基于HOV理念的公交专用道交通组织优化

邵春福,郭润航,董春娇,孟子悦

(1.北京交通大学 综合交通运输大数据应用技术交通运输行业重点实验室, 北京 100044;2.沈阳市规划设计研究院有限公司，沈阳110004)

近年来，许多大城市开辟了公交专用道，在取得了较好效果的同时，由于缺乏有效的理论做指导，公交专用道的组织管理还存在诸多问题[1].一些公交专用道设置不合理、管理不够规范严格，使用效率不高[2]，导致非公交车道上时常会出现严重拥堵，甚至阻碍公交车驶入公交专用道[3].早晚高峰时，存在公交专用道上只有零星的几辆公交车，而非公交车道挤得水泄不通的现象.因此，公交专用道往往被认为是一种“资源浪费”.另一方面，在出行结构中，排在第一位的小汽车出行绝大多数只承载一人.道路上车辆利用率低，就会产生大量的无效交通，加剧交通拥堵[4].HOV车道是美国、加拿大等发达国家为提高道路利用率提出的一种交通管理措施.自2016年起，中国部分城市也开始陆续推行HOV车道，以缓解城市交通拥堵问题[5].

国内外众多学者就HOV车道进行了大量研究.Daganzo等[6-7]针对HOV车道是否会对高速公路造成负面影响进行研究.研究表明，将普通车道转换为HOV车道，且车流量与之前比较保持不变，那么高速公路普通车道的瓶颈期交通密度就会降低.Stamos等[8]详细研究了关于交通需求管理的措施，假设在希腊的塞萨洛尼基CBD地区新开辟了一条HOV车道，并从环境和交通参数方面利用交通仿真技术对规划方案的实施效果进行评价，发现HOV车道可以改善道路运行条件和道路周边环境.Hanna等[9]详细研究了取消 HOV 车道对雅加达交通的影响，研究表明人们过多担忧合乘政策的负面因素，却忽略了合乘政策在鼓励人们合乘出行后有效地减少了行车延误与尾气排放、提高了通行效率与出行者满意度的优点.毕仁忠[10]撰写了关于国外HOV车道发展现状以及未来发展的文章，比较详细地描述了在国外HOV车道的发展现状、遇到的一系列问题以及未来的发展趋势.陈玮等[11]对国外的HOV车道进行研究，认为不能在目前已经十分拥堵的道路上直接把一条普通机动车道改造为HOV车道，HOV车道最好在新的普通机动车道上开辟，并允许其他HOV使用部分平时利用率不高的公交专用道.王维礼[12]提出的合乘优先规划的影响因素与主要内容，涵盖了规划所需的诸多方面，紧密结合了我国大城市及中心区的特点.修清慧[13]提出以最小化城市交通路网出行总时间为目标，构建了双层规划模型，研究基于移动互联下拼车选择行为的城市交通网络优化.孙淑亭[14]就大连市HOV车道的使用现状、管理方法和社会反响进行了调研，并利用交通仿真模型定量分析HOV车道的使用效果,与实施后效果进行对比后对其存在问题提出优化建议.

尽管目前国内外学者对HOV车道有一定的研究，但基本均局限于在普通机动车道或高速公路上开辟HOV车道，针对在公交专用道上开辟HOV车道的研究十分匮乏.本文作者首先在国内外HOV车道研究现状、设置条件的基础上，选择含有公交专用道的路段进行实地踏勘，挖掘现行公交专用道存在的问题.其次结合专用道使用状况调查和出行者使用HOV车道的SP调查结果，研究在公交专用道上设置HOV车道的方法，并构建了基于多方式出行Logit模型的出行选择行为模型与评价指标.最后对比分析了现状以及实施HOV2+和HOV3+的交通组织优化方案，并对优化方案进行了评价.

