邵春福,郭潤航,董春嬌,孟子悅

(1.北京交通大學(xué) 綜合交通運輸大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)交通運輸行業(yè)重點實驗室, 北京 100044;2.沈陽市規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，沈陽110004)

近年來，許多大城市開辟了公交專用道，在取得了較好效果的同時，由于缺乏有效的理論做指導(dǎo)，公交專用道的組織管理還存在諸多問題[1].一些公交專用道設(shè)置不合理、管理不夠規(guī)范嚴(yán)格，使用效率不高[2]，導(dǎo)致非公交車道上時常會出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)矶?，甚至阻礙公交車駛?cè)牍粚Ｓ玫繹3].早晚高峰時，存在公交專用道上只有零星的幾輛公交車，而非公交車道擠得水泄不通的現(xiàn)象.因此，公交專用道往往被認(rèn)為是一種“資源浪費”.另一方面，在出行結(jié)構(gòu)中，排在第一位的小汽車出行絕大多數(shù)只承載一人.道路上車輛利用率低，就會產(chǎn)生大量的無效交通，加劇交通擁堵[4].HOV車道是美國、加拿大等發(fā)達(dá)國家為提高道路利用率提出的一種交通管理措施.自2016年起，中國部分城市也開始陸續(xù)推行HOV車道，以緩解城市交通擁堵問題[5].

國內(nèi)外眾多學(xué)者就HOV車道進(jìn)行了大量研究.Daganzo等[6-7]針對HOV車道是否會對高速公路造成負(fù)面影響進(jìn)行研究.研究表明，將普通車道轉(zhuǎn)換為HOV車道，且車流量與之前比較保持不變，那么高速公路普通車道的瓶頸期交通密度就會降低.Stamos等[8]詳細(xì)研究了關(guān)于交通需求管理的措施，假設(shè)在希臘的塞薩洛尼基CBD地區(qū)新開辟了一條HOV車道，并從環(huán)境和交通參數(shù)方面利用交通仿真技術(shù)對規(guī)劃方案的實施效果進(jìn)行評價，發(fā)現(xiàn)HOV車道可以改善道路運行條件和道路周邊環(huán)境.Hanna等[9]詳細(xì)研究了取消 HOV 車道對雅加達(dá)交通的影響，研究表明人們過多擔(dān)憂合乘政策的負(fù)面因素，卻忽略了合乘政策在鼓勵人們合乘出行后有效地減少了行車延誤與尾氣排放、提高了通行效率與出行者滿意度的優(yōu)點.畢仁忠[10]撰寫了關(guān)于國外HOV車道發(fā)展現(xiàn)狀以及未來發(fā)展的文章，比較詳細(xì)地描述了在國外HOV車道的發(fā)展現(xiàn)狀、遇到的一系列問題以及未來的發(fā)展趨勢.陳瑋等[11]對國外的HOV車道進(jìn)行研究，認(rèn)為不能在目前已經(jīng)十分擁堵的道路上直接把一條普通機(jī)動車道改造為HOV車道，HOV車道最好在新的普通機(jī)動車道上開辟，并允許其他HOV使用部分平時利用率不高的公交專用道.王維禮[12]提出的合乘優(yōu)先規(guī)劃的影響因素與主要內(nèi)容，涵蓋了規(guī)劃所需的諸多方面，緊密結(jié)合了我國大城市及中心區(qū)的特點.修清慧[13]提出以最小化城市交通路網(wǎng)出行總時間為目標(biāo)，構(gòu)建了雙層規(guī)劃模型，研究基于移動互聯(lián)下拼車選擇行為的城市交通網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化.孫淑亭[14]就大連市HOV車道的使用現(xiàn)狀、管理方法和社會反響進(jìn)行了調(diào)研，并利用交通仿真模型定量分析HOV車道的使用效果,與實施后效果進(jìn)行對比后對其存在問題提出優(yōu)化建議.

