在高速公路上施劃公交專用車道的利弊分析

在高速公路上施劃公交專用車道的利弊分析摘要本文主要討論問題為在高速公路上施劃公交專用車道的利與弊。此公交車道的設置引起了社會上很大的關注，褒貶不一。本文討論所有問題所選路段的原型均為京通快速路上進京方向的長 8.6 公里的公交專用車道。本文討論的利與弊主要從路段社會車輛耗時，路段公交車輛耗時和路段人均耗時三方面考慮，并且認為只要路段人均耗時減小，就是利大于弊。根據京通快速路公交專用通道的實際情況，本文從三個方面入手討論公交專用車道的利弊問題，且引入了三個模型。方面一研究平直路段上的耗時，引入了美國 FHWA 的路阻函數模型，根據實際掌握的幾組路段車流量和路段耗時，選擇了其中兩組數據，用 lingo 程序確定了京通快速路段公交專用車道適用的兩個參數 a=10.11 和 b=1.53。路段最大通行能力則采用了多車道總通行能力 C 計算公式： = 。這樣計算多1道路通行能力比理想化的認為每條道路通行能力相同更切合實際。然后由所確定的系數 a 和 b 計算專用公交車道設立前后的公交車路段耗時、社會車輛路段耗時、車小時總量和人小時總量及人均耗時。方面二研究通過八里橋收費站及進站前 200 米耗時。在車況不擁堵的情況下，引用等待制排隊論模型，根據公式 精確計算出車輛等待的概率和公式 計算每輛車的平均等待時間。然后按照方面一的計算方法計算出設立公交專用車道前后公交車路段耗時、社會車輛路段耗時、車小時總量和人小時總量及人均耗時。在路段車輛擁堵的情況下，排隊論模型中 loads，模型無意義。因此根據實際調查得到的公交專用車道設立前后公交車輛和社會車輛通過此路段的時間，直接引用計算擁堵時公交車路段耗時、社會車輛路段耗時、車小時總量和人小時總量及人均耗時。方面二的創(chuàng)新點在于根據實際情況將所討論的路段分為育擁堵和不擁堵兩種情況來分析，能更全面地反應設立公交專用車道的利弊問題。方面三研究公交車進入專用公交車道這一路段的變道問題。此路段在公交專用車道設立前后行駛車輛多了一個變道的過程，此過程必將影響到路段人均耗時，不可忽略。根據京通快速路上對兩車之間車距不能小于 100 米和不在公交專用車道上行駛的公交車及在公交專用車道上行駛的社會車輛的實際變道平均所走路程，本文認為變道行程 S 在 100 米左右。變道時，公交車司機及售票員以手勢和轉向燈示意其他車輛自己需要變道，而其他車輛也都很默契的減小車速讓公交車變道，而公交車變道時因需要觀察前后車況及考慮是否變道等一系列因素也會稍微減速。而社會車輛變道的情況和公交車輛近似相同。根據所知條件，本文自己建立了變道模型。根據之前的計算方法計算公交專用車道設立前后的人小時總量和人均延誤時間來分析變道的利與弊。關鍵詞：路阻函數模型、排隊論模型、變道模型、人均行駛時間、人均延誤時間。一問題重述公交專用車道是指在較寬的道路上, 采用某種隔離方式( 交通標線或硬質設施) 進行分離, 專門劃出一條車道作為公交專用的車道, 在特定的時間段內僅供公共汽車行駛, 其它車輛不允許通行1 。本文結合京通快速路實施公交專用通道方案, 探討高速路上實施公交交通專用道利弊問題，核心是探討實施公交專用通道后效益分析及評價方案。設置公交專用道的目標, 即使得交通設施的使用權和資源向公共交通方式轉移, 從而使得客流的移動逐步趨向有序, 使得以人為單位的出行效益最佳。評價方法取決于評價的目的和評價者, 要兼顧各方面的評價需要, 尋求一種宏微觀、定量定性結合的綜合性評價方法。公交專用道的評價主要采用比較分析方法, 即對公交優(yōu)先措施實施前后整條道路效益的相對變化進行定量、定性評價。評價對象針對所有車輛,在考慮公交車輛運行效益改善的同時, 還應考慮到社會車輛運行效益的下降。為此, 評價從公交車輛和社會車輛兩個層面進行。設置公交專用道所產生的效益主要包括3 個方面: 1.直接的經濟效益：運營收入增加和運輸成本降低; 2. 間接的經濟效益,：節(jié)省交通出行者的時間消耗; 3.社會效益：提高公交的快捷性和舒適性, 降低公交車輛因頻繁停走而產生的廢氣排放, 從而提高公交的吸引力, 改善公共交通的形象等。考慮到交通管理措施的局部性和動態(tài)性, 以及1 和3 兩方面效益測算所需資料及涉及問題的復雜性, 甚至不可預測性,本文將側重于間接的經濟效益評價。