1 公交专用道使用现状

以北京北三环马甸桥至安华桥含有公交专用道的路段为研究对象，调研路段的公交专用道限行时段为7:00-9:00与17:00-19:00.调查区域和道路俯视图如图1所示.在实地调研期间，除了对研究区域内的交通量进行调查，还对研究区域内的交通设施及布局进行调查，为调研路段的车道组织设计方案提供基础数据.

图1 研究路段区位及平面图Fig.1 Location and floor plan of the research area

调研人员于2019年4月9日7:15-8:45和16:55-18:35对调研路段进行双向机动车流量的拍摄，每5 min记录一次数据.以西向东方向的晚高峰观测数据为例，具体数据如表1所示.

表1 西向东晚高峰各车道车辆数

由表1可知，内、外侧普通机动车道的车辆数远远多于公交专用道的车辆数，可以初步看出调研路段普通机动车道较为拥堵，公交专用道较为闲置的现象.

在相同的时间段，调查人员对调研区域的一个断面进行了车内人数的调查，每3 min记录一次数据，具体数据如图2所示.

图2 各类型车辆比例Fig.2 Ratio of each type of vehicle

以表1中数据为例，小车的交通量换算系数取1.0 pcu/辆，大车的交通量换算系数取2.5 pcu/辆，公交车的交通量换算系数取3.0 pcu/辆.根据文献[15]，调研路段设计通行能力取1 750 pcu/h，计算出各车道的交通量及道路负荷度，并对其服务水平以及拥堵程度进行评价，如表2所示.

表2 各车道不同交通指标

由表2可知，内侧普通机动车道处于三级服务水平，外侧普通机动车道处于四级服务水平，都处于拥堵或严重拥堵的状态.公交专用道处于一级服务水平，道路十分顺畅，这与实地拍摄的情况也是吻合的.因此可以认为在高峰时段，公交专用道在一定程度上造成了其他车道的拥堵与道路资源的浪费，可以考虑将其改造为HOV车道.

2 HOV车道使用意愿SP调查

设置HOV车道的目的主要是为了合乘优先，即减少1人开车出行，进而达到缓解拥堵的目的.为了解机动车驾驶员对于公交专用道的满意度以及设置HOV车道的使用意愿，设计了HOV车道使用意愿的SP调查问卷.设计的调查问卷主要对现行北京市内的公交专用道以及把公交专用道改造为HOV车道的看法等14个变量，调查结果如表3所示.

在有效的问卷中，驾龄主要分布在1～3 a(19.42%)、5～10 a(19.42%)、10～20 a(23.02%)，在其他驾龄上也均有分布，覆盖了各个驾龄段的驾驶员，反映了调查问卷的有效性.

问卷中针对北京市内驾驶员对现行公交专用道的看法中，认为“很好”的比例只有8.63%，认为“较好”及“一般”的分别为37.41%与30.94%.可见目前北京市内现行的公交专用道无法达到驾驶员的普遍满意.其中，占71.22%的人数认为公交专用道造成了其他车道的拥堵.各选项占比如图3所示.

由于国内尚未普及HOV车道，驾驶员对于HOV车道十分陌生.此现象从问卷中也可以看出，91.37%的驾驶员对于HOV车道不太了解甚至完全不了解.但是问卷中对于驾驶员们是否接受与他人一同乘车使用HOV车道时，65.47%的驾驶员是接受的.这种现象说明驾驶员们并不介意与陌生人合乘，而且接受新鲜事物的能力也很强，从另一个角度来看，驾驶员对目前的公交专用道是存在一定意见的.另外，在问卷中对于车内人数的调查，选择1人与2～3人的比例占97.13%，这与图2中对研究区域的抽样调查结果基本一致.北京市内驾驶员对于HOV车道的了解程度以及车内情况如图4所示.

