（交通运输规划与管理专业论文）快速公交通行能力研究.pdf

摘要 作为一种低成本、实施周期短的大运量公交模式，快速公交在中国城市方兴未艾， 但作为其规划、设计和运营依据的通行能力理论却有所欠缺，本文在对国内各城市快速 公交系统运营状况调查的基础上，提出了更适合中国城市实际情况的快速公交通行能力 理论。 本文首先分析了快速公交通行能力的基本原理：系统的通行能力是由瓶颈车站决定 的，公交车停靠过程耗费的时间和系统运营稳定性是影响车站通行能力的关键因素，通 行能力必须要考虑到与服务水平的平衡。接着总结了影响通行能力的主要因素。研究将 快速公交车站作为一个排队系统，通过对北京、杭州和昆明三地的实际调查标定了公交 车在车站的到达与停靠时间分布特征，并利用g i g 1 排队模型建立了单一停靠位的通 行能力计算方法，详细分析了各个因素对通行能力的作用机理，提出大容量公交车、车 站售检票、水平登降和改善路权封闭性是提升停靠位通行能力的重要措施。接着从停靠 位布局和运营形式角度对多停靠位车站进行了分类，讨论了各种情况下的多停靠位车站 通行能力影响因素和计算方法，特别提出了编组运营形式的通行能力计算方法，并指出 编组运营是在道路资源有限的条件下，提高系统通行能力的有效途径。最后，杭州快速 公交b 1 线的调查数据被用于校验模型的精度，并以北京快速公交南中轴1 线为例进行 了详细的通行能力分析。 关键词：快速公交，通行能力，排队论，服务水平，停靠时间 a b s t r a c t b u sr a p i dt r a n s i t ( b r t ) ，w h i c hi sam a s st r a n s i tm o d e 、) ，i t l ll o wc o s ta n ds h o r t i m p l e m e n t a t i o np e r i o d ，i sb e c o m i n gi n c r e a s i n gp o p u l a ri nc h i n e s ec i t i e s h o w e v e r , t h e r ei sn o p r a c t i c a lt h e o r yf o rc h i n e s es i t u a t i o nt oa n a l y s e st h ec a p a c i t y , w h i c hi sn e c e s s a r yt ob r t p l a n n i n g ，d e s i g na n do p e r a t i o n b a s i n go nd e t a i l e dd a t af r o mc h i n e s eb r ts y s t e m s ，t h ep a p e r p r o v i d eam o r ep r a c t i c a lc a p a c i t ya n a l y s e sm e t h o d t h eb r tc a p a c i t yc o n c e p t sa r ei n t r o d u c e df i r s t l y ：t h es y s t e mc a p a c i t yi sd e t e r m i n e db y i t sc r i t i c a ls t a t i o n ，b u sd w e l lt i m ea n do p e r a t i o nr e l i a b i l i t ya r et w om o s ts i g n i f i c a n tf a c t o r s i n f l u e n c i n gt h ec a p a c i t y , a n dc a p a c i t yi sm e a n i n g l e s sw i t h o u tc o n s i d e r i n gl e v e lo fs e r v i c e t h e n , t h et h e s i se v a l u a t e so p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n df a c t o r si n f l u e n c i n gc a p a c i t yf o ra t y p i c a lb r ts t a t i o n a c c o r d i n gt ot h ea r r i v a lh e a d w a yd i s t r i b u t i o na n dd w e l lt i m ed i s t r i b u t i o n v a l i d a t e df r o mf i e l ds u r v e y si nb e i j i n g ，h a n g z h o ua n dk u n m i n g ，t h eg i g 1m o d e li sf o r m e d t oc a l c u l a t eb e r t hc a p a c i t y , a n dh o wv a r i o u sf a c t o r si n f l u e n c i n gc a p a c i t yi sd e s c r i b e dd e t a i l e d a l s o i ti sp r e s e n t e dt h a ta r t i c u l a t e db u s e s ，p r e b r o a df a r ec o l l e c t i o n ，l e v e lb o a r d i n g ，a n d r i g h t - o f - w a yi m p r o v e m e n ta r ev i t a lm e a s u r e st oi m p r o v eb e r t hc a p a c i t y t h et h e s i s a l s o c l a s s e sm u l t i - b e r t h ss t a t i o n sb yl a y o u ta n do p e r a t i o nm e a s u r e s ，a n dd i s c u s s e st h ec a p a c i t y c a l c u l a t i o nm e t h o df o rm u l t i b e r t h ss t a t i o n m o r e o v e r , t h ep l a t o o no p e r a t i o n , av e r yu s e f u l o p e r a t i o nm e a s u r et oi m p r o v ec a p a c i t yu n d e rl i m i t e dr o a dr e s o u r c e ，i se m p h a s i z e di nc a p a c i t y m e t h o d a tl a s t ，f i e l dd a t af r o mh a n g z h o ub r tl i n eb1i su s e dt ov e r i f ym o d e la n dt h a tf r o m b e i ji n gb r t l i n e1i sa n a l y z e dd e t a i l e da l s o k e yw o r d s ：b u sr a p i dt r a n s i t ，c a p a c i t y , q u e u i n gt h e o r y , l e v e lo fs e r v i c e ，d w e l lt i m e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 弓嘭 中月7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 冯谚 砷年多月7 日 呻厂月7 日 长安人学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 伴随我国城市化进程的不断加快，城市交通出行需求量急剧增加，对城市交通系统 总体容量提出了新的要求，而人们平均出行距离的增长又使原来以非机动化交通为主的 出行模式力不从心。与此同时，城市居民生活水平的提高和汽车价格的下降使得机动车 保有量出现了爆炸性增长，大量出行正向小汽车出行转移，道路拥堵不断加剧，并引发 了环境污染、能耗过大等一系列问题。由于我国的城市多为混合式的高密度用地形态， 城区道路用地增长潜力有限，尽管各城市大量新建改建道路以提高路网容量，但对缓解 交通拥堵作用有限。此外，从社会公平性的角度考虑，小汽车的发展并不能解决大量中 低收入人口的出行问题。 那么，城市交通问题究竟如何解决? 西方各国的经验已经证明，一味通过建设道路 来满足小汽车发展的需要，形成以小汽车交通为主导的出行模式，只能继续恶化城市环 境。贯彻以人为本而不是以车为本的发展思路，大力发展公共交通，不断完善非机动化 交通，合理引导小汽车交通，构建可持续的城市综合交通体系已经是为各国所认可的交 通发展模式。 公共交通作为城市交通发展的主导模式，不能仅仅依靠运送能力有限、速度慢、可 靠性较低的地面常规公交，还需要发展中、大运量，可靠性好的骨干公交网络。目前各 城市所热衷的轨道交通模式，尽管拥有大运量、高速、服务水平高等优势，但是其建设 周期长，耗资巨大，一方面不能在短期内成网，覆盖范围有限，另一方面也会给城市公 共财政带来巨大的负担，并影响到城市发展其他方面的投资。因此，轨道交通更应该作 为长远的追求，根据城市自身情况稳妥推进。 快速公交系统是利用改良型的公交车辆，运营在公共交通专用道路空间上，保持轨 道交通运营特性且具备普通公交灵活性的一种快捷的公共交通方式。快速公交系统整合 了车辆、车站、线路、公交车道和公交智能系统等多个因素，形成具有强烈形象感和独 特性的综合系统。快速公交最大优势在于在提供与轨道交通相似的运量与运输速度情况 下，仅需要占用少量的地面道路，建设周期短、见效快、灵活性高、经济性好。