基于人均延誤的交叉口公交專用進口道設置策略

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(1.安徽三聯學院交通工程學院，安徽 合肥230601) (2.國家車輛駕駛安全工程技術研究中心，安徽 合肥230011)

公交優先作為能夠緩解城市城市交通擁堵的重要手段，大量的研究學者對公交優先技術進行了諸多研究，鄧瑞萍建立了綠燈延長和紅燈縮短控制策略下的影響延誤模型，針對公交車的不同發車頻率分析其優先控制前后的車輛延誤變化[1]；別一鳴等提出以各相位飽和度為約束，交叉口不發生擁堵情況下的單點主、被動有限優先的相關策略[2]；張鵬等考慮交叉口的信號配時和公交站臺因素，提出公交優先車速引導方案，實現公交車不停車通過交叉口[3]；張秀俠等采用系統比較及層次分析方法，從總體發展水平、基礎設施建設、公交服務水平、政策扶持四個角度構建了公交優先績效評價的指標體系[4]；劉昱崗等以車輛延誤和停車率最小為目標建立多目標規劃配時模型，基于公交優先進行相位設計對傳統配時方案改善[5]；崔笑川等以交叉口人均延誤最小為目標，考慮公交專用道影響因素，利用延誤偏差優度指數建立信號配時優化模型[6]；葛曉燕在保證公交優先的同時考慮了環境因素，分別以降低燃油消耗和車輛尾氣排放為目標進行信號配時優化[7]；郭海鋒等以公交車平均等待時間最小為目標構建函數，減少非執行相位增加的延誤，提高執行相位公交的優先通行率[8]；朱曉寧等建立了多路公交優先交叉口配時優化的雙層規劃模型，均衡非優先相位的損失，降低交叉口及下游公交站臺的乘客延誤[9]。上述研究中，主要是在信號控制交叉口公交優先主要集中在有公交路權優先情況下，對公交在通過交叉口時進行時間方面的優先研究，而對于公交專用道的設置與否，及公交空間優先方面的效益研究較少。

文章在韋伯斯特信號配時公式的基礎上，將人均延誤作為交叉口效益評價指標，針對信號控制交叉口，分別建立了無公交專用進口道和有公交專用進口道兩種情況下的交叉口人均延誤模型，并對兩種情況的人均延誤進行對比分析，在此基礎上制定交叉口公交專用進口道的設置策略，為交通管理者進行公交專用道的設置與否提供決策依據。

1.交叉口公交優先專用進口道設置條件

城市道路中，交叉口大多是固定信號控制十字形式，公交優先也主要應用于此類交叉口中，具有很強的代表性，因此在研究過程中，研究對象是十字形交叉口，信號配時方案為固定信號周期與相位，公交車線路直線通過交叉口，公交車的通行權與交叉口直行車輛的相位配時相同，公交優先專用進口道為路中形式。

假設交叉口進口道現狀直行車道數為N，有空間條件來設置公交專用進口道，總車輛數為q，各直行車道的車輛到達類型隨機，即各車道車輛數與車型比例相同，則各直行車道的車均延誤也相同，結合《城市道路設計規范(037CJJ-2012)》與《公路工程技術標準(JTGB01-2014)》中的中的車型比例劃分，交叉口進口道進口道各車型的比例、當量換算系數、平均載客人數見表1。

表1 各車型比例、當量換算系數、平均載客人數

2 交叉口人均延誤模型

2.1 無公交專用進口道人均延誤模型

在2010年發行的美國通行能力手冊中，對于現有交叉口，其進口道各車道的車均延誤由兩部分組成，分別是均勻延誤和隨機延誤，均勻延誤是指進口道車輛均勻到達所產生的均勻延誤，隨機延誤是指進口道車輛隨機到達并引起超飽和周期所產生的延誤。當交叉口進口道無公交專用道時，根據前面假設，各直行車道的車輛到達類型隨機，即各車道車輛數與車型比例相同，則各直行車道的車均延誤也相同，車均延誤如下：

d0=d01+d02

(1)

式中：d0為交叉口進口道無公交專用道時各車道車均信控延誤，s/pcu；d01為交叉口進口道無公交專用道時的均勻延誤，s/pcu；d02為交叉口進口道無公交專用道時的隨機附加延誤，s/pcu。

(2)

(3)

