CN112037351B - 面向风险防控的收费站etc道闸延迟开启控制方法 - Google Patents

面向风险防控的收费站etc道闸延迟开启控制方法 Download PDF

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Abstract

面向风险防控的收费站ETC道闸延迟开启控制方法，本发明涉及收费站车流控制方法。本发明的目的是为了解决现有高速公路主线风险防控措施粗放，不能够根据具体风险源影响下的路段剩余通行能力准确判断收费站释放量的问题。过程为：1、获取高速公路主线路段的风险源信息，风险路段上游和匝道路段的交通流信息；2、计算风险路段剩余承载量；3、判断收费站采取开启或关闭控制；若开启收费站，判断是否实施收费站ETC道闸延迟开启控制方案；4、若需开启ETC道闸延迟开启方案，确定收费站调节量并计算ETC道闸延迟开启时间；5、风险解除后，收费站ETC道闸恢复为无延迟控制。本发明用于收费站车流控制领域。

Description

面向风险防控的收费站ETC道闸延迟开启控制方法
技术领域
本发明涉及一种收费站车流控制方法，具体来讲即是一种面向高速公路风险防控的收费站ETC道闸延迟开启控制方法。
背景技术
高速公路具有行车速度大、封闭性强、车辆类型复杂的特点。一旦遇到交通事故、恶劣天气、交通事件等风险时，极易造成严重的交通拥堵或二次事故。因此，制定合理、有效、易于实施的风险防控方案对高速公路系统安全运行具有重要意义。当高速公路主线产生风险源时，路段的通行能力会下降，若不合理调节风险路段上游交通流的汇入，极易诱发新的交通风险。因此，需要调节上游匝道车辆的汇入，以保证主线上游交通量和匝道汇入主线的交通量之和不超过风险路段通行能力。
收费站作为高速公路重要的车流汇入节点，交通管理者可在收费站对汇入高速公路的交通流实施智能管控，进而实现对风险路段交通量及交通密度的控制。但是现有的收费站的管控方式多为全封闭或全开启控制，缺少服务于各等级交通风险的收费站管控方法。收费站的开启若未考虑交通风险的影响，会导致风险路段的交通密度过大，增大交通风险；若未科学评判交通风险对道路通行能力的影响，就对收费站实施全封闭控制，则会大大降低收费站车流的通过量，影响高速公路的运营收益，同时增加了车辆绕行成本，这种粗放管理不能充分发挥收费站的节点控制作用。
2020年底，高速公路收费站ETC在全国实现全面覆盖，ETC的推广也为收费站的车流控制提供了良好的平台基础，即通过延迟ETC道闸的开启时间调节通过收费站的车流量。因此，我们设计了一种面向风险防控的收费站ETC道闸延迟开启控制方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有高速公路主线风险防控措施粗放，不能够根据具体风险源影响下的路段剩余通行能力准确判断收费站释放量的问题，而提出面向风险防控的收费站ETC道闸延迟开启控制方法。
面向风险防控的收费站ETC道闸延迟开启控制方法具体过程为：
步骤1、采用路侧风险检测站获取高速公路主线路段的风险源信息，采用雷视一体化检测设备获取风险路段上游和匝道路段的交通流信息，并传输给收费站控制系统的中央控制器；
步骤2、收费站控制系统的中央控制器从高速公路交通系统静态数据库调用主线下游路段和匝道路段的路网信息；
从风险源产生时刻t0开始，直至风险结束，实时计算风险路段剩余承载量；
所述高速公路交通系统静态数据库提供：风险路段基本通行能力CB、风险路段坡度h、风险路段车道数W、风险路段车道宽度和侧向净宽对通行能力折减系数fW、收费站到匝道入口处的距离L1、匝道加速车道长度L2、匝道入口到风险路段的距离L3、收费站车道数M、ETC通道上触发线圈到道闸之间的距离L4；
所述风险路段基本通行能力CB、风险路段坡度h、风险路段车道数W、风险路段车道宽度和侧向净宽对通行能力折减系数fW、收费站到匝道入口处的距离L1、匝道加速车道长度L2、匝道入口到风险路段的距离L3、收费站车道数M、ETC通道上触发线圈到道闸之间的距离L4构成路网信息；
步骤3、收费站控制系统的中央控制器依据风险路段剩余承载量，判断收费站采取开启或关闭控制；
若开启收费站，根据收费站与风险路段的距离和收费站上游车辆到达情况判断是否实施收费站ETC道闸延迟开启控制方案；
步骤4、若需开启ETC道闸延迟开启方案，确定风险源产生后第n个更新时间窗内收费站调节量N(t0+nT)并计算ETC道闸延迟开启时间T2(t0+nT)，并将最终控制方案通过执行器传达给ETC道闸控制机；
