实时定点停靠公交站通行能力研究

刘昱岗， 范天文， 张　擎， 周本钰

(西南交通大学 交通运输与物流学院， 四川 成都　610031)



实时定点停靠公交站通行能力研究

刘昱岗， 范天文， 张擎， 周本钰

(西南交通大学 交通运输与物流学院， 四川 成都610031)

[摘要]按照停靠组织方式的不同，将现有多泊位公交站划分为：独立停车位定点停靠公交站、顺序进出站依次停靠公交站以及交叉进出站自由停靠公交站。以上述3种公交站各自停靠特征的对比分析为基础，以改善公交站内交通组织秩序、减少车辆站内延误、提高公交站通行能力为目标，提出以站台实时智能引导、乘客实时定点排队与车辆实时定点停靠为核心的实时定点停靠公交站。通过分析实时定点停靠公交站内车辆停靠特征，定义了平均泊位延误，进而给出了系统下车队队长概率分布的模型以及不同队长对应的车队延误计算方法，最后提出实时排队诱导系统下多泊位公交站通行能力计算方法：车队通过数法。文章的最后利用成都常规公交站实测数据，标定了实时排队诱导系统下多泊位公交站通行能力计算模型中的参数，分析了实时排队诱导系统在提升多泊位公交站通行能力上的效果。

[关键词]智能公交； 公交站； 实时定点停靠； 通行能力

1概述

公交站是公交运行网络中的节点，也是影响公交线路通行能力的决定性因素之一。城市大型公交站往往含有多条公交线路，站内停车泊位较多，客流和车流组织相对复杂且高峰时段表现尤为突出。城市大型多泊位公交站普遍存在站内交通组织无序、客流车流相互干扰的混乱状态，致使公交车的停靠延误延长，继而严重影响公交站的通行能力，大大降低公交的服务水平，最终影响公交的吸引力，阻碍城市公共交通的发展。

国内外学者专家多通过分析站点位置[1]、站台形式、站台长度、泊位数、泊位间距[2]及线路容量对公交站通行能力的影响机理，提出提升公交站点通行能力的方法与措施，但对公交站内交通组织方式及其对公交站同行能力影响的定性分析相对欠缺。

为了在规范公交站内秩序、增强公交站内交通安全的同时增加公交站通行能力，本文以GIS、GTP、GPRS、RFID技术、计算机、通信、传感、视频监控即语音播报技术为前提[3]，以自动控制理论、交通工程学、运筹学及系统工程学等为指导，以改善公交站内交通秩序、提高公交站通行能力为目标，提出了以车辆实时定点停靠、站台实时智能引导、乘客实时定点排队为核心的多泊位公交站实时排队诱导系统。文章详细地阐述了多泊位公交站实时排队诱导系统的目标、软硬件构成以及功能实现流程，并给出了系统作用下公交站理论通行能力的计算方法，为公交站智能交通组织提供新思路。

2公交站实时定点停靠组织方式

2.1现行停靠方式

对于多泊位公交站，现行车辆停靠方式主要有3种：独立停车位定点停靠、顺序进出站依次停靠及可交叉进出站自由停靠[4]。3种停靠方式运行特征及对通行能力的影响对比分析如下。

① 独立停车位定点停靠。公交站内每个泊位与线路一一对应，各线路车辆拥有不受其他线路车辆影响的进出站空间，此类公交站可以设计成锯齿形。定点停靠公交站内车辆进出比较顺畅，出站时不会受到前车阻挡，但车站站台长且占地很大，一般不在中途站使用。独立停车位定点停靠公交站内，车辆进站与乘客排队上下车迅速有序，但由于线路与泊位一一对应，公交站内有限的泊位不能高效的利用，对于多线路公交站而言，需要与线路数相等的泊位数及尺寸相当的大型公交站台，否则这种停靠方式会将公交站线路容纳能力限制得很低。

