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(shè)置引起了社會(huì)上很大的關(guān)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(jìn)京方向的長(zhǎng) 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(huì)車輛耗時(shí)，路段公交車輛耗時(shí)和路段人均耗時(shí)三方面考慮，并且認(rèn)為只要路段人均耗時(shí)減小，就是利大于弊。根據(jù)京通快速路公交專用通道的實(shí)際情況，本文從三個(gè)方面入手討論公交專用車道的利弊問題，且引入了三個(gè)模型。方面一研究平直路段上的耗時(shí)，引入了美國(guó) FHWA 的路阻函數(shù)模型，根據(jù)實(shí)際掌握的幾組路段車流量和路段耗時(shí)，選擇了其中兩組數(shù)據(jù)，用 lingo 程序確定了京通快速路段公交專用車道適用的兩個(gè)參數(shù) 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(jì)算公式： = 。這樣計(jì)算多1道路通行能力比理想化的認(rèn)為每條道路通行能力相同更切合實(shí)際。然后由所確定的系數(shù) a 和 b 計(jì)算專用公交車道設(shè)立前后的公交車路段耗時(shí)、社會(huì)車輛路段耗時(shí)、車小時(shí)總量和人小時(shí)總量及人均耗時(shí)。方面二研究通過八里橋收費(fèi)站及進(jìn)站前 200 米耗時(shí)。在車況不擁堵的情況下，引用等待制排隊(duì)論模型，根據(jù)公式 精確計(jì)算出車輛等待的概率和公式 計(jì)算每輛車的平均等待時(shí)間。然后按照方面一的計(jì)算方法計(jì)算出設(shè)立公交專用車道前后公交車路段耗時(shí)、社會(huì)車輛路段耗時(shí)、車小時(shí)總量和人小時(shí)總量及人均耗時(shí)。在路段車輛擁堵的情況下，排隊(duì)論模型中 loads，模型無(wú)意義。因此根據(jù)實(shí)際調(diào)查得到的公交專用車道設(shè)立前后公交車輛和社會(huì)車輛通過此路段的時(shí)間，直接引用計(jì)算擁堵時(shí)公交車路段耗時(shí)、社會(huì)車輛路段耗時(shí)、車小時(shí)總量和人小時(shí)總量及人均耗時(shí)。方面二的創(chuàng)新點(diǎn)在于根據(jù)實(shí)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(yīng)設(shè)立公交專用車道的利弊問題。方面三研究公交車進(jìn)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(shè)立前后行駛車輛多了一個(gè)變道的過程，此過程必將影響到路段人均耗時(shí)，不可忽略。根據(jù)京通快速路上對(duì)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(huì)車輛的實(shí)際變道平均所走路程，本文認(rèn)為變道行程 S 在 100 米左右。變道時(shí)，公交車司機(jī)及售票員以手勢(shì)和轉(zhuǎn)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(shí)因需要觀察前后車況及考慮是否變道等一系列因素也會(huì)稍微減速。而社會(huì)車輛變道的情況和公交車輛近似相同。根據(jù)所知條件，本文自己建立了變道模型。根據(jù)之前的計(jì)算方法計(jì)算公交專用車道設(shè)立前后的人小時(shí)總量和人均延誤時(shí)間來分析變道的利與弊。關(guān)鍵詞：路阻函數(shù)模型、排隊(duì)論模型、變道模型、人均行駛時(shí)間、人均延誤時(shí)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(biāo)線或硬質(zhì)設(shè)施) 進(jìn)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(shí)間段內(nèi)僅供公共汽車行駛, 其它車輛不允許通行1 。本文結(jié)合京通快速路實(shí)施公交專用通道方案, 探討高速路上實(shí)施公交交通專用道利弊問題，核心是探討實(shí)施公交專用通道后效益分析及評(píng)價(jià)方案。設(shè)置公交專用道的目標(biāo), 即使得交通設(shè)施的使用權(quán)和資源向公共交通方式轉(zhuǎn)移, 從而使得客流的移動(dòng)逐步趨向有序, 使得以人為單位的出行效益最佳。評(píng)價(jià)方法取決于評(píng)價(jià)的目的和評(píng)價(jià)者, 要兼顧各方面的評(píng)價(jià)需要, 尋求一種宏微觀、定量定性結(jié)合的綜合性評(píng)價(jià)方法。