雙向單車道公交專用道系統運營模型設計

劉昭然 毛曉君 宋家雙 黃憶波

(同濟大學交通運輸工程學院，上海 201804)

0 引言

公交優先是大中城市解決城市交通需求大于供給而產生擁堵問題的最有效途徑之一［1］。公交專用道系統作為常規公交優先的有效辦法得到普遍推廣，但主要設置于道路空間充裕的城市干線道路，很難適應于空間狹小的城市老城區或者歷史建筑保護區。而雙向單車道公交專用道系統是一種創新布置形式，對向公交車僅占用一條車道，恰適于道路空間不足情況下。

1 雙向單車道公交專用道系統控制策略

這一系統通過智能交通技術保證車輛的準點性和安全性，需要車輛運營調度中心統一指揮。信息設備將采集到的停靠站信息、交叉口信息和公交車位置信息統一傳輸到車輛運營調度中心，運營調度中心根據車輛運行調度算法制定動態的車輛行駛方案，并通過車載信息系統將指令傳輸至公交車。此外還需利用公交車主動信號優先技術，減少公交車在交叉口的等待時間，運營控制系統如圖1所示。

圖1 公交專用道運營控制系統圖

在公交停靠站處，設置信息采集裝置和出站信號燈系統。停靠站信息系統采集雙向公交車的進出站情況，指揮公交車在合適的時刻駛離。根據故障導向型的交通控制原理，在無出站指令情況下，信號燈顯示為紅色，收到出站指令后信號燈變為綠色，待公交車出站完畢后，變回紅色，站臺信號燈的控制邏輯如圖2所示。

圖2 站臺信號燈控制邏輯圖

2 公交車運行調度模型設計

公交車運行調度模型的建立，目的在于保證公交車安全、快速地行駛至終點站。而公交車安全行駛至終點站可以簡化為公交車與行駛途中遇到的對向車在停靠站會讓，而停靠站的停車會讓時間最短正是調度模型中追求的“快速”。

2.1 假設與符號說明

2.1.1 基本假設

1)公交專用道系統中共有n個停靠站，上行首發站為“1”站，第二站為“2”站……終點站為“n”站;2)公交車在某站會讓等待發生在公交車到達該站之后，乘降客之前;3)該專用道系統僅供一條線路的公交車使用。

2.1.2 符號說明

1)n:專用道系統中的停靠站數量;2)i:停靠站序數，上行首發站i=1，第二站i=2……終點站i=n;3)m上:上行車發車班次序數(上行首班車的m上=1);4)m下:下行車發車班次序數(下行首班車的m下=1);5)ti:i站的乘降客時間(假設對向車在i站乘降客時間相同);6):第m上次上行車在i站因會讓而停車等待時間(當i=1時，即為第m上次上行車的發車時刻);7)第m下次下行車在i站因會讓而停車等待時間(當i=n時，即為第m下次下行車的發車時刻);8)Ti:i站與i+1站區間行駛時間(假設雙向公交車的行駛區間時分相同);9)k:第m上次上行車與第m下次下行車的會讓站;10)X:在一定時間內，上下行公交車發車班次對數。

2.2 建立數學模型

公交車欲順利行駛至終點站，在行駛途中需要與對向行駛車輛在停靠站會讓，會讓站情形分為以下兩類:

1)某兩輛公交車在始發(終點)站會讓。以“1”站為例，即k=1。第m上次上行公交車的實際發車時刻為:

公交車到達終點站后完成一次運輸任務，可認為公交車在終點站不存在等待時間，第m下次下行車到達1站的時刻為:

則第m上次上行車與第m下次下行車在1站成功會讓，只需滿足該次上行車發車時間晚于該次下行車到達時間:

等價于:

當兩個班次的公交車在n站會讓，同理，需滿足下行車發車時間晚于上行車到達時間:

2)某兩輛公交車在中途k(2≤k≤n－1)站會讓。上行第m上次公交車到達k站并開始乘降客的時刻:

下行第m下次公交車到達k站并開始乘降客的時刻:

第m上次上行車與m下次下行車在k站會讓，等價于后達車輛進站時，先達車正在乘降客或已完畢，完成會讓。即兩輛車到達k站的時間差不大于先達車的乘降客時間，等價于以下約束條件:

等價于:

至此，所有的會讓情況分析已結束，而k值的確定成為建立完整約束的關鍵。由于城市公交系統的站間距較小，任意一輛公交車在行駛過程中與對向行駛車輛依次在各站會讓，即可滿足線路上的公交車運行需求，而且往往是相當適宜的會讓方案，見圖3。

會讓方案確定后，只要給出上下行首班車的會讓站，根據遞推原理即可確定其他會讓方程的k值。當有n個停靠站時，k可以按照表1，表2進行遞推確定。當n為奇數時見表1。

此外每輛公交車在線路行駛過程中都追求停車避讓時間最短，轉化為系統目標，即所有公交車在各中間站等待時間和最小，即:

圖3 公交車會讓示意圖

表1 k值取值表(一)

當n為偶數時見表2。因此完整的模型為:

表2 k值取值表(二)

s.t.當1 ＜k＜n時:

當k=1時:

當k=n時:

注:Ti可以根據公交停靠站的客流確定，為常量。

3 案例仿真及分析

為了驗證這一專用道系統的效率，并探索它的交通量適用條件，假設案例如下:各車站的客流量相同，具有5個車站的公交專用道路段，發車7對，如表3所示。利用公交車運行調度算法求解，得到公交車行駛運行圖之后，通過Vissim仿真軟件對案例進行分析。仿真中鋪設道路長度3 km，依照實例設置公交車線路和停靠站，并將公交車期望速度定為45 km/h。為了突出運營模型，本次仿真并未考慮交叉口的諸多影響，但為了增加仿真的真實性，在社會車流中設置了部分阻滯車流，以模擬交叉口延誤的效果。

表3 案例數據假定

假設社會車流量的飽和流量為1 500輛/h，為了得到不同流量情況下公交專用道運營情況，設計了飽和率為 0.2，0.4，0.6，0.8，1.0和1.2六種仿真情境，分析社會車輛和公交車的行駛時

間與延誤時間，如圖4和圖5所示。

圖4 公交車行駛時間前后比較

4 結語

從仿真得出的數據中可以發現，雙向單車道公交專用道系統的作用效果與道路的飽和率有關。當道路飽和率較低時，該專用道系統的作用效果并不明顯。當道路的飽和率較大時，該專用道系統對公交車行駛狀況的改善效果才比較顯著。這是因為當飽和率較低時，公交車基本不受社會車輛的影響，但是隨著道路飽和率的增大，社會車輛對公交車的影響也增大，此時設置該專用道系統的優越性才突出。同時在道路通行能力范圍內，社會車輛的行駛時間也有了一定程度上的改善，這與公交車在單車道專用道上運行，社會車輛得到了更多的道路資源有直接關系。

圖5 社會車輛行駛時間前后比較

［1］雷蓮桂.公交專用道對道路交通的影響［D］.北京:北京交通大學，2008:3-5.

［2］王晴婉，宋家友.基于GPS_GPRS車輛監控終端設計與實現［J］.通信技術，2009(9):121-123.

［3］顧保南，葉霞飛.城市軌道交通工程［M］.武漢:華中科技大學出版社，2007.

［4］張國寶.城市軌道交通運營組織［M］.上海:上海科學技術出版社，2006.