双向单车道公交专用道系统运营模型设计

刘昭然 毛晓君 宋家双 黄忆波

(同济大学交通运输工程学院，上海 201804)

0 引言

公交优先是大中城市解决城市交通需求大于供给而产生拥堵问题的最有效途径之一［1］。公交专用道系统作为常规公交优先的有效办法得到普遍推广，但主要设置于道路空间充裕的城市干线道路，很难适应于空间狭小的城市老城区或者历史建筑保护区。而双向单车道公交专用道系统是一种创新布置形式，对向公交车仅占用一条车道，恰适于道路空间不足情况下。

1 双向单车道公交专用道系统控制策略

这一系统通过智能交通技术保证车辆的准点性和安全性，需要车辆运营调度中心统一指挥。信息设备将采集到的停靠站信息、交叉口信息和公交车位置信息统一传输到车辆运营调度中心，运营调度中心根据车辆运行调度算法制定动态的车辆行驶方案，并通过车载信息系统将指令传输至公交车。此外还需利用公交车主动信号优先技术，减少公交车在交叉口的等待时间，运营控制系统如图1所示。

图1 公交专用道运营控制系统图

在公交停靠站处，设置信息采集装置和出站信号灯系统。停靠站信息系统采集双向公交车的进出站情况，指挥公交车在合适的时刻驶离。根据故障导向型的交通控制原理，在无出站指令情况下，信号灯显示为红色，收到出站指令后信号灯变为绿色，待公交车出站完毕后，变回红色，站台信号灯的控制逻辑如图2所示。

图2 站台信号灯控制逻辑图

2 公交车运行调度模型设计

公交车运行调度模型的建立，目的在于保证公交车安全、快速地行驶至终点站。而公交车安全行驶至终点站可以简化为公交车与行驶途中遇到的对向车在停靠站会让，而停靠站的停车会让时间最短正是调度模型中追求的“快速”。

2.1 假设与符号说明

2.1.1 基本假设

1)公交专用道系统中共有n个停靠站，上行首发站为“1”站，第二站为“2”站……终点站为“n”站;2)公交车在某站会让等待发生在公交车到达该站之后，乘降客之前;3)该专用道系统仅供一条线路的公交车使用。

2.1.2 符号说明

1)n:专用道系统中的停靠站数量;2)i:停靠站序数，上行首发站i=1，第二站i=2……终点站i=n;3)m上:上行车发车班次序数(上行首班车的m上=1);4)m下:下行车发车班次序数(下行首班车的m下=1);5)ti:i站的乘降客时间(假设对向车在i站乘降客时间相同);6):第m上次上行车在i站因会让而停车等待时间(当i=1时，即为第m上次上行车的发车时刻);7)第m下次下行车在i站因会让而停车等待时间(当i=n时，即为第m下次下行车的发车时刻);8)Ti:i站与i+1站区间行驶时间(假设双向公交车的行驶区间时分相同);9)k:第m上次上行车与第m下次下行车的会让站;10)X:在一定时间内，上下行公交车发车班次对数。

2.2 建立数学模型

公交车欲顺利行驶至终点站，在行驶途中需要与对向行驶车辆在停靠站会让，会让站情形分为以下两类:

1)某两辆公交车在始发(终点)站会让。以“1”站为例，即k=1。第m上次上行公交车的实际发车时刻为:

公交车到达终点站后完成一次运输任务，可认为公交车在终点站不存在等待时间，第m下次下行车到达1站的时刻为:

则第m上次上行车与第m下次下行车在1站成功会让，只需满足该次上行车发车时间晚于该次下行车到达时间:

等价于:

当两个班次的公交车在n站会让，同理，需满足下行车发车时间晚于上行车到达时间:

2)某两辆公交车在中途k(2≤k≤n－1)站会让。上行第m上次公交车到达k站并开始乘降客的时刻:

下行第m下次公交车到达k站并开始乘降客的时刻:

第m上次上行车与m下次下行车在k站会让，等价于后达车辆进站时，先达车正在乘降客或已完毕，完成会让。即两辆车到达k站的时间差不大于先达车的乘降客时间，等价于以下约束条件:

等价于:

至此，所有的会让情况分析已结束，而k值的确定成为建立完整约束的关键。由于城市公交系统的站间距较小，任意一辆公交车在行驶过程中与对向行驶车辆依次在各站会让，即可满足线路上的公交车运行需求，而且往往是相当适宜的会让方案，见图3。

会让方案确定后，只要给出上下行首班车的会让站，根据递推原理即可确定其他会让方程的k值。当有n个停靠站时，k可以按照表1，表2进行递推确定。当n为奇数时见表1。

此外每辆公交车在线路行驶过程中都追求停车避让时间最短，转化为系统目标，即所有公交车在各中间站等待时间和最小，即:

图3 公交车会让示意图

表1 k值取值表(一)

当n为偶数时见表2。因此完整的模型为:

表2 k值取值表(二)

s.t.当1 ＜k＜n时:

当k=1时:

当k=n时:

注:Ti可以根据公交停靠站的客流确定，为常量。

3 案例仿真及分析

为了验证这一专用道系统的效率，并探索它的交通量适用条件，假设案例如下:各车站的客流量相同，具有5个车站的公交专用道路段，发车7对，如表3所示。利用公交车运行调度算法求解，得到公交车行驶运行图之后，通过Vissim仿真软件对案例进行分析。仿真中铺设道路长度3 km，依照实例设置公交车线路和停靠站，并将公交车期望速度定为45 km/h。为了突出运营模型，本次仿真并未考虑交叉口的诸多影响，但为了增加仿真的真实性，在社会车流中设置了部分阻滞车流，以模拟交叉口延误的效果。

表3 案例数据假定

假设社会车流量的饱和流量为1 500辆/h，为了得到不同流量情况下公交专用道运营情况，设计了饱和率为 0.2，0.4，0.6，0.8，1.0和1.2六种仿真情境，分析社会车辆和公交车的行驶时

间与延误时间，如图4和图5所示。

图4 公交车行驶时间前后比较

4 结语

从仿真得出的数据中可以发现，双向单车道公交专用道系统的作用效果与道路的饱和率有关。当道路饱和率较低时，该专用道系统的作用效果并不明显。当道路的饱和率较大时，该专用道系统对公交车行驶状况的改善效果才比较显著。这是因为当饱和率较低时，公交车基本不受社会车辆的影响，但是随着道路饱和率的增大，社会车辆对公交车的影响也增大，此时设置该专用道系统的优越性才突出。同时在道路通行能力范围内，社会车辆的行驶时间也有了一定程度上的改善，这与公交车在单车道专用道上运行，社会车辆得到了更多的道路资源有直接关系。

图5 社会车辆行驶时间前后比较

［1］雷莲桂.公交专用道对道路交通的影响［D］.北京:北京交通大学，2008:3-5.

［2］王晴婉，宋家友.基于GPS_GPRS车辆监控终端设计与实现［J］.通信技术，2009(9):121-123.

［3］顾保南，叶霞飞.城市轨道交通工程［M］.武汉:华中科技大学出版社，2007.

［4］张国宝.城市轨道交通运营组织［M］.上海:上海科学技术出版社，2006.