公交專用道的評(píng)價(jià)主要采用比較分析方法, 即對(duì)公交優(yōu)先措施實(shí)施前后整條道路效益的相對(duì)變化進(jìn)行定量、定性評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)對(duì)象針對(duì)所有車輛,在考慮公交車輛運(yùn)行效益改善的同時(shí), 還應(yīng)考慮到社會(huì)車輛運(yùn)行效益的下降。為此, 評(píng)價(jià)從公交車輛和社會(huì)車輛兩個(gè)層面進(jìn)行。設(shè)置公交專用道所產(chǎn)生的效益主要包括3 個(gè)方面: 1.直接的經(jīng)濟(jì)效益：運(yùn)營(yíng)收入增加和運(yùn)輸成本降低; 2. 間接的經(jīng)濟(jì)效益,：節(jié)省交通出行者的時(shí)間消耗; 3.社會(huì)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(chǎn)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?？紤]到交通管理措施的局部性和動(dòng)態(tài)性, 以及1 和3 兩方面效益測(cè)算所需資料及涉及問題的復(fù)雜性, 甚至不可預(yù)測(cè)性,本文將側(cè)重于間接的經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)。二問題分析京通快速路上實(shí)施公交專用道的利弊評(píng)價(jià)主要采用比較分析方法，評(píng)價(jià)體系包括路段平均行駛時(shí)間前后對(duì)比評(píng)價(jià)和人均每小時(shí)延誤時(shí)間前后對(duì)比評(píng)價(jià)。本文從以下三方面進(jìn)行具體分析：方面一：利用美國(guó)聯(lián)邦公路局提出的路阻函數(shù)模型可以確定車輛行駛時(shí)間。模型中涉及到的公交專用車道實(shí)施前后路段機(jī)動(dòng)車交通量、公交車交通量、社會(huì)車輛交通量，均需要查閱資料考查實(shí)際獲得；路段實(shí)用通行能力c 需查閱相關(guān)文獻(xiàn)確定計(jì)算公式獲得 ; 參數(shù)的確定調(diào)查京通高速路斷面流量及通過該路段的行程時(shí)間, 通過對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)的回歸分析標(biāo)定參數(shù)。確定公交車、社會(huì)車輛平均行駛時(shí)間后，再確定公交車、社會(huì)車輛平均行駛速度的變化、行駛時(shí)間的變化，以及路段人小時(shí)總量的變化和人小時(shí)平均時(shí)間的變化，計(jì)算變化率，設(shè)計(jì)表格，觀察分析設(shè)置公交車道前后道路效益。方面二：京通快速路上車輛經(jīng)過收費(fèi)站時(shí)產(chǎn)生的時(shí)間延誤分析。通過收費(fèi)站延誤時(shí)間包括等待時(shí)間和繳費(fèi)時(shí)間的延誤，采用等待制排隊(duì)論模型，相關(guān)數(shù)據(jù)從網(wǎng)上文獻(xiàn)中查閱，利用LINGO編程，計(jì)算得到公交車專用車道實(shí)施前后車均等待時(shí)間，再根據(jù)總?cè)藬?shù)確定人均等待時(shí)間；方面三：京通快速路實(shí)施公交專用車道后，在7-9點(diǎn)、17-19點(diǎn)時(shí)段公交車和社會(huì)車輛必須變道到規(guī)定車道產(chǎn)生的延誤分析。這個(gè)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(shè)1.由于京通快速路設(shè)置公交專用車道路段大部分車道數(shù)為四車道，因此假設(shè)研究路段車道數(shù)均為四車道。2.八里橋收費(fèi)站八個(gè)服務(wù)口全天開通，公交專用通道開通后只占一個(gè)服務(wù)口。3.車輛過收費(fèi)站時(shí)減速、加速過程共需8s，服務(wù)時(shí)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(huì)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(shí)間前后對(duì)比評(píng)價(jià)模型一基本變量及符號(hào)說明：1.路段行駛時(shí)間( min): t2. 京通快速路公交專用車道路段長(zhǎng)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(jī)動(dòng)車道數(shù)(條)：n5. 