王鵬飛，薛 藝，孟德光*，李 政，趙 艷，井國龍，李雙喜

(1河北科技師范學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，河北秦皇島，066004;2秦皇島市公安局交通警察支隊;3河北省交通規(guī)劃設(shè)計院;4秦皇島市交通運輸局)

隨著城市化和機動化的飛速發(fā)展，我國很多城市都在不同程度上受到交通擁擠、事故多發(fā)、環(huán)境污染等城市病的威脅。集中優(yōu)勢力量優(yōu)先發(fā)展公共交通體系不但能夠有效的緩解城市交通擁堵，而且還可以改善人居環(huán)境。軌道交通雖然是高效率的公共交通方式，但它建設(shè)耗資巨大，建設(shè)周期長，且無法在短期內(nèi)形成密集的運輸網(wǎng)絡(luò)［1］。因此，作為軌道交通與普通公交“結(jié)合體”的快速公交系統(tǒng)就誕生了?？焖俟幌到y(tǒng)簡稱BRT(Bus Rapid Transit)系統(tǒng)，是利用改型的公交車輛，運營在公交專用道路空間上，是一種保持軌道交通特性又具備常規(guī)公交靈活性的便利、快速的公交方式［2］。

BRT系統(tǒng)之所以在短短的半個世紀(jì)就得到如此的發(fā)展，主要是因為其具有以下優(yōu)勢:(1)造價低、建設(shè)周期短;(2)速度快、靈活性好;(3)運送能力大、污染小、耗能少;(4)安全性高，對用戶友好;(5)增加大城市地鐵服務(wù)范圍，有利于TOD土地開發(fā)模式［2］。其中，造價低(通常情況下，僅為軌道交通成本的1/10)以及建設(shè)周期短(單條項目從立項到完工的時間1～2年，地鐵通常為8～10年)是吸引中小城市的主要原因。但是，對于中小城市，BRT系統(tǒng)的建設(shè)仍是一筆較大的財政支出。因此，在修建BRT系統(tǒng)之前，政府部門必須對其運營的可行性進行科學(xué)的分析。

目前，對城市BRT系統(tǒng)的研究主要集中在運營意義分析［3，4］、國內(nèi)外案例分析［5］、環(huán)境評價指標(biāo)體系建立［6］、設(shè)計流程［7］、專用信號控制［8，9］、站點設(shè)置方式［10］等方面。而對于 BRT 系統(tǒng)這種造價相對昂貴的交通基礎(chǔ)設(shè)施卻缺少運營可行性的分析方法研究，使得政府部門在決策時面對:(1)出行者對BRT系統(tǒng)的交通需求預(yù)測;(2)其運營路段交通擁堵(即其運行對其他出行方式的影響)程度的預(yù)測等問題的分析卻無從下手，而其后的規(guī)劃、設(shè)計與管理更加無從談起。因此，筆者以當(dāng)今交通規(guī)劃主流的TransCAD軟件與交通微觀仿真主流的Vissim軟件為技術(shù)支撐，充分把前者的靜態(tài)交通預(yù)測優(yōu)勢與后者的動態(tài)交通仿真優(yōu)勢相結(jié)合對BRT系統(tǒng)運營的可行性方法進行研究，為政府部門的決策提供支持。

1 可行性分析方法的基本思想

1．1 交通軟件

Vissim軟件是由德國PTV公司開發(fā)的微觀交通仿真系統(tǒng)工具，是一種微觀、基于時間間隔和駕駛行為的仿真建模工具。它主要用于建模和分析各種交通條件下城市交通和公共交通的運行狀況，是評價交通工程設(shè)計和城市規(guī)劃方案的有效工具。

TransCAD軟件是由美國Caliper公司開發(fā)的基于GIS的交通規(guī)劃系統(tǒng)工具。它把地理信息技術(shù)和交通規(guī)劃技術(shù)較好的結(jié)合在一起，可以用于各種地圖制作、地圖尋址、交通需求預(yù)測、公共交通、物流、選址以及銷售區(qū)域管理，是建立交通信息和決策支持系統(tǒng)的理想工具。

筆者以上述兩款軟件為技術(shù)支撐，分別對交通需求及交通擁堵程度進行分析與預(yù)測。表面上，利用TransCAD軟件對目標(biāo)年的BRT系統(tǒng)的交通需求進行預(yù)測;而應(yīng)用Vissim軟件對BRT系統(tǒng)運營后的道路與交叉口的車輛運行狀態(tài)進行預(yù)演以得到平均行程時間、燃油消耗量等重要評價指標(biāo)即可得出可行性分析結(jié)果。而實際上，交通預(yù)測模型中所含參數(shù)全部要依靠仿真計算得出的結(jié)果進行標(biāo)定與估計;而仿真模型中關(guān)于交通流量的設(shè)定也要通過交通預(yù)測模型得到。因此，仿真計算與交通需求是相互影響的，兩個軟件之間是相互聯(lián)系的，并不是相互獨立存在的。

