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随着我国高速公路事业的迅猛发展,车流量的不断增加,收费站成为了限制高速公路通行效率的主要瓶颈。为提升高速公路通行效率、便利群众出行,我国政府发布相关政策,决定从2019年起逐步取消全国高速公路省界收费站,并加快推进电子不停车快捷收费的推广应用。新政策的推行也伴随着新问题的产生,由于ETC设备异常情况频发以及收费站车道设置不合理等原因,部分收费站的拥堵不但未能缓解,甚至更加严重。在此背景下,本文重点研究高速公路收费站通行效率评估与收费车道类型设置两大方面内容,研究具有一定的理论意义和工程实践价值,主要研究内容及创新如下:(1)在对高速公路收费站理论进行初步研究的基础上,挖掘广东省高速公路收费流水数据,对广州市机场收费站交通流特征指标进行了全面分析,并提出一种基于KMeans聚类的收费服务时间计算方法。通过数据挖掘得到的交通流指标,能全面准确地反映收费站在各个时期的交通特征,有效弥补了人工采集收费站数据样本量不足、误差较大的问题。(2)以通行能力、排队长度和延误时间作为收费站通行效率的评估指标,不同于以往以单一模型计算收费站通行能力与排队指标,本文根据不同类型收费车道的特点,分别提出了MTC车道、ETC车道、复式车道以及异常情况下的ETC车道的通行效率指标计算方法。结合交通流特征分析结果,求解现状条件下的机场收费站通行能力及高峰时期排队指标;此外通过数值模拟与条件假设,求解出复式车道以及异常情况下ETC车道的通行效率指标,并分析了复式车道收费窗口数量与ETC异常情况发生概率对收费车道通行效率的影响。(3)在加快推进ETC应用服务的背景下,以收费站运营成本与用户延误成本之和最小为目标,通过收费站成本分析,建立了包含MTC车道、ETC车道及复式车道的收费站车道类型设置优化模型,该模型对收费站车辆到达率与ETC车辆比例具有较高的敏感性。提出了一种自然数编码的遗传算法用于模型求解,该方法能有效提升模型的计算效率,降低进化的盲目性。(4)以机场收费站为例,假定ETC电子标签异常概率为5‰,求解高峰时段进出站方向、两种不同ETC使用率下的车道类型设置优化方案,并利用VISSIM软件对优化方案与原方案进行仿真对比。此外,分析了机场收费站全天的车辆到达规律,讨论了不同车辆到达率与ETC使用率下的车道组合方案。结果表明,所提出的方法能有效缓解收费站拥堵、合理控制成本,对收费站车道改建与日常运营具有指导意义。