在高速公路上施划公交专用车道的利弊分析

在高速公路上施划公交专用车道的利弊分析摘要本文主要讨论问题为在高速公路上施划公交专用车道的利与弊。此公交车道的设置引起了社会上很大的关注，褒贬不一。本文讨论所有问题所选路段的原型均为京通快速路上进京方向的长 8.6 公里的公交专用车道。本文讨论的利与弊主要从路段社会车辆耗时，路段公交车辆耗时和路段人均耗时三方面考虑，并且认为只要路段人均耗时减小，就是利大于弊。根据京通快速路公交专用通道的实际情况，本文从三个方面入手讨论公交专用车道的利弊问题，且引入了三个模型。方面一研究平直路段上的耗时，引入了美国 FHWA 的路阻函数模型，根据实际掌握的几组路段车流量和路段耗时，选择了其中两组数据，用 lingo 程序确定了京通快速路段公交专用车道适用的两个参数 a=10.11 和 b=1.53。路段最大通行能力则采用了多车道总通行能力 C 计算公式： = 。这样计算多1道路通行能力比理想化的认为每条道路通行能力相同更切合实际。然后由所确定的系数 a 和 b 计算专用公交车道设立前后的公交车路段耗时、社会车辆路段耗时、车小时总量和人小时总量及人均耗时。方面二研究通过八里桥收费站及进站前 200 米耗时。在车况不拥堵的情况下，引用等待制排队论模型，根据公式 精确计算出车辆等待的概率和公式 计算每辆车的平均等待时间。然后按照方面一的计算方法计算出设立公交专用车道前后公交车路段耗时、社会车辆路段耗时、车小时总量和人小时总量及人均耗时。在路段车辆拥堵的情况下，排队论模型中 loads，模型无意义。因此根据实际调查得到的公交专用车道设立前后公交车辆和社会车辆通过此路段的时间，直接引用计算拥堵时公交车路段耗时、社会车辆路段耗时、车小时总量和人小时总量及人均耗时。方面二的创新点在于根据实际情况将所讨论的路段分为育拥堵和不拥堵两种情况来分析，能更全面地反应设立公交专用车道的利弊问题。方面三研究公交车进入专用公交车道这一路段的变道问题。此路段在公交专用车道设立前后行驶车辆多了一个变道的过程，此过程必将影响到路段人均耗时，不可忽略。根据京通快速路上对两车之间车距不能小于 100 米和不在公交专用车道上行驶的公交车及在公交专用车道上行驶的社会车辆的实际变道平均所走路程，本文认为变道行程 S 在 100 米左右。变道时，公交车司机及售票员以手势和转向灯示意其他车辆自己需要变道，而其他车辆也都很默契的减小车速让公交车变道，而公交车变道时因需要观察前后车况及考虑是否变道等一系列因素也会稍微减速。而社会车辆变道的情况和公交车辆近似相同。根据所知条件，本文自己建立了变道模型。根据之前的计算方法计算公交专用车道设立前后的人小时总量和人均延误时间来分析变道的利与弊。关键词：路阻函数模型、排队论模型、变道模型、人均行驶时间、人均延误时间。一问题重述公交专用车道是指在较宽的道路上, 采用某种隔离方式( 交通标线或硬质设施) 进行分离, 专门划出一条车道作为公交专用的车道, 在特定的时间段内仅供公共汽车行驶, 其它车辆不允许通行1 。本文结合京通快速路实施公交专用通道方案, 探讨高速路上实施公交交通专用道利弊问题，核心是探讨实施公交专用通道后效益分析及评价方案。设置公交专用道的目标, 即使得交通设施的使用权和资源向公共交通方式转移, 从而使得客流的移动逐步趋向有序, 使得以人为单位的出行效益最佳。评价方法取决于评价的目的和评价者, 要兼顾各方面的评价需要, 寻求一种宏微观、定量定性结合的综合性评价方法。公交专用道的评价主要采用比较分析方法, 即对公交优先措施实施前后整条道路效益的相对变化进行定量、定性评价。评价对象针对所有车辆,在考虑公交车辆运行效益改善的同时, 还应考虑到社会车辆运行效益的下降。为此, 评价从公交车辆和社会车辆两个层面进行。设置公交专用道所产生的效益主要包括3 个方面: 1.直接的经济效益：运营收入增加和运输成本降低; 2. 间接的经济效益,：节省交通出行者的时间消耗; 3.社会效益：提高公交的快捷性和舒适性, 降低公交车辆因频繁停走而产生的废气排放, 从而提高公交的吸引力, 改善公共交通的形象等。考虑到交通管理措施的局部性和动态性, 以及1 和3 两方面效益测算所需资料及涉及问题的复杂性, 甚至不可预测性,本文将侧重于间接的经济效益评价。