董紅召，趙玉婷

（1.浙江工業(yè)大學(xué) 智能交通聯(lián)合研究所，浙江 杭州 310032；2.浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部／浙江省重點實驗室，浙江 杭州 310032）

基于PARAMICS的公交專用道時分復(fù)用方法研究及優(yōu)化

董紅召1，2，趙玉婷1，2

（1.浙江工業(yè)大學(xué) 智能交通聯(lián)合研究所，浙江 杭州 310032；2.浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部／浙江省重點實驗室，浙江 杭州 310032）

公交專用道有效實現(xiàn)公交優(yōu)先的同時加深了社會車輛與道路資源間的矛盾，保證公交優(yōu)先的車道復(fù)用方法可以較好的解決這一問題.為了改善目前的公交專用道復(fù)用方法，研究了一種能夠定量計算社會車輛借道時間的公交專用道時分復(fù)用方法.在PARAMICS交通仿真軟件中建立以特定路段為中心的微觀交通路網(wǎng)模型，采用C語言擴(kuò)展PARAMICS功能對實驗路段進(jìn)行仿真實驗，并通過調(diào)整時分復(fù)用方法中各關(guān)鍵參數(shù)的取值，對該方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計.最后驗證優(yōu)化后的公交專用道時分復(fù)用方法能夠保證公交優(yōu)先的前提下提高社會車輛的平均行駛速度、降低路段的車流密度、減少交叉口延誤和道路擁堵時間.

公交專用道；時分復(fù)用；PARAMICS仿真；優(yōu)化

公交專用道能使公交車輛從整個交通流中分離出來，減少社會車輛、非機(jī)動車輛和行人對公交車運行的影響，是實現(xiàn)公交優(yōu)先策略的有效措施之一.然而，該方法進(jìn)一步激化了社會車輛與道路資源間的矛盾.近年來提出的保證公交優(yōu)先的車道復(fù)用方法可以較好的解決這一矛盾.如Viegas J.提出了間歇式公交專用道（IBL）和Michael Eichler等提出了間歇路權(quán)優(yōu)先的公交專用道（BLIP）等［1－3］.國內(nèi)仍沒有專用道復(fù)用技術(shù)的研究，僅對專用道閑置資源進(jìn)行了分析，討論其他車輛（如出租車）［4］在專用道上行駛的可行性.當(dāng)前對公交專用道復(fù)用方法的研究主要存在以下3個問題：1）未論證公交專用道復(fù)用后是否能改善復(fù)用路段的車輛行駛狀況；2）現(xiàn)有的車道復(fù)用方法只是停留在從宏觀定性角度來描述或判斷而未能定量地確定社會車輛的復(fù)用時間；3）車輛的復(fù)用時間進(jìn)行定量計算時，其中涉及到的相關(guān)參數(shù)如何確定.

交通仿真軟件PARAMICS是交通領(lǐng)域?qū)W術(shù)界和工程界都廣泛采用的主流高級軟件工具［5－6］，能對時分復(fù)用方法的理論研究和優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行模擬實驗，仿真結(jié)果較為真實.因此，為對公交專用道資源進(jìn)行充分、合理地利用，研究了一種能夠定量計算社會車輛借道時間的公交專用道時分復(fù)用方法，并采用微觀交通仿真軟件PARAMICS仿真對該方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并驗證優(yōu)化后的復(fù)用方法的實施效果.

1 公交專用道時分復(fù)用方法

公交專用道復(fù)用方法是根據(jù)公交車輛的定位信息、行駛路線信息和交叉口配時信息，通過沿專用道右側(cè)車道分隔線設(shè)置的一組時分復(fù)用信號燈來控制社會車輛對專用道的復(fù)用：時分復(fù)用信號燈顯示綠色，表示允許借道，行駛在專用道鄰道上的社會車輛可有選擇地采取借道行為；時分復(fù)用信號燈顯示紅色，表示禁止借道，社會車輛不得進(jìn)入專用道行駛，同時在專用道行駛的社會車輛必須駛出專用道.時分復(fù)用信號燈亮起的燈色及其保持時間就是車輛的復(fù)用時間，以兩交叉口間路段為例，車輛復(fù)用時間的定量計算方法如圖1所示.

圖1 公交專用道時分復(fù)用路段示意圖Fig.1 The image of the section of DBL time division multiplexing

2）假設(shè)允許社會車輛在當(dāng)前時刻t借用i至i＋1之間區(qū)域的專用道行駛，即第i盞時分復(fù)用信號燈顯示綠燈.

