公交出入口停靠站通行能力设置研究

公交出入口停靠站通行能力设置研究

0相关研究文献公共汽车站是道路上的基础设施，根据位置可分为两种类型：路段和交叉口。路段上设置港湾式公交停靠站,方便公交车停靠,减少了公交车停靠与社会车辆之间的相互干扰,在一定程度上提高了通行效率。但是从公交车的角度而言,在进出站台时增加了公交车的行驶距离,同时出站时必须等待社会车辆的间隙插入驶出,增加了公交车等候出站时间,造成公交车在站点内拥堵概率的增加;并且当公交车出站汇入主线社会车流时,会引起主线车速的下降,影响主线车流的通行能力,当社会车流量较高时易形成时空上的瓶颈,造成交通阻塞。因此,有必要对港湾式公交停靠站的设置条件进行研究。各国相关学者在公交站点通行能力方面进行了大量研究,文献、中均对公交停靠站的通行能力进行研究,给出了公交站点通行能力模型,并对站点泊位利用率进行了详细研究。Bowman等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,用来评价公交站点处乘客接受服务所需等待时间的灵敏度。王敬东对港湾式公交停靠站的设置问题进行研究,主要是通过经济效益评价的方法来验证港湾式公交停靠站投资的必要性。郭中华等通过大量的调查数据,通过Excel软件构建了多元线性模型,分析了直线式公交停靠站对道路交通流的影响。黄敏等使用修正的Webster延误模型对公交车出站过程中公交车和社会车辆的延误进行分析,以此来反映港湾式公交车出站对道路交通流的影响。杨孝宽等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,但模型中的具体时间是采用调查数据拟合的方法得到的。文献中主要对公交站点通行能力进行了研究,未研究公交站点对道路交通流的影响;文献中对公交停靠站设置问题进行了研究,集中在公交站点的通行能力方面,未给出具体设置条件;文献中基于大量的调查数据,分析公交站点处公交车的停靠对道路交通流的影响,重点在社会车辆延误的分析。综上所述,各国学者研究重点主要集中于停靠站通行能力以及停靠时间,而对具体设置港湾式公交停靠站的条件研究甚少。鉴于此,本文中通过公交车进出直线式与港湾式停靠站的影响时间,首先对直线式停靠站设计通行能力进行研究,得出设置港湾式停靠站的下限条件。然后研究港湾式公交停靠站影响排队无溢出与排队有溢出2种情况下对外侧车道通行能力的影响模型,得出设置港湾式停靠站的上限,最终给出不同公交到达率下2种公交停靠站的设置条件,为公交停靠站处车道通行能力修正提供依据。1公交车入口和停车站的运营机制1.1直线式公交停靠站本文中主要研究城市道路中路段上常见的直线式与港湾式公交停靠站2种模式,并以影响较为明显的双向四车道为例进行研究。直线式公交停靠站的站点形式简单、易于设置,它将公交停靠区域直接设置在机动车道上,影响后续车辆通行,设计模式如图1所示。对于港湾式公交停靠站,当公交车在停靠站上下客时,认为对外侧车道无影响,但是进出停靠站会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,设计模式如图2所示。1.2启动停止站操作引擎1.2.1直线式停靠站公交停靠站时间模型对于直线式公交站点,在公交车停靠静止阶段(开关门和上下客),公交车辆将占用1条车道,形成道路瓶颈,会对道路通行能力产生折减,停靠时间越长,道路通行能力折减程度越大。采用公交占用站台时间描述直线式停靠站公交停靠静止阶段对道路通行能力的影响,文献中仅描述了1个车门的情况,结合中国实际情况,本文中新增了前后车门均可上下客及上下客车门分开的情况,建立直线式停靠时间模型为td={(Ρata+Ρbtb)/2+toc前后车门都可上下客max{Ρata,Ρbtb}+toc上下客车门分开Ρata+Ρbtb+toc仅1个车门上下客(1)式中:td为平均停靠时间;Pa为每车最拥挤车门的下车乘客数;ta为下车乘客过道通过时间;Pb为每车最拥挤车门的上车乘客数;tb为上车乘客过道通过时间;toc为车辆开门和关门时间。1.2.2公交车辆到达率测量研究表明公交车辆的到达率符合负指数分布,到达率为λ,公交车辆停靠时间服从服务率为μ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,按照由远至近的停靠原则,只要有停车位空闲,公交车辆就可以进站接受服务。