【3 5 】自上 世纪七十年代在巴西出现以来，快速公交系统已在全球得到迅速推广，在国内城市推广 快速公交可以在较少占用城市财政资源的基础上迅速提高公共交通系统的整体服务水 平，接近甚至达到轨道交通系统的效果，使公共交通真正成为能与小汽车竞争的交通模 式。目前，北京、杭州和昆明三个城市已经建成并运营快速公交，深圳、西安、济南等 第一章绪论 城市也处在实施阶段。 要成功实施快速公交需要一系列的理论支撑，快速公交通行能力是在一定时间内， 在一定服务水平下，系统某一断面所能通过的最大乘客数量，它是快速公交规划、设计 和运营的重要理论依据。设计通行能力过低，将造成快速公交设施饱和度过高，影响系 统运营速度，增加延误，并降低运营可靠性；设计通行能力过高，将使基础设施得不到 充分地利用，造成不必要的浪费。同时，快速公交还是多个部分集成的系统，各组成部 分的实施标准都会对系统的通行能力产生直接影响。本文拟在对影响通行能力的各要素 进行仔细分析的基础上，推导出不同要素组合下的快速公交通行能力计算方法，并对如 何通过改进系统来提高通行能力做一些探讨。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 北美地区关于公交车运输通行能力的研究很早就开始了。在1 9 6 1 年h r b 公路通行能 力委员会公共交通分会的进度报告中，就以观测数据为基础对城市道路上公交车运营的 最大通过能力进行了研究。之后，l e v i n s o n 等( 1 9 7 3 ) ，以及h o e y 和l e v i n s o n ( 1 9 7 5 ) 都 对公交车通行能力进行了进一步的研究，并提出了在确定的乘客需求下，计算所需要的 停靠站通行能力和停靠位需求的公式，这些研究成果在( ( t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hc i r c u l a r 21 2 ：i n t e r i mm a t e r i a l so i lh i g h w a yc a p a c i t y ) ) ( t r b ，19 8 0 ) 得到了整理。19 8 5h c m ) ) 对原 有方法进行了改进，在改进的公式中考虑了每信号周期绿灯时间、停靠站公交到达变化 状况以及停靠位的有效利用率等因素对公交车通行能力的影响。m a r s h a l l 等( 1 9 9 0 ) 将 1 9 8 5h c m - 的计算方法应用于曼哈顿地区街道，并发现将原有1 9 8 5h c m 公式乘 以0 8 3 3 的折减系数基本符合曼哈顿地区街道的状况。s t j a c q u e s 等 1 】在 1 9 8 5h c m ) ) 公 式的基础上，利用北美地区的实测数据和仿真方法对城市干道的公交车道通行能力进行 了更深入的研究，其研究成果也被整理进了( ( t r a n s i tc a p a c i t ya n dq u a l i t yo fs e r v i c e m a n u a l ) ) 【2 1 和 2 0 0 0h c m ) ) 【3 】s t j a c q u e s 等 4 1 以北美六条公交车道为例，对 2 0 0 0h c m ) ) 的应用做了进一步的研究，在( ( t r a n s i tc a p a c i t ya n dq u a l i t yo fs e r v i c em a n u a l ，2 n d e d i t i o n ) ) 【5 】中，又对该方法做了进一步地补充。此外，v u c h i c ( 1 9 8 1 ) 也对公交车运输 通行能力做了详细的研究。在快速公交通行能力研究方面， t c r pr e p o r t9 0 ：b u sr a p i d t r a n s i t ，v o l u m e2 ：i m p l e m e n t a t i o ng u i d e l i n e s ) ) 【6 】在以前的研究成果的基础上，提出了专门 2 长安大学硕士学位论文 针对快速公交的通行能力计算方法。 在南美，以排队模型和波哥大快速公交系统的实际经验为基础，巴西专家提出了相 应的快速公交通行能力计算方法，这套方法以单停靠位通行能力公式为基础，还针对组 合线、子母站和直达线的形式提出了相应的通行能力计算方法。【7 ，8 】 1 2 2 国内研究概况 中华人民共和国城乡建设环境保护部在1 9 8 8 年颁布的城市公共交通站、场、厂设 计规范( c j j1 5 8 7 ) 规定了不同线路数量及车型时公交中途站的规模【9 】；王炜等认为 公共汽车交通线路的通行能力受沿线各站通行能力的制约，而停靠站的通行能力取决于 公交车占用停靠站的时间，并由此建立了基于公交停靠时间的通行能力计算公式1 0 】： = 竽2 焘2 丽歪3 6 0 0 甄 1 ) 一了2 石而2 i 鬲歪甄 门d 式中，c 结：线路公交车辆通行能力( 辆j 、时每方向) ； t ：车辆占用停靠位的总时间( 秒) ； ：车辆进站停车所需时间( 秒) ，t 。