式中：為周期時長，s；λ為所計算車道的綠信比；x為所計算方向的飽和度；CAP為常規相位下所計算方向的通行能力，pcu/h；T為分析時段的持續時長，h，取0.25h；e為單個交叉口信號控制類型校正系數，定時信號取e=0.5；x0為交叉口進口道無公交專用道時的飽和度。

2.2 有公交專用進口道人均延誤模型

對于設置了公交專用道的交叉口，需對公交專用車道和社會車輛車道的車均延誤分別進行建模計算，最終要按各自的交通量比例和載客數加權得出整個進口道的人均延誤。

(1)社會車輛車均延誤為：

ds=ds1+ds2

(4)

式中：ds為交叉口進口道有公交專用道時社會車輛車均信控延誤，s/pcu；ds1為交叉口進口道有公交專用道時社會車輛的均勻延誤，s/pcu；ds2為交叉口進口道有公交專用道時的社會車輛的隨機附加延誤，s/pcu。

(5)

(6)

式中：xs為交叉口進口道有公交專用道時社會車輛的飽和度，其他字母含義與前文相同。

(2)公交車輛的車均延誤為：

db=db1+db2

(7)

式中：db為交叉口進口道有公交專用道時公交車車均信控延誤，s/pcu；db1為交叉口進口道有公交專用道時公交車的均勻延誤，s/pcu；db2為交叉口進口道有公交專用道時的公交車的隨機附加延誤，s/pcu。

(8)

(9)

式中：xb為交叉口進口道有公交專用道時公交車的飽和度，其他字母含義與前文相同。

(3)進口道綜合人均延誤為：

(10)

式中：字母含義與前文相同。

3 交叉口公交專用進口道設置策略

結合上述兩種情況下的人均延誤模型及相關公式，建立兩種延誤相等情況下的聯立模型，可通過模型求出兩種延誤相等情況下公交專用道時公交車的飽和度臨界值xb，模型如下：

(11)

式中：字母含義與前文相同。

4.實例應用

以國內一典型四相位十字交叉路口實際調研數據為例，右轉不設專用相位(即車輛右轉不受信號控制)，選取其東西方向進口道進行分析，有兩條公交線路且都直行通過交叉口，公交車平均發車間隔15min，該方向直行車道數N為4條，車道寬度大于3米，道路無縱坡，無自行車影響，統計小時的車輛數q為527輛/h，當量總交通量Q為618當量，其中各車型比例、數量、當量換算系數與平均載客人數見表2，可知大車率為0.168，信號周期C為122s，直行相位綠信比λ為0.22，一條直行車道的標準飽和流量[10]為1650pch/h，校正后的飽和流量ST為1373pch/h，則單車道的通行能力CAP為302pch/h。

表2 交叉口進口道直行流量特性

根據上表當前實際調查數據進行計算，無公交專用進口道的情況下，交叉口車均延誤為46.48s/pcu，則人均延誤46.48s/人；有公交專用進口道的情況下，社會車輛車均延誤為51.47s/pcu，公交車輛的車均延誤37.83s/pcu，綜合人均延誤為49.19s/人；無公交專用進口道的情況下交叉口人均延誤較小，說明設置公交專用道反而會增加交叉口的人均延誤，因此不宜設置公交優先專用進口道。

圖1 交叉口設置公交專用道前后人均延誤對比

現針對不同的公交車數量，基于公交專用道設置與否兩種情況下的人均延誤模型，進行仿真計算，結果如圖1所示，當公交車數量較少，社會車輛流量比例較大時，設置公交專用進口道對于交叉口人均延誤的減小并不是特別明顯，而當公交車達到一定比例，每小時達到23輛以上，設置公交專用進口道的交叉口綜合人均延誤將比未設置公交專用進口道情況下的人均延誤小，雖然設置公交專用進口道會占用社會車輛的道路空間資源，但提升了交叉口的整體運行效益。

5.結論

(1)在交叉口有限的道路空間資源下，設置公交專用道，因公交車的載客人數較多，隨著公交車比例的逐漸增加，交叉口進口道人均延誤逐漸減小；

(2)當公交車比例較小時，設置公交專用進口道的人均延誤較未設置公交專用進口道時的人均延誤大，不宜設置公交專用道；

(3)當公交車達到一定比例，設置公交專用道的人均延誤將小于未設置公交專用道情況下的人均延誤，此時在有限的道路空間資源下設置公交專用進口道將提升交叉口運行效益。