我国城市快速路基本路段HOV 车道设置方案研究

邓社军 陈 峻 李春燕 毕 昕

1.东南大学，交通学院，南京 210096

2.扬州大学，建筑科学与工程学院，扬州 225009

0 引 言

HOV（High Occupancy Vehicle）即“高占有率的车”，指载客数多的车辆。专门供HOV 车辆行驶的车道称为HOV 车道，其上可以供行驶的车辆包括：公共汽车、乘坐2 人或以上的小客车或货车。HOV 车道设置的目标[1]是通过鼓励合乘，提高高速公路系统的通过能力，降低整体拥堵，减少合乘者的出行时间，提高效率。国外已形成相对完整的高速公路HOV 车道理论研究体系，研究内容主要侧重于HOV 车道管理和评价两个方面。其中如何确定HOV 车道数及准入车辆条件，是HOV 研究的重点内容。Huanyu Yue 等人[2]对高速公路上的混合车流车道、公交专用道以及HOV 专用道进行了仿真实验，通过分析不同类型车道的平均车速、车道数、车辆载客率、自由流速度等参数界定HOV 专用道的设置条件。Jaimyoung Kwon[3]在研究了HOV 车道在加州高速公路系统中的应用后认为：当有相当数量的公共汽车或中型合乘车在HOV 车道上行驶时，其运输效率更高。设置两车道的HOV 设施，可以消除蜗牛式的低速车辆，提高整体运行速度。美国2005 年城市机动性报告[4]分析了19 个堵塞严重的主要快速通道，发现在八车道上设置2 条HOV车道可以承担1/3 的客流量，在交通高峰时期，对于消减延误很有效果。国内的毕仁忠[5]、陈玮[6]提出要将国外HOV 专用道引入到我国交通规划体系并提出了设置HOV 车道的构想，李鹏飞[7]提出了利用公交专用道来设置HOV 车道，但研究内容均缺少定量的分析。詹嘉[8]采用多方式出行选择logit 模型，求解设置HOV 车道后的基础分担率。结果表明在总载客数不变的情况下，合乘可以使行驶车辆总数减少。设置HOV 车道可以提高运行速度、减少延误等，但其研究内容缺少在具体的道路与交通条件下HOV 车道的设置方案。

我国城市快速路交通量大，交通拥堵现象与国外高速公路有相似之处。因此，合理的借鉴国外经验，研究基于我国国情的城市快速路HOV 车道方案，对于提高道路网络整体运输效率、缓解交通拥堵问题具有很好的理论意义和应用价值。本论文研究内容包括2 方面：一是对中国典型快速路基本路段进行交通数据采集与特性分析；二是提出快速路基本路段进行HOV 车道设置的多方案设计，并通过交通仿真对比分析各方案的运行效果。

1 基本路段选取与数据调查

1.1 典型路段的选取

由于城市快速路的交通流在连续流设施中运行的特性与高速公路相似，因此，在城市快速路的组成上，本文参照高速公路的组成部分，把城市快速路分为基本路段、交织区以及匝道和匝道连接点三种路段。在具体位置的规定上，根据美国通行能力手册（HCM）和交通工程手册中对高速公路各组成部分的划分，把快速路基本路段定义为进口匝道的上游150 m 和下游750 m 以及出口匝道的上游750 m 和下游150 m 以外的路段，本文只研究城市快速路基本路段的交通流特性，具体位置如图1 所示。

图1 城市快速路基本路段示意Fig.1 Basic section of a urban expressway

城市快速路的基本段，由于受到出入口匝道与公交站点的影响比较小，交通流特性相对稳定。道路断面在基本段内没有渐变加宽段，车道数保持不变，因此，选用城市道路基本段进行HOV 车道设置研究具有一定的可行性。

一般而言，在HOV 车道实施前，应进行详细周密的调查研究，充分考虑交通需求、道路的供给能力及对出行者的影响，应优先选择在公共汽车交通繁忙的路线上实施。根据研究需要，本文选取玄武大道—花园路段的东西方向与虎踞北路—天津新村小区南北段进行调查，如表1 所示，玄武大道—花园路段与虎踞北路—天津新村小区段为南京市的城市主干道，交通量大，车辆在高峰期拥堵情况比较严重。《南京市交通发展年报》[9]显示玄武大道的平均车速在高峰时段只有30km/h 左右。