式中，N为收费站调节量；T2为ETC道闸延迟开启时间；
步骤5、风险解除后，收费站ETC道闸恢复为无延迟控制。
本发明的有益效果为：
本发明以高速公路主线风险防控为目的，为解决控制措施粗放，不能够根据具体风险源影响下的路段剩余通行能力准确判断收费站释放量的问题，提供了一种新的面向风险防控的收费站ETC道闸延迟开启控制方法。主要思想是通过延迟开启ETC道闸，控制汇入主线的车流量，以保证进入风险路段的车流量不超过其通行能力。
本发明通过面向风险防控的收费站ETC道闸延迟开启控制方法，实现了对高速公路收费站车流量的精准控制，既能够避免风险路段通行能力充足时全封闭收费站造成的经济损失，也能够防止风险路段通行能力不足时，没有及时控制进入收费站车流所带来的安全隐患，对于提升我国高速公路精细化管理水平，构建安全的现代化高速公路交通体系具有重要意义。
附图说明
图1是本发明中收费站ETC道闸控制系统图；
图2是本发明中车辆由收费站驶入风险路段阶段图；
图3是本发明中收费站车流控制流程图；
图4是本发明中车辆通过ETC车道示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式面向风险防控的收费站ETC道闸延迟开启控制方法具体过程为：
为实现上述功能，本发明采用的技术要求是安装路侧风险检测站(由气象检测仪、路面状态传感器、烟雾传感器、视频检测器多种检测设备集成)、雷视一体化检测设备、收费站ETC检测系统；
步骤1、采用路侧风险检测站获取高速公路主线路段的风险源信息，采用雷视一体化检测设备获取风险路段上游和匝道路段的交通流信息(流量、速度、交通组成)，并传输给收费站控制系统的中央控制器；
步骤2、收费站控制系统的中央控制器从高速公路交通系统静态数据库调用主线下游路段和匝道路段的路网信息(基本通行能力、几何条件)；
从风险源产生时刻t0开始，直至风险结束，以300s为一个更新时间窗，实时计算风险路段剩余承载量；
所述高速公路交通系统静态数据库提供：风险路段基本通行能力CB、风险路段坡度h、风险路段车道数W、风险路段车道宽度和侧向净宽对通行能力折减系数fW、收费站到匝道入口处的距离L1、匝道加速车道长度L2、匝道入口到风险路段的距离L3、收费站车道数M、ETC通道上触发线圈到道闸之间的距离L4；
所述风险路段基本通行能力CB、风险路段坡度h、风险路段车道数W、风险路段车道宽度和侧向净宽对通行能力折减系数fW、收费站到匝道入口处的距离L1、匝道加速车道长度L2、匝道入口到风险路段的距离L3、收费站车道数M、ETC通道上触发线圈到道闸之间的距离L4构成路网信息；
步骤3、收费站控制系统的中央控制器依据风险路段剩余承载量，判断收费站采取开启或关闭控制；
若开启收费站，根据收费站与风险路段的距离和收费站上游车辆到达情况判断是否实施收费站ETC道闸延迟开启控制方案；
步骤4、若需开启ETC道闸延迟开启方案，确定风险源产生后第n个更新时间窗内收费站调节量N(t0+nT)并计算ETC道闸延迟开启时间T2(t0+nT)，并将最终控制方案通过执行器传达给ETC道闸控制机；
式中，N为收费站调节量；T2为ETC道闸延迟开启时间；
步骤5、风险解除后，收费站ETC道闸恢复为无延迟控制。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤1中采用路侧风险检测站获取高速公路主线路段的风险源信息，采用雷视一体化检测设备获取风险路段上游和匝道路段的交通流信息(流量、速度、交通组成)，并传输给收费站控制系统的中央控制器；具体过程为：
收费站ETC道闸控制所需的信息支持包括三部分：获取风险源信息、获取路网信息、获取交通流信息；
路侧风险检测站采集：风险源类型I、风险源等级i、风险源产生时间t0、风险路段能见度O、风险路段路面附着系数
Figure GDA0003131769860000041
所述风险源类型I、风险源等级i、风险源产生时间t0、风险路段能见度O风险路段路面附着系数
Figure GDA0003131769860000042
构成风险源信息；
路网风险监控和评估中心根据采集的风险源信息实时评估和计算：风险源预计持续时间ts、风险路段限速V；
(风险源预计持续时间通过查询高速公路交通事故数据库中历史上同等级风险源持续时间得到。
风险路段限速根据检测的风险等级在表1中进行查询)；