1．2 BRT系統(tǒng)的交通需求量預(yù)測

1．2．1 回歸分析模型 首先，要預(yù)測目標(biāo)年中i小區(qū)到j(luò)小區(qū)的總交通出行量(即交通需求量)。為分析簡便，在此以一條起點(i小區(qū)的形心)與終點(j小區(qū)的形心)的BRT系統(tǒng)的線路為研究對象。由于只有一組OD，因此不涉及到交通分布與交通分配問題。交通出行量預(yù)測的方法主要有原單位法、交叉分類法、增長系數(shù)法、回歸分析法。其中，回歸分析法，特別是線性回歸分析法(見公式(1))是目前國內(nèi)在交通規(guī)劃工作中使用較多的一種方法。

通常，因變量P為交通出行量;而自變量X一般為社會經(jīng)濟活動指標(biāo)，本次研究中為GDP;a為系數(shù)。而要預(yù)測目標(biāo)年的交通需求之前首先要對模型中的系數(shù)a進行估計，此項工作利用TransCAD軟件的回歸分析模型參數(shù)標(biāo)定功能即可完成。若直接對i小區(qū)的交通出行量進行調(diào)查(即OD調(diào)查)有困難，則可以應(yīng)用TransCAD軟件中的交通流量反推OD矩陣的功能來求出歷年或現(xiàn)狀年的i小區(qū)(或任一小區(qū))交通出行量。而道路上的交通流量調(diào)查要比OD調(diào)查容易得多(時耗短、費用少)，可以通過文獻檢索、人工計數(shù)、實時拍攝等方法獲得。

1．2．2 Logit模型 其次，需要預(yù)測未來城市對BRT系統(tǒng)的交通需求。除了非機動車與行人等慢行交通之外，私家車、普通公交、BRT系統(tǒng)就組成了出行者的選擇范圍。利用Logit模型可以方便的對各種交通方式的分擔(dān)率進行計算(見公式(2))，其中U為在i小區(qū)到j(luò)小區(qū)之間第k種交通方式帶給出行者的效用，而效用函數(shù)也多如公式(3)一樣，采用合理而簡便的線形形式。值得注意的是:根據(jù)公式(3)所示，這里所說的效用為負效用。

其中，

其中，T為平均出行時間;C為出行金錢費用消耗。對于使用普通公交或BRT系統(tǒng)的出行者，所需金錢費用就是車票價格。而對于私家車出行者，所需金錢費用則是燃油消耗量與單位油價的乘積。燃油消耗量與平均出行時間均可以由Vissim軟件仿真計算得出。α為時間的金錢價值與時間權(quán)重的乘積;β為所花費金錢的權(quán)重。使用TransCAD軟件中Logit模型的參數(shù)估計功能可以對Logit模型中α與β的數(shù)值進行估計。從公式(2)、(3)可看出政府部門可以通過票價、運營速度、運營時間、發(fā)車頻率等數(shù)值的設(shè)定來改變目標(biāo)年出行者對BRT系統(tǒng)的需求，而這個需求恰恰是政府在進行可行性分析的時候最重視的一項指標(biāo)。

1．3 城市交通擁堵程度預(yù)測

1．3．1 微觀交通仿真的意義 在滿足目標(biāo)年出行者對BRT系統(tǒng)的需求之后，可行性分析的對象將轉(zhuǎn)移為其運營后運營路線上交通擁堵程度預(yù)測上來。表面上，通過目標(biāo)年出行者對私家車與普通公交車的交通需求與目標(biāo)年道路通行能力之比，即目標(biāo)年BRT系統(tǒng)運營路段上的V/C比即可對是否擁堵做出判斷。并且可進一步與BRT系統(tǒng)不運營狀態(tài)下的同樣路段上的V/C比進行比較得出更加精確的結(jié)論。