3）預(yù)測社會車輛在專用道i至i＋1之間區(qū)域行駛的行程時間（單位：秒）公式為

其中：Tcarlight（d）為社會車輛在下游交叉口信號燈等待的預(yù)測時間，s；Vcar為社會車輛的自由流車速，m／s；為還道過程所需的最小時間，s；α為專用道鄰道交通狀態(tài)對還道時間的影響因子，無量綱；為借道時間，s.和由于受到駕駛員個體差異、道路、天氣等眾多因素的影響，所以經(jīng)過簡化后的借、還道時間計算方法仍難以得到借道和還道過程的精確時間.通過調(diào)查和仿真實驗可以設(shè)定一個范圍，社會車輛的借道時間為10～17 s；社會車輛的還道最小時間為7～12 s.λ1，λ2表示為簡化公式引入的無量綱系數(shù)，由以下兩種情況確定：當(dāng)i＜n，λ1＝0，λ2＝1；當(dāng)i＝n，λ1＝1，λ2＝0.

4）預(yù)測迫近車輛從當(dāng)前位置行駛到第i＋1盞時分復(fù)用信號燈的行程時間公式為

其中：Vbus為公交車輛的自由流車速，m／s－1；為公交車輛在每個上游交叉口信號燈等待的預(yù)測時間，s；Ns為將經(jīng)過的公交站點總數(shù)；Tbusstop（k）為公交車輛在第k個公交站點的?？繒r間，s.

5）判斷條件為

其中：ht為車輛換道時最小的車頭安全時距，s，在大量現(xiàn)有的國內(nèi)外文獻(xiàn)中將其規(guī)定為1.5～2.0 s；Tmin為允許使用專用道的最小時間片，s，不能設(shè)定過小，因為過小的時間片會造成借還道信號變化頻繁，容易引起道路交通流振蕩；也不能設(shè)定過大，因為過大的時間片不能很好的利用道路資源；σ為簡化公式引入的無量綱系數(shù)，由以下兩種情況確定：t時刻專用道i至i＋1之間區(qū)域是允許借道時，σ＝0；不允許借道時σ＝1.

根據(jù)式（3）可得到如下結(jié)論：式（3）成立，即式（2）中的假設(shè)成立，則允許社會車輛借用專用道i至i＋1之間區(qū)域，復(fù)用時長為Tcar＝ΔTbus－（＋σTmin＋ht），ΔTbus為兩輛經(jīng)過復(fù)用路段公交車輛（普通公交車輛或BRT）駛離第i盞時分復(fù)用信號燈的時間間隔，s；式（3）不成立，即式（2）中的假設(shè)不成立，則禁止社會車輛借用專用道i至i＋1之間區(qū)域，禁止時長為ΔTbus.

2 基于PARAMICS的公交專用道時分復(fù)用優(yōu)化設(shè)計方法

在PARAMICS環(huán)境下，通過建模和二次開發(fā)對不同參數(shù)條件下的時分復(fù)用方法進(jìn)行仿真及結(jié)果分析，調(diào)整直接關(guān)系時分復(fù)用方法優(yōu)劣的三個關(guān)鍵參數(shù)Tmin，α和R，從而達(dá)到對該方法的優(yōu)化設(shè)計.

2.1 設(shè)定初始R，α和T min

為保證能夠及時搜索到?jīng)Q定社會車輛能否繼續(xù)對專用道進(jìn)行復(fù)用的迫近車輛的同時盡量減小計算量，應(yīng)該將R的初始狀態(tài)R0設(shè)置為迫近車輛在R0以外時分復(fù)用信號燈沒有顯示紅燈可能的最小距離，可以根據(jù)式（4）確定為

設(shè)定初始α0＝5，因為α大于5說明車輛需要用過長時間（5×≥35 s）才能還道，此時若仍對專用道進(jìn)行時分復(fù)用，極有可能由于社會車輛不能及時還道造成對公交車輛的影響，即將α設(shè)定為能夠接受的最大還道時間.

初始時將最小時間片設(shè)置到最大值為

2.2 目標(biāo)函數(shù)

一般可以用車輛平均路段速度和交叉口延誤等數(shù)據(jù)來評價一個路段的服務(wù)水平.路段時分復(fù)用后，希望能夠提高路段的平均速度和減少交叉口延誤，因此綜合兩個參數(shù)的評價效果，引入車輛平均路段行程時間作為時分復(fù)用方法的優(yōu)化目標(biāo)，則目標(biāo)函數(shù)可寫為

式中：Ncar為觀測總時間Tconst（令Tconst＝1 h）內(nèi)通過該路段的社會車輛數(shù)；tcari為社會車輛在該路段的行程時間，s.顯然，F(xiàn)越小，時分復(fù)用方法越優(yōu).