高速公路沿线布设的雷视一体化检测设备采集：主线上游路段车辆到达量Q、主线上大车比例HV、收费站上游车辆到达量Nr、匝道最大汇入量Nmax、匝道车流平均速度V1、加速车道上汇入主线的速度V2、主线车流平均速度V3、ETC通道上的平均速度V4；
所述主线上游路段车辆到达量Q、主线上大车比例HV、收费站上游车辆到达量Nr、匝道最大汇入量Nmax、匝道车流平均速度V1、加速车道上汇入主线的速度V2、主线车流平均速度V3、ETC通道上的平均速度V4构成交通流信息。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤2中收费站控制系统的中央控制器从高速公路交通系统静态数据库调用主线下游路段和匝道路段的路网信息(基本通行能力、几何条件)；
从风险源产生时刻t0开始，直至风险结束，以300s为一个更新时间窗，实时计算风险路段剩余承载量；
所述高速公路交通系统静态数据库提供：风险路段基本通行能力CB、风险路段坡度h、风险路段车道数W、风险路段车道宽度和侧向净宽对通行能力折减系数fW、收费站到匝道入口处的距离L1、匝道加速车道长度L2、匝道入口到风险路段的距离L3、收费站车道数M、ETC通道上触发线圈到道闸之间的距离L4；
所述风险路段基本通行能力CB、风险路段坡度h、风险路段车道数W、风险路段车道宽度和侧向净宽对通行能力折减系数fW、收费站到匝道入口处的距离L1、匝道加速车道长度L2、匝道入口到风险路段的距离L3、收费站车道数M、ETC通道上触发线圈到道闸之间的距离L4构成路网信息；
具体过程为：
计算风险路段剩余承载量
当高速公路主线下游路段存在风险源时，根据风险源类型以及严重程度的不同，路段的剩余承载量也不同。风险源类型主要包括灾情(火灾、爆炸)、交通事故(车祸，违章停车等)、特殊天气(雨、雪、雾)以及路面结冰积水。
如表1，根据所列举的风险源类型，对应的风险源级别i、道路限速V和路面附着系数
Figure GDA0003131769860000052
分别由以下途径得到：
交通事故分类和对应分类通行能力折减系数采用《HCM2010》中规定的标准；
雾天级别i和对应的道路限速V采用国家标准《GB/T 31445-2015雾天高速公路交通安全控制条件》；
路面结冰/积水级别i和对应的道路限速V、采用我国交通安全气象标准；
降雨、降雪级别i和对应的道路限速V采用中国气象局的相关标准。
注：交通事故分类中“*关*”表示单向*车道关闭*条车道，例如，“三关一”表示单向三车道关闭一条车道。
首先，根据不同风险源下道路限速V、实测到的路面附着系数
Figure GDA0003131769860000051
计算车辆行驶安全车头间距L，然后计算风险源作用下路段的通行能力折减系数θ，再计算路段的风险折算通行能力Cr，最后计算风险路段剩余承载量Nl。
表1 风险源信息查询表
Figure GDA0003131769860000061
火灾/爆炸类风险源产生时，路段封闭，因此通行能力折减系数为0。交通事故风险源根据《HCM2010》，具体类别下的通行能力折减系数已给出，如表1。路面结冰/积水、雾、雨、雪四类风险源下路段的通行能力折减系数由以下方法计算得出：首先根据不同风险源下道路限速V、路面附着系数
Figure GDA0003131769860000062
计算车辆行驶安全车头间距，然后计算风险源作用下路段的通行能力折减系数θ。再综合每种风险源下的通行能力折减系数θ计算路段的风险折算通行能力Cr，最后计算风险路段的剩余承载量Nl。
步骤2.1、计算风险源产生后第n个更新时间窗内风险路段的安全车头间距L(t0+nT)；
式中，T为一个更新时间窗；L为风险路段车辆行驶的安全车头间距；
具体过程为：
假设t0时刻检测到主线产生风险源，从t0开始到风险结束的时间段内，把300s作为一个更新时间窗T，实时更新风险路段剩余承载量：
根据《交通流跟驰模型研究》，计算风险源产生后第n个更新时间窗内风险路段的安全车头间距L(t0+nT)：
Figure GDA0003131769860000071
Figure GDA0003131769860000072
式中：D为车辆平均长度，单位为m，通常为6m；Ls为安全距离，单位为m，通常为5m；V(t0+nT)为第n个更新时间窗内道路限速，单位为km/h；t为驾驶员反应时间，单位为s，通常为1s；Lb(t0+nT)为第n个更新时间窗内后车制动距离，单位为m；Lf(t0+nT)为第n个更新时间窗内前车制动距离，单位为m；K为前后车制动系数差，此处取1；