但是，值得注意的是:首先，交通擁堵是一種動態(tài)現(xiàn)象，需要用能夠反映動態(tài)交通流狀況的Vissim軟件實現(xiàn)，并不能單純的使用TransCAD軟件中的靜態(tài)交通模型(例如UE模型、SUE模型等)來進行分析。其次，普通公交與私家車在屬性方面(例如車輛性能、行駛路線等)有很大的不同，不能合并一起進行分析。最后，BRT系統(tǒng)的建立將帶來相應(yīng)附屬設(shè)施的變化，例如:①天橋或地下通道的建設(shè);②交叉口BRT專用信號燈的建設(shè);③中央式或右側(cè)式專用道路的建設(shè)等。這些附屬設(shè)施的設(shè)置與交通管制措施的實施都將對其他機動車，特別是對交叉口處的轉(zhuǎn)彎車輛有很大影響，而這些影響是絕對不能忽略的。因此，單純從上述的目標(biāo)年運營線路的V/C比并不能對交通擁堵程度做出正確的預(yù)測。

1．3．2 “心理-生理”跟車模型 一個微觀交通仿真軟件中應(yīng)包括車輛的縱向行為模型與橫向行為模型兩部分，其中車輛的縱向行為模型是最為重要的。Vissim軟件的縱向行為模型是一個基于時間的、離散、隨機的微觀模型，它以駕駛員-車輛-單元為基本實體，因此也被稱為“心理-生理”跟車模型，即著名的Wiedemann 74與Wiedemann 99模型。其中，前者主要應(yīng)用于城市道路，而后者主要應(yīng)用于城際道路。Vissim軟件中使用的Wiedemann 74模型是Wiedemann于1974年提出的跟車模型的改進版本，其中最重要的兩車之間的距離d可以用以下公式(4)計算

其中，

其中，ax為平均停車距離，是指停止車輛的平均停車距離，變化幅度為±1 m;bx_add為安全距離的附加部分;bx_mult是安全距離的倍數(shù)部分;v是車輛速度(m/s);z是介于［0，1］之間的數(shù)值，是以0．5為平均值的標(biāo)準(zhǔn)正太分布，標(biāo)準(zhǔn)差為0．15。

1．3．3 BRT系統(tǒng)的仿真 在對目標(biāo)年的交通流情況進行分析時，需要應(yīng)用Vissim軟件對BRT系統(tǒng)進行仿真。目前，PTV公司還沒有開發(fā)出專門用于BRT系統(tǒng)仿真的附加模塊。但是，可以利用現(xiàn)有的基礎(chǔ)模塊對BRT系統(tǒng)進行仿真。BRT系統(tǒng)主要包括專用車道、車輛、車站和信息管理系統(tǒng)［2］。因此，可以靈活運營Vissim軟件中的基礎(chǔ)模塊，對專用路權(quán)、?？空军c、行車路線、運營時刻表、車輛性能、交叉口信號控制、乘客乘車需求、乘客過街行為等進行建模，以達到最大限度模仿現(xiàn)實的目的(圖1，圖2)。除此之外，對于交叉口沖突區(qū)域的優(yōu)先規(guī)則、限速路段、減速帶等細致部分，在Vissim軟件中也均可實現(xiàn)。但上述設(shè)置必須要滿足相關(guān)的國家規(guī)范［11～13］。

圖1 專用路權(quán)(中央快速公交專用道)

圖2 港灣式?？空?/p>

1．3．4 評價指標(biāo) 對城市交通擁堵程度的預(yù)測，本次研究采用綜合性、全方位的評價方法。評價指標(biāo)分為主要指標(biāo)與次要指標(biāo)，主要指標(biāo)為:(1)交叉口服務(wù)水平;(2)交叉口平均控制延誤;(3)路段服務(wù)水平;(4)V/C;(5)平均行程時間。次要指標(biāo)為:(1)交叉口停車次數(shù);(2)燃油消耗量;(3)CO排放量;(4)NOX排放量。

其中，路段與交叉口的服務(wù)水平是出行者與政府都非常重視的指標(biāo)，但反映兩個服務(wù)水平的最根本指標(biāo)則為交叉口的平均控制延誤與V/C。另外，對于大力提倡可持續(xù)發(fā)展的今天，次要指標(biāo)中所涉及的交通安全、環(huán)境與資源保護的內(nèi)容也是不容忽視的，且其中的燃油消耗量是計算私家車出行費用的重要參數(shù)。

