公交停靠站对相邻车道通行能力的影响_杨晓光

1、文章编号:1001-4098(200908-0074-06公交停靠站对相邻车道通行能力的影响X杨晓光1,徐辉2,龙科军2,谭振霞2(1.同济大学道路与交通工程重点实验室,上海201804;2.长沙理工大学交通运输工程学院,湖南长沙410076摘要:针对城市道路中路边式与港湾式公交停靠站,由于公交车辆的停靠,对路段相邻车道通行能力将产生一定的影响,结合交通流理论和排队论的相关成果,分别从定性分析与定量计算两方面进行研究。以公交进出停靠站对相邻车道的影响时间为基础,建立了公交影响时间模型,进而推导出路边式、港湾式无溢出、港湾式有溢出三种情况对相邻车道通行能力模型,并通过仿真对模型进行检验。在此基础

2、上,对模型结果、仿真结果在不同公交流量与社会流量条件下进行模型结果分析,给出路边式与港湾式公交停靠站的设置条件。关键词:交通工程;通行能力;公交停靠站;交通流;排队论;仿真中图分类号:U491文献标识码:A公交停靠站是乘客上下公交车最基础的设施,按照设置形式不同可以分为直线式和港湾式两种。直线式停靠站在公交车辆停车时,占用外侧机动车道,使得后续车流不得不变换车道,减少了停靠站相邻机动车道的通行能力1,同时在交通负荷比较高的情况下,机动车变换车道对次外侧机动车道也产生很大的影响;与直线式公交站点相比,港湾式停靠站在一定程度上规范了驾驶员的进站行为,减少公交车辆对旁侧与后续交通的干扰,增加安全性,

3、但是当车道流量达到一定程度时,若采用港湾式停靠站,公交车将无法驶回原来的路线,使公交车的延误加大,此外,公交车在进出停靠站的过程中争道抢行,社会车辆为了保证安全又不得不对其施行避让,增加了相邻车道社会车辆的延误,严重影响了相邻车道的通行能力。这两种设置模式在交通负荷高的情况下容易形成时空上的瓶颈,造成交通阻塞。国内外学者对此进行了大量研究,L arr y A.Bo w man 和M ark A.T ur nquist2对无公交专用道的非港湾式停靠站的通行能力进行了研究,得出了通行能力计算模型来评价公交站点处乘客接受服务所需等待时间的灵敏度;美国通行能力手册(HCM20003中,对公交车辆进出停

4、靠站对道路通行能力影响进行研究,没有考虑公交车的平均停靠时间,以及进出站的加减速所需花费的时间;王茜等4针对公交占用机动车外侧混合车道停靠的情况进行了定量分析,得出了公交停靠损失时间、建立了由于公交停靠引起的信号交叉口通行能力变化模型,彭庆艳等5针对不同的因素对停靠时间的影响,建立了公交中途停靠站时间模型;杨孝宽等6利用公交影响时间来建立停靠站对路段通行能力影响模型,但模型中对具体时间是采用调查数据拟合。综上所述,国内外学者对停靠站通行能力以及停靠时间的研究较多,而对停靠时间对相邻车道通行能力的折减研究相对不足。鉴于此,本文对设在路段上的两种公交停靠站模式的停靠站时间进行分析,得出相应的损失时

5、间模型作为相邻车道通行能力的影响系数,为公交停靠站处相邻车道的通行能力修正提供依据。1公交停靠站车辆运行特性分析1.1公交站点设置模式公交站点的纵横向设置模式有多种,本文主要研究城市道路中路段上常见的路边式与港湾式两种,第一种是不受非机动车影响的路边式公交停靠站,这种站点形式简单、易于设置,此种模式的公交站点影响的是自身所停靠的外侧车道的通行能力,具体设计模式如图1所示;第二种是不受非机动车影响的港湾式公交停靠站,公交车在停第27卷第8期(总第188期系统工程V ol.27,N o.8 2008年8月Systems Engineering A ug.,2009X收稿日期:2009-04-27基

6、金项目:国家自然科学基金资助项目(70631002;50608010;湖南省教育厅青年项目(06B006作者简介:杨晓光(1959-,男,江苏宿迁人,同济大学教授,博士生导师,研究方向:智能交通运输系统,公共交通运输系统,交通系统控制与管理,交通系统分析与设计。靠站上下客时对外侧车道无影响,但是进出停靠站对外侧车道产生影响,此种模式的公交站点影响的是与停车泊位相邻的最外侧车道,具体设计模式如图2 所示。1.2公交进出停靠站运行分析(1路边式公交进出停靠站特性分析对于路边式公交站点,在公交车停靠静止阶段(即开关门和上下客,公交车辆将占用一条车道,形成道路瓶颈,对道路通行能力产生折减,停靠时间越长