Figure GDA0003131769860000073
为第n个更新时间窗内路面附着系数；h为路面纵坡；g为重力加速度，单位为m/s2；V为风险路段限速；
步骤2.2、计算风险源产生后风险源作用下第n个更新时间窗内风险路段的通行能力折减系数θ(t0+nT)；
式中，θ为风险路段的通行能力折减系数；
具体过程为：
Figure GDA0003131769860000074
Figure GDA0003131769860000075
式中：C(t0+nT)为第n个更新时间窗内风险路段单车道的通行能力，单位为puc/h/ln；CB为单车道基本通行能力，单位为pcu/h/ln；ht(t0+nT)为第n个更新时间窗内风险路段车头时距，单位为s；
步骤2.3、计算风险源产生后第n个更新时间窗内风险路段的风险折算通行能力Cr(t0+nT)；
式中，Cr为风险路段的风险折算通行能力；
具体过程为：
Figure GDA0003131769860000081
式中：fW为车道宽度和侧向净宽折减系数；fHV为大车比例折减系数；W为风险源产生方向车道数；
Figure GDA0003131769860000082
为风险源类型为I、风险源级别为i的风险下路段通行能力折减系数；当未发生某类风险时，对应的折减系数取1；
步骤2.4、计算风险源产生后第n个更新时间窗内风险路段的剩余承载量Nl(t0+nT)；
Nl为风险路段的剩余承载量；
具体过程为：
Figure GDA0003131769860000083
式中，Q(t0+nT)为第n个更新时间窗内主线上游路段交通量，单位为pcu/h；α为保险系数，通常取0.9，确保道路上的车辆安全运行。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤3中收费站控制系统的中央控制器依据风险路段剩余承载量，判断收费站采取开启或关闭控制；
若开启收费站，根据收费站与风险路段的距离和收费站上游车辆到达情况判断是否实施收费站ETC道闸延迟开启控制方案；
具体过程为：
(1)当Nl(t0+nT)＞0时，风险发生后第n个更新时间窗内收费站处于开启状态；当Nl(t0+nT)≤0时，风险发生后第n个更新时间窗内收费站实施关闭；
(2)确定收费站应该处于开启状态后，判断是否满足ETC道闸延迟开启方案条件：
从风险源产生开始，当离开收费站的车辆到达主线下游风险路段所需的时间tw小于等于风险源预计持续时间ts时，即车辆驶入下游路段时风险源依旧存在，则需要启动管控方案；反之，当收费站处的车辆驶入下游路段时，风险已解除，则无需启动方案；
过程为：
如图2，车辆离开收费站到达下游路段时间tw由三部分组成：
①以一定速度行驶到匝道口的时间t1；
②进入加速车道加速到建议速度的时间t2；
③汇入主线，以一定速度行驶到风险路段的时间t3；
因此，当车辆行驶条件与道路长度满足式(7)关系时，应启动收费站管控方案：
Figure GDA0003131769860000091
式中：ts为风险源预计持续时间，单位为s；L1为收费站到匝道入口处的距离，单位为m；L2为加速车道的长度，单位为m；L3为匝道入口到风险路段的距离；V1为匝道上行驶的平均速度，单位为m/s；V2为从加速车道上汇入主线的速度，单位为m/s；V3为主线上行驶的平均速度，单位为m/s；a为汽车平均加速度，一般情况下，a＝0.8～1.2m/s2；
若Nr(t0+nT)＞Nl(t0+nT)，代表第n个更新时间窗内收费站上游到达的车辆数大于风险路段允许通过车辆数，则需开启ETC道闸延迟开启方案；
若Nr(t0+nT)≤Nl(t0+nT)，代表第n个更新时间窗内收费站上游到达的车辆数小于风险路段允许通过车辆数，则无需延迟开启ETC道闸；
所述Nr(t0+nT)为风险源产生后第n个更新时间窗内收费站上游车辆到达量，pcu。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤4中若需开启ETC道闸延迟开启方案，确定风险源产生后第n个更新时间窗内收费站调节量N(t0+nT)并计算ETC道闸延迟开启时间T2(t0+nT)，并将最终控制方案通过执行器传达给ETC道闸控制机；
式中，N为收费站调节量；T2为ETC道闸延迟开启时间；
具体过程为：