二问题分析京通快速路上实施公交专用道的利弊评价主要采用比较分析方法，评价体系包括路段平均行驶时间前后对比评价和人均每小时延误时间前后对比评价。本文从以下三方面进行具体分析：方面一：利用美国联邦公路局提出的路阻函数模型可以确定车辆行驶时间。模型中涉及到的公交专用车道实施前后路段机动车交通量、公交车交通量、社会车辆交通量，均需要查阅资料考查实际获得；路段实用通行能力c 需查阅相关文献确定计算公式获得 ; 参数的确定调查京通高速路断面流量及通过该路段的行程时间, 通过对调查数据的回归分析标定参数。确定公交车、社会车辆平均行驶时间后，再确定公交车、社会车辆平均行驶速度的变化、行驶时间的变化，以及路段人小时总量的变化和人小时平均时间的变化，计算变化率，设计表格，观察分析设置公交车道前后道路效益。方面二：京通快速路上车辆经过收费站时产生的时间延误分析。通过收费站延误时间包括等待时间和缴费时间的延误，采用等待制排队论模型，相关数据从网上文献中查阅，利用LINGO编程，计算得到公交车专用车道实施前后车均等待时间，再根据总人数确定人均等待时间；方面三：京通快速路实施公交专用车道后，在7-9点、17-19点时段公交车和社会车辆必须变道到规定车道产生的延误分析。这个问题不可忽略，其基本思想是将车辆变道距离与变道速度做比。三模型假设1.由于京通快速路设置公交专用车道路段大部分车道数为四车道，因此假设研究路段车道数均为四车道。2.八里桥收费站八个服务口全天开通，公交专用通道开通后只占一个服务口。3.车辆过收费站时减速、加速过程共需8s，服务时间为4s。4.变道过程中变道车辆及其后方车辆的速度均减小，且变道过程中的社会车辆与公交车的速度近似相等。四模型建立与求解1平直路段平均行驶时间前后对比评价模型一基本变量及符号说明：1.路段行驶时间( min): t2. 京通快速路公交专用车道路段长度(km) ：L3. 京通快速路公交专用车道路段最大通行能力(pcuh) ：c 4. 京通快速路公交专用车道路段机动车道数(条)：n5. 京通快速路设置公交专用车道前路段机动车交通量(pcuh) ：V6. 京通快速路设置公交专用车道前路段公交车交通量(pcuh) ： 17. 京通快速路设置公交专用车道后路段机动车交通量(pcuh) ： 8. 京通快速路设置公交专用车道后路段公交车交通量(pcuh) ： 19.设置公交专用车道前，公交车的平均行驶时间： 110.公交专用车道前，每辆非公交机动车的平均行驶时间： 211.设置公交专用车道后，公交车的平均行驶时间： 112设置公交专用车道后，每辆非公交机动车的平均行驶时间： 2模型一：机动车车辆路段行程时间采用美国FHWA 的路阻函数模型【1】京通快速路公交专用车道路段评价以断面人均出行时间为评价指标, 以公交线路平均长度L 为评价背景,通过分别计算社会车辆及公交车辆的车均行程时间得到人均出行时间。1.1机动车车辆路段行程时间采用美国FHWA 的路阻函数模型【1】计算：=01+(/)为交通量为0 时的路段行驶时间，取机动车时速v为100km/h, 得=L/v=5.6min ；多车道总通行能力C 计算公式为：=1式中：n=4, 为第一条车道可能通行能力，单位为pcuh。可参考城市道路设计 1规范和公路工程技术标准取值：这里取2200；为相应的各车道的折减系数，通常以靠近路中线或中央分隔带的车行道为第一车道，其通行能力为1，根据京通快速路实际情况，取第二车道为第一车道的0.85第三车道通行能力为第一车道的0.7第四条车道为0.68；为机动车道的道路分类系数，由于京通快速路为封闭式，因此=1；高速公路、快速路取 08。a 、b 为系数，调查其断面流量及通过该路段的行程时间, 通过对调查数据的回归分析标定参数。1.2设置公交专用车道前路段行驶时间预测：从网上查阅资料，汇总每日京通快速路设置公交专用车道前路段机动车交通量得=4500(peu h)；其中，公交车占10% ，社会车辆占90%，=450(peu h) 。公交车与社会车辆行驶时间为1=2=01+(/4)1.13设置公交专用车道后的路段行驶时间预测设置公交专用车道后, 公交专用车道与其他机动车道分担着不同的交通量, 公交车辆与其他机动车辆有着不同的平均行驶时间. 从网上查阅资料可知，实施公交专用车道后，公交车数量每两小时增加17趟车次，社会车辆下降16%。