公交进站过程可近似用排队服务系统——车辆到达间隔时间为负指数分布/服务时间为负指数分布/S个服务台(M/M/S)来表示,服务强度用ρ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以表征该站的公交车辆平均到达率,所以有λ´=m∑i=1Ρi3600,u=1tiρ=λ´Su}(2)式中:λ′为研究站点的公交车辆平均到达率;Pi为通过所研究站点的第i条公交线路的发车频率;m为通过所研究站点的公交线路总数;u为公交站点对公交车辆的服务率;ti为不同类型停靠站的停靠(服务)时间。2公共汽车连接时间模型2.1公交车辆停靠站位置为了建立更适合城市道路路段公交停靠站设置条件的模型,提出以下假设条件:(1)每个车道的车辆到达情况是一样的,且车辆不能在对向车道上行驶。(2)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。(3)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响。(4)公交出站需让行社会车辆。(5)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。2.2停靠站限制时间本文中研究公交车进出停靠站对道路时间上的消耗,造成道路通行能力的折减。对于直线式公交停靠站,公交进出站影响公交车所停靠车道的通行能力,影响时间为公交停靠静止阶段的时间之和,分别有2种情况:一种是当公交影响时间小于道路车流的平均车头时距时,则认为对道路没有影响;另一种是当公交影响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。就港湾式公交停靠站而言,分成排队无溢出与排队有溢出2种情况进行分析:对于排队无溢出的情况,公交影响时间指的是进出站延误时间;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,同时港湾式公交停靠站设置条件须考虑公交出站寻找间隙的延误损失时间。2.2.1直线停车场对于直线式公交停靠站而言,公交进出停靠站影响时间包括公交车辆进出站延误时间、停靠时间(上下客和开关门)以及启动损失时间。(1)加速出站延迟时间进站延误时间Dd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Dd=∫t0(1-adt+0v)dt=t-ad2vt2(3)由于t=v/ad,则可以推导出进站延误时间为Dd=v/(2ad);同理可推导出加速出站延误时间Da=v/(2aa)。所以进出站总的延误时间为tad=v2aa+v2ad=v2(1aa+1ad)(4)式中:tad为进出站延误总时间;aa、ad分别为起动平均加速度、制动平均减速度。(2)单车行驶距离tq的计算Τ1=(tad+td+tq-1q)λ={0td≤ˉh[v2(1aa+1ad)+td+tq-1q]λtd>ˉh(5)式中:λ为1h内到达的公交车辆数;q为外侧机动车道的车流量;ˉh为机动车道的平均车头时距;tq为从驾驶员感知、判断、开始制动,到制动发生效力的全部时间,通常按2.5～3.0s计算。2.2.2机动车私家车种类型时距描述,对于仿真模型的设定要求,公交车辆将从鼓励港湾式公交进出站影响时间主要分为2种:第1种为公交排队无溢出;第2种是公交排队有溢出。但公交出站寻找间隙的延误损失时间只跟外侧车流量有关,所以延误模型是相同的。由间隙接受理论与排队论可知,将等待时间看成一个M/M/1(仅有1个服务通道)的排队系统中的延误时间,而公交车辆从公交车站进入机动车道所需要的临界间隔为τ,机动车车头时距服从负指数分布,则有P(h≥τ)=e-qτ(6)ts=ˉhe-qτ-ˉh-τ(7)式中:h为机动车道车头时距;P为机动车车头时距大于或等于临界间隙的概率;ts为公交出站停车延误时间。(1)非出行时间港湾式停靠站公交车停靠无溢出的影响时间是指公交进出站对道路的影响时间,公交出站寻找间隙时,公交让行社会车辆,认为对社会车辆无影响,而且停靠载客时间认为对相邻车道也无影响。