2.3 約束條件

1）公交延誤率Del，無量綱.專用道時分復(fù)用后，由于借道的社會車輛未能及時還道于公交車輛，容易造成公交車輛在復(fù)用路段或其下游交叉口產(chǎn)生延誤，通過提出公交延誤率的概念來衡量某一路段實施時分復(fù)用方法后對公交車輛造成的影響.為較好的保證公交優(yōu)先，Del≤1%.

式中：Nbus為觀測時間內(nèi)通過該路段的公交車輛數(shù)；Tdelayi為第i輛公交車輛的延誤時間.

2）社會車輛還道成功率S，無量綱，由式（8）確定.為能嚴(yán)格控制社會車輛僅在其復(fù)用時間內(nèi)行駛在專用道上，將S的范圍約束在S≥98%.

3）專用道的飽和度應(yīng)該小于等于0.65.因為，根據(jù)美國《道路通行能力手冊》當(dāng)專用道上的飽和度大于0.65，專用道將會出現(xiàn)擁堵狀況，容易影響公交車輛的通行和限制專用道內(nèi)其他借道車輛行駛速度的提高.

2.4 優(yōu)化設(shè)計

通過調(diào)整R，α和Tmin三個參數(shù)的取值，在滿足約束條件的前提下找到F（R，α，Tmin）取得最小值的組合.優(yōu)化過程如下：

1）固定R和Tmin，僅改變參數(shù)α，即R＝R0和Tmin＝，調(diào)整α從α0以步長b（α）減少到1.分別對實施相應(yīng)時分復(fù)用方法的實驗路段進(jìn)行仿真，在滿足約束條件下選出能使F最小的α值，記做α1.

2）固定α和R，僅改變參數(shù)Tmin，即R＝R0和α＝α1，調(diào)整Tmin從以步長b（Tmin）減少到20 s（當(dāng)Tmin＜20 s，車輛的借還道過程過于頻繁，極易引起交通紊流）.分別對實施相應(yīng)時分復(fù)用方法的實驗路段進(jìn)行仿真，在滿足約束條件下，選出能使F最小的Tmin值，記做

3）固定α和Tmin，僅變化參數(shù)R，R＝R0是安全的搜索半徑，即迫近車輛在R0以外時分復(fù)用信號燈沒有顯示紅燈的可能，但由于α＝α1≤α0和Tmin＝≤，R已經(jīng)過安全.雖然不會影響仿真后車輛平均路段行程時間、還道成功率進(jìn)和公交車輛延誤率，但是增加運算量，這點已通過仿真得到驗證.因此可以將R設(shè)定的更小，R′由下式?jīng)Q定：

3 PARAMICS仿真實驗

表1 交叉口相位及配時Table 1 The phase and of signal timing intersection

表2 公交路線Table 2 Bus routes

根據(jù)基于PARAMICS的公交專用道時分復(fù)用優(yōu)化設(shè)計方法和約束條件，最終優(yōu)化設(shè)計后的公交專用道時分復(fù)用方法的各關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置為：αbest＝2，＝50或60，Rbest＝900.專用道時分復(fù)用方法實施前、時分復(fù)用方法未優(yōu)化前及優(yōu)化后的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，F(xiàn)，S，Del，飽和度比較如表3，實驗路段的交通狀況比較如圖4－6.

表3 F，S，Del，飽和度對比Table 3 The comparison of F，S，Del and saturation

仿真結(jié)果分析：1）由圖4可知，實驗路段無論是實施優(yōu)化的或未經(jīng)優(yōu)化的時分復(fù)用方法都比實施前減少了車輛在下游交叉口的延誤，但是經(jīng)過優(yōu)化比未優(yōu)化的時分復(fù)用方法能夠更為顯著地減少了車輛的交叉口延誤，將不再出現(xiàn)交叉口嚴(yán)重?fù)矶聲r刻；2）由圖5可知，優(yōu)化設(shè)計后的時分復(fù)用方法實施后，提高了復(fù)用路段的車輛平均速度，但是未優(yōu)化的時分復(fù)用方法反而降低了復(fù)用路段的車輛平均速度；3）由圖6可知，優(yōu)化設(shè)計后的時分復(fù)用方法實施后，復(fù)用路段的車流密度有明顯下降，并且專用道沒有或?qū)嵤┝宋磧?yōu)化前的時分復(fù)用方法時，交通流密度隨著仿真的進(jìn)行呈現(xiàn)較快的整體上升趨勢，而實施優(yōu)化后的時分復(fù)用方法后的車流密度整體上升趨勢非常緩慢，能夠基本保持在一定范圍內(nèi)，與前兩者之間的差距越來越大，即隨著時間進(jìn)行優(yōu)化后的時分復(fù)用方法的優(yōu)勢越為明顯，但是同樣未優(yōu)化的時分復(fù)用方法反而增大了復(fù)用路段的車流密度；4）由表3可知，實驗路段無論是實施優(yōu)化的或未經(jīng)優(yōu)化的時分復(fù)用方法均能使借道車輛的還道成功率達(dá)到100%，對公交車輛的通行僅產(chǎn)生極小的延誤，保證復(fù)用后的專用道仍為暢通狀態(tài)，并且經(jīng)過優(yōu)化的時分復(fù)用方法能否減少復(fù)用路段車輛平均路段行程時間而未優(yōu)化的時分復(fù)用方法卻增加了這一時間.

