譚澤芳

（深圳市規(guī)劃國(guó)土發(fā)展研究中心 廣東 深圳518040）

0 引 言

公交專用道可以避免公交車受到小汽車排隊(duì)的影響，這種公交優(yōu)先措施能夠減少人均旅行時(shí)間，從而引導(dǎo)更多的人乘坐公共交通。另一方面，城市未開(kāi)發(fā)的空間很有限，公交專用道的設(shè)置多由普通車道轉(zhuǎn)換而來(lái)［1－2］。如果轉(zhuǎn)換的車道被公交車完全或幾乎充分利用，小汽車和公交車都能獲利，這樣既減少不同車輛間的沖突，又能使整個(gè)城市交通網(wǎng)絡(luò)的通行能力提高［3－5］。但如果公交車流量過(guò)低，轉(zhuǎn)化的車道未得到充分利用，那么小汽車之前可用的道路空間就浪費(fèi)了，并且這些未得到充分利用的車道總是貫穿著1個(gè)或多個(gè)道路瓶頸，這會(huì)降低服務(wù)于小汽車的瓶頸通行能力，從而導(dǎo)致小汽車延誤增加、排隊(duì)變長(zhǎng)。

一些文獻(xiàn)中已經(jīng)涉及了公交車和小汽車共享車道的方法，其中1種方法是，主路上有信號(hào)控制的一系列交叉口，在公交車到達(dá)之前，禁止小汽車進(jìn)入共享車道［6－7］。在葡萄牙首都里斯本的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：與公交、小汽車混合通行的車道相比，車道共享策略能使公交車速度提高15%～25%［7］。在澳大利亞墨爾本和日本靜岡市的類似現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也取得成效［8－9］。還有1種類似的方法是間歇性的車道限制，其要求小汽車在公交車到達(dá)前騰出共享車道的1段路段［10－13］，這種方法理論上也有一定的成效。這種間斷的車道限制適用于公交車流量較小時(shí)的公交優(yōu)先。公交車在普通車道通過(guò)信號(hào)交叉口時(shí)也會(huì)產(chǎn)生延誤，一般解決方法是通過(guò)設(shè)置前置信號(hào)使小汽車在距離交叉口1段距離處停下，這樣公交車在轉(zhuǎn)向時(shí)不受小汽車的影響［14］。近期關(guān)于前置信號(hào)設(shè)置、分析沖突以增加道路通行能力的研究較多［15］。

筆者主要研究公交車流量較低時(shí)設(shè)置共享車道的方法，適用于將普通車道轉(zhuǎn)換為公交車道的道路瓶頸路段。在這些瓶頸處，公交車和小汽車共享車道，保證公交優(yōu)先并且限制對(duì)小汽車交通的不利影響［8］。采用此種方法，可以消除或減小公交延誤，保證小汽車較高的瓶頸疏散能力。瓶頸路段較高的小汽車承載通行能力將會(huì)減少網(wǎng)絡(luò)中小汽車的延誤［2，16－17］。同時(shí)筆者還研究了根據(jù)下游的排隊(duì)是否影響瓶頸通行能力來(lái)實(shí)施共享策略，其中研究的瓶頸路段既適用于車道數(shù)減少的情況，也適用于道路匯流漸變段以及一般道路信號(hào)交叉口。

1 瓶頸路段車道共享技術(shù)方法

1.1 構(gòu)建模型體系和理論

首先考慮不受下游交通狀況影響，有消散能力的所謂“主動(dòng)”瓶頸，假設(shè)這些瓶頸優(yōu)先用于公交專用道，或在瓶頸路段公交車和小汽車存在連續(xù)性的共享車道，并且所有路段的中間車道轉(zhuǎn)換為共享車道或公交專用道。

