混合收费站运行安全和效率的影响机理与多领域协同分析设计研究

Among the world in recent years, about 160 thousand in 200 thousand of toll highway lanes are in China. And the toll collection plazas in our country have the characteristics of huge number, transforming from solo MTC to mixed of MTC and ETC, additionally, there lack of systematic research for operation safety and efficiency of toll collection plaza with complicate road nodes. In order to solve these problems, by adopting the methods of field test, theoretical analysis, computer simulation and driving test, this project are going to define the horizontal and vertical movement of labeled and unlabeled vehicles, and then build the car following and lane change model in order to reveal lane setting impact to toll collection plaza capacity under different traffic condition; in addition, this paper focus on building the collision risk threshold computational and value prediction model considering critical safe speed and its variance, the rules, characteristic and mitigation mechanism; besides a co-simulation model both in traffic and communication side is also built to deal with the problem of information guidance; at last a model coupled with human-vehicle-road-information guidance is formed to the combination of vehicle dynamic parameter computation and traffic collision prediction, and by optimizing the design of a typical toll collection plaza, a systematic analysis methodology of safety efficiency of complicate road nodes as toll collection plaza is raised applying the co-simulation techniques of traffic, communication, and vehicle dynamics.

当今全世界20万km收费公路中16万km在中国，我国公路收费站具有数量众多、从单一MTC形式向ETC与MTC混合收费方式快速转变的中国特色，且收费站此类复杂道路节点的运行安全和效率的系统研究较缺乏。鉴于此，项目运用实测、理论分析、计算机仿真与行车实验相结合等手段，定义有标签与无标签车辆纵横向运行规则，构建其跟驰和换道模型，揭示不同交通条件下车道设置对收费站通行能力的影响；考虑临界安全车速和速率差、冲突特点和规则、冲突消解机制等构建收费广场冲突风险阈值计算模型及交通冲突量预测模型；搭建通信和交通两个领域同步耦合仿真平台以解析收费站区域信息诱导的作用；构建人-车-路-信息诱导的多领域联合仿真模型，探索车辆动力学参数计算与交通冲突预测的有效结合；通过对典型混合收费站的优化设计，逐渐形成一套完整的采用交通、通信和车辆动力学多领域联合仿真技术的复杂道路节点如收费站的高效和安全运行的分析设计方法。

收费站是高速公路系统的重要组成部分，目前仍然多是ETC和MTC车道混合型的收费站，其复杂行车环境产生了诸多交通拥堵、污染物排放及交通安全问题。本项目旨在通过问题聚焦、数学建模、多领域仿真以及统计分析的技术路径，对收费站区域关键设计参数、交通流特性、交通冲突特征、安全与效率评价、行车安全机理以及ETC推广策略等方面进行较为系统的研究和探索。.通过项目研究，揭示了混合收费站ETC和MTC车道设置对收费站交通特性和交通安全的影响机理；构建了人-车-路联合仿真模型、多智能体元胞自动机模型、考虑车辆行驶时间变换和行驶距离变化的随机参数事故风险评估模型、基于贝叶斯动态LR理论的自适应修正车辆事故风险评估模型；提出了基于Yolov4-Sort-KD-Tree算法的高精度车辆运动轨迹提取方法、基于视频数据的车辆驾驶员姿态识别方法、考虑感知安全风险和自我概念的收费站ETC推广策略；通过宁杭高速南京收费站、沪蓉高速南京收费站、南京长江第二大桥收费站（主线收费站）、长深高速淮安南收费站（与城市道路交叉口衔接收费站）和杭州绕城高速转塘收费站（匝道收费站）等典型混合型收费站运行安全和效率的优化分析，形成了一套科学依据充分、易于实施的采用交通、视频识别和车辆动力学多领域联合仿真技术的分析设计方法，为复杂道路节点如收费站的高效和安全设计、控制和评估提供理论和方法支持。.项目相关成果包括发表SCI/SSCI收录论文17篇，EI收录论文9篇，国家发明专利授权9项，20人次参加国家学术会议7个并发表论文10篇；培养博士生4名，其中已毕业3名，1名在读，与美国中佛罗里达大学Abdel-Aty, M.教授联合培养博士生1名，培养硕士生9名，其中已毕业6名，3名在读；指导获得东南大学2019年度优秀硕士毕业论文1篇、第四届江苏大学生交通科技大赛二等奖1项，获得2018年度浙江省建设科学技术奖三等奖1项。