7、,道路通行能力折减程度越大。因此,采用公交占用站台时间描述路边式停靠站公交停靠静止阶段对交通流的影响。美国的T ransit Capacity and Quality o f Ser vice M anual -2nd 7描述的是一个车门的情况,本文新增了上下客车门分开的情况,具体路边式公交停靠时间计算模型如下:t d =P a t a +P b t b +t oc ,任意车门都可以上下客max P a t a ,P b t b +t oc ,上下客车门分开(1其中:t d 指平均停靠时间(s ;P a 指最忙碌车门的下车乘客数(人;t a 指下车乘客服务时间(s/人;P b 指最忙碌车门的上

8、车乘客数(人;t b 指上车乘客服务时间(s/人;t oc 指车辆开门和关门时间(s 。(2港湾式公交进出停靠站特性分析研究表明公交车辆的到达符合负指数分布,到达率为K ,根据调查及经验,公交车辆的停靠时间服从服务率为u 的负指数分布。对于港湾式公交停靠站S 个停车泊位可以看作是S 个服务台数,并且到达的公交车辆均按先后顺序进站,且按照由远至近的停靠原则,这样就能保证停车位得到尽可能充分利用,即只要有停车位空闲,公交车辆就可以进站接受服务。则公交进站过程可以近似用M /M /S 排队服务系统来表示,服务强度用Q 表示。公交车站只对在该站停留的公交车辆提供服务,而且所有的公交线路的发车频率之和可

9、以表征该站的公交车辆平均到达率,所以有:K =mi =1P i(2u =1t d (3Q =K S u(4其中:K 指研究站点的公交车辆到达率(v eh/s;P i 指通过所研究站点的第i 条公交线路的发车频率(v eh/h;m 指通过所研究站点的公交线路总数;u 指公交站点对公交车辆的服务率(v eh /s 。2公交停靠站对相邻车道通行能力影响为了建立更适合城市道路路段公交停靠站对相邻车道通行能力的影响模型,提出以下假设条件:公交车辆按先后顺序进出停靠站,并且按照由远至近的原则停靠;公交停靠站设置于路段,不受交叉口及沿线进出交通的影响;公交停靠站设置于机动车道最外侧,不受非机动车以及行人的影

10、响;公交进站、出站认为对相邻车道通行能力产生影响;公交车出站时需让行机动车道上的社会车辆,待寻找足够的间隙再汇入机动车道;公交车在进入停靠站之前认为公交车在最外侧车道行驶,无变换车道过程。2.1公交进出站或停靠影响时间本文研究的公交停靠站对相邻车道通行能力影响是基于公交车停靠对道路时间上的消耗,造成通行能力的折减。公交进出站影响时间(T i 是指一个小时内所有公交车停靠某个停靠站的时间之和(对于路边式停靠站或者进出某个停靠站影响时间之和(港湾式停靠站。因此,对于不同类型的停靠站影响时间的计算方法不同。对于路边式公交停靠站而言,公交影响时间指公交车辆停靠后开关门以及上下客时间;对于港湾式公交停靠

11、站而言,分成排队无溢出与排队有溢出两种情况分析:对于排队无溢出的公交影响时间指的是减速进站、加速离站与出站寻找足够的车流间隙而引起停车延误的时间之和,对于排队有溢出的情况,则需再加上排队溢出公交车等待进站的时间。则公交影响时间对相邻车道通行能力的折减率用f 表示,代表的是公交一个小时内总的影响时间所占的百分比,即:f =T i3600(5其中:T i 表示公交进出或停靠影响的时间,下标i 代表不同停靠类型。75第8期杨晓光,徐辉等:公交停靠站对相邻车道通行能力的影响2.2相邻车道通行能力影响模型(1通行能力计算模型无论是路边式还是港湾式,都是由于公交车进出站及停靠造成对相邻车道的通行能力影响,

