基于数据可视化处理下对高速公路收费站的改造问题研究——以西安曲江收费站为例

石雨萱 郭思佑

（西安建筑科技大学华清学院，陕西 西安 710043）

1 概述

城市从产生到发展都与交通有着密不可分的关系。高速公路拉近了地区之间的距离，各带动了经济沟通，促进了经济发展，其中高速收费站发挥了重要的管控作用。收费站的规划对于整个高速公路的运行至关重要。车辆进入收费站前需要选择道路并停车缴费，这就容易导致收费站出现拥堵。因此，需要对高速收费站的路口进行管控和规划。本文采用将普通的高速路收费站路口改造为蜂窝状的收费站路口，这样既减少了收费站的占地面积又可以有效提高站口的通行速度。

2 研究背景与意义

现有高速收费站的布局是平行式道路布局，每条车道对应一个收费站，当车辆行驶至收费站的等待区时，车辆需按照当前车道进入收费站，随着汽车的保有量俱增，对道路通行能力的影响不容小觑。那么如何可以有效提高道路通行能力就显得尤为重要，本文在搜集整理相关数据的基础上对数据进行了可视化处理并作出了相应的预测，可以为交通管理部门提供较准确的指导性意见。

3 基于灰色理论数据可视化分析

3.1 数据可视化处理

数据可视化是当今大数据与人工智能社会对数据的更高层次要求，是数据视觉表现形式的科学技术研究，是将数据更为直观化的表达方式。

本文搜集了西安绕城高速曲江收费站2020-2022年春运期间的交通流量数据（部分数据见表1），并对数据进行了处理做出统计图（图1）如下。

表1 曲江收费站春运期间的交通流量数据

图1 2020-2022 年交通流量统计图

由图1 可知：在2020 年年初车流量相对较大且呈现增长趋势。大致从2020 年1 月底交通流数据明显下降，其主要原因是由于新冠疫情爆发。从2020 年2 月底交通流又缓慢上升。在2021 年年初交通流相对较大直至春节前期车流量发生了显著下降，从2 月15 日左右交通流数据又增长，主要是春节后的返程流。在2022 年年初由于西安爆发了新冠疫情导致交通流下降，大致在春节前一周随着疫情得到有效控制，交通流有了显著提升。但是高位交通流仅维持了一周的时间，随着春节到来车流量又发生了下降。春节后复工复产使得交通流数据又明显提高，由此做出正态概率如图2 所示。

图2 2022 年交通数据正态概率图

由此可知，如果不考虑疫情对交通的影响，横向对比三年数据，同时期交通流量呈现高位增长的趋势。这个主要是由于与近三年西安的汽车保有量逐渐增加，导致了交通发生严重拥堵所造成。

3.2 基于GM（1，1）灰色理论对交通流量的预测

设时间序列X（0）共有n 个观察值，记：

其中α 为发展灰数，μ 为内生控制灰数

通过对3.1 中的数据进行预测及精度检验得到结论如图3。

图3 预测模型求解

计算得到：后验差比值为：0.34832。通过MATLAB 计算得到预测精度好，预测拟合值为362.6332，378.2655。

由此可知，随着时间的推移车流量交通数据会发生显著增加，因此在一段时间内交通的拥堵仍然显著。

4 基于交通波理论对汽车阻塞问题讨论

4.1 交通波理论概述

实际交通中，车辆的行驶是连续的，呈现汽车运动流体，类比于流体力学。根据流体力学原理模拟连续性方程，建立汽车运行的连续性方程，将车流密度的变化类比于水波起伏抽象成车流波，车流发生变化就会形成车流波，根据车流波建立数学模型可找到车流密度，速度于流量之间的关系，此理论亦称为流体力学模拟理论。虽然可以将车流的变化类比于流体力学流体的变化，但是二者仍存在很多不同，但是这种思想在分析交通拥堵中仍然有独到之处。

4.2 车辆连续性方程建立

4.3 交通波模型建立

5 基于仿生学角度对高速公路收费站改造方案设计

5.1 传统收费站方案概述

传统的收费站分为基本路段，交织区，匝道区三个部分，车辆进入交织区后需减速行驶缴费，之后车辆重新起步经过匝道区，这种收费站的形式可简化为由一个质点发散后经过合并成另一个质点的物理模型，如图4，这种合并由于驾驶员的水平差异，车况等因素影响，会在车流量较大的时发生大面积的堵车。

图4 收费站简化物理模型

5.2 改造后收费站方案设计

近些年来，基于进化论提出的仿生学逐渐进入生产生活中。仿生学实际是利用动物或者植物的某些结构，形态功能来制作相应的机械设备供人们使用。

在结构力学中，由于六边形可以划分为六个三角型结构，所以六边形的结构最稳定，在几何学中，六边形是密度较高，空间利用率较大的空间结构，受此启发，考虑将高速收费站的布局改为正六边形结构。

改造方案：高速公路原有收费站的基本路段区，交织区与匝道区不变，改造后车辆不能再由原来的一个质点经过发散后再形成质点。改造后，车辆进入交织区后会根据当前行驶车道进入收费站，收费站道路布局呈六边形，驾驶员根据车辆的缴费方式选择人工缴费或自动缴费。人工缴费的车辆可直行到收费站的南侧收费口，进行缴费通过；自动缴费的车辆可以到收费站的北侧收费口直接通过。过收费站后，通过每个收费站的两个车道车辆进行合并为一个车道后正常行驶。改造方案设计如图5。

图5 收费站改造方案设计图

改造后的收费站布局可实现收费站土地资源利用率最大化，减少了收费站建筑的面积，车辆的车道合并减少，由原有的多车道合一转变为双车道合一，有效地降低了事故的发生，提高了道路通行能力。

6 基于交通学通行理论方案可行性分析

6.1 最大服务交通量：

6.2 单向车行道设计通行能力：

其中CD为单向车道设计通行能力（单位：veh/h），N为单向车道行车道数，fw：车道宽度与侧向净宽对通行能力修正系数，fHV：大型车对通行能力修正系数，fp：驾驶员条件对通行能力修正系数。

7 建议与对策

7.1 六边形收费站占地面积利用率以及通行能力显著提升。

7.2 六边形收费站提高了站点工作效率。

7.3 六边形收费站相比于传统的高速路收费站减缓了道路的拥堵和发生事故的概率。

8 结论

高速公路在交通运输中起着重要的作用，因此解决高速收费站拥堵问题显得尤为重要。本文设想将高速收费站口改为六边形蜂窝状收费站口，这样可以减少占地面积同时也基于可以减缓高速路口的拥堵现象。