盡管目前國內(nèi)外學(xué)者對HOV車道有一定的研究，但基本均局限于在普通機(jī)動車道或高速公路上開辟HOV車道，針對在公交專用道上開辟HOV車道的研究十分匱乏.本文作者首先在國內(nèi)外HOV車道研究現(xiàn)狀、設(shè)置條件的基礎(chǔ)上，選擇含有公交專用道的路段進(jìn)行實地踏勘，挖掘現(xiàn)行公交專用道存在的問題.其次結(jié)合專用道使用狀況調(diào)查和出行者使用HOV車道的SP調(diào)查結(jié)果，研究在公交專用道上設(shè)置HOV車道的方法，并構(gòu)建了基于多方式出行Logit模型的出行選擇行為模型與評價指標(biāo).最后對比分析了現(xiàn)狀以及實施HOV2+和HOV3+的交通組織優(yōu)化方案，并對優(yōu)化方案進(jìn)行了評價.

1 公交專用道使用現(xiàn)狀

以北京北三環(huán)馬甸橋至安華橋含有公交專用道的路段為研究對象，調(diào)研路段的公交專用道限行時段為7:00-9:00與17:00-19:00.調(diào)查區(qū)域和道路俯視圖如圖1所示.在實地調(diào)研期間，除了對研究區(qū)域內(nèi)的交通量進(jìn)行調(diào)查，還對研究區(qū)域內(nèi)的交通設(shè)施及布局進(jìn)行調(diào)查，為調(diào)研路段的車道組織設(shè)計方案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

圖1 研究路段區(qū)位及平面圖Fig.1 Location and floor plan of the research area

調(diào)研人員于2019年4月9日7:15-8:45和16:55-18:35對調(diào)研路段進(jìn)行雙向機(jī)動車流量的拍攝，每5 min記錄一次數(shù)據(jù).以西向東方向的晚高峰觀測數(shù)據(jù)為例，具體數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 西向東晚高峰各車道車輛數(shù)

由表1可知，內(nèi)、外側(cè)普通機(jī)動車道的車輛數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于公交專用道的車輛數(shù)，可以初步看出調(diào)研路段普通機(jī)動車道較為擁堵，公交專用道較為閑置的現(xiàn)象.

在相同的時間段，調(diào)查人員對調(diào)研區(qū)域的一個斷面進(jìn)行了車內(nèi)人數(shù)的調(diào)查，每3 min記錄一次數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如圖2所示.

圖2 各類型車輛比例Fig.2 Ratio of each type of vehicle

以表1中數(shù)據(jù)為例，小車的交通量換算系數(shù)取1.0 pcu/輛，大車的交通量換算系數(shù)取2.5 pcu/輛，公交車的交通量換算系數(shù)取3.0 pcu/輛.根據(jù)文獻(xiàn)[15]，調(diào)研路段設(shè)計通行能力取1 750 pcu/h，計算出各車道的交通量及道路負(fù)荷度，并對其服務(wù)水平以及擁堵程度進(jìn)行評價，如表2所示.

表2 各車道不同交通指標(biāo)

由表2可知，內(nèi)側(cè)普通機(jī)動車道處于三級服務(wù)水平，外側(cè)普通機(jī)動車道處于四級服務(wù)水平，都處于擁堵或嚴(yán)重?fù)矶碌臓顟B(tài).公交專用道處于一級服務(wù)水平，道路十分順暢，這與實地拍攝的情況也是吻合的.因此可以認(rèn)為在高峰時段，公交專用道在一定程度上造成了其他車道的擁堵與道路資源的浪費，可以考慮將其改造為HOV車道.

2 HOV車道使用意愿SP調(diào)查

設(shè)置HOV車道的目的主要是為了合乘優(yōu)先，即減少1人開車出行，進(jìn)而達(dá)到緩解擁堵的目的.為了解機(jī)動車駕駛員對于公交專用道的滿意度以及設(shè)置HOV車道的使用意愿，設(shè)計了HOV車道使用意愿的SP調(diào)查問卷.設(shè)計的調(diào)查問卷主要對現(xiàn)行北京市內(nèi)的公交專用道以及把公交專用道改造為HOV車道的看法等14個變量，調(diào)查結(jié)果如表3所示.

