CN110796752B - 一种收费站车道动态智慧指引系统及其动态指引方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种收费站车道动态指引系统及其动态指引方法，通过对高速路收费车道排队增长率比较，车流对收费车道预期选择，各个车道可分配车流量比较等不同数学算法的结合，实现收费车道动态引导牌的实时显示，从而建立起一种收费站车道动态智慧指引系统，能够有效减缓高速路渐变起点至不同车道排队位置之间的危险变道行为，使车流能够高效选择不同收费车道排队使整体效果优化，有效减缓无规则变道交通潜在事故危险，并增强收费站前高速路渐变处至收费站前广场范围内的交通安全。

Description

一种收费站车道动态智慧指引系统及其动态指引方法

技术领域

本发明隶属车道动态指引系统，本发明具体涉及一种通过对高速路收费车道排队增长率比较，车流对收费车道预期选择，各个车道可分配车流量比较等不同数学算法的结合，实现收费车道动态引导牌的实时显示，从而建立起一种收费站车道动态智慧指引系统。

背景技术

目前，高速路收费站收费方式以人工收费形式为主，因为收费人员效率、处理速度不同，司机车辆停靠收费窗口、取卡时间、各种行为时间等也因人而异，导致通行速度不一，而通行速度不一造成车辆排队长度变化速度的不一致，从而令新到车辆在选择收费车道进行排队时，往往会处于短时间的观望状态，在接近甚至超越高速路渐变处时才开始车辆变道，其中不乏跨越多个排队车道的变道、排队中突然驶离选择其他车道、不同车道间犹豫驾驶行为等具体特征。以上不安全驾驶行为成为收费站前自高速路车道渐变处始的收费广场交通事故发生的重大原因。因此，有效引导司机进行提前合理变道从而选择相对合适车道进行排队，减少收费站前广场内的不安全驾驶行为，增强交通安全，变得非常重要。

随着ETC技术在全国范围内的大力推广，在可见的未来，人工收费环节将逐渐退出高速路收费站体系，而将以ETC自动收费车道来代替。从而，车辆通过收费口环节的行为将具有通行速度、通行时间等行为上的模式化、统一化、可计算化。因此，在收费车道全部为ETC自动收费的基础上，建立一种基于实时车流运行特征的收费车道动态指引体系，从而能够有效优化车流邻近收费站时的运行效率，减缓交通事故风险，增强交通安全，其必要性具有现实意义。

发明内容

本发明的目的在于建立一种收费站车道动态指引系统，能够有效减缓高速路渐变起点至不同车道排队位置之间的危险变道行为，使车流能够高效选择不同收费车道排队使整体效果优化，有效减缓无规则变道交通潜在事故危险，并增强收费站前高速路渐变处始广场范围内的交通安全。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种收费站车道动态指引系统，其特征在于该系统包括

微波正向雷达，在每条车道收费口上方装有微波正向雷达，用于探测该车道车辆运行平均速度，以便判断每条车道的排队长度；

动态车道指引牌，安装在快速路渐变处，指引牌上安装有流量监测器；

综合数据处理单元，根据所有微波正向雷达反馈的速度数据、排队长度、单位时间内离开收费口车辆总数、同一单位时间内通过流量监测器的车辆数，通过流量监测器车辆数与驶离收费口车辆数，判定动态变道引导牌至收费口内车流数量变化趋势，并判断各条收费口排队队伍长度；

动态指引单元，当系统区间内车辆总数增加时，判定各条车道队伍增长速率，并以此为基础，计算最优调配车道，发送给动态变道引导牌进行显示。

本发明的目的在于建立一种收费站车道动态指引方法，能够有效减缓高速路渐变起点至不同车道排队位置之间的危险变道行为，使车流能够高效选择不同收费车道排队使整体效果优化，有效减缓无规则变道交通潜在事故危险，并增强收费站前高速路渐变处始广场范围内的交通安全。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种收费站车道动态指引方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