如圖1（a）所示，假設(shè)中間路段長(zhǎng)度l內(nèi)有Ln個(gè)車道，每個(gè)車道的通行能力為sn，l的上游和下游的車道數(shù)L＝Ln，每個(gè)車道通行能力s＞sn，中間路段通行需求超過(guò)Ln·sn。則中間路段l可以看成是“主動(dòng)”瓶頸，該瓶頸路段上游包括普通車道轉(zhuǎn)化而來(lái)的公交專用道，如圖1（a）深色陰影部分所示，專用車道在接近瓶頸入口處結(jié)束。車道下游緊鄰的淺色陰影部分用于公交車和小汽車共享，公交車隨后進(jìn)入下游的專用道。共享車道的小汽車通過(guò)瓶頸路段后駛?cè)胲嚨?，在很多情況下，這種共享車道策略能增加瓶頸路段小汽車通行能力，并且不會(huì)導(dǎo)致公交車的延誤。對(duì)于圖1（a），小汽車排隊(duì)可以從車道2～Ln延續(xù)到瓶頸路段的下游XD，此處Ln－1車道的小汽車并入Ln－2車道，排隊(duì)開(kāi)始形成在XD的附近。一旦排隊(duì)充滿整個(gè)瓶頸路段，那么2號(hào)車道的小汽車就會(huì)駛?cè)霚\色的區(qū)域的共享車道來(lái)提高行駛速度。偶爾到達(dá)的公交車會(huì)匯入共享車道沒(méi)有排隊(duì)的小汽車中，從而沒(méi)有排隊(duì)延誤。瓶頸的Ln－1車道能夠用來(lái)儲(chǔ)存排隊(duì)車輛，減少排隊(duì)對(duì)上游車輛通行的影響。

當(dāng)Ln＜L時(shí)，共享策略會(huì)稍微不同，如圖1（b）所示。車輛會(huì)自由通過(guò)瓶頸路段l，但是排隊(duì)將會(huì)在瓶頸上游的XU附近形成，為了充分利用道路的通行能力，通過(guò)車道2到達(dá)瓶頸的小汽車可以直接通過(guò)共享車道，通過(guò)瓶頸后駛回車道2。

圖1 瓶頸路段的共享車道Fig.1 Shared lane conversions at a bottleneck

1.2 瓶頸路段共享車道的應(yīng)用范圍

下面比較瓶頸路段采取車道共享策略和直接將1條車道轉(zhuǎn)換為公交專用道的瓶頸通行能力。因?yàn)橥ㄐ心芰Ω鶕?jù)定義是長(zhǎng)期穩(wěn)定狀態(tài)所獲得的最大流量，所以此處涉及到穩(wěn)定狀態(tài)（非瞬時(shí)）條件。對(duì)于L＝Ln的瓶頸路段，如圖1（a）所示，根據(jù)這2處約束流量哪個(gè)更大，小汽車排隊(duì)的起始位置將在X－D或X＋D處形成。在某些情況下，約束是在X＋D處，L－2外側(cè)車道小汽車通行能力為（L－2）·s，另外某些車輛的擾動(dòng)會(huì)限制在X－D處的小汽車流量。為了描述后1種情況，令αD表示瓶頸路段普通車道Ln－1在X－D處由于車輛的擾動(dòng)導(dǎo)致的通行能力損失的比例，并且0≤αD＜1。

如果太多的擾動(dòng)車輛駛?cè)牍蚕碥嚨溃∑嚢l(fā)生堵塞也會(huì)發(fā)生在瓶頸上游的結(jié)束處，如圖1（a）所示的XU處附近。如果堵塞發(fā)生在XD處，小汽車駛?cè)牍蚕碥嚨赖母怕示蜁?huì)降低。因此本文令αU是在XU處由于擾動(dòng)車輛的造成共享車道小汽車通行能力損失的比例（0≤αU＜1）。瓶頸XD處的小汽車通行能力Q（XD）表示如下。