二問題分析京通快速路上實施公交專用道的利弊評價主要采用比較分析方法，評價體系包括路段平均行駛時間前后對比評價和人均每小時延誤時間前后對比評價。本文從以下三方面進行具體分析：方面一：利用美國聯邦公路局提出的路阻函數模型可以確定車輛行駛時間。模型中涉及到的公交專用車道實施前后路段機動車交通量、公交車交通量、社會車輛交通量，均需要查閱資料考查實際獲得；路段實用通行能力c 需查閱相關文獻確定計算公式獲得 ; 參數的確定調查京通高速路斷面流量及通過該路段的行程時間, 通過對調查數據的回歸分析標定參數。確定公交車、社會車輛平均行駛時間后，再確定公交車、社會車輛平均行駛速度的變化、行駛時間的變化，以及路段人小時總量的變化和人小時平均時間的變化，計算變化率，設計表格，觀察分析設置公交車道前后道路效益。方面二：京通快速路上車輛經過收費站時產生的時間延誤分析。通過收費站延誤時間包括等待時間和繳費時間的延誤，采用等待制排隊論模型，相關數據從網上文獻中查閱，利用LINGO編程，計算得到公交車專用車道實施前后車均等待時間，再根據總人數確定人均等待時間；方面三：京通快速路實施公交專用車道后，在7-9點、17-19點時段公交車和社會車輛必須變道到規(guī)定車道產生的延誤分析。這個問題不可忽略，其基本思想是將車輛變道距離與變道速度做比。三模型假設1.由于京通快速路設置公交專用車道路段大部分車道數為四車道，因此假設研究路段車道數均為四車道。2.八里橋收費站八個服務口全天開通，公交專用通道開通后只占一個服務口。3.車輛過收費站時減速、加速過程共需8s，服務時間為4s。4.變道過程中變道車輛及其后方車輛的速度均減小，且變道過程中的社會車輛與公交車的速度近似相等。四模型建立與求解1平直路段平均行駛時間前后對比評價模型一基本變量及符號說明：1.路段行駛時間( min): t2. 京通快速路公交專用車道路段長度(km) ：L3. 京通快速路公交專用車道路段最大通行能力(pcuh) ：c 4. 京通快速路公交專用車道路段機動車道數(條)：n5. 京通快速路設置公交專用車道前路段機動車交通量(pcuh) ：V6. 京通快速路設置公交專用車道前路段公交車交通量(pcuh) ： 17. 京通快速路設置公交專用車道后路段機動車交通量(pcuh) ： 8. 京通快速路設置公交專用車道后路段公交車交通量(pcuh) ： 19.設置公交專用車道前，公交車的平均行駛時間： 110.公交專用車道前，每輛非公交機動車的平均行駛時間： 211.設置公交專用車道后，公交車的平均行駛時間： 112設置公交專用車道后，每輛非公交機動車的平均行駛時間： 2模型一：機動車車輛路段行程時間采用美國FHWA 的路阻函數模型【1】京通快速路公交專用車道路段評價以斷面人均出行時間為評價指標, 以公交線路平均長度L 為評價背景,通過分別計算社會車輛及公交車輛的車均行程時間得到人均出行時間。1.1機動車車輛路段行程時間采用美國FHWA 的路阻函數模型【1】計算：=01+(/)為交通量為0 時的路段行駛時間，取機動車時速v為100km/h, 得=L/v=5.6min ；多車道總通行能力C 計算公式為：=1式中：n=4, 為第一條車道可能通行能力，單位為pcuh?？蓞⒖汲鞘械缆吩O計 1規(guī)范和公路工程技術標準取值：這里取2200；為相應的各車道的折減系數，通常以靠近路中線或中央分隔帶的車行道為第一車道，其通行能力為1，根據京通快速路實際情況，取第二車道為第一車道的0.85第三車道通行能力為第一車道的0.7第四條車道為0.68；為機動車道的道路分類系數，由于京通快速路為封閉式，因此=1；高速公路、快速路取 08。a 、b 為系數，調查其斷面流量及通過該路段的行程時間, 通過對調查數據的回歸分析標定參數。1.2設置公交專用車道前路段行駛時間預測：從網上查閱資料，匯總每日京通快速路設置公交專用車道前路段機動車交通量得=4500(peu h)；其中，公交車占10% ，社會車輛占90%，=450(peu h) 。公交車與社會車輛行駛時間為1=2=01+(/4)1.13設置公交專用車道后的路段行駛時間預測設置公交專用車道后, 公交專用車道與其他機動車道分擔著不同的交通量, 公交車輛與其他機動車輛有著不同的平均行駛時間. 從網上查閱資料可知，實施公交專用車道后，公交車數量每兩小時增加17趟車次，社會車輛下降16%。