针对高速公路收费站处微拥堵的智能交通控制系统

张洋洋 庞梦月

（1.河南省城乡建筑设计院有限公司，河南郑州 451460；2.北京北咨工程咨询有限公司，北京 100020）

本系统将地感线圈、信号中转站和车载装置三模块有机结合，运用电磁感应和电磁互转等信号传输途径，实时得到某车辆在控制区内前方的车辆数n、该车离收费站的距离l和此收费站的单向非ETC收费窗口数量m，经过车载装置中的单片机处理，最终将行驶的最佳速度在显示屏中输出，用于司机实时调整速度，实现动态控制。

1 研究背景

近年来，车辆数量不断增长，恶劣天气、交通事故、收费站处的服务速度低于后续车辆的到达速度、车辆到达的时空不均衡等都会对收费站的交通情况产生影响，收费站常出现微拥堵现状。在拥堵条件下，汽车不得不进行长距离跟车行驶，车辆频繁起停、长时怠速使得燃油的燃烧品质下降，导致能源浪费、环境污染。

据统计，车辆启动油耗是正常行驶油耗的3～6倍，怠速3 min的油耗可以供车辆行驶1 km，车辆以缓行状态通过收费站的耗油量是正常通过的16～20倍。

针对收费站拥堵的情况，常用的方法是开辟ETC通道，但目前ETC的用户普及率较低，不足10%，收费站口的微拥堵依然存在，短时间内难以彻底消除。

另一种解决方案是采用分批段放行技术，通过红绿灯进行分批控制、分批放行，对严重的拥堵效果显著，但对微拥堵的情况见效甚微。目前，高速公路收费站口大范围严重拥堵的情况基本消除，除了大型的节假日外，多数时间都处于微拥堵状态。

2 设计内容及原理

2.1 设计思路

到达收费站前的车辆行驶速较快，在收费站处却必须降速跟车行驶，如果能够平均一段距离内车辆的车速，可以保证在时间不变的前提下，降低车辆的起停次数，大幅度减少排放，达到节能减排的效果。

根据设计思路，设计了智能交通控制系统。系统主要由地感线圈、信号中转塔、车载装置构成，结合道路、车辆和收费站共同构成一个完整的信息交互系统。

车辆进入和离开控制区都会经过地感线圈，产生相应的电路震荡，将震荡信息传至路基的信号中转塔，经中转塔的电磁转换处理向控制区传播无线电磁波信号。将此收费站的单向非ETC收费窗口数量和控制区长度信息融入无线电磁波中，车辆中的车载装置接收并存储包含相关信息的电磁波信号，通过车载装置中的单片机进行数据处理，将计算得到的最佳行驶速度通过显示屏输出[1]。

系统简易模型如图1所示。

图1 系统简易模型

2.2 有效的微拥堵量化

（1）假设1。

每一辆车（无论大小）通过收费站用时均相同。

（2）假设2。

所有收费通道都始终处于工作状态，期间没有车辆中断的情况。

（3）假设3。

在控制区内，没有车辆主动和被动超车现象。

（4）假设4。

未安装车载装置的汽车在控制区内都以正常速度行驶。

通过验证假设可知，微拥堵程度与控制区长度不存在相关性，车辆速度动态控制在10～35 km/h时效果最为显著。

有效控制的微拥堵表具体如表1所示。

表1 有效控制的微拥堵表

由表1可知，7～105 辆/（km·车道）为有效控制的微拥堵范围，范围包含了大多数的现实车辆密度，对微拥堵的调控范围较大[2]。

2.3 系统的各组成部分

（1）地感线圈。

①地感线圈的位置。

地感线圈属于公共基础设施，本系统设置两个地感线圈，一个紧靠收费站窗口，另一个安装在收费站前的公路上。线圈的具体位置从地理条件的限制和控制效果的角度出发，结合收费站的通行量进行确定，两个地感线圈的区间就是系统的控制范围。

②地感线圈的作用原理。

车辆进入控制区时，由地感线圈感应，得到震荡信号，将信号通过变换传输至地感线圈单片机组成的频率测量电路中，得到振荡频率，将振荡频率传至路旁的信号中转塔。车辆驶出控制区时，也由地感线圈感应，将得到的振荡频率传至信号中转塔[3-4]。

（2）信号中转塔。

①信号中转塔的作用。

信号中转塔接收地感线圈传来的振荡频率，通过电磁转换设备转换为无线电磁波，传入控制区范围内，供车载装置接收。为了区分两个不同地感线圈的信号，对传播的无线电磁波信号进行不同标注，分别对应高电平和低电平，供车载装置识别和储存。此外，收费站的单向非ETC收费窗口数量和控制区长度信息也在无线电磁波中[5]。

②无线电磁波的频率。

信号中转塔发出的无线电磁波覆盖几公里即可，为了节省能源和避免其他无限电波的干扰，系统发射的无线电磁波可采用小功率电源，发射相对波长较长、频率较低的无线电磁波，避开手机信号、电视信号、收音机信号的干扰，保证信号不失真。

（3）车载装置。

①车载装置的作用。

车载装置主要由单片机构成，用于接收和处理来自信号中转站的信号。通过单片机的处理器对信号进行处理，得到车辆的最佳行驶速度，在显示屏上输出，司机按此提示动态调整速度，可以在中途不停车的条件下到达收费站[6]。

②车载装置的信号接收。

车载装置中设有天线，用于接收信号中转站发射的无线电磁波。车辆信息时刻变化，接收的信息也不断变化，具有时间特异性特点。以时间特异性为依据存储每辆车的信息，以初始控制区内车辆总数n为初始值，一辆车进入控制区，自动加一，一辆车驶出控制区，自动减一。同时，车载装置还获得了此收费站的单向非ETC收费窗口数量和控制区长度信息[7]。

需要注意，应将车辆进入和离开控制区分别对应高电平和低电平信号，通过特异性进行区分。

3 创新特色与不足

3.1 创新特色

（1）区分公共基础设施和个人设施。

地感线圈、信号中转塔属于公共基础设施，车载装置属于个人设施，费用需要分开，相关部分负责出资建立公共基础设施，个人设施则需要个人购买。针对频繁出入高速公路的人群，可以安装车载装置，便于出行、降低油耗。

（2）干扰性小。

根据跟车行驶的特点，不安装车载装置的用户对安装设备的用户基本不产生影响，能够更好地面向需求用户。

3.2 不足

合理的假设因子过多，现实的可变因素较为复杂，导致输出结果的准确度降低。在实践中，可以试运营一段时间，进行大数据的回归分析，增加折中系数，能够有效改善结果的准确性。

4 结语

综上所述，系统的普适性使得对收费站的微拥堵控制范围广、效果好；系统的针对性使得该系统较易被特定人群接受；系统的价格分离性可以有效将费用控制在合理范围内。目前，ETC仍处于不健全的情况，普及率较低，系统具有较大的发展空间，可以在高速收费站进行批量运用，实现低碳交通。