高速路网不停车收费车道优化布设方法

作     者：刘成龙 陶莎 赵聪 暨育雄 杜豫川 LIU Cheng-long;TAO Sha;ZHAO Cong;JI Yu-xiong;DU Yu-chuan

作者机构：同济大学道路与交通工程教育部重点实验室上海201804 

出 版 物：《中国公路学报》 (China Journal of Highway and Transport)

年 卷 期：2022年第35卷第5期

页      面：179-188页

核心收录：

学科分类：08[工学] 0835[工学-软件工程] 082302[工学-交通信息工程及控制] 0701[理学-数学] 0823[工学-交通运输工程] 

基　　金：国家自然科学基金项目(71671124,52108411) 上海市科学技术委员会科研项目(21ZC2420800)。 

主　　题：交通工程 车道布设 双层规划 不停车收费 排队论 用户均衡 

摘      要：合理设置高速公路收费站ETC(Electronic Toll Collection)车道数量,对高速公路通行效率至关重要。针对目前路网中ETC与MTC(Manual Toll Collection)车辆混行的情况,考虑ETC的普及率,结合多用户路网均衡模型和排队论方法,建立基于双层规划模型的高速路网ETC车道优化布设方法。上层模型以车辆总通行时间最小为目标,优化设置进出收费站的ETC车道数量;下层模型为多用户路网均衡模型,反映ETC和MTC车辆的路径和收费车道选择行为。下层模型通过设计收费站的等价拓扑结构,表征收费站的车道使用规则及车辆的收费车道选择行为,并采用排队论方法估计ETC和MTC车道的收费排队时间。根据模型的特点设计了基于主动集的启发式算法,利用参数二进制与拉格朗日函数法确定迭代下降方向,解决了下降方向与步长难以计算的问题;通过内嵌优化函数的方式,保证在主动集转化过程中上层约束均不会失效,且避免了迭代过程中的模型解退化问题。基于上海市绕城高速进行实证分析,结果表明:随着ETC普及率的提升,收费排队时长按照负指数趋势下降;与按比例布设ETC车道的方法相比,所提方法最高可降低57.4%的收费排队时间,且该方法可以避免ETC车道布设过多对于MTC车道通行能力挤压造成的负面效果。研究成果可以有效指导高速路网ETC车道的布设,提高路网通行效率。