京通快速路設(shè)置公交專用車道前路段機(jī)動(dòng)車交通量(pcuh) ：V6. 京通快速路設(shè)置公交專用車道前路段公交車交通量(pcuh) ： 17. 京通快速路設(shè)置公交專用車道后路段機(jī)動(dòng)車交通量(pcuh) ： 8. 京通快速路設(shè)置公交專用車道后路段公交車交通量(pcuh) ： 19.設(shè)置公交專用車道前，公交車的平均行駛時(shí)間： 110.公交專用車道前，每輛非公交機(jī)動(dòng)車的平均行駛時(shí)間： 211.設(shè)置公交專用車道后，公交車的平均行駛時(shí)間： 112設(shè)置公交專用車道后，每輛非公交機(jī)動(dòng)車的平均行駛時(shí)間： 2模型一：機(jī)動(dòng)車車輛路段行程時(shí)間采用美國(guó)FHWA 的路阻函數(shù)模型【1】京通快速路公交專用車道路段評(píng)價(jià)以斷面人均出行時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo), 以公交線路平均長(zhǎng)度L 為評(píng)價(jià)背景,通過分別計(jì)算社會(huì)車輛及公交車輛的車均行程時(shí)間得到人均出行時(shí)間。1.1機(jī)動(dòng)車車輛路段行程時(shí)間采用美國(guó)FHWA 的路阻函數(shù)模型【1】計(jì)算：=01+(/)為交通量為0 時(shí)的路段行駛時(shí)間，取機(jī)動(dòng)車時(shí)速v為100km/h, 得=L/v=5.6min ；多車道總通行能力C 計(jì)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。可參考城市道路設(shè)計(jì) 1規(guī)范和公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)取值：這里取2200；為相應(yīng)的各車道的折減系數(shù)，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(jù)京通快速路實(shí)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(jī)動(dòng)車道的道路分類系數(shù)，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(shù)，調(diào)查其斷面流量及通過該路段的行程時(shí)間, 通過對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)的回歸分析標(biāo)定參數(shù)。1.2設(shè)置公交專用車道前路段行駛時(shí)間預(yù)測(cè)：從網(wǎng)上查閱資料，匯總每日京通快速路設(shè)置公交專用車道前路段機(jī)動(dòng)車交通量得=4500(peu h)；其中，公交車占10% ，社會(huì)車輛占90%，=450(peu h) 。公交車與社會(huì)車輛行駛時(shí)間為1=2=01+(/4)1.13設(shè)置公交專用車道后的路段行駛時(shí)間預(yù)測(cè)設(shè)置公交專用車道后, 公交專用車道與其他機(jī)動(dòng)車道分擔(dān)著不同的交通量, 公交車輛與其他機(jī)動(dòng)車輛有著不同的平均行駛時(shí)間. 從網(wǎng)上查閱資料可知，實(shí)施公交專用車道后，公交車數(shù)量每?jī)尚r(shí)增加17趟車次，社會(huì)車輛下降16%。對(duì)于公交專用車道而言, 其承擔(dān)的交通量中只有公交車，流量為 , 其平均路段行駛時(shí)間為：1=01+(/1)對(duì)于其他機(jī)動(dòng)車道而言, 總的交通量大小為-, 由n - 1 條機(jī)動(dòng)車道分擔(dān), 則其平均路段行駛時(shí)間為2=01+13經(jīng)計(jì)算, 設(shè)置公交專用車道后, 由于道路通行權(quán)的改變, 公交車與非公交機(jī)動(dòng)車的平均行駛時(shí)間均發(fā)生了變化.1. 3 前后對(duì)比分析1.3.1公交車平均行駛時(shí)間的變化設(shè)置公交專用車道后, 公交車平均行駛時(shí)間的變化可以用下式計(jì)算 1=11=01+(/4)01+(1/1)1.3.2 非公交機(jī)動(dòng)車平均行駛時(shí)間的變化設(shè)置公交專用車道后, 非公交機(jī)動(dòng)車平均行駛時(shí)間的變化可以用下式計(jì)算： 2=22=01+1301+(/4)1. 3.3 路段車小時(shí)總量的變化設(shè)置公交專用車道前, 路段車小時(shí)總量 1=1=01+(/4)對(duì)于設(shè)置公交專用車道后, 路段上的車小時(shí)總數(shù)為 1=11+2（ 1）相應(yīng)的路段車小時(shí)總量變化值為 =111. 3. 