在有效的問卷中，駕齡主要分布在1～3 a(19.42%)、5～10 a(19.42%)、10～20 a(23.02%)，在其他駕齡上也均有分布，覆蓋了各個駕齡段的駕駛員，反映了調(diào)查問卷的有效性.

問卷中針對北京市內(nèi)駕駛員對現(xiàn)行公交專用道的看法中，認(rèn)為“很好”的比例只有8.63%，認(rèn)為“較好”及“一般”的分別為37.41%與30.94%.可見目前北京市內(nèi)現(xiàn)行的公交專用道無法達(dá)到駕駛員的普遍滿意.其中，占71.22%的人數(shù)認(rèn)為公交專用道造成了其他車道的擁堵.各選項占比如圖3所示.

由于國內(nèi)尚未普及HOV車道，駕駛員對于HOV車道十分陌生.此現(xiàn)象從問卷中也可以看出，91.37%的駕駛員對于HOV車道不太了解甚至完全不了解.但是問卷中對于駕駛員們是否接受與他人一同乘車使用HOV車道時，65.47%的駕駛員是接受的.這種現(xiàn)象說明駕駛員們并不介意與陌生人合乘，而且接受新鮮事物的能力也很強，從另一個角度來看，駕駛員對目前的公交專用道是存在一定意見的.另外，在問卷中對于車內(nèi)人數(shù)的調(diào)查，選擇1人與2～3人的比例占97.13%，這與圖2中對研究區(qū)域的抽樣調(diào)查結(jié)果基本一致.北京市內(nèi)駕駛員對于HOV車道的了解程度以及車內(nèi)情況如圖4所示.

3 基于HOV的公交專用道優(yōu)化方法

基于對調(diào)研路段的實地踏勘以及SP調(diào)查，提出一種將未被合理利用的公交專用道組織優(yōu)化為HOV2+或HOV3+車道的方法.首先綜合考慮多方面因素，在出行需求以及公交車發(fā)車數(shù)不變的情況下，對出行者的出行選擇行為即出行分擔(dān)率重新進(jìn)行分配，計算出重新分配后各車道各種出行方式的出行人數(shù)以及車輛數(shù).然后設(shè)置車輛數(shù)、道路負(fù)荷度與出行總成本等評價指標(biāo)，針對現(xiàn)狀、HOV2+、HOV3+分別進(jìn)行評價.最后根據(jù)其評價結(jié)果，得出最優(yōu)化的交通組織方案，具體流程如圖5所示.

表3 SP調(diào)查問卷及作答情況

圖3 北京市內(nèi)駕駛員對于公交專用道的看法Fig.3 Drivers’ views on bus lanes in Beijing

圖4 北京市內(nèi)駕駛員對于HOV車道的了解程度以及車內(nèi)情況Fig.4 Drivers’ understanding of HOV lane and the situation inside the car in Beijing

圖5 基于HOV理念的公交專用道組織優(yōu)化方法流程Fig.5 Process of bus lane planning and optimization based on HOV concept

3.1 出行選擇行為建模

在假定居民出行需求和公交車發(fā)車數(shù)一定的情況下，綜合考慮出行成本、家庭收入等因素，構(gòu)建居民出行選擇行為模型，對乘客的出行選擇重新進(jìn)行分配，并計算出重新分配后各種出行方式的乘客數(shù)與車輛數(shù)，在出行需求不變的情況下降低一人汽車的出行分擔(dān)率，提升多人合乘以及公交車的出行分擔(dān)率.構(gòu)建基于多方式出行Logit模型的出行選擇行為模型為

(1)

Δui=bi·ΔIi+ci·ΔOi+di·ΔCi

(2)

式中：ΔIi為出行者在車內(nèi)的出行時間成本；ΔOi為出行者在車外的出行時間成本；ΔCi為出行者的時間價值占收入的百分比；bi、ci、di分別為ΔIi，ΔOi和ΔCi的影響因素，ΔIi=Tf-Tc；bi取-0.025，ci取-0.050.

di的計算方式為

(3)

式中：I為研究區(qū)域平均家庭收入，元；TV為時間價值率；1249為收入換算因子.