= 5 7 b ，为车辆驶入车站时，车辆之间 的最小间隔，取等于车辆长度，b 为进站时的刹车减速度，一般取为1 5 米秒2 ； 厶：车辆开门和关门时间( 秒) ，为3 4 秒； t 3 ：乘客上下客所用时间( 秒) ，t 3 ：里盟，q 为公交车容量( 人每车) ，k 玑 为上下车乘客占车容量比例，广般取0 2 5 0 3 5 ，t 。为个乘客上车或下车所用时间， 平均约为2 秒，为乘客上下车用的车门数； f 。：车辆启动和离开车站的时间( 秒) ，t 。= 2 ，口，口为公交车离站时的加速 度，可取1 米秒2 ，意义同前。 此外，郭冠英利用随机服务理论，建立了中途停靠站驻车数的概率分布模型，提出了 公交中途停靠站线路数上限的建议值，同时还提出了公交驻站时间的计算模型【1 1 】；李娜， 陈学武建立了计算公交车中途站停靠能力的多因素回归模型【1 2 1 ；王波提出了基于公交到 站概率分布的停车位计算方法【1 3 】；彭春露，彭国雄在探讨横向布设的双港湾式停靠站时， 第一章绪论 依据美国通行能力手册的相关方法对这种停靠站的通行能力进行了分析【1 4 1 。在车站 停靠时间特性研究方面，彭庆艳、杨东援建立了公共汽车中途站停靠时间的基本回归模 型，并针对地段、行人自行车干扰状况、时段、气候等不同因素，用系数对基本模型进 行了修正【1 5 】；朱炜、陈学武结合典型站点的调查数据，分析了多线路公交停靠站公交车 停靠时间的影响因素，并提出了相应对策【1 q ；韩宝睿等基于调查数据对公交车在停靠站 延误的主要影响因素进行了分析【1 7 】。在停靠站与交叉口关系方面，裴玉龙、伍拾煤就公 交停靠对无信号交叉e l 的影响进行了分析【1 8 】；王茜、杨晓光就信号控制交叉口进1 = 1 道公 共汽车停靠对交叉口的影响进行了分析f 1 9 1 。 中国台湾省的张学孔、许聿庭( 2 0 0 3 ) 针对台北市中央公交专用道的运营情况，提 出了以下车辆通行能力计算公式，其值乘以每车载客量即为乘客通行能力： c 2 谣3 6 0 0 丙( g c ) 面r k ( 1 2 ) 式中，c ：车站的公交车通行能力( 辆川、时每方向) ； e ( d p 劬) ：每辆公交车扣除服务时间与清站时间之外，通过站区平均所受到延滞 ( 秒) ； f ：公交车清尾时间( 秒) ； g ：信号灯绿灯时长( 秒) ； 1 2 3 国内外研究情况评述 北美对公交车运输( b u st r a n s i t ) 通行能力已经有系统、成熟的研究，其理论充分 考虑到了影响公交车运输通行能力的各种因素，但是相关研究结论主要是针对北美公共 交通运行特点的，直接在中国使用的适用性不强。北美公交线路低峰时的发车间隔一般 4 长安大学硕士学位论文 在1 5 2 0 分钟，即便是在高峰时的发车间隔一般在5 分钟左右，所以在计算方法中，常 假定系统运营稳定，公交车均匀到达车站，而停靠时间变化才是主要波动量，而在国内 系统中，公交车的发车间隔要比国外小得多，车头时距的波动性较大，此外，在上下客 时间和多停靠位折减系数等方面，其公式相应形式和参数也与国内特征不同。 国内( 除台湾省) 对于常规公交通行能力做过一定研究，但由于常规公交运营状况 比较复杂，研究成果多为经验模型，现有理论直接用于快速公交系统的针对性不强，此 外，国内现有研究并没有涉及到通行能力与服务水平( 主要以延误或停靠站非空闲率作 为评价参数) 的关系，而对于快速公交这种对可靠性和速度要求较高的系统，良好的服 务水平对于系统成功运营是非常重要的。 巴西和中国台湾省的研究都是基于各自地区已有的快速公交或公交专用道系统，具 有一定借鉴意义，但公式形式和参数标定的经验性较强，适用性有限。 1 3 研究目的和内容 研究目的：借鉴国内外已有的研究成果，在对北京南中轴路快速公交系统、北京常 规公交、杭州快速公交系统、以及昆明公交专用道系统进行调查分析的基础上提出适合 国内特点的快速公交系统通行能力计算方法，能够区分计算不同路权、线路、车站设计 等要素组合时的通行能力，并体现出通行能力与服务水平间的相互平衡关系。利用研究 结果，提出快速公交系统应该如何根据不同客流规模选择设施形式和运营手段。 研究内容： 第一章：概述，介绍研究背景、国内外研究概况，以及研究目的和内容； 第二章：快速公交系统通行能力概述，并分别介绍车辆通行能力的原理、主要影响 因素和研究思路； 第三章：快速公交车辆到达车站间隔的分布规律，以及停靠时间的分布规律； 第四章：停靠位通行能力计算方法及参数敏感性分析； 第五章：多停靠位车站通行能力分析； 第六章l 实例北京快速公交南中轴l 线和杭卅| j 陕速公交b 1 线的通行能力分析； 第七章：总结研究成果，指出不足和下一步研究发展方向。 5 第二章快速公交通行能力概述 第二章快速公交通行能力概述 2 1 快速公交通行能力基本概念 快速公交系统通行能力是指在一定的运营环境和服务水平下，在快速公交系统中的 某个断面，一段时间( 通常是一小时) 内所能通过的乘客数量，快速公交系统的通行能 力往往是由瓶颈车站的通行能力决定的。 快速公交系统的最终运营对象是乘客，但是在通行能力分析时，首先要从公交车在 车站处的停靠过程出发，计算一段时间内所能通过的运营车辆的数量，进而结合公交车 载客量得到乘客通行能力。 