② 顺序进出站依次停靠。顺序进出站依次停靠要求公交车辆按照“先来先进站，后到后进站”的原则次第停靠，在公交站功能区内后到车辆不得超越前方车辆。北京市曾于2004年在多数公交车站执行这种停靠组织方式[5]。顺序进出站依次停靠公交站内，乘客只能简单预判目标公交车辆的停靠位置，且预判的准确率受乘客经验及站内动态乘车信息的完整度与准确性的影响较大，所以目标车辆相同的乘客分布较定点停靠分散，存在乘客在公交站内追赶公交车辆的可能性，存在客流与车流交汇的情况，公交车站内停靠延误增加；同时由于公交车辆进站顺序是随机波动的，无法实现对公交车进站顺序的调控，个别停靠时间较长的车辆会严重增加后方车辆的延误。

③ 交叉进出站自由停靠。交叉进出站自由停靠是指不同线路的公交车辆随机到达，各个线路的车辆没有固定的停车区(位)，驶入站内的车辆根据站内客流车流现状实时选择停车泊位的一种公交停靠方式。交织进出站自由停靠多在港湾式公交站内实现，但目前多数港湾式车站仍采取的是依次停靠方式。自由停靠方式下公交车可以选择任何一个空置泊位停靠，使得公交站全部泊位均可以有效利用，但在高峰时间车站内客流车流出现交织，容易造成车站秩序混乱，存在较大安全隐患，同时车辆的交织进出站也会使得车辆站内延误增加。

2.2实时定点停靠内涵

① 实时定点停靠公交站。智能公交调度中心通过公交车辆、车站以及乘客信息的实时采集、处理及发布，为准备进站的公交车辆实时地分配临时停车泊位，同时对公交站内车辆停靠与乘客排队进行实时引导。在此基础上，公交站内可以实现公交车辆的实时定点停靠以及乘客的实时定点排队，此时公交站称为实时定点停靠公交站[6]。

② 车辆排队系统。车辆排队系统由所有下一目标停靠站相同的公交车辆构成。车辆排队系统具有如下主要特征：车辆排队系统是针对每一个公交站而言，车辆驶过公交站第一泊位(距离出站口最近的泊位)，即认为该车已经离开了车辆排队系统并进入了下一个公交站车辆排队系统，车辆排队系统具有实时性。

③ 公交车队。依据某一刻公交车辆运行状态，预计会同时停靠或是排队等待进站停靠在同一公交站的所有公交车辆称之为一个公交车队。车辆开始减速并准备停靠在站内最前方的空置泊位或开始减速并准备站外排队时，认为公交车进入了公交车站。判定公交车辆是否进入公交车站的必要条件不是车辆进入了公交车站物理范围，而是公交车开始减速停靠或排队。举例说明：公交车驶入暂未停车的大型多泊位公交站时，车辆会停靠在公交站第一泊位(距离出站口最近的泊位)，这种情况下，该车辆不是一进公交站物理范围就开始减速准备停靠，而是靠近第一泊位时才开始减速准备停靠，后者对应的才是公交车开始进入公交车站的时间。公交车队长度是指车队内公交车辆数；公交车队内车队头车是指公交车队中行驶在最前方的车辆；车队尾车是指公交车队中行驶在最后方的车辆。

2.3实时定点停靠特征

多泊位实时定点停靠公交站内，对于其中的单个公交泊位而言，公交车的停靠过程与现行其他停靠方式的相同，也分为五个部分：减速进站—打开车门—乘客上下车—关闭车门——加速离站[7]，但实时定点停靠公交站内公交车辆的停靠具有区别现行停靠组织方式的特征：

① 车队长度不超过泊位数。

公交站实时排队诱导系统中，调度中心通过对路段上的公交车队发布加减速行驶指令，使得到站公交车队的长度始终不超过车站泊位数或者满足一定服务水平的数值(本文对后者暂不做研究)，所以车站内停靠的车辆数始终不超过泊位数。