12、所以可以用式(6来计算相邻车道通行能力值;然后分别对路边式与港湾式公交停靠站两种停靠影响时间进行详细的研究,建立公交影响时间模型。C=C p(1-f=C p(1-T i3600(6其中:C指道路设计通行能力(pcu/h;C p为道路可能通行能力(pcu/h。(2路边式停靠站对相邻车道通行能力影响根据以上分析可知,路边式公交停靠站影响公交车所停靠的车道通行能力,影响时间为公交停靠静止阶段的时间之和,分别有两种情况:一种是当公交停靠时间小于道路车流的平均车头时距,则认为对道路没有影响;另一种是当公交停靠时间大于道路车流的平均车头时距时,则公交停靠对道路通行能力产生影响。假设所研究机动车道的车流量为

13、q1(veh/h,停车时间为t d(s,则机动车道的平均车头时距h t1可表示为:h t1=3600q1(7路边式停靠站公车停靠影响时间模型为:T1=K(t d-h t1=0,t dh t1K(t d-36001,t dh t1(8其中:T1表示一小时内路边式公交停靠上下客与开关门的时间之和。则根据式(5、式(6、式(8可得路边式公交停靠站影响相邻车道通行能力为:C1=C p(1-T1 3600=C p,t dh t1C p1-K(t d-3600q13600,t dh t1(9其中:C1为路边式公交停靠站对相邻车道通行能力修正后得出的值(pcu/h,t d可通过式(1计算得出。(3港湾式停靠

14、站对相邻车道通行能力影响假设排队无溢出的情况港湾式停靠站公交车停靠无溢出的影响时间可以通过两个部分来计算,第一部分计算公交进出站对相邻车道的延误时间,第二部分计算公交车出站寻找足够车头间隙而停车等待的延误时间,而停靠载客时间认为对相邻车道无影响。进出站加减速延误时间:进站延误时间是指平均行驶速度为v减速到速度为0的情况,则延误时间为:D d=t0(1-a d t+0vdt=t-a d2v t2(10由于t=va d,则可以推导出进站延误时间为:D d=v2a d(11同理可得:加速出站延误时间为:D a=v2a a(12所以进出站总的延误时间为:t ad=v2a a+v2a b=v2(1a a

15、+1a b(13其中:t ad为进出站延误总时间(s,D a、D d分别为加速损失时间和减速损失时间(s;v为行驶速度(m/s;a a、a d分别为起动平均加速度(m/s2、制动平均减速度(m/s2。若考虑公交停靠受自行车或其它交通流干扰时,t ad的取值应适当增加。出站停车延误时间:公交出站延误时间是指由于相邻车道的机动车辆没有足够的车头间隙,使得公交车进入相邻机动车道而造成停车的损失时间。由间隙接受理论8-9与排队论10可知,将等待时间看成一个M/M/1的排队系统中的延误时间,设相邻机动车车道的交通流量为q2 (v eh/h,而公交车辆从公交车站进入机动车道所需的临界间隔为S(s,机动车车

16、头时距服从负指数分布,则有:P(h t2S=e-q2S3600(14 t s=E(t=1q23600e-q2S3600-3600q2-S(15由式(7和式(15可得出:t s=E(t=h t2e-q2-h t2-S(16其中:t s为公交出站停车延误时间(s,h t2为相邻车道平均车头时距(s。则由式(13和式(16可得出港湾式停靠站公交车无溢出的总停靠影响时间为:T2=K(t ad+t s=Kv2(1a a+1a b+h t2e-q2S-h t2-S(17有溢出的情况公交有溢出的情况可近似用排队论的知识来建立公交车辆的排队等待时间,则公交站点的排队系统可以用M/M/S系统进行近似分析。根据排

17、队论中生灭过程的平衡分布11可得:P0=1s-1n=01n!Kun+1s!(1-QKus(18其中:P0表示没有公交车等待的概率。根据李太勒(L itt le公式可以推导出溢出公交车平均等待时间为:76系统工程2009年t w =L qK=n =s (n -s P nK=n =sn -s s n -s s !KunP 0K=(s Q s Q P 0s !(1-Q 2K(19其中:t w 表示溢出公交车平均等待时间(s ,L q 为平均排队长度(m ,n 表示排队的车辆数(v eh 。另外,当公交出站不满足可接受间隙时,公交车必须等待,即为式(16的停车延误时间,本小节研究的是公交车辆有溢出的情