3 基于HOV的公交专用道优化方法

基于对调研路段的实地踏勘以及SP调查，提出一种将未被合理利用的公交专用道组织优化为HOV2+或HOV3+车道的方法.首先综合考虑多方面因素，在出行需求以及公交车发车数不变的情况下，对出行者的出行选择行为即出行分担率重新进行分配，计算出重新分配后各车道各种出行方式的出行人数以及车辆数.然后设置车辆数、道路负荷度与出行总成本等评价指标，针对现状、HOV2+、HOV3+分别进行评价.最后根据其评价结果，得出最优化的交通组织方案，具体流程如图5所示.

表3 SP调查问卷及作答情况

图3 北京市内驾驶员对于公交专用道的看法Fig.3 Drivers’ views on bus lanes in Beijing

图4 北京市内驾驶员对于HOV车道的了解程度以及车内情况Fig.4 Drivers’ understanding of HOV lane and the situation inside the car in Beijing

图5 基于HOV理念的公交专用道组织优化方法流程Fig.5 Process of bus lane planning and optimization based on HOV concept

3.1 出行选择行为建模

在假定居民出行需求和公交车发车数一定的情况下，综合考虑出行成本、家庭收入等因素，构建居民出行选择行为模型，对乘客的出行选择重新进行分配，并计算出重新分配后各种出行方式的乘客数与车辆数，在出行需求不变的情况下降低一人汽车的出行分担率，提升多人合乘以及公交车的出行分担率.构建基于多方式出行Logit模型的出行选择行为模型为

(1)

Δui=bi·ΔIi+ci·ΔOi+di·ΔCi

(2)

式中：ΔIi为出行者在车内的出行时间成本；ΔOi为出行者在车外的出行时间成本；ΔCi为出行者的时间价值占收入的百分比；bi、ci、di分别为ΔIi，ΔOi和ΔCi的影响因素，ΔIi=Tf-Tc；bi取-0.025，ci取-0.050.

di的计算方式为

(3)

式中：I为研究区域平均家庭收入，元；TV为时间价值率；1249为收入换算因子.

快速路计算运行时间Tc的计算方式为

(4)

式中：Tf为快速路自由流时间，h[16]；vj为第j条道路上的交通量，pcu；cj为研究路段1 h内的最大通行能力，根据文献[15]，本文取1 750 pcu.

3.2 优化效果评价指标

对乘客的出行选择重新进行分配后，需要对前后优化后的交通组织方案进行评价.针对HOV车道设置两个不同的评价指标，即道路负荷度与出行总成本，分析设置HOV车道的可行性.

1)道路负荷度.

道路负荷度是用于评价道路或交叉口最常用的指标.设Hmax为普通机动车道上车辆内允许乘坐的最大人数，当Hmax=1时，普通机动车道上车辆内允许乘坐的最大人数为1人，即公交专用道改造为HOV2+；当Hmax=2时，普通机动车道上车辆内允许乘坐的最大人数为2人，即公交专用道改造为HOV3+.

(5)

式中：η为出行总人数，人；εi为车辆换算系数；fj为车辆选择内外侧车道概率.

构建HOV车道的道路负荷度评价指标模型，具体形式为

当Hmax=1时，

(6)

当Hmax=2时，

(7)

2)出行总成本.

出行总成本是指出行者选择不同出行方式时各项成本的总和(包括行程时间、能源消耗以及污染物排放等).根据HOV车道特性，结合城市交通可持续发展的要求，影响交通效率的因素包括交通系统内部和外部因素.内部因素主要指总体出行时间，是出行者选择HOV车道出行的主要吸引因素．而以提高时间效率为目标的交通方式则会引起能源消耗和环境污染，这与城市交通可持续发展相悖.因此，研究引入外部因素“能源消耗”和“污染物排放总量”两个指标，建立模型来进行出行成本评价.综上，出行总成本的评价模型为

Z=μ·Z1+σ·Z2+ρ·Z3

(8)

(9)

式中：Z为交通方式的广义费用，即交通效率；Z1为出行总时间，h；μ为时间价值，元/人·h；Z2为能源消耗，L；σ为能源价值，元/L；Z3为机动车污染物排放总量，g；ρ为污染物经济转换系数，元/g；L为规划HOV车道路段长度，km；Qi为高峰时间各出行方式交通量；Vi为各方式平均出行速度，km/h；FCi(vi)为第i种出行方式在车速vi的情况下每小时能源消耗量；Ci为各种交通方式的污染物排放因子.