步骤4.1、确定风险源产生后第n个更新时间窗内收费站调节量N(t0+nT)；具体过程为：
根据匝道最大汇入量和风险路段剩余承载量之间的关系，最终确定第n个更新时间窗内的收费站调节量N(t0+nT)如下式:
N(t0+nT)＝min[Nl(t0+nT),Nmax] (8)
式中：Nmax为一个更新时间窗内匝道允许汇入的最大车辆数，单位为pcu；
步骤4.2、计算风险源发生后第n个更新时间窗内ETC道闸延迟开启时间T2(t0+nT)；具体过程为：
通常情况下，车辆通过收费站ETC车道无需停车，但为降低车辆通过率使道闸延迟开启，会使车辆在道闸前停止，因此每辆车在收费站的服务时间分为三个阶段，如图3：
①当前服务车辆从检测线圈以一定速度行驶到达栏杆前的时间T1；
②栏杆前等候时间T2；
③当前服务车辆启动行驶到落杆线圈直至下一辆车行驶到触发线圈，时间为T3；
因此有如下假设：
(i)T1大小基本不受车型影响，对于特定车道视为定值，满足下面条件：
Figure GDA0003131769860000101
式中，L4为触发线圈到ETC道闸的距离，m；V4为车辆在ETC车道上行驶的平均速度，m/s；
(ii)T3与车型有关，且服从正态分布，均值为
Figure GDA0003131769860000102
可根据收费站历史数据统计得到；
因此收费站车辆平均服务时间为
Figure GDA0003131769860000103
则在栏杆延迟时间为T2的情况下，具有M个ETC车道的收费站每个更新时间窗内通过的车辆数为：
Figure GDA0003131769860000104
在风险源产生后第n个更新时间窗内，将应释放车辆数平均分配给各个收费通道；
令收费站的释放车辆数等于收费站调节量：
N＝N(t0+nT)＝min[Nl(t0+nT),Nmax]
当Nmax≤Nl(t0+nT)时
N＝Nmax (11)
求解得到第n个更新时间窗内栏杆的平均延迟时间为T2(t0+nT)：
Figure GDA0003131769860000105
式中，T为一个更新时间窗；Nmax为匝道最大汇入量；
当Nl(t0+nT)＜Nmax时，
Figure GDA0003131769860000106
求解得到第n个更新时间窗内栏杆的平均延迟时间为T2(t0+nT)：
Figure GDA0003131769860000111
式中，Cr(t0+nT)为风险源产生后第n个更新时间窗内风险路段的风险折算通行能力，单位为pcu/h；Q(t0+nT)为第n个更新时间窗内主线上游路段交通量，单位为pcu/h；α为保险系数，通常取0.9，确保道路上的车辆安全运行；Nl(t0+nT)为第n个更新时间窗内风险路段的剩余承载量，单位为pcu。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
为验证本发明提出的面向风险防控的ETC道闸延迟开启方法，假设以下具体交通情景，对本发明方法进行验证计算：
假设一设计速度为100km/h的双向4车道高速公路，该公路主线的东行方向某路段在t0时刻产生一风险源。
从高速公路交通系统的数据库得到如下信息：该公路在四级服务水平下的通行能力为2000puc/h/ln，车道宽度和侧向净宽对通行能力的修正系数fW为1，路面坡度为3％。风险路段的上游1000m处，连接一匝道，加速车道长度为100m，在匝道入口上游500m处有一ETC收费站。收费站车道数为3条，ETC通道长度上感应线圈到道闸的距离为10m，该收费站车辆从道闸处启动离去时间平均为5s。
从路侧风险检测站和路网风险监控和评估中心得到高速公路下游风险源具体信息如下：风险源类型为Ⅳ，风险路段能见度为80m，降雾级别为3级，风险源预计持续时间为20min，风险路段路面附着系数0.45，限速为40km/h。
利用高速公路沿线布设的雷视一体化检测设备检测到t0时刻后第1个更新时间窗内的交通流信息如下：主线上游路段车辆到达量为1500pcu/h，主线上大车比例0.3，该更新时间窗内收费站上游车辆到达量为150pcu、匝道最大汇入量为200pcu，匝道车流平均速度40km/h、加速车道上汇入主线的速度为60km/h、主线车流平均速度100km/h、ETC通道上的平均速度15km/h。
1.计算第1个更新时间窗内风险路段剩余承载量
计算第1个更新时间窗内风险路段的安全车头间距L(t0+T)
Figure GDA0003131769860000112