18、况,当公交出站等待时认为路边等待进站的公交车辆不能顺利进站,所以停车时间还需再加上出站延误时间。因此,对于排队有溢出的公交车总影响时间可由式(17和式19得出:T 3=K (t 2+t w =Kv 2(1a a +1a b +2(h t 2e -q 2S -h t 2-S +(s Q s Q P 0s !(1-Q 2K(20将T 2和T 3代入式(6可以分别计算出港湾式公交停靠站排队无溢出与排队有溢出对相邻车道通行能力值。C 2=C p (1-T 13600=C p1-K v 2(1a a +1a b +h t 2e-q 2S -h t 2-S 3600,无溢出C p1-K v 2(1a a

19、+1a b +2(h t 2e -q 2S -h t 2-S +(s Q s Q P 0s !(1-Q 2K 3600有溢出(21其中:C 2为港湾式公交停靠站对相邻车道通行能力修正后得出的值(pcu /h 。3模型检验综上所述,考虑两种公交停靠站设计模型影响下对相邻车道通行能力计算方法主要由3部分构成:路边式公交停靠站对相邻车道通行能力影响模型;港湾式公交停靠站无溢出对相邻车道通行能力影响模型;港湾式公交停靠站排队溢出对相邻车道通行能力影响模型。下面用仿真的方法对这3个模型进行检验 ,比较在各种相同输入条件下,模型计算结果与仿真结果之间的差异。所采用的仿真软件为V ISSIM 4.30,通过

20、调整驾驶员行为参数及车速,对公交车辆不同到达频率得出的公交影响时间所占比例进行标定,以保证计算模型和仿真具有相同的输入条件。3.1路边式停靠站对相邻车道 通行能力影响模型检验本节对2.2节(2中的路边式停靠站对相邻车道通行能力影响模型进行仿真检验。基本参数条件为:公交开关门时间为3s ,上下客车门分开,上下客时间为15s ,损失时间为2s;公交车辆的到达率K 分别取10veh/h 、20veh/h 、30v eh/h;相邻车道的流量选取1001200veh/h 。最终用公交影响时间对相邻车道通行能力的折减率(f 表示对相邻车道的影响程度,并给出不同公交到达率条件下模型计算结果与仿真结果对比如图

21、3所示,平均误差为3.1%。图3路边式停靠站对相邻车道通行能力模型检验3.2港湾式停靠站排队无溢出对相邻车道通行能力模型检验本节对2.2节(3中的港湾式停靠站对相邻车道通行能力影响模型进行仿真检验。基本参数条件为:公交车辆进出停靠站的加减速度分别取a a =0.8m/s 2、a d =1.5m/s 2;公交车辆的平均行驶速度为30km /h ,到达率K 分别取10veh/h 、20veh/h 、30veh/h;相邻车道的流量选取1001200v eh/h;公交车辆从停靠站进入机动车道所需要的临界间隔为7s,机动车车头时距服从负指数分布。最终用公交影响时间对相邻车道通行能力的折减率(f 表示对相

22、邻车道的影响程度,并给出不同公交到达率条件下模型计算结果与仿真结果对比如图4所示,平均误差为2.7%。图4港湾式停靠站无溢出对相邻车道通行能力模型检验3.3港湾式停靠站排队溢出对相邻车道通行能力模型检验本节对2.2节(3中的港湾式停靠站对相邻车道通行能力影响模型进行仿真检验。由于公交溢出港湾停靠站77第8期杨晓光,徐辉等:公交停靠站对相邻车道通行能力的影响情况是基于无溢出的情况,所以,港湾停靠站无溢出基本参数条件都满足,另有基本参数条件为:公交到达率K 分别取20v eh/h 、30veh/h;停靠站服务时间u 为20s,停靠站泊位数取S =1,则排队系统为M /M /1系统;相邻车道的流量选

23、取1001200v eh /h 。用公交影响时间对相邻车道通行能力的折减率(f 表示对相邻车道的影响程度,并给出不同公交到达率条件下模型计算结果与仿真结果对比如图5所示,平均误差为2.4% 。图5港湾式停靠站有溢出对相邻车道通行能力模型检验4模型结果分析通过建立模型及对模型的仿真检验证明模型具有较高的准确度,本节将从路边式停靠站、港湾式停靠站两种情况对模型的适应性进行分析。4.1路边式停靠站对相邻车道通行能力影响结果分析从图3可以看出,当公交到达率为10v eh /h 时模型计算结果与仿真值很接近,当社会车辆到达率不大于300v eh /h 时对相邻车道通行能力没有影响,主要因为公交停靠时间小

