單肖年，萬(wàn)長(zhǎng)薪，王曉云，黎雨菲，任姣月，王雨婕

（1.河海大學(xué)，土木與交通學(xué)院，南京 210024；2.河海大學(xué)，外國(guó)語(yǔ)學(xué)院，南京 210024）

0 引 言

高乘載車道作為一種典型的交通需求管理策略，能夠有效降低車公里數(shù)，在實(shí)際交通擁堵改善策略中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。公交專用道作為一種高乘載車道的特殊形式，僅允許公交車輛使用，禁止所有小汽車通行，一定程度上降低了道路設(shè)施資源的利用效率[2]。為了提高公交專用道的道路設(shè)施利用效率，部分城市管理部門試點(diǎn)設(shè)置了“公交專用道”＋“多乘員車道”的高乘載車道（或稱之為復(fù)合型集約車道①近年來(lái)，上海、銀川等地管理部門設(shè)置了復(fù)合型集約車道，即“公交專用道”+“多乘員車輛專用道”，其本意是高乘載車道。一般工作日早高峰及晚高峰時(shí)段內(nèi)，該車道供公交車、校車、載客2人及以上（含駕駛?cè)耍┑臋C(jī)動(dòng)車專用行駛，其他車輛不得駛?cè)?。），一定程度上緩解了普通車道社?huì)車輛擁堵的現(xiàn)象[3]。此外，隨著車路協(xié)同與智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展[4-5]，車車信息交互，智能網(wǎng)聯(lián)車輛能夠?qū)崟r(shí)獲取周圍車輛的速度與位置信息，有助于推進(jìn)高乘載車道動(dòng)態(tài)化、精細(xì)化管理策略的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)保證公交優(yōu)先條件下的道路基礎(chǔ)設(shè)施資源利用最大化。

在21 世紀(jì)初，Viegas[6]等人提出間歇式公交專用道的初始概念（Intermittent Bus Lane,IBL），即在保證公交優(yōu)先的情況下，允許社會(huì)車輛駛?cè)牍粚Ｓ玫溃钱?dāng)公交車駛?cè)牍粚Ｓ玫罆r(shí)，需要對(duì)公交車前方社會(huì)車輛進(jìn)行清空，只允許右轉(zhuǎn)社會(huì)車輛繼續(xù)通行。之后Yang[7]考慮到IBL 設(shè)置策略會(huì)增加車輛間的沖突，在此基礎(chǔ)上提出了動(dòng)態(tài)公交專用道（Dynamic Bus Lane, DBL）的概念，通過微觀交通仿真模型PARAMICS對(duì)上述兩種公交專用道設(shè)置方法進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明DBL 設(shè)置策略能更好地提高車道利用率。韓慧敏[8]探究了出租車行駛在公交專用道上的可行性，隨后謝秋峰等人[9]基于移動(dòng)瓶頸理論估計(jì)了IBL 的通行能力特征。胡淑芬[10]對(duì)間歇式公交專用道的發(fā)展歷程進(jìn)行了綜述分析。

近年來(lái)，Wu 等人[11]將智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)引入間歇性公交專用道中，估計(jì)了適合設(shè)置間歇性公交專用道的路段交通流飽和度特征；Gao等人[12]分析了智能網(wǎng)聯(lián)公交車及社會(huì)車輛在公交專用道上隊(duì)列行駛的可能性，仿真分析了車輛軌跡特征及公交專用道通行能力特征。趙晨馨等人[13]以出行總耗時(shí)最大為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建公交時(shí)分高乘載車道交通臨界模型，得到高乘載車道設(shè)置條件的量化區(qū)間。Zhao 等人[14]提出一種新型動(dòng)態(tài)公交專用道，即在交叉口上游設(shè)置中間開口，通過預(yù)信號(hào)引導(dǎo)左轉(zhuǎn)公交車駛?cè)雽?duì)向公交專用道，以交叉口人均延誤為目標(biāo)函數(shù)，建立混合非線性整數(shù)規(guī)劃模型并求解。Xie 等人[15]利用VISSIM 仿真對(duì)車路協(xié)同環(huán)境下動(dòng)態(tài)公交專用道設(shè)置策略的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了敏感性分析，包括智能網(wǎng)聯(lián)汽車混入率、DSRC通信距離等。部分學(xué)者分析了公交專用道允許純電動(dòng)小汽車或者自行車使用的效益特征[16-17]。Zang 等人[18]提出了一種考慮可交易電子路票的高乘載車道均衡分配算法，分析了多種可交易電子路票設(shè)置策略的效益。另一方面，元胞自動(dòng)機(jī)（Cellular Automata,CA）能夠有效地模擬交通流在復(fù)雜環(huán)境下的運(yùn)行特征，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者提出Nagel-Schreckenberg[19](NS)的改進(jìn)模型[20-22]，探究了車路協(xié)同或智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下混合交通流的運(yùn)行特征。董友邦等人[23]構(gòu)建元胞自動(dòng)機(jī)仿真模型，分析了公交站點(diǎn)附近間歇式公交專用道的適用條件。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外已有研究對(duì)社會(huì)車輛進(jìn)入公交專用道的條件以及設(shè)置間歇性公交專用道帶來(lái)的效益進(jìn)行了評(píng)估，但對(duì)于設(shè)置“公交專用道”+“多乘員車道”的高乘載車道的交通流設(shè)置條件尚不明確。同時(shí)在智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下車車信息交互，有利于優(yōu)先保障公交車通行效率，進(jìn)而提高道路設(shè)施資源的利用效率，亟需探究網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下考慮公交優(yōu)先的高承載車道設(shè)置策略可行性。本文旨在探究智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下考慮公交優(yōu)先的新型高乘載車道設(shè)置策略，對(duì)比分析了不同高乘載車道設(shè)置策略下的公交車運(yùn)行延誤與道路交通流量特征，為考慮公交優(yōu)先的新型高乘載車道設(shè)置策略提供實(shí)踐指導(dǎo)與理論支撐。