A、在每条车道关口上方装有微波正向雷达，用于探测该车道车辆运行平均速度，计算该车道排队长度；

B、在快速路渐变处安装有动态车道指引牌，指引牌上安装有流量监测器；

C、所有微波正向雷达反馈的速度数据、排队长度、单位时间内离开收费口车辆总数、同一单位时间内通过流量监测器的车辆数，传送至控制单元，由控制单元判断通过流量监测器车辆数与驶离收费口车辆数，以此为基础判定系统区间内车流数量变化趋势，并汇总各条收费口排队队伍长度，所述系统区间是指动态变道引导牌至收费口的区间范围；

D、当系统区间内车辆总数将呈逐渐增加状态，则激活动态车道指引系统，反之动态车道指引系统处于待机状态，返回C；

E、动态车道指引系统激活，判定各车道队伍增长速率，并以此为基础，判断最优调配车道，发送给动态变道引导牌显示；

F、后返回步骤C。

进一步地，步骤A中，计算该车道排队长度的方法具体为：微波正向雷达检测车流速度，设定驶离ETC自动关口车辆速度V_ETC为排队车辆通过收费口的行驶速度，以行驶速度减速至队伍末尾车辆将以该速度随队伍前进，则从收费口始至最后一辆车速为V_ETC车辆所在位置止为该车道排队长度Li。从收费口始至最后一辆车速为V_ETC车辆所在位置之间的距离也可由微波正向雷达测量。

进一步地，步骤C判断驶离收费口车辆数具体为：

为排队车辆通过第i个收费口的行驶速度，

为第i个收费口排队车辆的车头间距，Δt为单位时间，f_ETC即为单位时间内通过所有收费道口的车辆总数。

进一步地，步骤C判断通过流量监测器车辆数具体为：

为车辆通过第i条快速车道流量监测器时的行驶速度，

为第i条车道行驶车辆的车头间距，Δt为单位时间，f_L即为单位时间内通过动态车道指示牌下流量监测器的车辆总数。

进一步地，步骤D中，如f_L>f_ETC，则表示道路区间内车辆总数将呈逐渐增加状态，此时激活动态车道指引系统。

进一步地，步骤E又包括：

a、计算各车道队伍增长速率；

b、将系统区间内现存车流量进行预期排队分配；

c、微波正向雷达判断收费口最长队伍所在车道；

d、比较最长队伍所在车道两侧车道，计算各车道能够接受车辆数；

e、选择最优车道；

f、将最优车道发送到动态变道引导牌显示，引导高速路接近的车辆提前变道。

进一步地，步骤a中，在相同一定单位时间内，因每条车道有最大设计长度限制C，因此依据费尔哈斯公式，第i条ETC车道排队长度增长速率为：

k_i是第i条车道的排队长度单位时间增长率，Li是指前面计算出来的第i 条车道的排队长度，Li(t)是第i条车道的队伍在单位时间t增长的长度，它除以单位时间，就是增长速率，Ci是第i条车道的最长设计长度限制。

进一步地，步骤b中，已通过流量监测器，正在行进中但还未排队车流的车道选择预期具体为：

此处，f_e为系统区间内已通过流量监测器，正在行进中但还未排队且即将选择收费车道的车流流量，此部分车流没有受车道动态指引牌指引，其排队预期按照各条ETC车道排队车辆数增长速率为基准，进行基于逻辑模型的比例分配，f_i为f_e中选择行驶至车道i的车流量。

进一步地，步骤d中，计算其余车道剩余容量的方法具体为：

设有n个收费口，则有n条车道，每一条收费口道路的最大长度已知，以C_i来代表收费口i前道路的最长设计长度，设第k条车道为最长队伍，则其他车道的接受车辆数

为：

其中，

为第i条车道还能够接受的车辆数，C_i-L_i为道路剩余长度，L_v为基准车辆长度，h_v为相邻两车之间的距离，即L_v+h_v为一个车辆单位的占用长度，以及单位时间内增长与离开的车辆数的差。