对于公交专用车道而言, 其承担的交通量中只有公交车，流量为 , 其平均路段行驶时间为：1=01+(/1)对于其他机动车道而言, 总的交通量大小为-, 由n - 1 条机动车道分担, 则其平均路段行驶时间为2=01+13经计算, 设置公交专用车道后, 由于道路通行权的改变, 公交车与非公交机动车的平均行驶时间均发生了变化.1. 3 前后对比分析1.3.1公交车平均行驶时间的变化设置公交专用车道后, 公交车平均行驶时间的变化可以用下式计算 1=11=01+(/4)01+(1/1)1.3.2 非公交机动车平均行驶时间的变化设置公交专用车道后, 非公交机动车平均行驶时间的变化可以用下式计算： 2=22=01+1301+(/4)1. 3.3 路段车小时总量的变化设置公交专用车道前, 路段车小时总量 1=1=01+(/4)对于设置公交专用车道后, 路段上的车小时总数为 1=11+2（ 1）相应的路段车小时总量变化值为 =111. 3. 4 路段人小时总量的变化对于非公交机动车, 认为平均载客2. 2 人/ 辆; 对于公交车, 认为平均载客120人/ 辆.设置公交专用车道前, 路段人小时总量 为2=2.2(1)2+12011设置公交专用车道后, 路段人小时总量 为2=2.2(1)2+12011相应的路段人小时总量的变化量 2=22人均小时变化量为 22.2(1)+1201城市中, 客运交通占绝对多数, 货车很少. 因此, 本文中忽略了设置公交专用车道后对货运的影响.数据结果呈现见表1。2.车辆通过八里桥收费站及其前方200米时间延误分析2.1模型二：等待制排队论模型京通快速路上在八里桥处有一收费站，是导致京通快速路堵车的重要原因之一，这里引用等待制排队论模型讨论快速路上公交车辆和社会车辆过收费站时平均延误时间，并对设置公交专用车道前和设置后两种车辆的延误时间做一对比。2.11等待制排队模型符号：A/B/S/其中A表示输入过程，服从Poisson 流；B表示平均缴费时间，服从负指数分布,S表示服务口数目，京通快速路上为六个，系统容量为无穷。2.12 等待制排队模型的基本参数车辆等待的概率Pwait load是系统到达负荷，为load=/=R*T式中R表示, T表示1/, ,R或是每小时到达车辆数；是平均每小时车辆过收费口数量；T 就是每辆车平均缴费时间 . 每辆车的平均等待时间Wq 其中T/(S-load)是一个重要指标，可以看成一个“合理的长度间隔”。这里，要进行两种讨论：当load S时, 上式Wq无意义。其直观的解释是：当系统负荷超过收费口的个数时, 排队系统达不到稳定的状态 ,其队将越排越长。其结果是造成快速路上发生堵车。2.13设置公交专用车道前：. 当load S时，根据实际情况，从网上查阅资料得，京通快速路疏堵后，平均每车延误时间为10min。由上述1.34公式，计算人小时延误总时间，人小时平均均延误时间。2.14设置公交专用车道后：按照式上面分析, 编写LINGO程序，其中R=30,T=12/60, load=R*T,S=7.由此得到：(1) 系统平均队长 Ls=9.682981(2) 系统平均等待队长 Lq= 3.682981(3) 车辆总延误时间 Ws= 0.3227660(min)(4) 车辆平均等待时间 Wq= 0.1227660 (min)(5)系统繁忙概率 P wait=0.61由上述1.34公式，计算人小时延误总时间，人小时平均均延误时间。当load S时，根据实际情况，从网上查阅资料得，京通快速路疏堵后，公交车平均每车延误时间为2min，社会车辆平均每车延误时间为12min 。由上述1.34公式，计算人小时延误总时间，人小时平均均延误时间。数据结果呈现见表2。3.车辆变道时间延误分析由于开通公交专用车道时间段内，公交专用车道上不允许社会车辆行驶，同时所有公交车必须从其他车道行驶到专用车道，便产生了车道变换问题，以及车道变换导致的时间延误。本模型为我小组成员讨论后创建的模型，旨在通过模型的运用，探讨实施公交专用通道前后车道变换产生的人均延误时间。这里假设车道变换时平均经过两个车道宽，从网上查阅资料可知，单车道宽度为 d=3.75m。