表1 城市快速路基本路段的几何条件调查Tab.1 Geometry condition survey of urban expressway’s basic section

1.2 数据调查与分析

调查时间选定在下午的16:30-18:00，调查内容包括交通量、车速、各车型及载客人数。本文假设高峰期间中客车的平均载客人数为15 人/车，大客车（含公交车）满载且平均载客人数为60 人/车，定义车辆载客人数为n 时为n+型车。以5min 为时间间隔进行统计，见表2、表3 所示。

表2 玄武大道东—西车道高峰时段车辆实际载客人数调查表Tab.2 Actual vechile passenger survey on the Xuanwu road in the rush hours

对表2 数据分析，可得出各载客数的车型占所有车流量的比例，见图2 所示；根据各车型载客人数占总载客数的比例，得出各车型对全部客流的贡献率，见图3 所示。

图2 宣武路各载客数的车型占所有车流量的比例Fig.2 Ratio between each type passenger vechicle and the total vehicles on Xuanwu road

图3 各车型载客人数占总载客数的比例Fig.3 The passenger volume proportion of each vehicle type to the total vehicles on Xuanwu road

表3 虎踞北路南—北车道车辆实际载客人数调查表Tab.3 Survey of actual vehicle passengers between the south of Huju north road and the north chedao in the rush hours

对表3 数据分析，可得出各载客数的车型占所有车流量的比例，具体见图4 所示；根据各车型载客人数占总载客数的比例，得出各车型对全部客流的贡献率，见图5 所示。

图4 各载客数的车型占所有车流量的比例Fig.4 Traffic volume proportion of each vehicle type to the total vehicles in the Huju road

图5 各车型载客人数占总载客数的比例Fig.5 Passenger volume proportion of each passenger vehicle type to the total passenge vehicles in the Huju road

由图2-5 分析得出：①大客车和中客车对客流运输的贡献占了全部客流量的70%～80%；②考察小汽车对客流量贡献率从高到低排列依次为：2 人合乘小汽车、3 人合乘小汽车、单人小汽车以及4 人合乘小汽车；③2 人合乘小汽车在全部小汽车中占据相当大的比例，因此可以考虑设置载客数2 人以上为HOV 车道准入条件。

2 基于仿真的方案设计及效果分析

2.1 方案设计

VISSIM 是由德国PTV 公司开发的微观交通流仿真系统，以单个车辆为基本单位，可较为真实地反映道路交通状况[10]，本文运用VISSIM（3.7 版本）进行仿真。首先运用AutoCAD 绘制城市干道基本路段的平面图保存为BMP 格式，以作为仿真的背景图；其次设置车道数、车道宽度、车道功能划分等数据，建立城市快速路基本段的现状平面模型。利用现有的车道数，根据车型、流量及载客数，设计不同的车道组合方案。假设条件：道路基础条件（全部车道数）及交通需求不变，即总流量、车型比例以及车辆实际载客情况都不改变。

按照由简单到繁复、由低到高的原则，本文设计了7 种比较可行的方案进行仿真实验，并分别进行行车速度、延误等分析，车道方案见表4 所列。

表4 城市快速路六车道/八车道基本路段各类型单向车道分配方案Tab.4 Every one direction lane assigning plan on the urban expressway basic section for the six/eight lanes

对设计方案进行如下说明：①HOV 车道设置了7 种准入车型，普通车道供货车及不符合其他车道条件的车辆使用；②公交专用道、HOV 专用道与普通车道的车道数由其流量的比例大致确定；③方案5、6、7 的公交专用道仅供中客车与大客车使用；④上面六种专用道设计方案剔除了2 人以上合乘的HOV 专用道与公交专用道组合设计，这主要是基于该种设计将会导致三条车道上的流量差距过大，公交专用道和普通车道利用不足而HOV 专用道上通行能力过饱和，以致无法给HOV 车辆提供更高的行驶车速和更可靠的行程时间，因此，本文的研究中摒弃该方案。

