面向安全改善的收費站收費通道布設方案研究

歐陽任得

(湖南高速信息科技有限公司, 湖南 長沙 410026)

出于可重復性、成本、安全等考慮,對收費站通道布設方案無法進行實地測試,主要通過交通微觀仿真分析方案運行結果得出最佳布設方案。目前收費站仿真分析軟件有TPSIM、VISSIM、Paramics等。Al-Deek H. M.采用TPSIM微觀仿真模型研究了ETC(電子不停車收費)收費通道的引入對收費站整體交通延誤的影響[1]。Jehad A. E.等結合VISSIM和 SSAM軟件進行仿真,評估不同收費通道配置對收費站交通安全的影響[2],但其仿真模型未使用真實軌跡數據標定,不能完全反映真實交通運行情況。趙述捷利用Paramics研究了ETC收費通道的通行能力及收費通道的開放情況對收費站通行能力的影響[3]。

也有學者對收費站安全影響因素進行了分析,如吳曉武認為收費廣場漸變率、服務水平和收費廣場入口段縱斷面坡度等收費站幾何參數是影響高速公路收費站交通安全的重要因素[4];張志召通過探究高速公路收費站和立體交叉口分合流區的交通沖突種類,依據采用碰撞時間TTTC與后侵入時間TPET計算模型得到的沖突數量,構建了以交通量、交通組成、運行速度為核心因素的交通沖突預測模型[5];張瑩、孫博認為收費通道配置方案的變化會通過影響ETC用戶換道決策間接影響車輛行駛安全[6-7]。

針對收費站收費通道配置方案,Zarrillo M. L.等基于不同收費類型和車輛類型構建 SHAKER 模型,得到了收費站最佳收費通道配置方案[8-9];Levinson D.等研究了ETC收費通道數量和通行費折扣的最佳組合[10];Zhang X. Y.等建立了以最小化系統熵為目的的收費站收費通道數量優化模型[11];Hajiseyedjavadi F.等認為最安全的收費通道配置是僅由ETC收費通道組成的配置[12]。目前對收費站的研究缺乏真實交通流數據的采集與分析,導致仿真結果失真,無法反映真實車輛安全狀態,也缺乏對安全改善的關注,多從宏觀角度出發,缺乏對微觀車輛相互作用的分析。本文基于主線收費站的現狀進行仿真模型搭建及校驗,研究面向安全改善的收費站收費通道布設方案。

1 數據處理

采用無人機在南京某高速公路收費站東進口分流區垂直上空拍攝大范圍的俯拍角度視頻,利用視頻軌跡識別軟件獲得1 104輛車的完整軌跡數據,從中提取真實微觀運動特征。在視頻識別中,取分流區1道ETC起始點為坐標原點,建立直角坐標系,并標定6個關鍵節點的坐標(大地坐標),繪制收費站分流區等比例示意圖(見圖1)。

圖1 收費站等比例示意圖

基于軌跡數據,提取如下參數:車輛i在時間t的形心坐標Ot,i;車輛i在時間t的速度vt,i;車輛i在分流區的總行駛時間Ti;車輛i通過指定斷面時的車頭時距Si;車輛i在時間t的速度方向與x軸正方向之間的夾角θt,i;車輛i在時間t的拓展碰撞時間TETTC,t,i;車輛類型Vtype,i,包含小汽車、貨車和大客車;車輛的初始通道Vinitial,1;車輛的收費通道Vtarget,i,由內側向外側依次編號為1～12;時間t時車輛i與前車j之間的距離Dij,t。

1.1 特征檢驗

為評估數據的準確性,對車輛行程時間進行正態性檢驗,包括Kolmogorov-Smirnov檢驗(K-S檢驗)和Shapiro-Wilk檢驗(S-W檢驗)。由于MTC(人工半自動收費)車輛樣本數量過多,結合P-P圖示法對MTC車輛的行程時間進行正態分布檢驗。檢驗結果見表1、圖2、圖3,均服從正態分布。

表1 車輛行程時間的K-S檢驗和S-W檢驗結果

圖2 MTC車輛行程時間的正態P-P圖

圖3 MTC車輛行程時間的去趨勢正態P-P圖

運用Tukey’s Hinges算法(T-H算法)檢驗車輛速度數據的正常范圍,檢驗結果見表2。在此基礎上,進一步進行K-S檢驗,檢驗結果表明車輛在分流區的初始和最終速度服從正態分布(見表3)。