计算风险源作用下第1个更新时间窗内路段的通行能力折减系数θ(t0+T)
Figure GDA0003131769860000121
计算第1个更新时间窗内路段的风险折算通行能力Cr(t0+T)
Figure GDA0003131769860000122
计算第1个更新时间窗内风险路段的剩余承载量Nl(t0+T)
Figure GDA0003131769860000123
2.判断启动条件
(1)Nl(t0+T)＝83pcu>0，满足收费站开启条件；
(2)①
Figure GDA0003131769860000124
Figure GDA0003131769860000125
Figure GDA0003131769860000126
满足ETC道闸延迟开启方案实施条件。
②Nr(t0+T)＝150pcu＞Nl(t0+T)＝83pcu，满足ETC道闸延迟开启方案实施条件。
因此在第1个更新时间窗内，应实施ETC道闸延迟开启方案。
3.确定风险源产生后第1个更新时间窗内收费站调节量N(t0+T)并计算道闸延迟开启时间T2(t0+T)
计算第1个更新时间窗内收费站调节量N(t0+T)
因为N(t0+T)＝min[Nl(t0+T),Nmax]＝Nl(t0+T)，即在第一个更新时间窗内风险路段剩余承载量小于最大的匝道汇入量。因此，最终确定第1个更新时间窗内的收费站调节量：
Figure GDA0003131769860000127
在栏杆延迟时间为T2的情况下，具有M个ETC车道的收费站每个更新时间窗内可通过的车辆数为：
Figure GDA0003131769860000128
计算风险源发生后第1个更新时间窗内ETC道闸延迟开启时间T2(t0+T)；
令N＝N(t0+T)，则有
Figure GDA0003131769860000129
解得T2(t0+T)＝3.5s
因此，风险源产生后第1个更新时间窗内ETC道闸延迟开启时间为3.5s。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.面向风险防控的收费站ETC道闸延迟开启控制方法，其特征在于：所述方法具体过程为：
步骤1、采用路侧风险检测站获取高速公路主线路段的风险源信息，采用雷视一体化检测设备获取风险路段上游和匝道路段的交通流信息，并传输给收费站控制系统的中央控制器；
步骤2、收费站控制系统的中央控制器从高速公路交通系统静态数据库调用主线下游路段和匝道路段的路网信息；
从风险源产生时刻t0开始，直至风险结束，实时计算风险路段剩余承载量；
所述高速公路交通系统静态数据库提供：风险路段基本通行能力CB、风险路段坡度h、风险路段车道数W、风险路段车道宽度和侧向净宽对通行能力折减系数fW、收费站到匝道入口处的距离L1、匝道加速车道长度L2、匝道入口到风险路段的距离L3、收费站车道数M、ETC通道上触发线圈到道闸之间的距离L4；
所述风险路段基本通行能力CB、风险路段坡度h、风险路段车道数W、风险路段车道宽度和侧向净宽对通行能力折减系数fW、收费站到匝道入口处的距离L1、匝道加速车道长度L2、匝道入口到风险路段的距离L3、收费站车道数M、ETC通道上触发线圈到道闸之间的距离L4构成路网信息；
步骤3、收费站控制系统的中央控制器依据风险路段剩余承载量，判断收费站采取开启或关闭控制；
若开启收费站，根据收费站与风险路段的距离和收费站上游车辆到达情况判断是否实施收费站ETC道闸延迟开启控制方案；
步骤4、若需开启ETC道闸延迟开启方案，确定风险源产生后第n个更新时间窗内收费站调节量N(t0+nT)并计算ETC道闸延迟开启时间T2(t0+nT)，并将最终控制方案通过执行器传达给ETC道闸控制机；
式中，N为收费站调节量；T2为ETC道闸延迟开启时间；
步骤5、风险解除后，收费站ETC道闸恢复为无延迟控制。
2.根据权利要求1所述面向风险防控的收费站ETC道闸延迟开启控制方法，其特征在于：所述步骤1中采用路侧风险检测站获取高速公路主线路段的风险源信息，采用雷视一体化检测设备获取风险路段上游和匝道路段的交通流信息，并传输给收费站控制系统的中央控制器；具体过程为：
路侧风险检测站采集：风险源类型I、风险源等级i、风险源产生时间t0、风险路段能见度O、风险路段路面附着系数
Figure FDA0003139036830000021
所述风险源类型I、风险源等级i、风险源产生时间t0、风险路段能见度O风险路段路面附着系数
Figure FDA0003139036830000022