② 车队内头车停在第一个泊位上。

车辆进入公交站后，公交车队的头车(车队内的第一辆车)使用第一个泊位(最靠近出站口的停车泊位)，车队内其他车辆按照进站顺序依次使用后面的泊位。

③ 各个泊位上车辆启平均制动时间相同。

公交站实时排队诱导系统中调度中心通过加减速行驶指令调控车队内车辆进站顺序，使得车队内车辆自发保持先进先出的顺序进出站，车站内车队前后车辆的停靠互不影响，加之车站内乘客排队秩序良好，车辆进出站不受乘客影响，车辆的启制动时间只由车辆行驶速度与车辆性能决定。综合考虑实际情况和研究需要，认为车队内车辆性能相同且在靠近公交站时行驶速度一致，故可以认为实时定点停靠公交站内所有泊位上公交车平均启制动时间相同。

④ 车队自发先进先出公交站。

公交站实时排队诱导系统中调度中心通过对路段上的公交车辆发布加减速行驶指令，使得公交车辆到达公交站后自发保持先进先出的顺序进出公交站，即车队内后车完成上下客时，前车已经开始加速离站。

⑤ 公交站内车辆不可交织进出站。

多泊位公交站内车辆可以按照先进先出顺序直线式进出公交站，也可以超越前方停车交织进出公交站。理想状况下，可交织进出站的港湾式公交站内所有泊位数均可以连续使用，公交站的有效泊位数即物理泊位数。但是实际应用中发现交织进出站式公交站通行能力并不理想，原因是车辆交织会增加单个泊位上公交车辆的站内延误，同时车辆交织也会增加交通安全隐患，此外交织进出站需要较大的交织区域，对站台尺寸与站台形式(港湾式公交站更适合交织进出站)要求较高。考虑上述因素，系统要求实时定点停靠公交站内车辆不可交织进出站，只能按照先进先出的方式直线式顺序进出站。

⑥ 车队尾车开始减速停靠或是等待进站时，该车队的头车一定没有启动。

车队尾车准备开始减速准备进站停靠或站外排队时，该车队的头车一定没有启动。如果某个车辆进入公交站时，站内车队的头车已经启动(即已经离开第一泊位)，则两个车一定不属于同一个车队。

⑦ 前方车队尾车驶过第一泊位后，后方车队头车才开始可减速停靠。

车队头车减速进入第一泊位时认为车队开始进入公交站，车队的尾车通过第一泊位即认为车队通过了公交站。公交站实时排队诱导系统通过对路段车辆发布加减速行驶指令，调节车头时距，使得前方车队的尾车启动后后方车队的头车才会开始减速驶入公交站(第一泊位)，继而达到后方车队到达时前方车队已经驶离公交站的诱导效果。由于每一个车队的头车均要求停靠在车站第一泊位上，系统要求后方车队的头车在前方的尾车驶过第一泊位后方可减速进入公交站第一泊位。

3实时定点停靠公交站通行能力计算方法

平均泊位延误是指多泊位公交站内每个泊位上公交车辆停靠产生的平均延误。实时定点停靠公交站内同一个车队各车的停靠互不影响，即车队内各车的泊位延误互不相关。

3.1平均泊位延误计算方法

实时定点停靠公交站内，平均泊位延误记为TB，其计算方法如下：

TB=tJ+tC+tKG+θS·tS·mS+θX·tX·mX

(1)

式(1)中：tJ为公交车减速进站时间，s；tC为公交车加速出站时间，s；tKG为公交车开关门时间，s；θS为乘客上车时间大于下车时间的停靠次数占比；θX为乘客上车时间不大于下车时间的停靠次数占比；mS为乘客上车时间大于下车时间的所有停靠中平均上车乘客数；mX为乘客上车时间不大于下车时间的所有停靠中平均下车乘客数；tS为上车时间大于下车时间的所有停靠中人均上车时间，s；tX为上车时间不大于下车时间的所有停靠中人均下车时间，s。