快速路計算運行時間Tc的計算方式為

(4)

式中：Tf為快速路自由流時間，h[16]；vj為第j條道路上的交通量，pcu；cj為研究路段1 h內(nèi)的最大通行能力，根據(jù)文獻(xiàn)[15]，本文取1 750 pcu.

3.2 優(yōu)化效果評價指標(biāo)

對乘客的出行選擇重新進(jìn)行分配后，需要對前后優(yōu)化后的交通組織方案進(jìn)行評價.針對HOV車道設(shè)置兩個不同的評價指標(biāo)，即道路負(fù)荷度與出行總成本，分析設(shè)置HOV車道的可行性.

1)道路負(fù)荷度.

道路負(fù)荷度是用于評價道路或交叉口最常用的指標(biāo).設(shè)Hmax為普通機(jī)動車道上車輛內(nèi)允許乘坐的最大人數(shù)，當(dāng)Hmax=1時，普通機(jī)動車道上車輛內(nèi)允許乘坐的最大人數(shù)為1人，即公交專用道改造為HOV2+；當(dāng)Hmax=2時，普通機(jī)動車道上車輛內(nèi)允許乘坐的最大人數(shù)為2人，即公交專用道改造為HOV3+.

(5)

式中：η為出行總?cè)藬?shù)，人；εi為車輛換算系數(shù)；fj為車輛選擇內(nèi)外側(cè)車道概率.

構(gòu)建HOV車道的道路負(fù)荷度評價指標(biāo)模型，具體形式為

當(dāng)Hmax=1時，

(6)

當(dāng)Hmax=2時，

(7)

2)出行總成本.

出行總成本是指出行者選擇不同出行方式時各項成本的總和(包括行程時間、能源消耗以及污染物排放等).根據(jù)HOV車道特性，結(jié)合城市交通可持續(xù)發(fā)展的要求，影響交通效率的因素包括交通系統(tǒng)內(nèi)部和外部因素.內(nèi)部因素主要指總體出行時間，是出行者選擇HOV車道出行的主要吸引因素．而以提高時間效率為目標(biāo)的交通方式則會引起能源消耗和環(huán)境污染，這與城市交通可持續(xù)發(fā)展相悖.因此，研究引入外部因素“能源消耗”和“污染物排放總量”兩個指標(biāo)，建立模型來進(jìn)行出行成本評價.綜上，出行總成本的評價模型為

Z=μ·Z1+σ·Z2+ρ·Z3

(8)

(9)

式中：Z為交通方式的廣義費用，即交通效率；Z1為出行總時間，h；μ為時間價值，元/人·h；Z2為能源消耗，L；σ為能源價值，元/L；Z3為機(jī)動車污染物排放總量，g；ρ為污染物經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)換系數(shù)，元/g；L為規(guī)劃HOV車道路段長度，km；Qi為高峰時間各出行方式交通量；Vi為各方式平均出行速度，km/h；FCi(vi)為第i種出行方式在車速vi的情況下每小時能源消耗量；Ci為各種交通方式的污染物排放因子.

4 案例分析

以晚高峰1 h(17:30-18:30)的數(shù)據(jù)為依據(jù)，進(jìn)行公交專用道交通組織方案設(shè)計.由于公交車發(fā)車數(shù)確定，且公交車只在公交專用道上行駛，所以去除調(diào)查中的公交車，再根據(jù)圖2中各類型車輛比例，得到除公交車外各種類型車輛的分布情況，北京市高峰時段公交車內(nèi)人數(shù)定為40人，進(jìn)而計算出內(nèi)、外側(cè)普通機(jī)動車道和公交專用道的各種類型車輛數(shù)、車輛內(nèi)出行者人數(shù)與基礎(chǔ)分擔(dān)率，如表4所示.