2.2 车辆模型选用

在设置车辆模型（vehicle model）、车辆类型（vehicle type）、车辆类别（vehicle classes）时，在无专用道的情况下均只设置小汽车、中客车、大客车、货车四类。其中小汽车、大客车、货车可直接利用VISSIM 中默认的car、bus 和truck 模型。但中客车需先定义一个名为中客车的车辆模型（vehicle model），如图6 所示。最后设置两个方向的车型组成（traffic composition）。

图6 VISSIM 仿真模型的车辆参数设置Fig.6 The vehicle parameters setting in the VISSIM simulation model

2.3 仿真结果分析

将仿真输出数据表示为柱状图（见图7、图8），进行变化趋势分析。

2.3.1 各方案的平均行驶车速分析

基于调查数据，进行仿真对比分析可以看出：①对于双向六车道的设计方案，当不同车型流量比例相差偏大时，在此条件下设置1 条3+型HOV 车道后的行驶速度会高于设置2 条2+型HOV 车道时的行驶车速；②对于双向八车道的设计方案，当车道的饱和度较低时，只设置一条公交专用道将大客车流分离出来，不仅有利于改善大客车流的运行，也会让专用道的利用率与普通车道的饱和度达到较好的平衡；③设置2 条2+型HOV 专用道的平均行驶速度是全部设置HOV 车道的方案中最低的，说明此方案不太适合实测的道路与交通条件。④无论是双向六车道还是八车道，单独设置一条公交专用道后的速度会比 HOV 车道+公交专用道的组合设计的平均速度要高，组合设计也并不适合此类城市干道。

2.3.2 各方案的延误时间分析

图9、图10 为双向六、八车道不同设计方案延误时间比较。

①方案1 设置两条2+型HOV 车道时延误最大。此时公交车辆、中客车与 2 人以上合乘小汽车在HOV 车道上混行，而单人驾驶小汽车与货车在普通车道上混行，三条车道车型之间的车速差距较大且流量比例不均衡，导致了相互影响从而增加了各自车道的延误。

②方案5 延误时间只有0.14s，这可能是由于将大客车流分离后放入公交专用道运行后，不仅提高了大客车流的运行速度，而且普通车道上由于减少了小汽车与大客车之间的相互影响，从而使得两条普通车道上的小汽车延误时间也在减小。

③方案2、3、4 和方案6、7 的延误时间均维持在比较低的水平，而且随着HOV 车道准入条件的提高，延误时间基本呈现降低的趋势。在该类型城市干道基本路段上设置一条HOV 专用道比设置两条HOV 专用道或者HOV 专用道与公交专用道的组合要更合理。

2.3.3 各方案的理论车速与行驶车速之差的分析

六车道、八车道理论车速与行驶车速差的关系如图11、图12 所示。

图11 六车道理论车速与行驶车速关系Fig.11 Difference between the theoretical and real traveling speeds and its relationship with time delay of the 6 lanes

图12 八车道理论车速与行驶车速关系Fig.12 Difference between the theoretical and real traveling speeds and its relationship with time delay of the 8 lanes

①无论是理论车速与行驶车速之差还是延误时间，7 个方案均表现出相同的变化趋势。在相似的车型组成分布和载客人数组成分布下，各设计方案的的延误时间随着HOV 车道的准入条件以及公交专用道设置变化规律也相似。

②当平均理论车速与平均行驶车速之差较大时，延误时间也较大。因此，可以设法减小各车道中所行驶的车辆之间车速差别来减少路段总体延误时间。

2.3.4 各方案的路段上每公里可以节省行驶时间比较

美国加州交通局HOV 规划导则对HOV 设施提出的要求是：车辆在HOV 车道上通勤出行时，每公里至少节省1 min 的出行时间，全程出行时间节省的理想值是5～10min[11]。该规定是针对HOV 车道的行驶时间而言，但为了考虑路段上整体的效率，以此为依据将各方案每公里平均行驶时间与原始状况进行比较列入表5 中，其中，节省时间表示原始方案的每公里行驶时间与该方案的每公里行驶时间的差值，其中每公里行驶时间由路段平均行驶速度决定。该差值若为负值则表示该方案不能节省时间反而会耽误时间。