车辆通行能力取决于两个因素：一是快速公交系统一个断面所能同时容纳的公交车 数量，如路段上的一个断面可以能同时容纳与车道数相等的公交车；二是公交车的最小 车头时距，当公交车在该断面以饱和车头时距连续通过时，达到最大通过能力。 车辆通行能力往往由线路中的一个或多个瓶颈车站决定：在车站处，只有在公交 车减速进站、完成上下客、加速离站后，下一辆公交车才能进入停靠位，停靠过程中 公交车之间还会相互干扰和阻挡，而系统瓶颈车站的公交车完成停靠过程所花费的时 间最长，同时，考虑到乘客候车方便性、道路条件等原因，车站通常最多提供5 个停 靠位，过长的车头时距和有限的停靠位数量使得车站成为整个线路的通行能力瓶颈； 而对于车站以外的通过设施，如路段、交叉口和交织段，由于公交车在通过时的车头 时距小( 稳定跟驰状态时约5 秒) ，即使考虑车流到达的不均匀性，其通行能力也会 远大于车站。 在通行能力分析的同时，还不能忽略系统的服务水平，这里所指的服务水平是在车 站处公交车的排队延误。线路时刻表的协调、交叉口信号灯配时、乘客上下客过程、运 营道路上其他车辆的干扰、驾驶员行为差异等多种因素都会导致运营的不稳定，即使发 车严格按照计划间隔执行，在实际运营时公交车之间也不能达到均匀的行车间隔。因此， 虽然从理论上看，当前一辆公交车刚好离开车站时，后一辆公交车就进站停靠，即达到 最大通行能力，但系统实际在这种状况下运营时，公交车“排长队”的现象会非常严重， 运营速度和可靠性大打折扣，并造成乘客延误增加和系统运力浪费。因此，快速公交系 统的通行能力必须要与服务水平结合分析，而不能孤立地进行研究。 6 长安大学硕士学位论文 2 2 影响通行能力的主要因素 影响快速公交系统通行能力( 实际上是系统中瓶颈车站的通行能力) 的主要因素 有： ( 1 ) 系统瓶颈车站的客流需求 系统瓶颈车站的客流需求越大，公交车停靠时的上下客时间就越长，一定时间内能 通过的公交车数量就越少。此外，乘客到达车站的分布会对系统的平均满载率和公交车 服务时间波动性产生影响。在公交车区分上车门和下车门时，上车乘客数和下车乘客数 的比例也会影响上下客时间的长短。 ( 2 ) 车站运营模式 车站运营模式是指影响公交车在单个停靠位停靠效率的一系列设施特征，包括公交 车的车门数量、踏步数量、车门宽度、车辆底板与站台的高差、车辆停靠时距离站台的 距离、车站售检票形式、站台内乘客空间布局等等。在相同的乘客需求下，车站运营模 式决定了上下客时间，其中，售检票形式和车门数量决定了最繁忙车门的上下客乘客数 量，车站布局影响乘客上下客的连续性，其他因素则主要影响人均上下车的速度。此外， 车站运营模式还会对停靠时间的波动性产生影响。 ( 3 ) 系统横向封闭性和纵向封闭性 快速公交沿线交叉口、混合运行路段、行人平面过街等都会对系统运营产生横向干 扰。首先，快速公交在通过有横向干扰的路段时，如沿线的交织路段等，其延误会有所 差异，横向干扰越严重，对系统运营的影响也就越大。纵向封闭性主要反映系统沿线干 扰点的数量，干扰点越多，公交车之间的行车间隔也就越难保持。 因此，系统横向封闭性和纵向封闭性越理想，快速公交车辆到达车站的间隔就越均 匀，车站停靠位的利用就会比较平衡，通行能力也会得到保障：反之，系统横向封闭性 和纵向封闭性越差，快速公交车辆到达车辆时的大间隔和“串车”情况就会增加，导致车 站不是公交车排队进站，就是在一段时间内都没有车辆到达，车站的利用效率不高，降 低通行能力和服务水平。 ( 4 ) 车站停靠位数量及布设形式 停靠位数量越多，车站的通行能力越高，因此，在高客流的快速公交系统或是中低 客流快速公交系统的高客流车站，都布置了多停靠位的车站。此外，停靠位的布设形式 也会对通行能力产生影响：当停靠位紧邻布设时，由于停靠位之间车辆不能互相超越， 7 第二章快速公交通行能力概述 其中一个停靠位的利用效率会较低，当停靠位之间留有足够距离且车站设置超车道时 ( 即子母站) ，各停靠位相对独立，公交车之间干扰最小，各停靠位可以得到全效利用。 但在实际中，停靠位紧邻设置对于道路横、纵断面条件的要求相对较低，同时也能有效 控制乘客在车站内的步行距离，因此应用较为广泛，北京、渥太华等城市的快速公交系 统均采用这种形式，而设置子母站和超车道尽管对于提高通行能力和服务水平很有效， 但由于对道路横断面要求很高( 高客流线路一般位于城市中心区，道路条件通常并不理 想，并且拆迁、改造难度很大) ，应用的城市并不多。 ( 5 ) 线路运营组织形式 快速公交的运营组织形式非常灵活，对应不同的运营组织形式，即便是乘客规模和 系统基础设施相同，通行能力也会有明显差异。 当系统处于单一线路运营状态时，快速公交运营车辆的行车间隔比较稳定，在车站 的停靠时间也比较一致，车站停靠位能够得到比较均衡的利用，而随着系统中运营线路 的增加，公交车到达间隔和服务时间也会发生相应的变化，并影响通行能力和服务水平。 大站快线和直达线是快速公交系统中提高通行能力和运营速度的有效运营手段，在 运营主线路的同时，大站快线车辆仅在系统中某些主要车站停靠，而在其他车站仅是通 过而不停靠，以减少停靠需求，因此，在运营大站快线和直达线后，系统的通行能力通 常会有所提高。