3.2车队长度概率分布

公交站实时排队诱导系统下，公交站车队到达与车队延误有如下特征：公交站的车辆到达近似符合泊松分布；当同时到达公交站的公交车队长度不大于公交站物理泊位数时，车队内车辆的在站服务时间相互独立，且服从负指数分布。由上述特征可知，实时排队诱导系统下公交站车辆排队模型区别于现有的全部排队模型，故无法直接利用已有的排队模型计算此公交站排队系统的相关指标参数；通过对比现有排队论模型发现，实时排队诱导系统下公交站车辆排队系统与M/M/n等待制排队系统的车辆到达与系统服务存在较多相似处。本文将参照M/M/n等待制排队中顾客数概率分布模型，利用类比分析的形式建立实时排队诱导系统下公交站内车队长度的概率分布模型。

对于服务强度为ρ的M/M/n等待制排队系统，令系统内顾客数m的概率为Pm，%，顾客数m的概率分布模型[8]如下：

(2)

实时排队诱导系统下，公交站附近“行驶在路段上的排队车辆”被重新组合成无需停车等待的新的公交车队，使得公交车队的长度始终不超过泊位数，可以认为车队长度超过泊位数(m>n)的概率被转化为了长度不超过公交站泊位数(1≤m≤n)的概率，且转移到各长度(m=1，2，…，n)上的概率的比重与各个车队长度(m=1，2，…，n)初始概率所占比重一致，故只需对车辆数不超过公交站物理泊位数(m=1，2，…，n)所对应的概率进行归一化处理即可得到实时定点停靠公交站内车队长度的概率分布：

(3)

式(3)中：Pm为实时定点停靠公交站内车队长度为m时的概率；ρ为公交站服务强度，即平均泊位延误与车辆平均到达时间的比值(对于多服务台排队系统，ρ大于1时系统也可以保持平衡)。

3.3定长车队的平均延误

车队延误是指车队头车减速进入第一泊位开始至车队尾车驶过第一泊位所消耗的时间。车队车辆数不同，车队延误相差很大；车辆数相同时，不同时刻的等长车队的车队延误也会有差别。对于车辆数一定的公交车队，其公交站内的车队延误也会随着车队内车辆的相对时间间隔不同而不同。

(4)

(5)

(6)

式(6)中：TB为平均泊位延误，s；m为车队内车辆数，m=1，2，…，n其中n为公交站物理泊位数；t为公交站内最小车头时距，s。

3.4通行能力计算模型

公交站通行能力指一定道路交通条件下，道路上某个公交站单位时间内所能服务的最多的车辆数。通行能力是一个反映公交站所能提供的公交停靠能力大小的指标，是公交设施提供公交服务的供应量[10]。

理论上，当车队连续通过时公交站可以通过的车队数最多，通过的车辆数也最多。将单位时间内公交站能通过的最大车队数所包含的车辆数称为实时定点停靠公交站的通行能力。为区别已有通行能力计算方法，将上述通行能力计算方法称为车队通过数法。

车队连续通过实时定点停靠公交站时，车队长度m=0的概率转移为车队长度等于m=1，2，…，n的概率，此时车队长度的概率分布如下：

(7)

实时排队诱导系统下，实时定点停靠公交站理论通行能力车队通过数法计算模型如下：

(8)

4案例分析

4.1目标公交站数据调查统计

① 车辆停靠数据。

通过现场观测发现，西南交大站的公交客流具有较为明显的潮汐现象：上午08：20-08：50由北至南方向(进城方向)形成上班客流高峰，下午17：45-18：15由南至北方向(出城方向)形成下班客流高峰。故研究分别针对早晚上下班高峰进行了公交数据视频采集，经统计分析后得到车辆停靠相关指标。统计结果见表1。

表1 西南交大站高峰时段车辆停靠数据(均值)Table1 ThedataofbusesonSouthwestJiaotongUniversityStationatpeaktimes(Means)高峰时段减速进站时间无干扰减速进站时间开关门时间上下客时间加速出站时间无干扰加速出站时间二次停车率/%早高峰6.64.53.4295.24.325晚高峰5.74.73154.64.214

表1中无干扰减速进站时间是指车辆减速进站时不受站内乘客影响顺利进站时对应的减速进站的统计均值，无干扰加速出站时间是指车辆加速出站时不受站内乘客影响顺利出站时对应的加速出站的统计均值；表中上下客时间是从车辆第一次开门开始至车辆启动准备加速出站为止，包含车辆站内等待出站时间。