1 新型高乘載車道

1.1 車道場(chǎng)景

本文研究的新型高承載車道著重體現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一，允許公交車與多乘員小汽車混行，可以優(yōu)先保障公交車通行效率；其二，車輛行駛環(huán)境為智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境，車輛均為智能網(wǎng)聯(lián)車輛。研究的基本場(chǎng)景為單向三車道。其中，“公交專用道”+“多乘員車道”的高乘載車道設(shè)置在車輛前進(jìn)方向的最內(nèi)側(cè)，中間及外側(cè)為普通車道，供社會(huì)車輛行駛，公交站點(diǎn)布設(shè)在靠近高乘載車道一側(cè)，如圖1所示。

圖1 研究路段基本場(chǎng)景Fig.1 The basic scene in this research

為盡量反映如城市快速路所示的連續(xù)交通流實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)模型做出如下假設(shè)：

（1）基本場(chǎng)景：行駛環(huán)境為單向三車道，其中外側(cè)兩條車道供社會(huì)車輛行駛，同向行駛車道最內(nèi)側(cè)為新型高乘載車道，公交站點(diǎn)設(shè)置在靠近高乘載車道一側(cè)路段中間，社會(huì)車輛初始隨機(jī)分布于普通車道。

（2）車輛屬性：研究只考慮公交車和社會(huì)車輛兩種，且車輛性能尺寸分別一致。其中社會(huì)車輛進(jìn)一步區(qū)分為合乘車輛（High Occupancy Vehicles,HOVs）及非合乘車輛，合乘車輛即是指車內(nèi)人數(shù)大于等于2人。

（3）站點(diǎn)停靠：假設(shè)公交車均需在站點(diǎn)?？浚芯恐泄卉囌军c(diǎn)?？繒r(shí)間為定值20 s，符合公交車站點(diǎn)停靠的時(shí)間特征[24-25]。此外，在3.4 中進(jìn)一步討論了公交車站點(diǎn)?？繒r(shí)間隨機(jī)性特征。

（4）運(yùn)行環(huán)境：車輛運(yùn)行環(huán)境為智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境，公交車輛及社會(huì)車輛均為智能網(wǎng)聯(lián)車輛，車輛之間的位置以及車輛速度均可知。

1.2 設(shè)置策略

本研究中設(shè)置三種高乘載車道策略，具體為：策略一，公交專用道，只允許公交車通行，不允許社會(huì)車輛駛?cè)牍粚Ｓ玫?；策略二，不考慮公交優(yōu)先的高乘載車道，允許公交車和合乘車輛同時(shí)通行；策略三，考慮公交優(yōu)先的新型高乘載車道，允許公交車通行，在滿足基本條件下允許普通車道中的合乘車輛駛?cè)朐撥嚨?，同時(shí)在特定條件下要求合乘車輛駛出高乘載車道。

策略一僅允許公交車通行，策略二需要判斷駛?cè)敫叱溯d車道的社會(huì)車輛是否是合乘車輛，如果是合乘車輛，當(dāng)換道條件允許時(shí)，合乘車輛可以自由駛?cè)腭偝龈叱溯d車道。策略二允許合乘車輛自由駛?cè)腭偝龈叱溯d車道，但高乘載車道流量的增加以及合乘車輛駛?cè)腭偝龅膿Q道行為一定程度上增加了公交車的運(yùn)行延誤。在智聯(lián)網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下，車車間的位置與速度信息共享，有助于提出考慮公交優(yōu)先的合乘車輛駛?cè)腭偝龈叱溯d車道的規(guī)則，即策略三。