對于公交專用車道而言, 其承擔的交通量中只有公交車，流量為 , 其平均路段行駛時間為：1=01+(/1)對于其他機動車道而言, 總的交通量大小為-, 由n - 1 條機動車道分擔, 則其平均路段行駛時間為2=01+13經計算, 設置公交專用車道后, 由于道路通行權的改變, 公交車與非公交機動車的平均行駛時間均發(fā)生了變化.1. 3 前后對比分析1.3.1公交車平均行駛時間的變化設置公交專用車道后, 公交車平均行駛時間的變化可以用下式計算 1=11=01+(/4)01+(1/1)1.3.2 非公交機動車平均行駛時間的變化設置公交專用車道后, 非公交機動車平均行駛時間的變化可以用下式計算： 2=22=01+1301+(/4)1. 3.3 路段車小時總量的變化設置公交專用車道前, 路段車小時總量 1=1=01+(/4)對于設置公交專用車道后, 路段上的車小時總數為 1=11+2（ 1）相應的路段車小時總量變化值為 =111. 3. 4 路段人小時總量的變化對于非公交機動車, 認為平均載客2. 2 人/ 輛; 對于公交車, 認為平均載客120人/ 輛.設置公交專用車道前, 路段人小時總量 為2=2.2(1)2+12011設置公交專用車道后, 路段人小時總量 為2=2.2(1)2+12011相應的路段人小時總量的變化量 2=22人均小時變化量為 22.2(1)+1201城市中, 客運交通占絕對多數, 貨車很少. 因此, 本文中忽略了設置公交專用車道后對貨運的影響.數據結果呈現見表1。2.車輛通過八里橋收費站及其前方200米時間延誤分析2.1模型二：等待制排隊論模型京通快速路上在八里橋處有一收費站，是導致京通快速路堵車的重要原因之一，這里引用等待制排隊論模型討論快速路上公交車輛和社會車輛過收費站時平均延誤時間，并對設置公交專用車道前和設置后兩種車輛的延誤時間做一對比。2.11等待制排隊模型符號：A/B/S/其中A表示輸入過程，服從Poisson 流；B表示平均繳費時間，服從負指數分布,S表示服務口數目，京通快速路上為六個，系統(tǒng)容量為無窮。2.12 等待制排隊模型的基本參數車輛等待的概率Pwait load是系統(tǒng)到達負荷，為load=/=R*T式中R表示, T表示1/, ,R或是每小時到達車輛數；是平均每小時車輛過收費口數量；T 就是每輛車平均繳費時間 . 每輛車的平均等待時間Wq 其中T/(S-load)是一個重要指標，可以看成一個“合理的長度間隔”。這里，要進行兩種討論：當load S時, 上式Wq無意義。其直觀的解釋是：當系統(tǒng)負荷超過收費口的個數時, 排隊系統(tǒng)達不到穩(wěn)定的狀態(tài) ,其隊將越排越長。其結果是造成快速路上發(fā)生堵車。2.13設置公交專用車道前：. 當load S時，根據實際情況，從網上查閱資料得，京通快速路疏堵后，平均每車延誤時間為10min。由上述1.34公式，計算人小時延誤總時間，人小時平均均延誤時間。2.14設置公交專用車道后：按照式上面分析, 編寫LINGO程序，其中R=30,T=12/60, load=R*T,S=7.由此得到：(1) 系統(tǒng)平均隊長 Ls=9.682981(2) 系統(tǒng)平均等待隊長 Lq= 3.682981(3) 車輛總延誤時間 Ws= 0.3227660(min)(4) 車輛平均等待時間 Wq= 0.1227660 (min)(5)系統(tǒng)繁忙概率 P wait=0.61由上述1.34公式，計算人小時延誤總時間，人小時平均均延誤時間。當load S時，根據實際情況，從網上查閱資料得，京通快速路疏堵后，公交車平均每車延誤時間為2min，社會車輛平均每車延誤時間為12min 。由上述1.34公式，計算人小時延誤總時間，人小時平均均延誤時間。數據結果呈現見表2。3.車輛變道時間延誤分析由于開通公交專用車道時間段內，公交專用車道上不允許社會車輛行駛，同時所有公交車必須從其他車道行駛到專用車道，便產生了車道變換問題，以及車道變換導致的時間延誤。本模型為我小組成員討論后創(chuàng)建的模型，旨在通過模型的運用，探討實施公交專用通道前后車道變換產生的人均延誤時間。這里假設車道變換時平均經過兩個車道寬，從網上查閱資料可知，單車道寬度為 d=3.75m。