表4 各車道車輛數(shù)、乘客人數(shù)及分擔(dān)率

假定公交專用道車輛結(jié)構(gòu)不變，根據(jù)式(1)重新分配出行分配率，由客觀觀測時內(nèi)外車道的車輛數(shù)比例，再經(jīng)過一系列迭代平衡后得出新的出行分擔(dān)表如表5所示.與現(xiàn)狀相比，將公交專用道改為HOV車道時，由于合乘車輛比例的提高，在總出行需求不變的情況下，私家車減少了74輛.

表5 調(diào)整后內(nèi)外車道車輛數(shù)、乘客人數(shù)及分擔(dān)率

4.1 道路負(fù)荷度分析

若把公交專用道改造為HOV2+或HOV3+后，內(nèi)側(cè)普通車道、外側(cè)普通車道與公交專用道的道路負(fù)荷度V/C與現(xiàn)狀比較如表6所示.

表6 不同組織方案下各車道V/C比

由表6可知，若把公交專用道改造為HOV3+，普通機(jī)動車道仍處于非常擁堵的情況，且改造后的HOV車道仍處于一級服務(wù)水平，其道路資源仍未得到良好地利用.把公交專用道改造為HOV2+后，普通車道與HOV車道的道路負(fù)荷度均處于0.6左右，較改造前普通車道上擁堵情況明顯降低，HOV車道較之前的公交專用道的道路利用率有明顯提升且并不擁堵.因此乘坐一般機(jī)動車的出行者的出行需求得到更大滿足，公交乘客的出行利益并未受到損失.

4.2 出行總成本分析

若把公交專用道改造為HOV2+或HOV3+后，內(nèi)側(cè)普通車道、外側(cè)普通車道與公交專用道的出行總成本與現(xiàn)狀比較如表7所示.

表7 不同組織方案下各出行成本值

由表7可知，把調(diào)研路段上的公交專用道改造為HOV2+、HOV3+與現(xiàn)狀進(jìn)行比較：相比現(xiàn)狀的公交專用道，當(dāng)改造為HOV2+時，出行總時間Z1降低了48.6%、能源消耗Z2降低了48.7%、機(jī)動車污染物排放總量Z3降低了37.5%，總費用Z降低了46.7%；相比改造為HOV3+，當(dāng)改造為HOV2+時，出行總時間Z1降低20.1%、能源消耗Z2降低20.3%、機(jī)動車污染物排放總量Z3降低了16.5%，總費用Z降低了19.4%.因此從出行總成本的角度考慮，將現(xiàn)狀公交專用道改造為HOV2+更為合理.

綜合車輛數(shù)變化、道路負(fù)荷度以及出行總成本進(jìn)行分析，均得出結(jié)論：將研究路段現(xiàn)行公交專用道改造為HOV2+較為合理.

5 結(jié)論

1)通過SP調(diào)查，了解目前北京市內(nèi)出行者對公交專用道的看法與對HOV車道的接受程度，進(jìn)而提出將研究路段公交專用道改造為HOV車道的思路.

2)基于多方式出行Logit模型構(gòu)建出行選擇行為模型與評價指標(biāo)模型，設(shè)計了在公交專用道上實施HOV2+和HOV3+的交通組織優(yōu)化方案.

3)將公交專用道改為HOV2+的交通組織優(yōu)化方案，與現(xiàn)狀相比總車輛數(shù)減少74輛，普通車道負(fù)荷度下降至0.6至0.7之間，出行總成本節(jié)約46.7%，很大程度上降低了普通車道的擁堵與出行總成本，并提升了公交專用道的利用率.

4)基于HOV理念對北京市內(nèi)公交專用道進(jìn)行優(yōu)化改造，有利于解決車輛利用率低、交通擁堵以及公交專用道資源浪費等問題，對我國公交專用道的組織及改造方案設(shè)計和HOV車道的實際應(yīng)用有重要的現(xiàn)實意義和參考價值.