具體而言，對(duì)于處于中間車道的社會(huì)車輛，當(dāng)中間車道產(chǎn)生擁堵時(shí)，社會(huì)車輛存在換道訴求，換道可能存在兩種結(jié)果：社會(huì)車輛進(jìn)入高乘載車道或社會(huì)車輛換至最右側(cè)普通車道。在智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下，考慮公交車的優(yōu)先通行，需要對(duì)進(jìn)入高乘載車道的社會(huì)車輛的速度和位置做出限制，當(dāng)社會(huì)車輛滿足相關(guān)要求時(shí)才可進(jìn)入高乘載車道。

當(dāng)中間車道的社會(huì)車輛存在換道訴求時(shí)，判斷存在換道訴求的社會(huì)車輛是否為合乘車輛。在非合乘車輛情況下，且滿足下節(jié)中的換道規(guī)則，則換道至右側(cè)普通車道；當(dāng)車輛為合乘車輛時(shí)，為了保證進(jìn)入高乘載車道的合乘車輛在當(dāng)前時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)不對(duì)后方公交車的行駛造成影響，同時(shí)確保公交車能在下一時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)保持最高車速或加速行駛狀態(tài)。這可以被描述為在滿足2.3 所述的換道規(guī)則的基礎(chǔ)上，單位時(shí)間內(nèi)dn,m,b≥min(vn,b,bus+1,vmax,bus)與vn,car≥vn,b,bus成立時(shí)，該合乘車輛即可換道至高乘載車道，符號(hào)說(shuō)明見表1。需要說(shuō)明的是，雖然高乘載車道前方鄰近公交車的速度及位置也可知，考慮到合乘車輛為了駛?cè)敫叱溯d車道以避免當(dāng)前車道的擁堵，且后方駛?cè)牒铣塑噷?duì)前方臨近公交車通行基本不造成影響，故未設(shè)置前方臨近公交車約束條件。

表1 策略三的相關(guān)符號(hào)說(shuō)明Tab.1 Related parameters of strategy three

此外，進(jìn)入高乘載車道合乘車輛的行駛速度通常會(huì)大于或等于合乘車輛后方的公交車輛，但是隨著車輛的位置更新，可能存在合乘車輛由于車頭間距的不足而開始減速，影響后方公交車輛的通行。例如，由于公交車站點(diǎn)停靠，將會(huì)導(dǎo)致緊隨其后的合乘車輛減速，進(jìn)而影響后方公交車運(yùn)行效率，則為了保障公交車運(yùn)行效率，要求后方公交車一定范圍內(nèi)的合乘車輛在滿足換道規(guī)則的前提下駛出高乘載車道。因此，若臨近的普通車道允許合乘車輛駛出高乘載車道，即使高乘載車道上存在更優(yōu)的行駛空間，車輛也將駛出高乘載車道；但如果此時(shí)目標(biāo)車道沒有空間容納合乘車輛，車輛將繼續(xù)保留在高乘載車道內(nèi)。因此，需要對(duì)高乘載車道上行駛的合乘車輛進(jìn)行判定，若dn,mix,b＜vn,b,bus&vn,car＜vn,b,bus，同時(shí)滿足dn,o,b≥dn,safe和En,o= 0，即滿足換道安全的條件下，將強(qiáng)制要求合乘車輛駛出高乘載車道，若不滿足dn,o,b≥dn,safe和En,o= 0 中的任一項(xiàng)，車輛在當(dāng)前時(shí)間內(nèi)將保留在高乘載車道，符號(hào)說(shuō)明如表1 所示。同時(shí)，考慮合乘車自身對(duì)更優(yōu)行駛環(huán)境的追求，即自由換道的需求，若合乘車在高乘載車道上滿足下節(jié)所述換道規(guī)則，也將駛出高乘載車道。

綜上，考慮公交優(yōu)先的新型高乘載車道（策略三）社會(huì)車輛換道規(guī)則如圖2所示。

圖2 新型高乘載車道中社會(huì)車輛換道規(guī)則Fig.2 Lane changing rules of new high occupancy vehicle lane