则港湾式停靠站公交车无溢出的总停靠影响时间T2为Τ2=v2(1aa+1ad)λ(8)(2)出站公交车寻找间隙的停车延迟时间公交排队溢出的情况可近似用排队论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。根据排队论中生灭过程的平衡分布可得Ρ0=[S-1∑n=01n!(λu)n+1S!(1-ρ)(λu)S]-1(9)式中:P0为没有公交车等待的概率;n为系统中的公交车数。根据Little公式可以推导出溢出公交车平均排队长度与平均等待时间为Lq=+∞∑n=Sn-SSn-SS!(λu)nΡ0=(Sρ)SρΡ0S!(1-ρ)2(10)tw=Lqλ=(Sρ)SρΡ0S!(1-ρ)2λ(11)式中:Lq为公交排队溢出平均车辆数;tw为溢出公交车平均等待时间。不同公交到达率下排队溢出车辆数总的影响时间W为W=λLqtw=[(Sρ)SρΡ0S!(1-ρ)2]2(12)此外,当公交出站寻找不到外侧车道可接受间隙时,公交车必须等待,即式(7)中推导出来的停车延误时间,此时认为溢出等待进站的公交车辆不能顺利进站,导致溢出公交车辆等待时间增加,增加的值即为出站公交车寻找间隙的停车延误时间。因此,排队溢出的公交车总影响时间T3为Τ3=Τ2+W+(h¯e-qτ-h¯-τ)λ=[v2(1aa+1ad)+(h¯e-qτ-h¯-τ)]λ+[(Sρ)SρΡ0S!(1-ρ)2]2(13)综上可知,直线式与港湾排队无溢出2种模式公交站点的服务时间t1与t2为线性函数,而公交排队溢出港湾停靠站时间随着h¯的变化而变化,则公交站点服务时间t3为t3=v2(1aa+1ad)+td+tq+(h¯e-qτ-h¯-τ)(14)3港口站关闭条件3.1基于公交停靠点的外侧车道通行能力模型以直线式公交停靠站为例进行研究,当公交车靠边停靠期间,外侧车道被占用,导致外侧车道的车辆需在可插入间隙内汇入内侧车道;当内侧车道的车头时距有足够的可插入间隙可供外侧车道车辆汇入时,认为公交车的停靠对社会车流运行没有影响。因此,直线式公交停靠主要研究公交停靠对外侧车道通行能力的折减。综上可得,公交停靠影响下的外侧车道通行能力模型为C1=Cd(1-Τ13600)(15)式中:C1为公交停靠影响的外侧车道通行能力;Cd为外侧车道设计通行能力。所以当N1>C1时(N1为外侧车道车流量),应设港湾式公交停靠站,此条件为设置港湾式公交停靠站的下限条件。3.2外侧车道通行能力计算根据不同的公交到达率,上限条件可以分成2种情况:一种是公交排队无溢出,另一种是公交排队有溢出。另外,还须考虑公交出站寻找足够车头间隙的延误时间,当延误时间大于公交车等待的最大承受时间,则认为此时应该作为设置港湾停靠站的上限条件,此时的上限值应该是公交车最大承受延误时所对应的外侧车道通行能力值,同时还需满足站点排队服务系统的平衡条件。综上所述,可计算出港湾式公交停靠站外侧车道通行能力模型为Ci=Cd(1-Τi3600)i=2,3ts=h¯e-qτ-h¯-τ≤Τρ<1}(16)式中:T为最大承受的延误时间;C2、C3分别为港湾式公交停靠在T范围内排队无溢出与排队溢出所影响的外侧车道通行能力。因此当N2<C2(N2为公交排队无溢出情况下外侧车道车流量)、N3<C3(N3为公交排队溢出情况下外侧车道车流量)时,可分别作为公交排队无溢出与排队溢出情况下,设置港湾式公交停靠站的上限条件。4设置湾式公交停靠站的下限对上文所述考虑公交进出停靠站影响下的道路通行能力进行折减,进而给出港湾式公交停靠站设置条件,主要由3个部分构成:①港湾式公交停靠站设置下限;②公交排队无溢出情况下设置港湾式公交停靠站的上限;③公交排队溢出情况下设置港湾式公交停靠站的上限。采用交通仿真软件VISSIM4.30,通过调整驾驶员行为参数,对公交车辆不同到达率下得出的外侧车道通行能力模型进行标定,以保证计算模型和仿真具有相同的输入条件。然后比较在相同输入条件下,以上3种模型计算结果与交通仿真结果之间的差异。4.1模型参数条件为了模型计算结果能够与仿真结果进行对比分析,将模型中的Cd表示为道路外侧车道流量,除公交外,其他社会车辆均为小汽车。基本参数条件为:仿真模型选取上下客车门分开的情况,并假设公交车行驶速度为30km·h-1,社会车辆的行驶速度为40km·h-1,td=17s,tq=3s,aa=0.8m·s-2,ad=1.5m·s-2,v=30km·h-1,λ=20、30veh·h-1,Cd=q=100,200,…,1600veh·h-1,τ=7s,t=3s,u=20s。