构成风险源信息；
路网风险监控和评估中心根据采集的风险源信息实时评估和计算：风险源预计持续时间ts、风险路段限速V；
高速公路沿线布设的雷视一体化检测设备采集：主线上游路段车辆到达量Q、主线上大车比例HV、收费站上游车辆到达量Nr、匝道最大汇入量Nmax、匝道车流平均速度V1、加速车道上汇入主线的速度V2、主线车流平均速度V3、ETC通道上的平均速度V4；
所述主线上游路段车辆到达量Q、主线上大车比例HV、收费站上游车辆到达量Nr、匝道最大汇入量Nmax、匝道车流平均速度V1、加速车道上汇入主线的速度V2、主线车流平均速度V3、ETC通道上的平均速度V4构成交通流信息。
3.根据权利要求1或2所述面向风险防控的收费站ETC道闸延迟开启控制方法，其特征在于：所述步骤2中收费站控制系统的中央控制器从高速公路交通系统静态数据库调用主线下游路段和匝道路段的路网信息；
从风险源产生时刻t0开始，直至风险结束，实时计算风险路段剩余承载量；
所述高速公路交通系统静态数据库提供：风险路段基本通行能力CB、风险路段坡度h、风险路段车道数W、风险路段车道宽度和侧向净宽对通行能力折减系数fW、收费站到匝道入口处的距离L1、匝道加速车道长度L2、匝道入口到风险路段的距离L3、收费站车道数M、ETC通道上触发线圈到道闸之间的距离L4；
所述风险路段基本通行能力CB、风险路段坡度h、风险路段车道数W、风险路段车道宽度和侧向净宽对通行能力折减系数fW、收费站到匝道入口处的距离L1、匝道加速车道长度L2、匝道入口到风险路段的距离L3、收费站车道数M、ETC通道上触发线圈到道闸之间的距离L4构成路网信息；
具体过程为：
步骤2.1、计算风险源产生后第n个更新时间窗内风险路段的安全车头间距L(t0+nT)；
式中，T为一个更新时间窗；L为风险路段车辆行驶的安全车头间距；
具体过程为：
Figure FDA0003139036830000031
Figure FDA0003139036830000032
式中：D为车辆平均长度，单位为m；Ls为安全距离，单位为m；V(t0+nT)为第n个更新时间窗内道路限速，单位为km/h；t为驾驶员反应时间，单位为s；Lb(t0+nT)为第n个更新时间窗内后车制动距离，单位为m；Lf(t0+nT)为第n个更新时间窗内前车制动距离，单位为m；K为前后车制动系数差；
Figure FDA0003139036830000033
为第n个更新时间窗内路面附着系数；h为路面纵坡；g为重力加速度，单位为m/s2；V为风险路段限速；
步骤2.2、计算风险源产生后风险源作用下第n个更新时间窗内风险路段的通行能力折减系数θ(t0+nT)；
式中，θ为风险路段的通行能力折减系数；
具体过程为：
Figure FDA0003139036830000034
Figure FDA0003139036830000035
式中：C(t0+nT)为第n个更新时间窗内风险路段单车道的通行能力，单位为puc/h/ln；CB为单车道基本通行能力，单位为pcu/h/ln；ht(t0+nT)为第n个更新时间窗内风险路段车头时距，单位为s；
步骤2.3、计算风险源产生后第n个更新时间窗内风险路段的风险折算通行能力Cr(t0+nT)；
式中，Cr为风险路段的风险折算通行能力；
具体过程为：
Figure FDA0003139036830000036
式中：fW为车道宽度和侧向净宽折减系数；fHV为大车比例折减系数；W为风险源产生方向车道数；
Figure FDA0003139036830000037
为风险源类型为I、风险源级别为i的风险下路段通行能力折减系数，当未发生某类风险时，对应的折减系数取1；
步骤2.4、计算风险源产生后第n个更新时间窗内风险路段的剩余承载量Nl(t0+nT)；
Nl为风险路段的剩余承载量；
具体过程为：
Figure FDA0003139036830000041
式中，Q(t0+nT)为第n个更新时间窗内主线上游路段交通量，单位为pcu/h；α为保险系数。
4.根据权利要求3所述面向风险防控的收费站ETC道闸延迟开启控制方法，其特征在于：所述步骤3中收费站控制系统的中央控制器依据风险路段剩余承载量，判断收费站采取开启或关闭控制；
若开启收费站，根据收费站与风险路段的距离和收费站上游车辆到达情况判断是否实施收费站ETC道闸延迟开启控制方案；
具体过程为：