3.1 模型三：變道模型模型變量及符號說明：車輛直行行程（km）：s開通公交專用通道前車輛平均行駛速度（km/h）:v開通公交專用通道后公交車變道平均速度（km/h） : (11 )開通公交專用通道后社會車輛變道平均速度（km/h）: =11開通公交專用通道后未變道社會車輛平均速度（km/h）： （2 2 、 2 1)開通公交專用車道前，車輛行駛 s 車程所用時間(h): 1開通公交專用車道后，公交車輛行駛 s 車程所用時間(h): 23.2 模 型 計 算 ：3.21 開通公交專用車道前,所有車輛平均用時：=s/v1開通公交專用車道后：公交車變道所用時間 =2 2+(3.752)2/1社會車輛變道所用時間 2= 2+(3.752)2/1其余車輛所用時間 =s/3 23.22 人小時總延誤時間 h開通公交專用車道前： =t*(4050*2.2+450*120)1開通公交專用車道后：*2332.2*2.22= 2*485.5*120+21069.82.2+3注：最內側快速通道與其余三條道的通行能力之比分別為 1:0.8:0.7:0.68，那么快速通道變道的社會車輛數為 3402*1/(1+0.8+0.7+0.68)=1069.8,其余三車道的社會車輛數=3402-1069.8=2332.2。3.23 人均耗時 T開通前總人數 1=120450+2.24050=62910開通后總人數 =120*458.5+2.2*3402=62504.42開通公交專用車道前： =1=1 1開通公交專用車道后： =2=22（ 0.921+0.0822)根據實際情況有 ，有 ，這表明開通公交專用道后1 、 2 21.002 1由于車輛變道造成人均耗時延長。五結果呈現1 京通快速路行程時間：京通快速路通行效益評價匯總表注: 1. 行程時間不包括時間延誤及公交車在?？空镜耐？繒r間;2表格數據針對進京方向京通快速路段進行計算。2. 經收費站時間延誤分析表 2 京通高速公路開通公交專用道前后收費站處排隊延誤時間對照（Load S）京通快速路社會車輛（pcu/h）公交車車量（pcu/h）社會車輛Ws(min)公交車車流量Ws(min)人小時總量人均耗時（min）公交專用道開通前4050 450 0.4159434 0.4159434 26422.200 0.42公交專用道開通后3402 458.5 0.3227660 0.1333333 9731.008 0.16開通前：人小時總量=Ws*(450*120+4050*2.2) 、總人數=4050*2.2+450*120開通后：人小時總量=Ws*3402*2.2+ Ws*458.5*120 、總人數=3402*2.2+458.5*120人均耗時=人 小時總量/總人數行程時間 形成車速京通快速路公交車比例 社會車輛(min)公交車輛(min)社會車輛 (km/h)公交車輛(km/h)人均行程時間(min)改善前 10.00% 41.5 41.5 12.43 12.43 41.50改善后 11.63% 50.3 10.7 10.26 48.22 16.31變化率 17.50% -74.2% -21.15% 74.22% 60.70%表 3 京通高速公路開通公交專用道前后收費站處排隊延誤時間對照（Load S）擁堵時間（min ）京通快速路 公交 社會車輛車小時總量人小時總量人均耗時（min）開通前 10.00 10.00 45000 629100 10.00開通后 2.00 12.00 41741 199852.8 3.20六結論分析依據上述結果，高速公路上實施公交專用車道主要有以下利弊：利處：1）實施公交專用通道后，路段公交車行程時間減小，公交車車速提高，運行環(huán)境得到改善, 干擾減少。 2)人均行程時間下降，以人為單位的通行能力和以車為單位的通行能力提高。人流交通的道路飽和度降低。同時在收費站處人均延誤時間減少。3) 公交專用道的設置可以帶來一些間接效益,提高公交的吸引力, 居民調整出行結構, 減少交通出行總量, 緩解交通阻塞, 進而改善交通環(huán)境, 減少污染。弊處：實際公交專用通道后，社會車輛行駛時間增加，行駛速度減慢，由于開通專用通道時間段內車輛必須變道引起一定的時間耽擱。 但是由于設置公交專用道的目標在于使人的出行效益最佳，而高速路在實施了公交專用通道后，人均行程時間明顯減小，又由于車輛變道距離一般在 100 米以內，引起的人均時間延誤增加量小于收費站處人均延誤減少量，總體來說實施公交專用車道后，人均時間延誤減小。因此，經上述分析，高速公路上