进一步地，步骤e中，采用最大函数选择法选择最优车道，选择接受车辆数最多的车道进行优先推荐，

此处，m为最优车道数量；S_i为动态变道引导牌显示显示的第i根车道，表示动态指引系统优先建议司机提前变道，选择最靠近建议收费口道路的车道行驶。

本发明通过对高速路收费车道排队增长率比较，车流对收费车道预期选择，各个车道可分配车流量比较等不同数学算法的结合，实现收费车道动态引导牌的实时显示，从而建立起一种收费站车道动态智慧指引系统，能够有效减缓高速路渐变起点至不同车道排队位置之间的危险变道行为，使车流能够高效选择不同收费车道排队使整体效果优化，有效减缓无规则变道交通潜在事故危险，并增强收费站前高速路渐变处至收费站前广场范围内的交通安全。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

本发明的包括一种收费站车道动态指引系统，具有以下特点：

1、在每条ETC收费车道关口上方装有微波正向雷达，可以探测该车道车辆运行平均速度，判断排队长度；

其中，步骤1判断排队长度具体为：

判断排队长度方法具体为：微波正向雷达检测车流速度，因为驶离ETC自动关口车辆速度基本恒定，则该速度V_ETC可以认定为排队车辆通过ETC收费口的行驶速度，以行驶速度减速至队伍末尾车辆将以该速度随队伍前进，则从ETC 关口始至最后一辆车速为V_ETC车辆所在位置止为该ETC车道排队长度。

2、快速路渐变处与ETC收费口反向，基于快速路设计速度决定的合理交织路段长度处，安装有动态车道指引牌，指引牌上安装有流量监测器；

3、所有微波正向雷达反馈的速度数据，排队长度，单位时间内离开ETC收费口车辆总数，同一单位时间内通过流量监测器的车辆数，传送至综合数据处理平台，结合特定算法，对比判断通过流量监测器车辆数(即驶入车道动态指引系统区间)与驶离ETC关口车辆数，以此为基础判定系统区间(动态变道引导牌至ETC收费口)内车流数量变化趋势，并判断各条收费口排队队伍长度；

其中，步骤3判断驶离ETC关口车辆数具体为：

进一步的，

为排队车辆通过第i个收费口的行驶速度，

为第i个收费口排队车辆的车头间距，Δt为单位时间，f_ETC即为单位时间内通过所有收费道口的车辆总数。

其中，步骤3判断通过流量监测器车辆数具体为：

进一步的，

为车辆通过第i条快速车道流量监测器时的行驶速度，

为第 i条车道行驶车辆的车头间距，Δt为单位时间，f_L即为单位时间内通过动态车道指示牌下流量监测器的车辆总数。

从两端车流采集点分析，如f_L>f_ETC，则表示道路区间内车辆总数将呈逐渐增加状态，此时动态车道指引系统将被激活；反之区间内车辆总数将不会增加，系统维持待机状态。

其中，步骤3各条收费口排队队伍长度的确定具体为：通过微波雷达的排队长度采集系统采集并汇总比较，以L_i来代表第i条收费口道路排队队伍长度。

4、此时动态指引系统激活，首先判定各条队伍增长速率，并以此为基础，判断现存系统区间内已通过流量监测器，正在运行中但还未排队车流的车道选择预期，比较最长队伍两侧其余车道剩余容量，判断最优调配车道，发送给动态变道引导牌，引导系统建议相应收费口车道将在引导牌上高亮显示。

其中，步骤4判定各条队伍增长速率具体为：

在相同一定单位时间内，因每条车道有最大设计长度限制C，因此依据费尔哈斯公式，第i条ETC车道排队长度增长速率为：

k_i是第i条车道的排队长度单位时间增长率，Li是指前面计算出来的第i 条车道的排队长度，Li(t)是第i条车道的队伍在单位时间t增长的长度，它除以单位时间，就是增长速率，Ci是第i条车道的最长设计长度限制。

第i条ETC车道在动态车道无指引的默认道路运行状况下增长系数k_i，可通过对现实数据的采集后，解微分方程得到。简单的说，就是

只要现行的无指引默认道路运行状况下有一定的排队长度L和时间t的观测数据，就可以将k解出。

因默认每条车道车辆驶离ETC收费口行驶速度一致，则在各条车道背景均相同的条件下，忽略车辆驶离的排队车辆数减少率，以增长速率来判定。

进一步的，第i条ETC车道在动态车道无指引的默认道路运行状况下增长系数k_i可通过对现实数据的采集后，解微分方程得到。

其中，步骤4已通过流量监测器，正在行进中但还未排队车流的车道选择预期具体为：

此处，f_e为系统内已通过流量监测器，正在行进中但还未排队且即将选择收费车道的车流流量。此部分车流没有受车道动态指引牌指引，其排队预期按照各条ETC车道排队车辆数增长速率为基准，进行基于逻辑模型的比例分配。f_i为f_e中选择行驶至车道i的车流量。