4 結(jié) 論

為充分利用公交專用道的閑置資源，研究了一種能夠定量計算社會車輛借道時間的公交專用道時分復(fù)用方法.應(yīng)用PARAMICS，通過在相同的道路條件下調(diào)整時分復(fù)用方法中各關(guān)鍵參數(shù)的取值進(jìn)行多次重復(fù)的仿真實驗，并根據(jù)實驗結(jié)果分析得到的變化規(guī)律，對該方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計.仿真實驗結(jié)果表明：并不是對公交專用道的任意復(fù)用都能改善道路的通行狀況，由于優(yōu)化前的時分復(fù)用方法中各參數(shù)選擇不當(dāng)，不僅影響了路段上公交車輛的通行，而且普通車道的擁堵狀況更為惡化；對專用道進(jìn)行合理的時分復(fù)用，即采用PARAMICS仿真的方法進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化后的時分復(fù)用方法能夠保證公交優(yōu)先的前提下提高路段的運輸能力，及時疏散車輛，保證道路暢通，并改善路段上車輛的行駛狀況，能使駕駛員有一個良好的駕駛環(huán)境.

［1］JOSE V，BAICHUAN L.Widening the scope for bus priority with intermittent bus lanes［J］.Transportation Planning and Technology，2001，24（2）：87-110.

［2］JOSE V，BAICHUAN L.The intermittent bus lane signals setting within an area［J］.Transportation Research Part C，2004，12（6）：453-469.

［3］MICHAEL E，CARLO F D.Bus lanes with intermittent priority：strategy formulae and an evaluation［J］.Transportation Research Part B，2006，40（9）：731-744.

［4］韓慧敏.出租車在公交專用道上行駛的可行性研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2007.

［5］聶佩林，余志，何兆成.基于 MapInfo電子地圖的Paramics仿真基礎(chǔ)路網(wǎng)構(gòu)建［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，20（1）：214-217.

［6］趙曉華，陳陽舟，石建軍，等.交通控制算法在Paramics交通仿真軟件中的實現(xiàn)［J］.公路交通科技，2006，23（6）：136-139.

Optimization of time division multiplexing for dedicated bus lanes based on PARAMICS

DONG Hong-zhao1，2，ZHAO Yu-ting1，2
（1.ITS Joint Research Institute，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，China；2.Key Laboratory of E＆M，Ministry of Education ＆Zhejiang Province，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310032，China）

Although the buses receive priority effectively by means of dedicated bus lanes（DBL），the contradiction between social vehicles and road resources becomes still more acute.The lanes multiplexing methods proposed in recent years can solve this contradiction well while guaranteeing bus priority.According to the several major problems in DBL multiplexing methods and to make full use of bus lanes resources，a novel approach of DBL time division multiplexing is put forward，which can quantitatively calculate borrowing time of general vehicles.In PARAMICS，the microscopic simulation model of traffic network is established and the function of PARAMICS is expanded by C language to simulate the experimental sections.Through adjusting value of key parameters each time in the simulation，the DBL multiplexing approach has been optimized.Finally，the outcome of simulation verifies the optimized DBL multiplexing approach could not only ensure bus priority but also accelerate traffic speed，lower traffic density and shorten delay time of downstream intersection.

bus lanes；DBL time division multiplexing；PARAMICS simulation；optimization

U121

A

1006-4303（2012）01-0065-05

2010-10-14

國家自然科學(xué)基金資助項目（61174176）；浙江省重大科技專項資助項目（2009C03016-3）；杭州市社會發(fā)展科研專項資助項目（20110533B02）

董紅召（1969—），男，河南滑縣人，教授，博士，研究方向為智能交通系統(tǒng)、智能機(jī)電控制系統(tǒng)，E-mail：its＠zjut.edu.cn.

（

劉 巖）