4.2港口站关闭4.2.1仿真结果验证根据不同的公交到达率,在道路社会车流量变化的情况下,得出仿真结果与模型计算结果如图3所示。检验结果表明,模型计算结果与仿真结果基本一致,平均误差为4.7%。从图3可以看出:在社会车流量不变情况下,随着公交到达率的增加,外侧车道通行能力在减少;但是当公交停靠时间小于社会车辆平均车头时距时,即在社会车流量小于130veh·h-1时,公交停靠基本对外侧车道通行能力不造成影响。4.2.2外侧车道通行能力折减率为了研究港湾式公交停靠站设置的下限条件,有必要对外侧车道通行能力折减率进行分析,选取社会车流量1200～1600veh·h-1,与模型计算结果进行比较分析,如表1所示。由表1可见,当公交到达率为20veh·h-1时,在公交停靠站范围内,外侧车道通行能力的折减率为14.1%;当公交到达率为30veh·h-1时,外侧车道的通行能力折减率为21.2%,所以在设计车速为40km·h-1的城市主干道上,根据《城市道路设计规范》可以计算得到单车道设计通行能力为1300veh·h-1,则折减后的外侧车道通行能力分别为1117、1025veh·h-1。所以港湾式公交停靠站设置下限条件为Ν1>C1={1117veh⋅h-1λ=20veh⋅h-11025veh⋅h-1λ=30veh⋅h-14.3公共汽车列车的列数据保护4.3.1仿真结果验证将公交到达率为λ=20、30veh·h-1代入式(16)中,根据不同的外侧车道输入流量,得到的模型计算结果与仿真结果如图4所示。检验结果的平均误差为3.2%,表明模型计算结果与仿真结果基本一致。由于公交进出站的影响时间只跟公交到达率有关,而且影响时间所占的小时百分比较小,λ=20、30veh·h-1所占影响时间比率分别为4.44%、6.67%,所以外侧车道通行能力与外侧车道机动车到达率的关系基本趋于直线,同时说明对外侧车道通行能力的折减不大。4.3.2模型计算结果公交出站延误模型如式(7)所示,由于公交出站寻找外侧车道车头间隙,所以延误时间与道路外侧车道车流量有关,而与公交到达率影响甚小。为了验证延误模型的准确性,选取公交到达率为20veh·h-1,将模型计算结果、仿真结果与文献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5所示。由图5可知:模型计算结果、仿真结果与文献结果吻合得很好,而且随着相邻机动车流量的增加,重返延误将迅速增大,所以本文中选取公交出站寻找间隙最大承受的延误时间为ts=30s,将外侧车流量q>1000veh·h-1的模型计算结果与仿真结果进行对比,对比结果如表2所示,当公交出站延误在30s范围内,可得出对应的外侧车道输入流量为1400veh·h-1。由公交到达率为20、30veh·h-1得出每小时所影响外侧车道通行能力分别为4.44%、6.67%,所以由式(16)计算出来的港湾式公交停靠站排队无溢出的通行能力值分别为1338、1307veh·h-1。港湾式公交停靠站设置上限条件为Ν2<C2={1338veh⋅h-1λ=20veh⋅h-11307veh⋅h-1λ=30veh⋅h-1因此,同等条件下设置港湾式公交停靠站排队无溢出的外侧车道通行能力范围用C0表示,得出的影响范围为{1117veh⋅h-1≤C0≤1338veh⋅h-1λ=20veh⋅h-11025veh⋅h-1≤C0≤1307veh⋅h-1λ=30veh⋅h-14.4公共汽车列车的超出设置限制4.4.1停靠站服务时间由于公交溢出港湾停靠站情况是基于无溢出的情况,所以除满足港湾停靠站无溢出基本参数条件外,还需基本参数条件为:停靠站泊位数取S=1,则排队系统为M/M/1系统。停靠站服务时间按式(14)计算,将公交到达率λ=60veh·h-1代入式(16)中,根据不同的外侧车道输入流量,得到的模型计算结果与仿真结果如图6所示。检验结果表明模型计算结果与仿真结果基本一致,平均误差为6.2%。当外侧机动车到达率大于1300veh·h-1时,外侧车道的通行能力值将减少,主要是因为当外侧车道流量达到1400veh·h-1时,公交站点的服务强度ρ=0.959≈1,后续溢出公交车辆将连续排队,无法消散,造成道路外侧车道通行能力迅速减少。4.4.2把握合理的互通