式中：qb為公交車流量，p為小汽車與公交車等價(jià)系數(shù)（p≈2）。

如果1個(gè)瓶頸路段車道代替公交專用道，小汽車排隊(duì)的頭將在XU附近，瓶頸處小汽車的通行能力Q（XU）表示如下。

從式（2）和式（1）可發(fā)現(xiàn)，公交車流量qb的上界在采取共享車道策略時(shí)比直接采用公交專用道時(shí)大，即

注意到式（3）中由于XD處合流通行能力的損失相對(duì)較大，這種情況下共享車道不能帶來(lái)小汽車通行能力的增大；例如，

對(duì)于固定值L＝Ln，s和指定的p值，式（3）和式（4）的參數(shù)分析如圖2所示。圖中，粗體的虛線是αU＝0和αD＝0.3的情況。盡管αD的存在導(dǎo)致通行能力相當(dāng)大的損失，但當(dāng)qb大于50 bus／h時(shí)共享車道是最優(yōu)選擇。qb的界限隨著sn的增加緩慢增加，因?yàn)樵黾拥膕n表示共享車道能容納更多的公交車和小汽車。

圖2中的細(xì)實(shí)線表示在瓶頸上下游同時(shí)發(fā)生車輛擾動(dòng)時(shí)（αU＝αD＝0.2）qb的上界?？梢钥闯龃藭r(shí)，sn在相當(dāng)大的范圍內(nèi)共享車道仍是最優(yōu)選擇。

圖2 瓶頸處共享車道處小汽車通行能力最大值Fig.2 Maximum traffic capacity of shared lanes for an active bottleneck（Ln ＝L＝4，s＝1 800car／h，p＝2）

另外對(duì)比式（2）和（1）可知，當(dāng)

共享車道可帶來(lái)更高的小汽車通行能力。

1.3 信號(hào)控制交叉口車道共享策略

參照交叉口進(jìn)口道1，如圖3a）所示。假設(shè)公交車從道路最中間的車道實(shí)施左轉(zhuǎn)，信號(hào)相位是提前設(shè)置的固定信號(hào)相位，所有的轉(zhuǎn)向和直行交通同時(shí)由每個(gè)周期單個(gè)綠燈相位控制，不為公交車提供優(yōu)先信號(hào)。

假設(shè)進(jìn)口道1的整個(gè)中央分隔帶用作公交專用道（可假想圖3a）中淺色陰影部分變成深色陰影部分），進(jìn)口道處小汽車通行能力（在圖中X＋U處測(cè)量）是：

式中：C為交叉口信號(hào)控制的固定周期時(shí)長(zhǎng)；G1為進(jìn)口道1的綠燈時(shí)間；L1為進(jìn)口道普通車道的數(shù)量。

如圖3（a）所示，假設(shè)淺色陰影部分是進(jìn)口道1的公交和小汽車共享道路，共享路段的長(zhǎng)度是l1，因此，當(dāng)需求足夠大時(shí)，G1可看作是飽和的公交和小汽車綠燈時(shí)間。如果沒(méi)有公交專用路，公交延誤會(huì)適當(dāng)?shù)脑黾?，原因是紅燈相位的停車會(huì)使公交車排在小汽車后面，這會(huì)造成公交進(jìn)入交叉口延誤增大。

在進(jìn)口道1左轉(zhuǎn)后，公交和小汽車進(jìn)入進(jìn)口道2的指定車道。在進(jìn)口道2處有公交專用道。對(duì)于進(jìn)入進(jìn)口道1后直行或右轉(zhuǎn)的公交車，在交叉口前仍舊使用公交專用道（深色陰影部分），但在接近交叉口時(shí)直行和右轉(zhuǎn)的公交車輛駛?cè)肫胀ㄜ嚨馈?/p>

圖3 信號(hào)控制交叉口Fig.3 Geometry for signalized intersection

前置信號(hào)控制可以減少公交車進(jìn)入普通車道的車輛沖突，如圖3（b），小汽車周期性的停在前置信號(hào)前。由于受到處的前置信號(hào)和交叉口處的信號(hào)作用，小汽車通行能力將變小。流量計(jì)算如下。

式中：qb·Rps≤1

式中：Rps為每次直行或右轉(zhuǎn)公交車到達(dá)時(shí)小汽車需要在前置信號(hào)前停下的周期時(shí)長(zhǎng)。

對(duì)于上面的2個(gè)方程式，如果公交車的到達(dá)使小汽車頻繁的停在前置信號(hào)前，式（8）中Q）要小于式（7）中Q（），則可以得到qb的另1個(gè)約束條件。如果Q（）＞Q（），通過(guò)比較式（7）和式（6）得到這種情況下qb的 約束如下。