同时，当系统规划开设大站快线时，需要在相应车站设置超车道，这就 对道路条件提出了较高的要求。 编组发车是快速公交系统中采用的另一种特殊运营形式，它是将同一线路，或走向 和客流分布相似的几条线路运营车辆( 车辆数通常等于停靠位数量) 进行编组，作为一 个公交车编队整体运营。此时，系统中的运营单位就不是单一的车辆，而是若干辆运营 车辆组成的“公交列车”。通过这种运营组织方式，即便是在走廊小时公交车通过量很高 的情况下，也能保持稳定的编队间运营间隔，并提高多停靠位车站中位置靠后的停靠位 的利用率，在实现更大通行能力的前提下维持较好的服务水平。在客流很高，但道路断 面条件有限( 没有设置超车道的条件) 的走廊中，编组发车的运营形式对于提高通行能 力非常有效。 ( 6 ) 运营车辆的车型 快速公交系统的最终目的是运送乘客，运营车辆载客量直接影响到乘客通行能力； 车长和动力性能主要影响车辆的进出站时间；车门布局、形式以及车内空间设计都是影 响乘客上下车分布以及人均上下客时间的关键因素。 8 长安大学硕士学位论文 卵盟 眨。， 印磁 q _ l c” 。 9 第二章快速公交通行能力概述 下上下客时间的波动范围( d c ，为上下客时间标准差，z 为正态分布的上侧分位数， 令其对应的概率为p ，即表示服务时间有p 的可能性大于d ( 1 + g z ) + 乙) 。公式中的绿 信比则是用于修正信号交叉口对于通行能力的影响。该模型的潜在假定是公交车按照均 匀分布到达车站，这与北美的运营状况是基本一致的，但在中国城市中，快速公交主要 在主客流走廊上运营，总发车频率较高，受横向封闭性和纵向封闭性的影响，很难实现 均匀到达，这与北美模型的假设是不一致的。 在停靠位通行能力计算公式的基础上，北美模型还提出了多停靠位车站乘客通行能 力公式： g = c m b ( 2 2 ) 式中，c v ：车站的乘客通行能力( 人次小时每方向) ； g ：单个停靠位的公交车通行能力( 辆川、时每方向) ； m ：车站有效停靠位的数量； b ：平均每辆公交车的载客量( 人车) 。 公式2 2 中的有效停靠位数量的取值( 如表2 1 ) 是根据北美地区公交专用道的运营 经验以及计算机仿真结果得到的，它们是否适用于中国城市的快速公交系统，还有待证 明。 表2 1 1 5 1 北美模型中的多停靠位车站有效停靠位数量( 停靠位线形布局) 车站设在运营道路上车站设在运营道路外 随机到达队列到达各种到达分布 有效停靠有效停靠有效停靠 停靠位数量效率( )效率( )效率( ) 位总数位总数位总数 11 0 01 0 01 0 01 o o1 0 01 0 0 27 5 1 7 58 5 1 8 5 8 51 8 5 37 02 4 58 02 6 58 02 6 5 42 0 2 6 52 5 2 9 0 6 53 2 5 5l o2 7 51 03 0 05 03 7 5 ( 2 ) 巴西模型的特点 巴西模型的单停靠位通行能力基本公式为： 1 0 长安大学硕士学位论文 e = 戛甄x * 3 6 0 0 1 0 l 三一3 ) ( 2 3 ) 式中，c 0 ：单停靠位的乘客通行能力( 人次川、时每方向) ； t l ：人均上下客时间( 秒) ； 式中的c d 是以乘客通过能力为单位的，因此，在公式两侧分别除以公交车载客量 c 。，可以得到公交车通行能力的表达式： c ：笠：；兰! 三鱼q q ； ( 2 4 ) 1 0 + 6 + r e n t l b o ( l - 3 )卜1 、 根据文献【7 】，公式中的1 0 乜一3 ) 实际上是满载时的公交车容量，而更新率r e n 与公 交车载客量c 。的乘积也正是上下车人数。因此，该公式可以变化为： c ：鱼：兰：! 里q q ：x * 3 6 0 0( 2 5 ) l = = 一= 一 k 么) c 口o o + l 6 ) + p t l t 式中，x 车站饱和度； z 公交车的服务时间。 在车站饱和度的标定上，巴西在经典m m 1 公式的基础上引入了公交车到达间隔 的均匀性系数【8 】： 2 x - q = k 懈两 2 6 式中的q 为系统平均排队长度，为公交车到达间隔的均匀性系数，公交车均匀到达 时取o ，到达间隔服从负指数分布时取1 ，对于封闭型快速公交系统，在缺乏详细信息 时可参考取0 7 ，对于开放式系统可取1 。 由此可以看到，巴西模型在停靠位计算上应用了m 瓜压l 模型，并增加了到达间隔 的均匀性系数。在假设公交车服务时间服从负指数分布，此时均值与标准差相等，因此， 第二章快速公交通行能力概述 该公式无法反映出系统服务时间不服从负指数分布时对于通行能力和服务水平的影响。 在公交车到达间隔的修正系数上，该公式仅给出几个典型状态下的取值，并没有给出其 详细标定方法。此外，该公式在服务时间丁的计算上依靠的是南美经验，中国城市的实 际情况可能有所不同。 在组合线路运营状况下，巴西模型的通行能力计算公式为： x 宰3 6 0 0 c o 2 巫8 i n 至+ 2 + 孕l 甄6i 理k c + 1 i o ( l 一3 ) “k c + n ( 2 7 ) 式中，组合线路运营时，一个编组的公交车数量。 