表2 車輛速度的T-H算法檢驗結果 單位:km/h

表3 分流區車輛行駛速度的K-S檢驗結果 單位:km/h

對車頭時距分布進行指數分布擬合檢驗,采用MATLAB進行負指數分布擬合,得相關系數為0.990 8,均方根誤差為0.018 7。擬合度較高,認為車頭時距服從負指數分布,車輛到達服從泊松分布。

因此,采用泊松分布對該收費站的車輛到達進行描述。

1.2 基于交通沖突替代指標的行車安全分析

相較于交通事故,交通沖突往往難以直接觀察和測量,故引入交通安全替代指標進行定量化判別。考慮到收費站分流區交通沖突存在多角度的特征,采用拓展碰撞時間TETTC對行車事故風險進行估計[13],計算公式如下:

TETTCi(t)=

式中:Oi、Oj分別為車輛i、j的中心點(形心);L1為前車的長度;Lf為后車的長度;vi、vj分別為車輛i、j的速度。

基于車輛軌跡數據,計算得到所有車輛在收費站分流區的TETTC分布。根據統計分析結果,大多數車輛的TETTC為2～5 s。選取3 s作為危險場景判別閾值,共有66.58%的沖突為高危沖突,車輛在收費站分流區的行車風險較大。

進一步對ETC與MTC車輛的交通沖突情況進行T檢驗,結果見表4。顯著性小于0.05,ETC和MTC車輛之間存在較大的行車風險差異。

表4 車輛TETTC值T檢驗結果

2 仿真模型搭建

2.1 模型建立

圖4為南京某收費站VISSIM仿真系統框架,主要包含輸入模塊、仿真模塊與輸出模塊。

圖4 VISSIM仿真系統框架

以收費站實際幾何設計為參考設置幾何參數:4條主線車道,每條寬度為3.75 m,定義主線車道一般行為為自由車道選擇;收費通道共12條,駕駛行為定義為某類收費通道僅允許通行對應類型車輛,禁止收費通道間的換道行為,其中ETC收費通道3條,MTC收費通道9條,從內到外依次分布,通道寬度均為3.5 m,中央分隔帶寬度1.8 m;分流區總長為360 m,其中無車道劃線分流區(減速漸變段)300 m,有劃線分流區60 m;收費島寬度約70 m。按照以上數據在VISSIM中繪制收費站道路模型。

根據實測收費站車流數據,同等比例放縮得到1 h交通量,并定義各車輛類型的物理參數(包含車寬與車長)、期望速度分布和加減速度(見表5)。

表5 車輛物理參數及動力參數標定

ETC與MTC車流量比例是收費站微觀交通流仿真建模的重要參數。為此,以真實車輛比例進行參數標定,同時根據實際車輛收費流程,將MTC通道收費處的速度設置為零,繳納通行費停留時間設置為10～20 s且服從泊松分布;根據車輛類別和實際情況將ETC車輛通過收費通道的速度設置為10～20 km/h且服從泊松分布。停車繳費通過創建停車標志(Stop Sign)實現,ETC減速不停車收費通過創建減速區實現。

按上述方法建立的仿真模型見圖5。設置仿真時間為3 600 s,仿真時間步長為5 s,隨機數種子為42,選擇最大仿真速度和評價指標,完成仿真。

圖5 南京某收費站仿真模型3D圖

2.2 仿真模型校驗與安全評價

根據實測數據選取斷面車輛平均速度、車輛行程時間、交通量、車輛換道情況進行仿真模型校驗,校驗結果見表6。各項誤差均在7%以內,仿真模型基本與真實情況相符。

表6 仿真模型校驗結果

使用SSAM對收費站模型進行安全評價,交通沖突替代指標包括TTTC、TPET、最大速度vmax、速度差vdelta。將TTTC、TPET的閾值設為4 s,4 s內交通沖突指標計算結果見表7,其中vdelta均在15 km/h以內,說明在沖突發生時兩車的速度差較小,緊急制動情況較少,安全水平較高。

表7 SSAM交通沖突替代指標計算結果

3 面向安全改善的收費通道配置優化

3.1 單一因素變化仿真

在控制其他因素不變的情況下,分別改變ETC收費通道數量、ETC收費通道位置、ETC收費通道限速與ETC車輛比例,分析各因素變化對收費站交通安全的影響程度,尋求安全性最高的收費站收費通道布局。仿真方案相關參數見表8。

