2017美赛B题O奖论文56731中英对照版Word格式.docx

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56731

ProblemChosen

B

Forofficeuseonly

F1

F2

F3

F4

2017

MCM/ICM

SummarySheet

（Yourteam'

ssummaryshouldbeincludedasthefirstpageofyourelectronicsubmission.）

Typeasummaryofyourresultsonthispage.Donotincludethenameofyourschool,advisor,orteammembersonthispage.

ANewTypeofTollPlazaBasedonBionics-Honeycomb

Summary

Inthispaper,weanalyzetheperformanceofcommonlyusedtollplazabasedonourproposedmathematicalmodel.Anewimprovedtollplazaisproposedtoreducethecost,decreasetheprobabilityofcollisionatthemergingpointandincreasethethroughput.

Thedistributionofourproposedtollboothsresemblesthehoneycomb.Atthecenterofeachregularhexagonalhoneycomb,therearetwotollbooths,whichservetwoseparatedvehiclestreams.Thevehiclesinthesetwoseparatedstreamsaremergedinadvancebeforetheycontinuetheirjourneyonthehighway.Duetothespecificpatternofthenewtollplaza,thetotalareacanbereducedsignificantly.Meanwhile,theaveragewastedtimecausedbyqueuingcanbediminished,whichmeansthatthethroughputwillberaised.Additionally,bysplittingthemergingprocedureintotwostages,thepossibilityofaccidentscanalsobedecreased.

Themaincontributionsofthispaperareasfollows:

（1）Thenewdesignedcellulararchitecturecangreatlyreducetheconstructionareacomparedwithtraditionallineardistributedtollgates.

（2）Weanalyzethethroughputoftollplazasbymeansofthequeuingtheory.Toverifyourtheory,wesimulatethebehaviorofthelargenumberofvehiclespassingthetollplazawiththehelpofPTV-VISSIM.Simulationresultsshowthattheidealcellulardistributedtollboothshavebetterresultscomparedwithtraditionaltollstations,especiallywhenthetrafficflowisheavy,theaveragetraveltimereducedbyabout55%andtheaveragedelaytimeofeachlaneisreducedbyabout70%.

（3）Weanalyzetheinfluenceoftheproportionsofdifferenttypesoftollboothstoourdesign.Accordingtorelevantdocuments,theimpactofexact-changetollboothsissimilartomanualtollbooths,soweonlyconsidertwokindsoftollbooths:

human-staffedtollboothsandE-ZPasstollbooths.PTV-VISSIMsimulationresultsshowthatfullETCtollboothis8timesfasterthanfullMTCtollbooth.

（4）Wesimulatetheperformanceofthecellulartollplazaunderdifferenttrafficthroughput.Simulationresultsshowthattheaveragetransittimeremainsatabout11secondsunderdifferentthroughputsfrom0to2000（Unit:

veh/h）.Wecaninferthatthismodelisnotsensitivetotrafficflowvariationsandhasstrongrobustnesswhichissuitableforpracticalconstruction.

（5）Tofurtherreducethepossibilityofaccident,weimprovethecellulartollboothconceptmodel:

makethetransitionzonemoresmoothandarrangedifferentkindsoftollboothsmoreequitable.

（6）Forself-drivingvehicles,inthecenterofthetollplaza,wereservespecialE-ZPasstollbooths,whichmatchthecharacteristicsofautonomousvehicles:

saferandfaster.

Electronictollcollectionandautonomousvehiclesarethetrendsofmoderntransportation,ournewdesignedmodelcanimprovetheperformanceoftollplazaintheaspectsofcost,throughputandaccidentprevention.

一种基于仿生蜂窝的新型收费广场

概要

在本文中，我们基于我们提出的数学模型分析了常用收费广场的表现。

提出了一种新的改进的收费广场，以降低成本，降低在合并点的碰撞概率，提高吞吐量。

我们建议的收费站的分布类似于蜂窝。

在每个正六边形蜂窝的中心，有两个收费站，为两个分离的车流提供服务。

这两条分开的河流中的车辆在高速公路上继续前行之前被合并。

由于新收费广场的具体模式，总面积可以大大减少。

同时，排队造成的平均浪费时间可以减少，这意味着吞吐量将会提高。

另外，通过将合并过程分成两个阶段，也可以减少事故的可能性。

本文的主要贡献如下：

（1）与传统的线性分布式收费站相比，新设计的蜂窝式架构可以大大减少建筑面积。

（2）通过排队论分析收费广场的吞吐量。

为了验证我们的理论，我们在PTV-VISSIM的帮助下模拟了通过收费广场的大量车辆的行为。

仿真结果表明，理想的蜂窝分布式收费站比传统收费站效果更好，特别是在交通流量大的情况下，平均出行时间减少了约55％，平均每个车道延误时间减少了约70％。

（3）分析不同类型收费站的比例对我们设计的影响。

根据有关文件，精确改造收费站的影响与手动收费站类似，所以我们只考虑两种收费站：

人力收费站和E-ZPass收费站。

PTV-VISSIM仿真结果显示，完整的ETC收费站比完整的MTC收费站快8倍。

（4）模拟不同业务吞吐量下蜂窝收费广场的性能。

仿真结果表明，在0〜2000的不同吞吐量下，平均通过时间约为11秒（单位：

veh/h）。

我们可以推断出这个模型对交通流量变化不敏感，具有很强的鲁棒性，适用于实际建设。

（5）为进一步降低事故发生的可能性，我们改进了蜂窝收费站的概念模型：

使过渡区更加顺畅，并使不同种类的收费站更加平等。

（6）对于自驾车辆，在收费广场中央，我们预留了符合自动驾驶汽车特点的特殊E-ZPass收费车：

更安全，更快捷。

电子收费系统和自动驾驶汽车是现代交通运输的趋势，新设计的模式可以提高收费广场在成本，吞吐量和事故预防方面的性能。

Team#56731

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I.Introduction

1.1ProblemBackground

Withthenumberofvehiclesincreasing,expresswayisconfrontedwithgreattrafficpressure,especiallyatthetollplaza.Thecongestionproblematthetollstationbecomesmoreandmoreseriousduetotheoutdateddesign.Relatedresearchfoundthat36%ofthetotaltraveltimeinChinaisdelaytimecausedbytolling[1].Inaddition,asavehicle-intensiveplace,tollplazahasbecomeanaccident-pronesectionbecauseofthedrivers'

improperoperation[2].

WiththewidespreaduseofElectronicTollCollection（ETC）andE-ZPass,theefficiencyoftollcollectionhasbeenimprovedsignificantlyand