4 路段人小時(shí)總量的變化對(duì)于非公交機(jī)動(dòng)車, 認(rèn)為平均載客2. 2 人/ 輛; 對(duì)于公交車, 認(rèn)為平均載客120人/ 輛.設(shè)置公交專用車道前, 路段人小時(shí)總量 為2=2.2(1)2+12011設(shè)置公交專用車道后, 路段人小時(shí)總量 為2=2.2(1)2+12011相應(yīng)的路段人小時(shí)總量的變化量 2=22人均小時(shí)變化量為 22.2(1)+1201城市中, 客運(yùn)交通占絕對(duì)多數(shù), 貨車很少. 因此, 本文中忽略了設(shè)置公交專用車道后對(duì)貨運(yùn)的影響.數(shù)據(jù)結(jié)果呈現(xiàn)見表1。2.車輛通過八里橋收費(fèi)站及其前方200米時(shí)間延誤分析2.1模型二：等待制排隊(duì)論模型京通快速路上在八里橋處有一收費(fèi)站，是導(dǎo)致京通快速路堵車的重要原因之一，這里引用等待制排隊(duì)論模型討論快速路上公交車輛和社會(huì)車輛過收費(fèi)站時(shí)平均延誤時(shí)間，并對(duì)設(shè)置公交專用車道前和設(shè)置后兩種車輛的延誤時(shí)間做一對(duì)比。2.11等待制排隊(duì)模型符號(hào)：A/B/S/其中A表示輸入過程，服從Poisson 流；B表示平均繳費(fèi)時(shí)間，服從負(fù)指數(shù)分布,S表示服務(wù)口數(shù)目，京通快速路上為六個(gè)，系統(tǒng)容量為無(wú)窮。2.12 等待制排隊(duì)模型的基本參數(shù)車輛等待的概率Pwait load是系統(tǒng)到達(dá)負(fù)荷，為load=/=R*T式中R表示, T表示1/, ,R或是每小時(shí)到達(dá)車輛數(shù)；是平均每小時(shí)車輛過收費(fèi)口數(shù)量；T 就是每輛車平均繳費(fèi)時(shí)間 . 每輛車的平均等待時(shí)間Wq 其中T/(S-load)是一個(gè)重要指標(biāo)，可以看成一個(gè)“合理的長(zhǎng)度間隔”。這里，要進(jìn)行兩種討論：當(dāng)load S時(shí), 上式Wq無(wú)意義。其直觀的解釋是：當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷超過收費(fèi)口的個(gè)數(shù)時(shí), 排隊(duì)系統(tǒng)達(dá)不到穩(wěn)定的狀態(tài) ,其隊(duì)將越排越長(zhǎng)。其結(jié)果是造成快速路上發(fā)生堵車。2.13設(shè)置公交專用車道前：. 當(dāng)load S時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，從網(wǎng)上查閱資料得，京通快速路疏堵后，平均每車延誤時(shí)間為10min。由上述1.34公式，計(jì)算人小時(shí)延誤總時(shí)間，人小時(shí)平均均延誤時(shí)間。2.14設(shè)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(duì)長(zhǎng) Ls=9.682981(2) 系統(tǒng)平均等待隊(duì)長(zhǎng) Lq= 3.682981(3) 車輛總延誤時(shí)間 Ws= 0.3227660(min)(4) 車輛平均等待時(shí)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(jì)算人小時(shí)延誤總時(shí)間，人小時(shí)平均均延誤時(shí)間。當(dāng)load S時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，從網(wǎng)上查閱資料得，京通快速路疏堵后，公交車平均每車延誤時(shí)間為2min，社會(huì)車輛平均每車延誤時(shí)間為12min 。由上述1.34公式，計(jì)算人小時(shí)延誤總時(shí)間，人小時(shí)平均均延誤時(shí)間。數(shù)據(jù)結(jié)果呈現(xiàn)見表2。3.車輛變道時(shí)間延誤分析由于開通公交專用車道時(shí)間段內(nèi)，公交專用車道上不允許社會(huì)車輛行駛，同時(shí)所有公交車必須從其他車道行駛到專用車道，便產(chǎn)生了車道變換問題，以及車道變換導(dǎo)致的時(shí)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(yùn)用，探討實(shí)施公交專用通道前后車道變換產(chǎn)生的人均延誤時(shí)間。