其中，步骤4比较最长队伍两侧其余车道剩余容量，判断最优调配车道具体为：

设有n个ETC收费口，则有n条收费口道路。依据收费口前广场平面设计，则每一条收费口道路的最大长度已知，以C_i来代表收费口i前道路的最长设计长度。设第k条车道为最长队伍，则车道k两端其他车道的接受车辆数计算比较，为：

其中，

为第i条车道还能够接受的车辆数，C_i-L_i为道路剩余长度，L_v为基准车辆长度，h_v为相邻两车之间的距离，即L_v+h_v为一个车辆单位的占用长度，以及单位时间内增长与离开的车辆数的差。

进一步的，对于车道的推荐，采用最大函数选择法，选择接受车辆数最多的车道进行优先推荐，此方法能够在包括excel的多个平台实现筛选功能。

此处，m为具体选择，如为1，则代表能接受车辆最多的车道，如为2，则代表能接受车辆第二多的车道，以此按实际情况类推；S_i为动态车道上高亮显示的第i根车道，表示动态指引系统优先建议司机提前变道，选择最靠近建议收费口道路的车道行驶。

进一步的，按照实际道路车道与收费口数量的不同设计，可以选择多条收费口车道，使动态指引牌同时高亮显示，给司机更多选择。

5、回到上述步骤3，形成工作循环，实时更新排队情况，持续计算现有车流完成排队后最长队伍所在车道，比较最长队伍两侧其余车道剩余容量，判断最优调配车道，发送给动态变道引导牌，引导牌相应车道推荐将按照实际情况显示不同车道，随时提供最优车道信息给即将到来的司机，此循环直至进入系统区间的车流小于离开系统区间的车流为止。(见图1流程图)

6、一种车道动态指引牌，能够依据动态指引系统提供的最优车道高亮显示。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，但凡未脱离本发明内容，依据本发明的内容实质对以上实施方式所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明方案的范围内。

Claims (7)

1.一种收费站车道动态指引系统，其特征在于该系统包括：

微波正向雷达，在每条车道收费口上方装有微波正向雷达，用于探测该车道车辆运行平均速度，以便判断每条车道的排队长度；

动态车道指引牌，安装在快速路渐变处，指引牌上安装有流量监测器；

综合数据处理单元，根据所有微波正向雷达反馈的速度数据、排队长度、单位时间内离开收费口车辆总数、同一单位时间内通过流量监测器的车辆数，通过流量监测器车辆数与驶离收费口车辆数，判定动态变道引导牌至收费口内车流数量变化趋势，并判断各条收费口排队队伍长度；

动态指引单元，当系统区间内车辆总数增加时，判定各条车道队伍增长速率，并以此为基础，计算最优调配车道，发送给动态变道引导牌进行显示；

其中，计算该车道排队长度的方法具体为：微波正向雷达检测车流速度，设定驶离ETC自动关口车辆速度V_ETC为排队车辆通过收费口的行驶速度，以行驶速度减速至队伍末尾车辆将以该速度随队伍前进，则从收费口始至最后一辆车速为V_ETC车辆所在位置止为该车道排队长度；

判断驶离收费口车辆数具体为：

为排队车辆通过第i个收费口的行驶速度，

为第i个收费口排队车辆的车头间距，Δt为单位时间，f_ETC即为单位时间内通过所有收费道口的车辆总数；

判断通过流量监测器车辆数具体为：

为车辆通过第i条快速车道流量监测器时的行驶速度，

为第i条车道行驶车辆的车头间距，Δt为单位时间，f_L即为单位时间内通过动态车道指示牌下流量监测器的车辆总数。

2.一种收费站车道动态指引方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

A、在每条车道关口上方装有微波正向雷达，用于探测该车道车辆运行平均速度，计算该车道排队长度；

B、在快速路渐变处安装有动态车道指引牌，指引牌上安装有流量监测器；

C、所有微波正向雷达反馈的速度数据、排队长度、单位时间内离开收费口车辆总数、同一单位时间内通过流量监测器的车辆数，传送至控制单元，由控制单元判断通过流量监测器车辆数与驶离收费口车辆数，以此为基础判定系统区间内车流数量变化趋势，并汇总各条收费口排队队伍长度，所述系统区间是指动态变道引导牌至收费口的区间范围；