② 乘客上下车数据。

早高峰时段，西南交大站内客流量很大，乘客最多时达到120人，站内多为上车乘客；晚高峰时段，西南交大站客流量较早高峰小，站内下车乘客较上车乘客较多，上车乘客以西南交通大学附属中学学生为主。

实时排队诱导系统下，公交站内乘客连续排队上下车，为标定实时排队诱导系统下系统下公交站内乘客上下车时间，研究选目标公交站乘客连续上下车片段，统计所有连续上下车片段中乘客的人均上下车时间，统计结果见表2。

表2 西南交大站高峰时段连续上下车数据统计表(均值)Table2 ThedataofpassengerswhogetingonoroffbusesonSouthwestJiaotongUniversityStationatpeaktimes(Means)高峰时段下客时间长时上客时间长时占比/%下车人数连续下车人均用时占比/%上车人数连续上车人均用时早高峰113.81.2899.11.8晚高峰545.71.1464.11.6

4.2公交站理论通行能力计算

4.2.1现状排队组织下理论通行能力

目标公交站现状排队组织下的理论通行能力可用王炜、过秀成提出公交站通行能力计算方法[11](后文称之为有效泊位数法)计算，有效泊位数法计算公式如下：

(9)

式(9)中：C为公交站的通行能力，辆/h；Ne为公交站的有效泊位数，依据相关文献[12]，双泊位公交站取1.75；Cb为单个泊位的通行能力，辆/h；T为公交车停靠过程的总时间，s；t1为公交车减速进站时间，s；t2为公交车开关门时间，s；t3为乘客上下车占用时间，s，含车辆站内等待出站的时间；t4为公交车加速离开车站的时间，s。

结合西南交大站的实测数据，计算得现状排队组织下西南交大站早晚高峰时段的理论通行能力：

143辆/h

223辆/h

4.2.2实时排队诱导系统下理论通行能力

依据公式(1)，结合表1与表2数据可以算得实时排队诱导系统下西南交大站早、晚高峰时平均泊位延误如下：

89%×9.1×1.8=27.3 s，

46%×4.1×1.6=17.8 s。

① 有效泊位数法。

根据公式(9)，实时排队诱导系统下，利用现有的有效泊位数法计算西南交大站早晚高峰通行能力，计算结果如下：

② 车队通过数法。

西南交大站共有两个泊位，站内含有8条线路，此8条线路早、晚高峰的平均发车频率分别为3 min/班和4 min/班，所以早晚高峰时公交站的车辆平均到站间隔为22.5 s和30 s。根据公式(3)给出的公交站服务强度ρ的定义可算得实时排队诱导系统下西南交大站早、晚高峰得服务强度分别为：

根据公式(8)，结合表1与表2数据可以算得实时排队诱导系统下西南交大站早、晚高峰理论通行能力的车队通过数法计算值。

实时排队诱导系统下西南交大站早高峰理论通行能力：

实时排队诱导系统下西南交大站晚高峰理论通行能力：

4.3理论通行能力对比分析

论文分别计算了目标站点现状排队组织下的理论通行能力(有效泊位数法)与即时排队诱导系统下的理论通行能力(有效泊位数法和车队通过数法)，计算结果汇总见表3。

表3 目标公交站理论通行能力对比表Table3 Thecontrasttableoftheoreticalcapacityofthetargetedbusstation(辆·h-1)高峰时段现状排队组织下即时排队诱导系统下有效泊位数法有效泊位数法车队通过数法早高峰143231165晚高峰223354320

由表3可以发现如下规律：

① 均利用有效泊位数法计算时，实时排队诱导系统下公交站理论通行能力明显大于现状排队组织方式下公交站理论通行能力，说明实时排队诱导系统对增加公交站通行能力效果明显；