k c 修正各车乘客需求差异的系数，编组所有公交车都属于一条线路时取1 ， 属于不同线路时取2 。 该模型很好的体现了编组运营对于提高系统上下客效率的作用，但是巴西模型并没 有进一步研究常规发车形式下多停靠位车站的运营机理。 此外，巴西模型还总结了设置超车道和子母站时的通行能力计算方法。 ( 3 ) 两个模型的特点总结 综合以上分析，北美模型和巴西模型的特点可以总结为： 表2 2 北美模型和巴西模型的特点小结 能否反映能否反映服选用的服能否计算编能否计算常规运能否计算超 到达间隔务时间波动务水平指组运营通行营形式下多停靠车道和子母 波动变化变化标能力位车站通行能力站通行能力 等待进站 北美模型否能否能否 的概率 平均等待 巴西模型能否能否能 时间 2 4 研究方法和思路 通过上一节的分析，笔者认为，研究适合中国城市特征的快速公交通行能力，可以 在现有理论的基础上，主要在以下方面有所修正或突破： 1 2 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 国外模型都是依据当地特征标定公交车到达和服务分布特征，本文可以分析 在中国城市中，公交车的到达分布和服务时间分布规律，并总结各种因素如何影响到达 和服务分布规律； ( 2 ) 通行能力公式要能够同时反映公交车到达间隔和服务时间的波动，即要能够 全面反映系统运营稳定性对通行能力的影响，现有模型尚不能同时反映这两个方面； ( 3 ) 分析在停靠位紧邻布设的多停靠位车站中，不同运营组织形式下( 理想状态、 编组运营及常规发车形式) 的通行能力和服务水平变化情况，特别是分析编组运营的作 用机理，现有模型在这方面有所欠缺。 影响快速公交通行能力的因素众多，但本质都是公交车到达车站并接受服务的过 程，而要了解这样一个排队系统的特征，首先就要对公交车到达车站，以及在车站接受 服务的特征进行全面分析。客流需求、系统横向封闭性和纵向封闭性、车站运营模式和 公交车型等要素都会影响公交车到达车站间隔和停靠时间的分布规律。为此，笔者对目 前国内已经运营的北京、杭州、昆明三地的快速公交或公交专用道系统进行了大量的调 查，同时还补充调查了这三地常规公交的运营状况。利用这些详实的数据，本文首先对 公交车的到达特征和服务特征进行了分析。 单一停靠位的通行能力是研究车站通行能力的基础，同时单一停靠位也可以被看作 是一个典型的服务台，可以应用经典的排队论理论进行描述。本文接下来利用上述实证 数据总结出的规律，将单一停靠位拟合为g i g 1 排队模型，推导出停靠位通行能力的 计算方法，并详细讨论模型中各个参数的取值范围，还就快速公交的各个设计要素影响 通行能力和服务水平的机理进行了剖析。 国内城市的快速公交系统大都设在高客流走廊，瓶颈车站仅设置一个停靠位很难满 足实际需要，需要设置多个停靠位。快速公交多停靠位车站在停靠位布局和运营组织上 都具有多种形式，对这些形式与通行能力的关系同样也是本文的讨论重点。由于国内城 市的高客流走廊大都也是交通量大、道路资源有限的干道，要设置超车道和子母站往往 困难重重，本文也因此对占用道路资源较少的编组运营形式进行了详细讨论。 北京和杭州是目前国内仅有的两个有快速公交系统运营的城市，通过对这两个城市 的实证分析，可以校验本文提出的通行能力模型，并实际探讨快速公交系统各个要素对 通行能力的实际作用，对今后其他城市快速公交系统的规划和设计亦有参考价值。 1 3 第二章快速公交通行能力概述 图2 1 快速公交通行能力研究流程图 1 4 长安大学硕士学位论文 第三章车站的公交车到达分布和服务时间分布 本章将以实际调查数据为依据，分析在不同设计特点的快速公交系统中，公交车到 达时间间隔分布和服务时间分布，其中，服务时间分布包括停靠时间的均值和方差。本 章目的在于揭示不同设计要素对系统到达及停靠时间的影响，并为接下来的通行能力理 论计算方法提供支持。 3 1 快速公交车辆到达车站的分布特征 3 1 1 概述 在最理想的状况下，快速公交车辆以均匀的车头间隔一辆接一辆的到达车站停靠， 这样，车站就可以得到全效利用。但在实际运营中，由于交叉口延误、车站停靠、线路 时刻表间的冲突、驾驶员行为差异、发车间隔不均等一系列原因，快速公交系统不可能 实现完全均匀的行车间隔。图3 1 就表现了北京快速公交南中轴1 线北行方向三营门至前 门段的运营时间分布( 三营门为初始计时点，纵轴为运行时间，横轴为样本数，三条曲 线分别表示从三营门出发，到达木樨园桥、天坛和前门时的运营时间) ，可以看到： 图3 1 北京快速公交1 线北行方向行驶时间 1 5 术棒爱挢 天坛 前门 第三章车站的公交车到达分布和服务时间分布 在有专用道的路段，系统运营基本稳定，但公交车的区间行驶时间仍有波动，而在 天坛至前门的混合运营段，行驶时间波动非常明显，公交车很难保持均匀的行车间隔。 本节将对典型运营环境下，快速公交车辆到达车站的分布特征进行讨论，以为下一步的 通行能力分析做铺垫。 3 1 2 高服务频率系统的到达分布 北京快速公交南中轴1 线是典型的“封闭型”高客流快速公交系统。