1．4 可行性分析方法的框架

基于上述的分析，BRT系統(tǒng)運營的可行性分析可以分為以下步驟:(1)現(xiàn)狀調(diào)查;(2)現(xiàn)狀仿真計算;(3)Logit模型參數(shù)估計;(4)利用線性回歸模型對目標(biāo)年的某小區(qū)交通出行量進行預(yù)測;(5)利用步驟(3)中已經(jīng)估計好參數(shù)的Logit模型對不含BRT系統(tǒng)的目標(biāo)年交通運行狀況進行仿真計算;(6)對BRT系統(tǒng)的方案進行設(shè)計(包括計算不同分擔(dān)率下的票價)，得出在不同分擔(dān)率條件下的仿真計算結(jié)果;(7)對不同分擔(dān)率下的仿真結(jié)果按照交通需求、運營成本、交通擁堵程度等進行評價，并在此過程中得出目標(biāo)年BRT系統(tǒng)的最佳設(shè)計方案。上述步驟可表示為圖3。

值得注意的是:作為本次研究的重點之一，BRT系統(tǒng)的分擔(dān)率與其設(shè)計方案密不可分的，兩者是互相影響的關(guān)系。因此，在分析目標(biāo)年中BRT系統(tǒng)的分擔(dān)率時，應(yīng)當(dāng)人為設(shè)定復(fù)數(shù)個分擔(dān)率，在此基礎(chǔ)之上即可以得出不同分擔(dān)率條件下的仿真計算結(jié)果。

圖3 BRT系統(tǒng)運營可行性分析流程

2 可行性分析方法的應(yīng)用

在此主要通過計算流程對BRT系統(tǒng)的可行性分析方法的應(yīng)用過程進行闡述。因此，以下調(diào)查或計算得出的所有數(shù)據(jù)均用參數(shù)設(shè)定來表示。而對于具體的工程項目，對應(yīng)其中的字母代入具體數(shù)值即可得出實際結(jié)果。

2．1 前期分析

首先，政府應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)?shù)乜傮w規(guī)劃與實際情況對BRT系統(tǒng)的線路(主要是起終點)做戰(zhàn)略上的確定。其次，要對所確定的復(fù)數(shù)條備選路線進行現(xiàn)場踏勘，再根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及國家規(guī)范進行簡單評估，選出BRT系統(tǒng)的最佳路線。

2．2 數(shù)據(jù)調(diào)查

對所選的最佳路線進行詳細的調(diào)查，主要內(nèi)容如下:(1)道路線形情況;(2)BRT系統(tǒng)預(yù)選路線上各交叉口各進口方向的交通流量;(3)各交叉口信號相位配時;(4)普通公交站點布局;(5)普通公交車到站(或發(fā)車)頻率;(6)i小區(qū)的交通生成量;(7)i小區(qū)到小區(qū)j的交通需求。以上調(diào)查數(shù)據(jù)，主要為交通仿真服務(wù)。另外，還要對城市的某種經(jīng)濟指標(biāo)進行調(diào)查與機動車保有量進行調(diào)查，主要有:(1)城市過去5～10年的GDP;(2)i小區(qū)到小區(qū)j的5～10年機動車保有量。

值得注意的是:i小區(qū)出行者中應(yīng)當(dāng)分為交通方式選擇固定層與可能層。為簡便起見，假設(shè)所有列入研究范圍內(nèi)的出行者均屬于交通方式選擇的可能層，即出行者因不同交通方式帶給其效用不同而有所選擇。在實際項目中，則在交通仿真與分析的時候加上交通方式固定層出行者數(shù)量即可，而此數(shù)據(jù)可以通過交通調(diào)查得出。

2．3 可行性分析過程

2．3．1 回歸分析模型參數(shù)標(biāo)定 在此例子中，分析認為i小區(qū)的交通出行量與該城市的GDP有關(guān)系，且可視為線性關(guān)系。值得注意的是:BRT系統(tǒng)的規(guī)劃是與城市總體規(guī)劃分不開的，因此表1中所列出的GDP等數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)同城市總體規(guī)劃文本中相一致。

表1 歷年城市GDP與i小區(qū)出行量

基于表1的數(shù)據(jù)，應(yīng)用TransCAD軟件中的回歸分析功能對公式(1)中的模型參數(shù)a0與a1進行標(biāo)定，其計算結(jié)果為:

2．3．2 現(xiàn)狀年的仿真計算 此步驟主要目的是求得出行者在利用私家車、普通公交車的費用(私家車費用為燃油消耗量×當(dāng)前油價，參考公式(7);普通公交車費用為票價)與平均行程時間(仿真計算結(jié)果見表2)。而采用的方法是利用Vissim軟件進行現(xiàn)狀年仿真，且進行評價。

表2 現(xiàn)狀年交通仿真計算結(jié)果

2．3．3 Logit模型參數(shù)估計 利用2．3．2中仿真計算得出的現(xiàn)狀年私家車、普通公交車出行費用與平均行程時間，應(yīng)用TransCAD軟件即可對Logit模型的參數(shù)進行估計。本次研究中假設(shè)估計得出的參數(shù)在現(xiàn)狀年與目標(biāo)年保持不變。

