直線式多站臺公交車站交通流特性的研究

梁玉娟 韋蘭香 鄧衛娟 唐秀福/河池學院物理與機電工程學院

直線式多站臺公交車站交通流特性的研究

梁玉娟 韋蘭香 鄧衛娟 唐秀福/河池學院物理與機電工程學院

基于元胞自動機NaSch 交通流模型，提出了直線式多站臺公交車站設置的雙車道元胞自動機交通流模型，計算機數值模擬結果表明：在周期邊界條件下，直線式多站臺公交車站的設置對交通流有較大的影響，但不同停泊車位數對應的車流量沒有按照一定的趨勢變化，且站臺長度對交通流的影響情況沒有公交車占有比例對交通流影響那么明顯。

元胞自動機；直線式；多站臺公交車站；雙車道

公交車中途停靠站是城市最基礎的公交設施，幾乎分布在城市任何一條有公交車輛運行的道路上，雖然只占城市道路很短的一段，但對路段通行能力影響卻很大，是交通擁堵常發地段。在城市的中心區或老城區，由于建設年代早，道路寬度較窄，難以設置港灣式中途停靠站，多數是沿路側設置直線式中途停靠站，且不同線路公交車停靠常設置在同一站點。公交車站停靠能力是反映公交車站能提供公交車停靠服務能力大小的指標，是公交基礎設施提供公交服務的最大供應量，它受停靠站的停車區域長度的限制[1,3]，如果站臺過短，就不能發揮公交車停靠站的作用，反而會影響道路的通暢；相反，站臺過長，不僅會浪費道路資源，還不利于車輛的有序停靠，不方便乘客的上下車[2-3]。合理的站長既能充分利用道路的交通設施，又能滿足對公交服務的要求，同時又能減輕停靠站附近環境的污染[3]。關于公交車站對交通流的影響已有許多學者對其關注[3-9]，而關于數值模擬研究站臺長度對交通流的影響卻較少見，本文應用NaSch模型數值模擬不同站臺長度對交通流的影響情況。

1.模型與規則[3-5]

本文只研究直線式公交車站點，經過同一路段的所有線路公交車都集中在同一個站點在車道上進站停靠。一般道路系統都是由多條車道組成，為簡化問題，采用雙車道模型，如圖1所示。

圖1 直線式公交車停靠站的雙車道模型

將城市道路看作是左右兩條并列的、含有L個格點（cell）的一維離散格點鏈，這里長度均以格點為單位，做無量綱化處理。對應實際道路長為7.5m的每個格點每一時刻或被一輛車占據或為空。假設道路上只有公交車和小汽車，并不計車輛長度。公交車站設在道路的中部，小汽車、公交車、公交車站分別用不同條紋的格點表示。A為統計流量的監測器，設在公交車站之前。考慮到車輛的加速、減速過程，建模時引入了隨機慢化的概率，用車速v表示車輛的狀態，v允許在{0,1,2，…，vmax}范圍內取值，vmax為最大車速。公交車體積大，速度小，取vmax=2cell/s=54km/h；小汽車雖然體積小，速度大，但市內交通擁擠，取vmax=4cell/s=108km/h。左車道為快車道，右車道為慢車道且設置有公交車站點，因此，慢車道按公交車比例f=0.1隨機混合地分布小汽車和公交車，而快車道只隨機分布一種小汽車，車輛一旦分布到車道上，令其立即獲得一個v∈[0，vmax]的車速。設車輛從左到右，可變換車道在兩條車道上循環行駛，并設兩種車輛具有相同的隨機慢化概率p=0.25。公交車輛在公交車站處不允許超車，實行先到先進站先行的原則，而車輛狀態演化的更新規則、公交車站處小汽車運行規則、車輛換道規則均與文獻[3-5]的一致。