2 0 0 6 年3 月2 0 日， 有关单位对稳定运营后的系统进行了一次运营状况调查，根据对典型车站公交车到达间 隔的调查数据统计可以看到，尽管系统整体上运营稳定，但行车间隔仍具有一定的波动 性。图3 2 为木樨园桥站北行方向晚高峰车辆到达间隔的分布图，样本均值1 0 9 秒，标准 差为1 0 3 秒，两者之比为1 0 6 ，由此可以假设，车辆到达间隔可能服从负指数分布。 图3 2 北京侠运公文l 线军头同隔分布统计 以下对该组样本进行负指数分布的拟合检验，负指数分布的概率分布函数为： 僻【 1 删- e - m , 呲 ( 3 1 ) 易知，分布函数中参数兄的估计值瓦= 面b = 1 1 0 9 ，即如果假设为真，有： r 一上 户o ) = 1 一p1 0 9 ：，o ， 【o ，f 0 将7 0 个车头间隔样本划分为若干个相互不重合的区间4 = ( a ；，a i + l 】：彳。= ( 1 ，2 5 ， 4 = ( 2 5 ，5 0 】，4 = ( 2 0 0 ，0 0 ) 。 长安大学硕士学位论文 则车头间隔落在区间4 内的估计概率为： p ，= 户( 4 ) = 户g ， x a ) = 户( 口川) 一户( 口n ) ( 3 2 ) 用z 表示样本中落入4 的频数，刀为样本总数，有( 如表3 1 ) ： 8 ( z 2 励) 一刀= 7 2 7 7 1 2 7 0 = 2 7 7 1 2 z 0 2 1 。( 尼一1 ) = 2 8 3 3 因此，样本符合负指数分布的假设在9 0 的置信度下是成立的。据此可以认为，在 单一线路运营的高频率封闭型快速公交系统中，由于系统横纵向干扰、发车间隔波动以 及公交车之间干扰等原因，公交车到达车站时的车头时距服从负指数分布。 表3 1 北京快速公交1 线车头间隔分布的z 2 检验计算表 4 t 砰| 而p n p ( 1 ，2 5 1 1 4 0 2 0 5 01 4 3 51 3 6 6 1 5 ( 2 5 ，5 0 】 9 o 1 6 2 91 1 4 17 1 0 1 3 ( 5 0 ，7 5 】 1 0 1 1 0 2 7 0o 1 2 9 6 9 0 7 ( 7 5 ，1o o 9 1 1 2 3 4 5 0 1 0 3 07 2 1 ( 1o o ，1 2 5 】 6 6 2 8 0 30 0 8 1 95 7 3 ( 1 2 5 ，15 0 】 6 0 0 6 5 14 5 67 8 9 9 3 ( 15 0 ，2 0 0 8 9 8 4 0 1 0 0 9 2 9 6 5 0 大于2 0 0 8 5 7 2 7 30 1 5 9 61 1 1 7 现有对于常规公交系统的研究表明，在服务多线路的车站，公交车到达车头时距服 从负指数分布。【1 因此，同样可以认为在线路组织和车辆运行特征与常规公交相似的“开 放型”快速公交系统中，公交车到达车站时的车头时距服从负指数分布。 3 1 3 低服务频率系统的到达分布 快速公交系统的道路条件、线路组织、运营计划等因素都是因地而异的，因此，车 头时距的分布也会因为系统特征的不同呈现出不同特征。以下以杭州快速公交为例对此 进行说明。 杭州快速公交系统由主线和区间线共同运营，在线路西端黄龙客运站，两条线路按 照一定发车频率统一轮流发车，而在东端发车时，两条线路起点不同，运营时刻表缺乏 1 7 第= 章车站的。交车到达分布和服务时间分布 整合。根据2 0 0 6 年6 月4 日在公交总公司站的调查( 图32 3 ) ，东行方向主线和区间线各自 的车头时距并不服从负指数分布，而是体现出一定的正态分布特征，但综合两条线路的 总到达间隔，呈现出更为一般的分布特征；在西行方向，主线和区间线的到达间隔仍然 体现出一定的正态分布特征，但综合两条线路后，由于发车时刻表缺乏整合，“串车” 现象较为普遍，小间隔出现的概率很高。 东行方向车头时距分布( 左：土线，中：b 间线，# ：整体分布 一_ 一 鱼蔓攀，j 挺 k 曲善? 。 目行方向车头时升布( 左i 线，中e 目线，s ：体* ) 图3 0 杭州快速公交b 1 线车头间隔分布统计 可见，在杭州快速公交系统中，由于系统饱和度低、停靠时间波动性小、发车顿率 较小、运营车辆之间干扰较少等原因，单条线路公交车之间车头间隔的分布较为均匀， 但是由于线路间时刻表缺乏整合，导致整个系统运营稳定性相对较差，车站的公交车到 达服从一般的分布。 由于很难拟合出具体的到达间隔分布函数，而在下一章的通行能力理论模型中对此 也没有特殊要求，因此本节不对具体分布函数做进一步讨论，仅提出快速公交系统的公 交车到达间隔并不一定都服从负指数分布。 3 14 基本结论 综合上两节的讨论，可以认为： ( 1 ) 对于线路组织合理、系统饱和度较低的快速公交系统，车头时距应该分布稳 定，并具有一定的正态分布特征； 1 长安大学硕士学位论文 ( 2 ) 多条线路同时运营的开放型快速公交系统，以及线路单一的高客流封闭型快 速公交系统，公交车到达车站的车头时距服从负指数分布； ( 3 ) 如果系统中存在线路时刻表明显冲突、车站紧邻长周期信号交叉口下游设置、 运营道路上有几处长周期信号交叉口等明显影响系统稳定性的因素，车头时距服从一般 分布，且小间隔和大间隔的出现概率较高；