② 对于实时排队诱导系统下公交站的理论通行能力，车队通过数法计算值小于有效泊位数法计算值。这是因为有效泊位法忽略了车辆排队对公交站通行能力的影响，计算值未考虑车辆在排队系统中的服务水平；而车队通过数法计算值是在保证车辆排队不超过泊位数的前提下计算得来，同时也考虑了车队数小于泊位数的情况，所以对于实时定点停靠公交站而言，车队通过数法计算出的理论通行能力更加接近于实际通行能力。

5结论

文章对比分析了多泊位公交站车辆停靠组织方式各自的特征，明确了实时定点停靠的内涵与交通组织特征；通过分析实时定点停靠公交站内车辆停靠特征，定义了平均泊位延误，进而给出了实时排队诱导系统下公交车队队长的概率分布以及不同队长对应的车队延误计算方法，进而提出了实时定点停靠公交站通行能力计算方法-车队通过数法；最后利用成都常规公交站实测数据，标定通行能力计算模型中的参数，对比了目标公交站在现状排队组织下的理论通行能力与实时排队诱导系统下的理论通行能力，检验了实时排队诱导系统在提升多泊位公交站通行能力上的效果。

需要指出的是，本文为明确重点，只研究了特定交通条件下的公交站理论通行能力，忽略了路段交通环境对站点通行能力影响的分析，值得进一步展开；本文以高度智能化的公交调度为前提，给出了车队连续到达且车队队长保持不超过泊位数时的公交站理论通行能力计算公式。实际中，公交智能调度方式或控制程度不同，车辆的到达都会有差异。车队长度可以超过泊位数时的实时定点停靠公交站通行能力计算方法可作为进一步研究的方向；实时排队诱导系统通过对路段行驶车辆的智能调度，实现对公交车队进站顺序的控制，在增加公交站通行能力的同时，也影响了公交车路段通行能力，对这一影响的定性分析将有利于综合评价实时排队诱导系统对公交通行能力的总体提升效果；在特定的公交线路上，在道路条件允许且公交调度智能化程度足够时可以考虑通过对路段与站台上公交车辆的协调控制，实现该线路上的公交绿波，使得该线路的所有车辆在运行的全过程中不受其他公交车辆的干扰。公交车在路段与车站内的协调调度将极大增强公交线路通行能力，提升公交服务水平，值得深入研究。

[参考文献]

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[3]鲍燕妮.快速公交BRT系统关键技术分析及应用[J].公路工程，2012，37(1)：95-98.

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Study on Capacity of Real-time-pointing-parking Bus Stop

LIU Yugang， FAN Tianwen， ZHANG Qing， ZHOU Benyu

(School of Transportation and Logistics， Southwest Jiaotong University， Chengdu， Sichuan 610031， China)

[Abstract]Based on the analysis of vehicles stop process in multi-berth bus station，this paper analyzed the advantages and disadvantages of the three kinds of docking mode；and then brought forward a real-time-pointing-parking for the multi-berth bus station，which aims at improving the traffic organization，reducing vehicle delay and increasing the bus capacity in the station.The system consists of platform-real-time-intelligent-guiding，bus-real-time-pointing-parking and passenger-real-time-pointing-queuing.After analyzing bus dwelling feature in the real-time-pointing-parking bus station，the paper explained the definition of the average berth delay，and then gives the probability distribution model to the length of bus team calculation method of the long delay and the corresponding delay of each kind of bus team with different length.Finally the paper brought forward calculation method for the station capacity under the system above：the team-through method.At the end of the paper，the writer collected data of Chengdu bus station，and then calibrated the parameters in the capacity model and analyzed the effect of the real-time-queue-guiding system on improving multi-berth bus station capacity.

[Key words]intelligent transit； bus stop； real-time-pointing-parking； capacity

[中图分类号]U 491.1+14

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0176-07

[作者简介]刘昱岗(1978-)，男，湖南株洲人，博士，副教授，硕士研究生导师，主要从事交通运输规划与管理研究及教学工作。

[基金项目]四川省软科学研究计划项目(2012ZR0021)

[收稿日期]2014-08-01