2.數值模擬與分析

圖2 公交車比例f=0.1時的基本圖：（a）為左車道；（b）為右車道

圖2表明：①公交車比例較小時，兩車道的流量都比較大，因為車道上主要是速度較大的小汽車，公交車后面的小汽車可以通過換道行駛，公交車站的“瓶頸”限制作用較弱。②左車道的流量比右車道的大，當車流密度時兩車道對應的流量都最大，兩個最大值之差為0.3073，這主要是由于右車道設有公交車站，公交車是占道停靠服務，其后的公交車需等待停靠，而小汽車則尋找時機轉到左車道上，因而左車道上主要是速度較大的小汽車，而右車道主要是速度較小的公交車。③密度很小或者很大時不同停泊車位數對應的流量幾乎重合在一起，隨密度呈線性增大或線性減小，因為低密度時，車輛相互干擾小能自由行駛，流量主要由車速決定；而高密度時，車輛間相互作用非常大，車速都很小，公交車站對車流的影響減弱，流量主要由密度決定。④中等密度區域出現一個近似平臺的流量區域，因為f較小，車輛還能保持相對較大的車速，在遇到公交車進站占道停靠時，其上游的公交車、小汽車或減速或轉道，出現時停時走的交通現象。⑤中等密度區域，N=5對應的流量最小，N=2對應的流量最大，N=1、6對應的流量較小，與N=4的接近，介于最小最大值之間，同一密度對應最大流量與最小流量的差值很小，在0.1以下。流量隨著N的增多沒有按照某一種趨勢變化，這是與公交車站的停靠能力有關，而停靠能力除了與站臺長度、停靠時間有關外，還受公交車到達率和路段交通狀況等因素的影響[2]。N=1，在公交車較多的情況下，公交車相繼到達車站，后面到達的公交車要排隊等候進站；N=6，相鄰兩輛公交車到達車站有一定的時間間隔，當最前方的公交車停靠服務完畢離開時，緊跟其后的公交車又未服務完畢，車站處公交車又不能超車，那么后面到達的公交車也只能在后面排隊等候，這兩種情況公交車站的“瓶頸”作用時間增大，因而對應的流量相應較小。

圖3、圖4是公交車比例f=0.1，公交車站點及其前后200個格點對應不同停泊車位時兩車道的時空演化斑圖。橫軸表示位置，縱軸表示時間，黑點表示有車輛占據格點，白點表示格點為空，不連續的黑點則表示從相鄰車道換道過來的車輛。圖中白色區域是道路的間隙；明顯的黑色區域是車輛局部擁堵狀態；灰色區域是車輛暢通行駛狀態。由斑圖可知，①N=2、3時，公交站點及其上游路段有比較大的阻塞區域；②N=1、4、5、6時，公交站點及上游路段出現了不連續的擁堵區域，且向上游方向傳播，表明車站前（上游方向）出現了時走時停的交通波現象；③車站后面（下游方向）阻塞逐漸消散，但右車道白色區域比較多，表明鄰道的小汽車未能急時換道過來；④左車道的車輛密度大，車站下游，白色區域很少，道路利用率高，阻塞消散得迅速，處于自由流狀態。斑圖也同樣能說明基本圖的變化趨勢。

圖3 公交車比例f=0.1，車流密度ρ=0.15，不同停泊車位時左車道的時空演化斑圖

圖4 公交車比例f=0.1, 車流密度ρ=0.15，不同停泊車位時右車道的時空演化斑圖

3.結論

直線式公交車停靠站，公交車輛是占道停靠服務的，此時雙車道變成一條車道，顯然公交車站成了道路的瓶頸，是造成交通擁堵的重要因素，但車輛可以轉道、超車，在一定程度上又可以緩解排隊擁堵現象。模擬結果表明：直線式多站臺公交車站對交通有較大影響，但車流量沒有隨著停泊車位數的增加而按照一定的趨勢變化，在公交車比例為0.1的條件下，N=2時通行能力最大，N=5時通行能力最小，N=1、4、6通行能力接近，介于最小最大值之間，同一密度對應最大流量與最小流量之差在0.1以下，與文獻[3-5]比較，站臺長度沒有公交車占有比例對交通的影響那么明顯。

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廣西高校重點科學技術項目（2013ZD059）；廣西高校優秀人才資助計劃項目（桂教人[2011]40號）； 河池學院重點科研項目（2012YBZ-N006）。