3.1 模型三：变道模型模型变量及符号说明：车辆直行行程（km）：s开通公交专用通道前车辆平均行驶速度（km/h）:v开通公交专用通道后公交车变道平均速度（km/h） : (11 )开通公交专用通道后社会车辆变道平均速度（km/h）: =11开通公交专用通道后未变道社会车辆平均速度（km/h）： （2 2 、 2 1)开通公交专用车道前，车辆行驶 s 车程所用时间(h): 1开通公交专用车道后，公交车辆行驶 s 车程所用时间(h): 23.2 模 型 计 算 ：3.21 开通公交专用车道前,所有车辆平均用时：=s/v1开通公交专用车道后：公交车变道所用时间 =2 2+(3.752)2/1社会车辆变道所用时间 2= 2+(3.752)2/1其余车辆所用时间 =s/3 23.22 人小时总延误时间 h开通公交专用车道前： =t*(4050*2.2+450*120)1开通公交专用车道后：*2332.2*2.22= 2*485.5*120+21069.82.2+3注：最内侧快速通道与其余三条道的通行能力之比分别为 1:0.8:0.7:0.68，那么快速通道变道的社会车辆数为 3402*1/(1+0.8+0.7+0.68)=1069.8,其余三车道的社会车辆数=3402-1069.8=2332.2。3.23 人均耗时 T开通前总人数 1=120450+2.24050=62910开通后总人数 =120*458.5+2.2*3402=62504.42开通公交专用车道前： =1=1 1开通公交专用车道后： =2=22（ 0.921+0.0822)根据实际情况有 ，有 ，这表明开通公交专用道后1 、 2 21.002 1由于车辆变道造成人均耗时延长。五结果呈现1 京通快速路行程时间：京通快速路通行效益评价汇总表注: 1. 行程时间不包括时间延误及公交车在停靠站的停靠时间;2表格数据针对进京方向京通快速路段进行计算。2. 经收费站时间延误分析表 2 京通高速公路开通公交专用道前后收费站处排队延误时间对照（Load S）京通快速路社会车辆（pcu/h）公交车车量（pcu/h）社会车辆Ws(min)公交车车流量Ws(min)人小时总量人均耗时（min）公交专用道开通前4050 450 0.4159434 0.4159434 26422.200 0.42公交专用道开通后3402 458.5 0.3227660 0.1333333 9731.008 0.16开通前：人小时总量=Ws*(450*120+4050*2.2) 、总人数=4050*2.2+450*120开通后：人小时总量=Ws*3402*2.2+ Ws*458.5*120 、总人数=3402*2.2+458.5*120人均耗时=人 小时总量/总人数行程时间 形成车速京通快速路公交车比例 社会车辆(min)公交车辆(min)社会车辆 (km/h)公交车辆(km/h)人均行程时间(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变化率 17.50% -74.2% -21.15% 74.22% 60.70%表 3 京通高速公路开通公交专用道前后收费站处排队延误时间对照（Load S）拥堵时间（min ）京通快速路 公交 社会车辆车小时总量人小时总量人均耗时（min）开通前 10.00 10.00 45000 629100 10.00开通后 2.00 12.00 41741 199852.8 3.20六结论分析依据上述结果，高速公路上实施公交专用车道主要有以下利弊：利处：1）实施公交专用通道后，路段公交车行程时间减小，公交车车速提高，运行环境得到改善, 干扰减少。 2)人均行程时间下降，以人为单位的通行能力和以车为单位的通行能力提高。人流交通的道路饱和度降低。同时在收费站处人均延误时间减少。3) 公交专用道的设置可以带来一些间接效益,提高公交的吸引力, 居民调整出行结构, 减少交通出行总量, 缓解交通阻塞, 进而改善交通环境, 减少污染。弊处：实际公交专用通道后，社会车辆行驶时间增加，行驶速度减慢，由于开通专用通道时间段内车辆必须变道引起一定的时间耽搁。 但是由于设置公交专用道的目标在于使人的出行效益最佳，而高速路在实施了公交专用通道后，人均行程时间明显减小，又由于车辆变道距离一般在 100 米以内，引起的人均时间延误增加量小于收费站处人均延误减少量，总体来说实施公交专用车道后，人均时间延误减小。因此，经上述分析，高速公路上