其中，

2．3．4 目標(biāo)年交通需求量預(yù)測 通過2．3．1節(jié)中標(biāo)定的回歸分析模型計算可得出目標(biāo)年的交通需求量。但首先還是要對作為自變量的目標(biāo)城市GDP進行預(yù)測計算才可以，而通常采用平均增長率法。

2．3．5 目標(biāo)年不含BRT系統(tǒng)的仿真計算 若目標(biāo)年中不運營BRT系統(tǒng)，則城市道路交通的運行狀態(tài)需要通過仿真來計算來評價。因為城市交通運行畢竟是動態(tài)現(xiàn)象，不能通過簡單的靜態(tài)交通分配模型來進行計算。在仿真計算過后，根據(jù)本次研究的評價指標(biāo)體系會得到如下數(shù)據(jù)(表3)。

表3 目標(biāo)年不含BRT系統(tǒng)的仿真計算結(jié)果

2．3．6 目標(biāo)年BRT系統(tǒng)的方案設(shè)計 在此步驟中，首先需要人為對分擔(dān)率進行設(shè)定;其次，在不同的BRT系統(tǒng)分擔(dān)率條件下應(yīng)用Vissim軟件行仿真計算，最后得出如表4一樣的評價結(jié)果。

將表4中的不同BRT系統(tǒng)分擔(dān)率下的各出行方式的平均行程時間以及仿真計算得出的私家車、普通公交車的出行費用。將計算結(jié)果帶入公式(10)，(11)，(13)，(14)即可求解出目標(biāo)年中BRT系統(tǒng)的票價。并且利用Vissim軟件進行仿真計算的過程中，可以對專用路權(quán)、?？空军c、行車路線、運營時刻表、車輛性能、交叉口信號控制、乘客乘車需求，乘客過街行為進行試驗性設(shè)置并評價其設(shè)置的效果。

表4 關(guān)于BRT系統(tǒng)的復(fù)數(shù)個設(shè)計方案

其中，

2．3．7 目標(biāo)年BRT系統(tǒng)運營的可行性分析 在經(jīng)過上述計算與分析之后，會得到BRT系統(tǒng)需求量、車票價格、平均行程時間、交叉口服務(wù)水平、路段服務(wù)水平等數(shù)據(jù)。而政府在對BRT系統(tǒng)運營的可行性進行評價的時候，需要把握以下的制約條件:(1)BRT系統(tǒng)需求量;(2)交通擁堵程度;(3)BRT系統(tǒng)運營成本。其中，BRT系統(tǒng)需求量與交通擁堵程度均可以通過表4中的計算結(jié)果直接反應(yīng)。而BRT系統(tǒng)的運營成本則要通過BRT系統(tǒng)需求量(與快速公交車輛需求量相關(guān))與公式(13)，(14)中計算得出的票價進行分析。

3 結(jié)論與討論

本次研究以TransCAD軟件與Vissim軟件為技術(shù)支撐，對城市BRT系統(tǒng)運營的可行性分析方法進行了研究，并以參數(shù)計算為例展示了該方法的流程。此方法主要通過兩個軟件之間的數(shù)據(jù)交換即可方便快捷的實現(xiàn)BRT系統(tǒng)運營的可行性分析，且可以同時得出BRT系統(tǒng)的最佳設(shè)計方案。此方法的輸出結(jié)果具有很高的工程參考價值，為政府部門的決策提供了一種基于現(xiàn)代計算機手段分析可行性的方法論。

下一步的研究重點主要集中在:出行者效用函數(shù)的設(shè)置和Logit模型參數(shù)的設(shè)置兩方面。對于前者，本次研究雖然抓住了出行者主要考慮的時間及費用，但是缺少對舒適性的考慮。舒適性是BRT系統(tǒng)區(qū)別于普通公交的重要一點，但是其很難與時間、費用一樣在研究中進行量化分析。另外，對于后者，本次研究認為現(xiàn)狀年估計的Logit模型參數(shù)與目標(biāo)年是相同的，而出行者對出行費用與時間的重視程度可能是隨時間變化而變化的，但具體的變化趨勢及機理尚不明了。

另外，進行預(yù)測、分析與計算之后，上述方法所獲得的畢竟是預(yù)評價結(jié)果。在BRT系統(tǒng)運營之前還要進行詳細的民意調(diào)查、政策宣傳;且運營之后還要觀察其效果，出現(xiàn)問題及時解決。

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