4 案例分析

以晚高峰1 h(17:30-18:30)的数据为依据，进行公交专用道交通组织方案设计.由于公交车发车数确定，且公交车只在公交专用道上行驶，所以去除调查中的公交车，再根据图2中各类型车辆比例，得到除公交车外各种类型车辆的分布情况，北京市高峰时段公交车内人数定为40人，进而计算出内、外侧普通机动车道和公交专用道的各种类型车辆数、车辆内出行者人数与基础分担率，如表4所示.

表4 各车道车辆数、乘客人数及分担率

假定公交专用道车辆结构不变，根据式(1)重新分配出行分配率，由客观观测时内外车道的车辆数比例，再经过一系列迭代平衡后得出新的出行分担表如表5所示.与现状相比，将公交专用道改为HOV车道时，由于合乘车辆比例的提高，在总出行需求不变的情况下，私家车减少了74辆.

表5 调整后内外车道车辆数、乘客人数及分担率

4.1 道路负荷度分析

若把公交专用道改造为HOV2+或HOV3+后，内侧普通车道、外侧普通车道与公交专用道的道路负荷度V/C与现状比较如表6所示.

表6 不同组织方案下各车道V/C比

由表6可知，若把公交专用道改造为HOV3+，普通机动车道仍处于非常拥堵的情况，且改造后的HOV车道仍处于一级服务水平，其道路资源仍未得到良好地利用.把公交专用道改造为HOV2+后，普通车道与HOV车道的道路负荷度均处于0.6左右，较改造前普通车道上拥堵情况明显降低，HOV车道较之前的公交专用道的道路利用率有明显提升且并不拥堵.因此乘坐一般机动车的出行者的出行需求得到更大满足，公交乘客的出行利益并未受到损失.

4.2 出行总成本分析

若把公交专用道改造为HOV2+或HOV3+后，内侧普通车道、外侧普通车道与公交专用道的出行总成本与现状比较如表7所示.

表7 不同组织方案下各出行成本值

由表7可知，把调研路段上的公交专用道改造为HOV2+、HOV3+与现状进行比较：相比现状的公交专用道，当改造为HOV2+时，出行总时间Z1降低了48.6%、能源消耗Z2降低了48.7%、机动车污染物排放总量Z3降低了37.5%，总费用Z降低了46.7%；相比改造为HOV3+，当改造为HOV2+时，出行总时间Z1降低20.1%、能源消耗Z2降低20.3%、机动车污染物排放总量Z3降低了16.5%，总费用Z降低了19.4%.因此从出行总成本的角度考虑，将现状公交专用道改造为HOV2+更为合理.

综合车辆数变化、道路负荷度以及出行总成本进行分析，均得出结论：将研究路段现行公交专用道改造为HOV2+较为合理.

5 结论

1)通过SP调查，了解目前北京市内出行者对公交专用道的看法与对HOV车道的接受程度，进而提出将研究路段公交专用道改造为HOV车道的思路.

2)基于多方式出行Logit模型构建出行选择行为模型与评价指标模型，设计了在公交专用道上实施HOV2+和HOV3+的交通组织优化方案.

3)将公交专用道改为HOV2+的交通组织优化方案，与现状相比总车辆数减少74辆，普通车道负荷度下降至0.6至0.7之间，出行总成本节约46.7%，很大程度上降低了普通车道的拥堵与出行总成本，并提升了公交专用道的利用率.

4)基于HOV理念对北京市内公交专用道进行优化改造，有利于解决车辆利用率低、交通拥堵以及公交专用道资源浪费等问题，对我国公交专用道的组织及改造方案设计和HOV车道的实际应用有重要的现实意义和参考价值.