同時(shí)qb不超過(guò)單車道通行能力，則有：

式（9）-式（11）給定的qb上限如圖4所示，圖中淺色陰影區(qū)域表示受交叉口信號(hào)約束下小汽車流量q和的關(guān)系。隨著的增加，前置信號(hào)b使下游交叉口小汽車流量減少，即流量約束變成式（7）中給定的Q（）。圖中深色陰影區(qū)域表示在整個(gè)進(jìn)口道中實(shí)施共享車道策略優(yōu)于設(shè)置公交專用道，在這種情況下，減小，有Q（）＝Q（），此時(shí)交叉口多余的綠燈時(shí)間可以分配給其他進(jìn)口道。

圖4 qb的上界，前置信號(hào)控制的共享車道小汽車通行能力最大值Fig.4 Upper bounds on qb，such that higher car-carrying capacity is achieved by continuously shared lanes with pre-signals（L1 ＝2，s＝1 800car／h，Rps ＝10s，p＝2）

2 仿真研究

深圳梅林關(guān)作為福田羅湖與龍華新區(qū)聯(lián)系重要的二線關(guān)口，晚高峰下班出關(guān)流量十分大，交通擁堵十分嚴(yán)重。2014年7月開(kāi)通了新彩通道，用作緩解原通道的交通擁擠。新彩通道開(kāi)通時(shí)，內(nèi)側(cè)設(shè)置了24h全天候的公交專用道，恰好道路、瓶頸路段和公交專用道設(shè)置等與本研究類似，因此本文選取皇崗路與新彩通道交叉口由皇崗路駛?cè)胄虏释ǖ涝训缆房谔幾鳛榉抡鎸?duì)象，見(jiàn)圖5。

依據(jù)2014年12月份的境界線調(diào)查，調(diào)查了該節(jié)點(diǎn)07：00～20：00時(shí)交通量，由于梅林關(guān)晚高峰出關(guān)方向（即往新彩通道方向）交通量大，為實(shí)際的交通瓶頸段，因此本次取晚高峰小時(shí)流量作為本次研究的數(shù)據(jù)，各道路的交通現(xiàn)狀見(jiàn)表1。

圖5 皇崗路與新彩路交叉口Fig.5 The intersection of Huanggang Road and Xincai Road

表1 現(xiàn)狀晚高峰小時(shí)交通量Tab.1 Present Situation evening peak hour volume of traffic 輛／h

為了減少擾動(dòng)，本次小貨車按車輛轉(zhuǎn)化系數(shù)1.0，大中貨車按轉(zhuǎn)換系數(shù)2.0折算成小汽車流量，通過(guò)仿真軟件Vissim進(jìn)行仿真分析，各車型限速為60km／h，車速分布及車輛的加減速采用軟件默認(rèn)設(shè)置，沖突區(qū)優(yōu)先通行原則為右轉(zhuǎn)和向左變道讓直行，模擬運(yùn)行時(shí)間為1h，模擬6次取平均值。各檢測(cè)器的布局見(jiàn)圖6。

圖6 各檢測(cè)器位置及仿真運(yùn)行圖Fig.6 Location of the sensors and the result of the simulation

按照現(xiàn)狀交通規(guī)則，公交專用道只供公交車和大巴車使用，其他車輛禁止駛?cè)牍粚Ｓ密嚨?，其仿真最終結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 未采取共享措施前監(jiān)測(cè)器監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.2 The results of the sensors without shared lanes

實(shí)施公交車專用道的共享措施，其具體做法是將公交車道從匝道匯入點(diǎn)到之后100m的長(zhǎng)度設(shè)為共享車道，共享車道優(yōu)先供公交車和大巴車使用，小汽車需找空隙駛?cè)牍蚕碥嚨?。假設(shè)駛?cè)牍蚕碥嚨赖男∑嚵髡伎偟男∑嚵鞯?0%。 則仿真結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 采取共享措施前監(jiān)測(cè)器監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.3 The results of the sensors with shared lanes