表5 城市干道基本路段各设计方案所能节省时间比较Tab.5 Time saving comparison among the urban expressway basic sections in the simulation experiments

从表5 中看出，方案2 的节约时间最多，与方案3、4、5 比较可知，在该类型城市的六车道双向基本路段条件下，3+型HOV 车道的行驶时间一定是最短的。对于双向八车道而言，只有公交专用道相对提高了路段平均的行驶时间可靠性。因而，对于典型双向八车道城市干道基本路段来说，设置一条公交专用道是比较合理的方案。

2.3.5 各方案路段平均运送能力的比较

类比公交专用道的运送能力计算，定义路段乘客运输效率为单位时间路段能够实现位移人公里数（即客位里程），对于城市干道基本路段，定义路段运送能力S 为一小时内能够实现位移的人公里数（人）。用P 表示车辆平均载客人数，Q 表示路段车流量，V 表示路段车辆平均行驶车速，则有S=Q×V×P。按照此公式算出各方案的运送能力以及与原始方案相比的增长比例，如表6 所示。

表6 双向六车道/八车道的基本路段各设计方案的运送能力比较Tab.6 Comparison of the transit capacity on the urban expressway basic section in the two directions of the six/eight lanes in simulation experiments

显而易见，与原始状况相比，设置了专用道的方案均比原始状况下的运送能力有所增加。其中，3+型 HOV 专用道的运送能力比原始状况高了23.0%，在全部方案中增加比例最高，而公交专用道的运送能力比原始方案增加了9.0%，为全部方案增加比例最低的。

设置一条公交专用道和一条3+型HOV 专用道的方案6 与只设置3+型HOV 专用道的方案2运送能力相近，设置一条公交专用道和一条4+型HOV 专用道的方案7 与只设置4+型HOV 专用道的方案3 运送能力相近，这说明在已经设置了一条 HOV 专用道的前提下，再设置一条公交专用道的意义不大，反而会导致运送能力的小幅下降。考虑设置公交专用道的成本，组合设计方案6、7不是非常合理。

3 结 论

本文选取了南京市的两条城市快速路基本路段为研究对象，对其道路条件及交通条件开展调查，设计了7 种HOV 车道设置方案，并进行了仿真对比分析，提出了 HOV 车道的设置方法，可以为同类型道路提供参考依据。

（1）双向六车道条件下设2+型HOV 专用道的准入条件不太适用我国的城市快速路基本路段。若综合考虑延误时间、车速以及运送能力的因素，单独设置3+型HOV 专用道可以提高整个路段乘客运送能力。当车型组成分布和载客人数有所变化，如公交流量进一步增加的情况下，将HOV 专用道与公交专用道的组合设计可能会优于单独设置 HOV专用道的方案。

（2）双向八车道条件下，当公交和货车比例都相对较低，而小汽车和中客车所占比例相对较高时，设置HOV 车道时的利用率可能相对较低，而建立公交专用道则比较合理。

（3）除单独设置2+型HOV 车道的情况，大多数设计方案的平均车速均比原始状况有所提升，这说明设置专用道后，将在原车道中行驶速度受到影响的车辆剥离出来，放入专用车道中，有利于提高路段平均车速。单独设置3+型HOV 专用道时的车速达到最大，说明了在专用车道和普通车道上流量比例接近车道数比例时，车速将有所提升，这也与日常的感性认识相符合。

[1]Legislative Analyst's Office.HOV lanes in california:are they achieving their goals?[EB/OL].2000[2004-07-07].http：//www.lao.ca.gov/2000/010700 hov/010700 hov lanes.html.

[2]Huanyu Yue,Albert Gan,Ike Ubaka.A decision model for bus-only and HOV lanes on freeways[J].Transportation Research Record,2003:120-124

[3]Jaimyoung Kwon,Pravin Varaiya.Effectiveness of California’s high occupancy vehicle(HOV)system[J].Transportation Research Part C 16,2008:98-115.

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