24、于社会车辆的平均到达率,当社会车辆到达率大于400veh /h 时,曲线变化趋势趋于平缓,对相邻车道通行能力的影响基本为定值。公交到达率为20veh /h 、30veh /h 时,由于在仿真中车流是随时到达,某些时间段车辆到达数较多或较少造成仿真结果上下波动,但总体与计算结果吻合的较好,而且当社会车辆到达率为200500v eh /h 影响比较明显;当公交车辆速度为30km /h 、社会车辆速度平均为40km /h 时,对于某固定到达率的公交车辆的影响时间为定值,从图3中可以看出,当社会车辆到达率为1100veh /h 时公交影响时间基本仅与公交车到达率有关,此时外侧车道通行能力也只有1100

25、v eh /h ,这可作为有路边式公交停靠站影响下的外侧车道设计通行能力建议值。4.2港湾式停靠站对相邻车道 通行能力影响结果分析由于港湾式公交停靠站公交车有无溢出情况变化趋势基于相同,本节将一起分析对相邻车道通行能力的影响。从图4、图5可以看出,模型计算结果与仿真结果吻合的较好,当公交流量达到30veh/h 、相邻机动车道流量达到1200v eh/h 时,公交停靠时间对相邻道路的通行能力折减分别达到24.5%、25.6%,公交车的延误将迅速上升;当相邻机动车流量继续增加时,公交出站将寻找不到足够的车头间隙,公交车将一直在站内等待,使得后续到达的公交车辆在路边排队,后续社会车辆绕过公交车辆继续

26、在外侧车道行驶,以至于公交不能出站形成死循环,此时必须通过拓宽道路等工程手段来解决。同时,本节对于港湾式公交停靠站,当公交车辆达到12v eh /h 时,将模型计算结果、仿真结果与HCM 2000中的平均重返延误进行对比(车辆随机到达,得到的对比如图6所示。结果表明,模型计算结果、仿真结果与HCM 结果拟合的很好,而且随着相邻机动车流量的增加,重返延误将迅速增大。图6重返延误在不同到达率下各模型结果对比5结语公交停靠站对道路通行能力具有一定的影响,如果是路边式停靠站且没有设置超车道,公交车辆在站台停靠等待时,则会在路段上产生交通瓶颈,即对于社会车辆来说停靠站路段通行能力小于正常路段的通行能力,

27、公交车辆停靠时间越长,则对相邻车道通行能力影响越大;如果是港湾式停靠站,公交车辆到达率很小时,对社会车辆产生的影响较小,当公交与相邻车道社会车流量不断增加时,公交重返延误加大,后续到达公交车辆在路边排队等待,将对相邻车道通行能力产生严重的折减。论文建立了不同站点形式下对相邻车道通行能力影响,得出了能够定量分析的影响模型,并对模型计算结果与仿真结果进行对比,最终对模型结果进行了分析,给出一些结论。结果表明模型对相邻车道通行能力折减率的计算具有重要的实用价值,分析的结论能够为城市道路建设提供参考依据,减少公交停靠站对道路路段形成的时空瓶颈。现实中公交出站并不一定让行社会车辆,某些公交车78系统工程

28、2009年第 8 期 杨晓光, 徐辉等: 公交停靠 站对相邻车道通行能力的影响 抢道 出站, 迫 使路段交 通流减速, 流量大 时可能 行成道 路 交通 拥堵, 这 些问题有 待于进一步 的研究, 今后 将对公 交 停靠 站近交叉口 设置对道 路进出口道 通行能力 以及交 叉 口通行能力的影响程度展开深入的研究 。 79 影响分析 J . 土木工程学报, 2003, 36( 1 : 5874. 5 彭庆艳, 杨东援. 公共 汽车中途站停靠时 间模型 J . 长安大学学报( 自然科学版 , 2002, ( 1 : 6365. 6 杨孝宽, 曹静, 宫建. 公 交停靠站对基本路 段通行能 力影响

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30、教材编写 组. 运 筹学( 第三版 M . 北 京: 清华大学出版社, 2005: 301 339. 11 王玮. 道路交 通工程系统 分析方法 M . 北京: 人 民交通出版社, 2005: 137163. 参考文献: 1 寇学智. 道路通行能 力制约因素分析 J . 华东公路, 1999, ( 2 : 2527. 2 Bo wma n L A , T umquits M A . Serv ice fr equency, schedule r elia bility and passeng er wait times at tr ansit sto ps J . T r anspo rtat

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