對(duì)比表2和表3可見(jiàn)，采取共享措施后，匝道處的延誤減小44%，排隊(duì)長(zhǎng)度減小57%，而公交專用道的延誤和排隊(duì)情況幾乎沒(méi)怎么變化，說(shuō)明此時(shí)采取共享措施能夠有效的緩解此瓶頸處的通行能力。

為了進(jìn)一步探究新彩路在匝道匯入點(diǎn)的小汽車駛?cè)牍蚕碥嚨赖谋壤c各車道延誤的關(guān)系，進(jìn)一步仿真得出圖7。

圖7 各檢測(cè)點(diǎn)延誤隨小汽車駛?cè)牍蚕碥嚨赖谋壤兓疐ig.7 The delay variation along with the proportion of the car drive into the shared lanes

圖7 表明，當(dāng)小汽車駛?cè)牍蚕碥嚨赖谋壤秊?0%時(shí)，并不影響公交車的通行，并且此時(shí)匝道延誤一直減小。而對(duì)于新彩路上的延誤，小汽車駛?cè)牍蚕碥嚨辣壤?0%前也不受影響，后面受到的影響變大主要是因?yàn)樾∑囋隈側(cè)牍蚕碥嚨罆r(shí)與公交車發(fā)生沖突，導(dǎo)致小汽車變換車道過(guò)程車速減慢，影響到后面車輛的運(yùn)行，可見(jiàn)在考慮采用共享車道時(shí)，車流的擾動(dòng)對(duì)共享措施的實(shí)施有非常大的影響，這與之前的理論假設(shè)相一致。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者提出的方法強(qiáng)調(diào)在公交流量較少，并保證公交優(yōu)先、減少對(duì)小汽車交通影響情況下怎樣共享瓶頸通行能力，論文給出了共享車道下瓶頸路段的通行能力計(jì)算方法。其結(jié)果表明筆者所提出的方法能更好的發(fā)揮瓶頸路段的通行能力。考慮到駕駛者駛?cè)牒婉偝龉蚕碥嚨涝斐善款i的上游和下游段被擾動(dòng)。并假設(shè)小汽車駕駛者能完全遵守共享車道的規(guī)則和制度，即上游和下游流量的擾動(dòng)將不會(huì)太多，明確此時(shí)共享車道通行能力的上界及能達(dá)到的效果。

通過(guò)對(duì)深圳市皇崗路與新彩路交叉口處入口匝道的仿真分析表明，當(dāng)小汽車有低于20%駛?cè)牍蚕碥嚨罆r(shí)，設(shè)置共享車道可以在不對(duì)公交車運(yùn)行造成影響的情況下降低入口匝道和新彩路主線上的小汽車延誤，這也間接證明了車道共享可以更好的發(fā)揮瓶頸處的通行能力。但當(dāng)小汽車駛?cè)牍蚕碥嚨赖谋壤笥?0%時(shí)，對(duì)公交車的運(yùn)行開(kāi)始產(chǎn)生影響，并且對(duì)新彩路主線上的小汽車運(yùn)行有一定的影響。隨著小汽車駛?cè)牍蚕碥嚨赖谋壤^續(xù)增大，這種影響有呈指數(shù)增加的趨勢(shì)，證明了車流的擾動(dòng)因素對(duì)瓶頸通行能力有很大的影響。

簡(jiǎn)言之，本文研究的車道共享策略可作為國(guó)內(nèi)城市車道共享措施的嘗試，但參數(shù)的標(biāo)定仍需各個(gè)城市其實(shí)際車流狀況進(jìn)行標(biāo)定，例如，預(yù)測(cè)影響和預(yù)測(cè)輸入?yún)?shù)（αU和αD）的值，可通過(guò)實(shí)際路網(wǎng)的小范圍內(nèi)的路網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行反推，這也是之后需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

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