這里假設(shè)車道變換時(shí)平均經(jīng)過兩個(gè)車道寬，從網(wǎng)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(hào)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(huì)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(huì)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(shí)間(h): 1開通公交專用車道后，公交車輛行駛 s 車程所用時(shí)間(h): 23.2 模 型 計(jì) 算 ：3.21 開通公交專用車道前,所有車輛平均用時(shí)：=s/v1開通公交專用車道后：公交車變道所用時(shí)間 =2 2+(3.752)2/1社會(huì)車輛變道所用時(shí)間 2= 2+(3.752)2/1其余車輛所用時(shí)間 =s/3 23.22 人小時(shí)總延誤時(shí)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(nèi)側(cè)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(huì)車輛數(shù)為 3402*1/(1+0.8+0.7+0.68)=1069.8,其余三車道的社會(huì)車輛數(shù)=3402-1069.8=2332.2。3.23 人均耗時(shí) T開通前總?cè)藬?shù) 1=120450+2.24050=62910開通后總?cè)藬?shù) =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(jù)實(shí)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(shí)延長(zhǎng)。五結(jié)果呈現(xiàn)1 京通快速路行程時(shí)間：京通快速路通行效益評(píng)價(jià)匯總表注: 1. 行程時(shí)間不包括時(shí)間延誤及公交車在停靠站的?？繒r(shí)間;2表格數(shù)據(jù)針對(duì)進(jìn)京方向京通快速路段進(jìn)行計(jì)算。2. 經(jīng)收費(fèi)站時(shí)間延誤分析表 2 京通高速公路開通公交專用道前后收費(fèi)站處排隊(duì)延誤時(shí)間對(duì)照（Load S）京通快速路社會(huì)車輛（pcu/h）公交車車量（pcu/h）社會(huì)車輛Ws(min)公交車車流量Ws(min)人小時(shí)總量人均耗時(shí)（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(shí)總量=Ws*(450*120+4050*2.2) 、總?cè)藬?shù)=4050*2.2+450*120開通后：人小時(shí)總量=Ws*3402*2.2+ Ws*458.5*120 、總?cè)藬?shù)=3402*2.2+458.5*120人均耗時(shí)=人 小時(shí)總量/總?cè)藬?shù)行程時(shí)間 形成車速京通快速路公交車比例 社會(huì)車輛(min)公交車輛(min)社會(huì)車輛 (km/h)公交車輛(km/h)人均行程時(shí)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(fèi)站處排隊(duì)延誤時(shí)間對(duì)照（Load S）擁堵時(shí)間（min ）京通快速路 公交 社會(huì)車輛車小時(shí)總量人小時(shí)總量人均耗時(shí)（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(jié)論分析依據(jù)上述結(jié)果，高速公路上實(shí)施公交專用車道主要有以下利弊：利處：1）實(shí)施公交專用通道后，路段公交車行程時(shí)間減小，公交車車速提高，運(yùn)行環(huán)境得到改善, 干擾減少。 2)人均行程時(shí)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(shí)在收費(fèi)站處人均延誤時(shí)間減少。3) 公交專用道的設(shè)置可以帶來一些間接效益,提高公交的吸引力, 居民調(diào)整出行結(jié)構(gòu), 減少交通出行總量, 緩解交通阻塞, 進(jìn)而改善交通環(huán)境, 減少污染。弊處：實(shí)際公交專用通道后，社會(huì)車輛行駛時(shí)間增加，行駛速度減慢，由于開通專用通道時(shí)間段內(nèi)車輛必須變道引起一定的時(shí)間耽擱。 但是由于設(shè)置公交專用道的目標(biāo)在于使人的出行效益最佳，而高速路在實(shí)施了公交專用通道后，人均行程時(shí)間明顯減小，又由于車輛變道距離一般在 100 米以內(nèi)，引起的人均時(shí)間延誤增加量小于收費(fèi)站處人均延誤減少量，總體來說實(shí)施公交專用車道后，人均時(shí)間延誤減小。因此，經(jīng)上述分析，高速公路上