D、当系统区间内车辆总数将呈逐渐增加状态，则激活动态车道指引系统，反之动态车道指引系统处于待机状态，返回C；

E、动态车道指引系统激活，判定各车道队伍增长速率，并以此为基础，判断最优调配车道，发送给动态变道引导牌显示；

F、后返回步骤C；

其中步骤A中，计算该车道排队长度的方法具体为：微波正向雷达检测车流速度，设定驶离ETC自动关口车辆速度V_ETC为排队车辆通过收费口的行驶速度，以行驶速度减速至队伍末尾车辆将以该速度随队伍前进，则从收费口始至最后一辆车速为V_ETC车辆所在位置止为该车道排队长度；

步骤C判断驶离收费口车辆数具体为：

为排队车辆通过第i个收费口的行驶速度，

为第i个收费口排队车辆的车头间距，Δt为单位时间，f_ETC即为单位时间内通过所有收费道口的车辆总数；

判断通过流量监测器车辆数具体为：

为车辆通过第i条快速车道流量监测器时的行驶速度，

为第i条车道行驶车辆的车头间距，Δt为单位时间，f_L即为单位时间内通过动态车道指示牌下流量监测器的车辆总数；

步骤D中，如f_L>f_ETC，则表示道路区间内车辆总数将呈逐渐增加状态，此时激活动态车道指引系统。

3.如权利要求2中所述的方法，其特征在于，步骤E又包括：

a、计算各车道队伍增长速率；

b、将系统区间内现存车流量进行预期排队分配；

c、微波正向雷达判断收费口最长队伍所在车道；

d、比较最长队伍所在车道两侧车道，计算各车道能够接受车辆数；

e、选择最优车道；

f、将最优车道发送到动态变道引导牌显示，引导高速路接近的车辆提前变道。

4.如权利要求3中所述的方法，其特征在于，步骤a中，在相同一定单位时间内，因每条车道有最大设计长度限制C，因此依据费尔哈斯公式，第i条ETC车道排队长度增长速率为：

k_i是第i条车道的排队长度单位时间增长率，Li是指前面计算出来的第i条车道的排队长度，Li(t)是第i条车道的队伍在单位时间t增长的长度，它除以单位时间，就是增长速率，Ci是第i条车道的最长设计长度限制。

5.如权利要求4中所述的方法，其特征在于，步骤b中，已通过流量监测器，正在行进中但还未排队车流的车道选择预期具体为：

此处，f_e为系统区间内已通过流量监测器，正在行进中但还未排队且即将选择收费车道的车流流量，此部分车流没有受车道动态指引牌指引，其排队预期按照各条ETC车道排队车辆数增长速率为基准，进行基于逻辑模型的比例分配，f_i为f_e中选择行驶至车道i的车流量。

6.如权利要求5中所述的方法，其特征在于，步骤d中，计算其余车道剩余容量的方法具体为：

设有n个收费口，则有n条车道，每一条收费口道路的最大长度已知，以C_i来代表收费口i前道路的最长设计长度，设第k条车道为最长队伍，则车道k两端其他车道的接受车辆数计算比较，为：

其中，

为第i条车道还能够接受的车辆数，C_i-L_i为道路剩余长度，L_v为基准车辆长度，h_v为相邻两车之间的距离，即L_v+h_v为一个车辆单位的占用长度，以及单位时间内增长与离开的车辆数的差。

7.如权利要求6中所述的方法，其特征在于，步骤e中，采用最大函数选择法选择最优车道，选择接受车辆数最多的车道进行优先推荐，

此处，m为最优车道数量；S_i为动态变道引导牌显示显示的第i根车道。

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