表8 單因素變化仿真分析的相關參數

(1) ETC收費通道數量影響分析。設置ETC車輛比例為55%、ETC收費通道限速為15 km/h,改變ETC收費通道數量進行仿真。ETC收費通道數量起始值為6條,最大值為9條,變化步長為1條,由收費站內側向外側依次增加。仿真結果表明,隨著ETC收費通道數量的增加,交通沖突數增加,兩者呈正相關關系。

(2) ETC收費通道位置影響分析。設置ETC收費通道數量為7條、ETC車輛比例為55%、ETC收費通道限速為15 km/h,分別對ETC收費通道位于收費站出口內側、外側、中央進行仿真。仿真結果表明,將ETC收費通道設置于收費站中央時交通沖突數最高,安全性最差;將ETC收費通道設置在收費站內側時沖突數最少,安全性最高。

(3) ETC收費通道限速影響分析。控制其他因素不變(ETC收費通道數量為7條,ETC收費通道內置,ETC車輛比例為55%),改變ETC收費通道限速進行仿真。控制ETC收費通道限速為15～45 km/h,步長為10 km/h。仿真結果表明,ETC收費通道限速發生變化,交通沖突數變化不顯著,ETC收費通道限速對收費站安全的影響較小。

(4) ETC車輛比例影響分析。控制其他因素不變(ETC收費通道數量為7條,ETC收費通道內置,限速為15 km/h),改變ETC車輛比例進行仿真。控制ETC車輛比例為50%～80%,步長為10%。仿真結果表明,隨著ETC車輛比例的上升,交通沖突數呈現下降趨勢,兩者呈負相關關系。

3.2 正交試驗

根據上述單一因素變化仿真結果,ETC收費通道限速對主線收費站安全的影響不明顯。因此,正交試驗因素選為ETC收費通道數量、ETC車輛比例、ETC收費通道位置,試驗指標為交通沖突數。ETC收費通道數量設為4個水平,分別為6條、7條、8條、9條;ETC車輛比例設為4個水平,分別為50%、60%、70%、80%;ETC收費通道位置設為3個水平,分別為內置、外置、中置。

對正交試驗結果進行方差分析,結果(見表9)表明,ETC車輛比例和ETC收費通道位置對主線收費站安全有顯著影響,其中ETC車輛比例的影響最大。

表9 正交試驗結果的方差分析

對正交試驗結果進行S-N-K檢驗,結果(見表10)表明,最優的組合方案為ETC收費通道數量為6條、ETC收費通道內置、ETC車輛比例為80%。

表10 正交試驗結果的S-N-K檢驗

對正交試驗結果進行極差分析,結果(見表11)表明,3個因素的主次順序即重要性大小為ETC車輛比例>ETC收費通道位置>ETC收費通道數量。結合各因素的最佳水平,得出最優方案為ETC收費通道數量為6條、ETC收費通道內置、ETC車輛比例為80%,與S-N-K檢驗結果一致。

表11 正交試驗結果的極差分析

3.3 收費通道配置優化方案

根據仿真及正交試驗結果,面向安全改善的收費站收費通道配置優化方案為ETC車輛比例為80%、ETC收費通道數量為6條、ETC收費通道內置,同時設置指示牌引導MTC車流在進入分流區前處于主線車道的外側、ETC車流處于主線車道的內側,減少交通流交織形成交通沖突(見圖6)。該收費站的ETC通道改建已基本完成,優化后ETC車輛占比得到顯著提高且仍在增加,上述收費通道配置方案符合未來發展方向,能有效改善收費站的安全狀況,降低事故發生概率。

圖6 收費站通道布局示意圖

4 結語

本文基于南京某收費站的實際車輛軌跡數據建立微觀仿真模型,通過仿真對收費站進行安全性評價。基于仿真模型,采用正交試驗方法得出不同ETC收費通道數量、ETC收費通道位置、ETC收費通道限速及ETC車輛比例對收費站交通沖突的影響程度,進行各因素影響嚴重程度排序。基于仿真模型和分析結果,提出針對ETC收費通道數量、ETC收費通道位置、ETC收費通道限速及ETC車輛比例的收費通道配置優化方案,以改善收費站交通安全狀況,降低事故發生概率。但仍有許多因素未考慮周全,如收費廣場漸變率和收費站服務水平等,未來可以考慮這些因素進行安全影響分析,建立更符合主線收費站實際情況的跟車換道模型,增強仿真模型的可靠性,更全面地評估主線收費站的交通安全。