路中，得到振蕩頻率，將振蕩頻率傳至路旁的信號中轉塔。車輛駛出控制區(qū)時，也由地感線圈感應，將得到的振蕩頻率傳至信號中轉塔[3-4]。

（2）信號中轉塔。

①信號中轉塔的作用。

信號中轉塔接收地感線圈傳來的振蕩頻率，通過電磁轉換設備轉換為無線電磁波，傳入控制區(qū)范圍內，供車載裝置接收。為了區(qū)分兩個不同地感線圈的信號，對傳播的無線電磁波信號進行不同標注，分別對應高電平和低電平，供車載裝置識別和儲存。此外，收費站的單向非ETC收費窗口數(shù)量和控制區(qū)長度信息也在無線電磁波中[5]。

②無線電磁波的頻率。

信號中轉塔發(fā)出的無線電磁波覆蓋幾公里即可，為了節(jié)省能源和避免其他無限電波的干擾，系統(tǒng)發(fā)射的無線電磁波可采用小功率電源，發(fā)射相對波長較長、頻率較低的無線電磁波，避開手機信號、電視信號、收音機信號的干擾，保證信號不失真。

（3）車載裝置。

①車載裝置的作用。

車載裝置主要由單片機構成，用于接收和處理來自信號中轉站的信號。通過單片機的處理器對信號進行處理，得到車輛的最佳行駛速度，在顯示屏上輸出，司機按此提示動態(tài)調整速度，可以在中途不停車的條件下到達收費站[6]。

②車載裝置的信號接收。

車載裝置中設有天線，用于接收信號中轉站發(fā)射的無線電磁波。車輛信息時刻變化，接收的信息也不斷變化，具有時間特異性特點。以時間特異性為依據(jù)存儲每輛車的信息，以初始控制區(qū)內車輛總數(shù)n為初始值，一輛車進入控制區(qū)，自動加一，一輛車駛出控制區(qū)，自動減一。同時，車載裝置還獲得了此收費站的單向非ETC收費窗口數(shù)量和控制區(qū)長度信息[7]。

需要注意，應將車輛進入和離開控制區(qū)分別對應高電平和低電平信號，通過特異性進行區(qū)分。

3 創(chuàng)新特色與不足

3.1 創(chuàng)新特色

（1）區(qū)分公共基礎設施和個人設施。

地感線圈、信號中轉塔屬于公共基礎設施，車載裝置屬于個人設施，費用需要分開，相關部分負責出資建立公共基礎設施，個人設施則需要個人購買。針對頻繁出入高速公路的人群，可以安裝車載裝置，便于出行、降低油耗。

（2）干擾性小。

根據(jù)跟車行駛的特點，不安裝車載裝置的用戶對安裝設備的用戶基本不產生影響，能夠更好地面向需求用戶。

3.2 不足

合理的假設因子過多，現(xiàn)實的可變因素較為復雜，導致輸出結果的準確度降低。在實踐中，可以試運營一段時間，進行大數(shù)據(jù)的回歸分析，增加折中系數(shù)，能夠有效改善結果的準確性。

4 結語

綜上所述，系統(tǒng)的普適性使得對收費站的微擁堵控制范圍廣、效果好；系統(tǒng)的針對性使得該系統(tǒng)較易被特定人群接受；系統(tǒng)的價格分離性可以有效將費用控制在合理范圍內。目前，ETC仍處于不健全的情況，普及率較低，系統(tǒng)具有較大的發(fā)展空間，可以在高速收費站進行批量運用，實現(xiàn)低碳交通。