(1)当Nl(t0+nT)＞0时，风险发生后第n个更新时间窗内收费站处于开启状态；当Nl(t0+nT)≤0时，风险发生后第n个更新时间窗内收费站实施关闭；
(2)确定收费站应该处于开启状态后，判断是否满足ETC道闸延迟开启方案条件：
车辆离开收费站到达下游路段时间tw由三部分组成：
①以一定速度行驶到匝道口的时间t1；
②进入加速车道加速到建议速度的时间t2；
③汇入主线，以一定速度行驶到风险路段的时间t3；
因此，当车辆行驶条件与道路长度满足式(7)关系时，应启动收费站管控方案：
Figure FDA0003139036830000042
式中：ts为风险源预计持续时间，单位为s；L1为收费站到匝道入口处的距离，单位为m；L2为加速车道的长度，单位为m；L3为匝道入口到风险路段的距离；V1为匝道上行驶的平均速度，单位为m/s；V2为从加速车道上汇入主线的速度，单位为m/s；V3为主线上行驶的平均速度，单位为m/s；a为汽车平均加速度；
若Nr(t0+nT)＞Nl(t0+nT)，代表第n个更新时间窗内收费站上游到达的车辆数大于风险路段允许通过车辆数，则需开启ETC道闸延迟开启方案；
若Nr(t0+nT)≤Nl(t0+nT)，代表第n个更新时间窗内收费站上游到达的车辆数小于风险路段允许通过车辆数，则无需延迟开启ETC道闸；
所述Nr(t0+nT)为风险源产生后第n个更新时间窗内收费站上游车辆到达量，pcu。
5.根据权利要求4所述面向风险防控的收费站ETC道闸延迟开启控制方法，其特征在于：所述步骤4中若需开启ETC道闸延迟开启方案，确定风险源产生后第n个更新时间窗内收费站调节量N(t0+nT)并计算ETC道闸延迟开启时间T2(t0+nT)，并将最终控制方案通过执行器传达给ETC道闸控制机；
式中，N为收费站调节量；T2为ETC道闸延迟开启时间；
具体过程为：
步骤4.1、确定风险源产生后第n个更新时间窗内收费站调节量N(t0+nT)；具体过程为：
根据匝道最大汇入量和风险路段剩余承载量之间的关系，最终确定第n个更新时间窗内的收费站调节量N(t0+nT)如下式:
N(t0+nT)＝min[Nl(t0+nT),Nmax] (8)
式中：Nmax为一个更新时间窗内匝道允许汇入的最大车辆数，单位为pcu；
步骤4.2、计算风险源发生后第n个更新时间窗内ETC道闸延迟开启时间T2(t0+nT)；具体过程为：
每辆车在收费站的服务时间分为三个阶段：
①当前服务车辆从检测线圈行驶到达栏杆前的时间T1；
②栏杆前等候时间T2；
③当前服务车辆启动行驶到落杆线圈直至下一辆车行驶到触发线圈，时间为T3；
因此有如下假设：
(i)T1大小不受车型影响，对于特定车道视为定值，满足下面条件：
Figure FDA0003139036830000051
式中，L4为触发线圈到ETC道闸的距离，m；V4为车辆在ETC车道上行驶的平均速度，m/s；
(ii)T3与车型有关，且服从正态分布，均值为
Figure FDA0003139036830000061
根据收费站历史数据统计得到；
因此收费站车辆平均服务时间为
Figure FDA0003139036830000062
则在栏杆延迟时间为T2的情况下，具有M个ETC车道的收费站每个更新时间窗内通过的车辆数为：
Figure FDA0003139036830000063
在风险源产生后第n个更新时间窗内，将应释放车辆数平均分配给各个收费通道；
令收费站的释放车辆数等于收费站调节量：
N＝N(t0+nT)＝min[Nl(t0+nT),Nmax]
当Nmax≤Nl(t0+nT)时
N＝Nmax (11)
求解得到第n个更新时间窗内栏杆的平均延迟时间为T2(t0+nT)：
Figure FDA0003139036830000064
式中，T为一个更新时间窗；Nmax为匝道最大汇入量；
当Nl(t0+nT)＜Nmax时，
Figure FDA0003139036830000065
求解得到第n个更新时间窗内栏杆的平均延迟时间为T2(t0+nT)：
Figure FDA0003139036830000066
式中，Cr(t0+nT)为风险源产生后第n个更新时间窗内风险路段的风险折算通行能力，单位为pcu/h；Q(t0+nT)为第n个更新时间窗内主线上游路段交通量，单位为pcu/h；α为保险系数；Nl(t0+nT)为第n个更新时间窗内风险路段的剩余承载量，单位为pcu。
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