2 新型高乘載車道交通流仿真建模

2.1 參數(shù)設(shè)置

為了體現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下車輛位置和速度的可知性，便于表達(dá)新型高乘載車道的設(shè)置策略，研究中采用元胞自動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真建模。城市快速路公交專用道相鄰站點(diǎn)間的距離較遠(yuǎn)，研究中假設(shè)站點(diǎn)上下游各500 m 的空間范圍作為仿真的基本長(zhǎng)度，單車道寬度為3.75 m，道路總寬度為11.25 m，考慮仿真結(jié)果的合理性，在左右兩端增設(shè)200 m 的預(yù)熱空間，故總仿真場(chǎng)景長(zhǎng)度為1 400 m。本文定義社會(huì)車輛和公交車實(shí)際長(zhǎng)度分別為6 m 和12 m，考慮到車輛和車輛由于視野盲區(qū)等原因，為了避免碰撞，車輛與車輛在跟馳的過程中往往會(huì)保持一定車距，研究中元胞長(zhǎng)度為車輛長(zhǎng)度與車輛為避免碰撞而保持的距離之和，即一個(gè)元胞對(duì)應(yīng)實(shí)際長(zhǎng)度7 m。規(guī)定一輛社會(huì)車輛占據(jù)一個(gè)元胞，一輛公交車占據(jù)兩個(gè)元胞，公交站點(diǎn)可容納2 輛公交車，為4 個(gè)元胞，仿真場(chǎng)景如圖3所示。

圖3 元胞自動(dòng)機(jī)模型仿真環(huán)境Fig.3 Simulation environment in cellular automata model

車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)設(shè)置方面，研究中假設(shè)社會(huì)車輛最大速度vmax,car= 4cells·s-1，對(duì)應(yīng)實(shí)際速度為100.8 km·h-1；公交車最大速度vmax,bus= 3cells·s-1，對(duì)應(yīng)實(shí)際速度為75.6 km·h-1；在智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下，車車信息交互，車輛駕駛員隨機(jī)慢化概率趨于零，與其他相關(guān)學(xué)者研究保持一致[22]。此外，考慮到緊急情況時(shí)，車輛間的安全換道間距dn,safe= 2cells，公交車停靠時(shí)間tdwelling= 20 s。為簡(jiǎn)化研究問題，借鑒美國(guó)《公共交通運(yùn)行能力及服務(wù)水平手冊(cè)》，假設(shè)公交車發(fā)車間隔服從均勻分布，公交車發(fā)車時(shí)間間隔ΔT=120 s，小時(shí)交通量為30 veh·h-1，與公交專用道設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)保持一致[26]。模型參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 模型參數(shù)設(shè)置Tab.2 Parameter settings in this study

另一方面，為了再現(xiàn)普通車道交通流的擁堵狀態(tài)，對(duì)于社會(huì)車輛采用周期性邊界條件。當(dāng)社會(huì)車輛駛出右側(cè)邊界時(shí)根據(jù)車輛速度和位置重新將其投放到路段上游。同時(shí)考慮到公交線路的單向性，對(duì)公交車采用開口邊界條件，符合車輛運(yùn)行的實(shí)際情況。

2.2 車輛跟馳規(guī)則

車輛跟馳規(guī)則需要考慮到社會(huì)車輛的跟馳及公交車的跟馳運(yùn)行。社會(huì)車輛跟馳規(guī)則采用較為常見的三步驟，即加速、減速及位置更新，具體如下：

（1）加速時(shí)：

（3）位置更新時(shí)：

式中：vn,car(t+1)表示社會(huì)車輛在下一時(shí)空步的行駛速度；vmax,car表示社會(huì)車輛最大車速；dn表示車輛與當(dāng)前車道前車的間隙；xn,car(t)、xn,car(t+ 1)分別表示社會(huì)車輛在當(dāng)前、下一時(shí)空步位置。

公交車速度更新的規(guī)則前三步與社會(huì)車輛相同，考慮到公交車要在公交站臺(tái)上?？?，所以位置更新時(shí)分兩種情況考慮：

（1）公交車停靠在公交站臺(tái)時(shí)

需要記錄其等待時(shí)間，當(dāng)?shù)却龝r(shí)間等于?？繒r(shí)間tdwelling時(shí)，認(rèn)為公交車乘客上下車完畢，即公交完成停靠，公交車將按跟馳規(guī)則繼續(xù)行駛。

（2）在公交站臺(tái)外時(shí)

當(dāng)公交車位于公交站臺(tái)外時(shí)，公交站臺(tái)不對(duì)公交車造成約束，公交車跟馳規(guī)則與前述社會(huì)車輛保持一致。

2.3 車輛換道規(guī)則

對(duì)于單向多車道元胞自動(dòng)機(jī)的換道策略，通常假設(shè)車輛的換道是由某些動(dòng)機(jī)驅(qū)使的，Chowdhury 等[27]以單車道的NS 模型為基礎(chǔ)，引入一套社會(huì)車輛換道規(guī)則，構(gòu)造了一個(gè)對(duì)稱的雙車道元胞自動(dòng)機(jī)模型，該模型模擬均勻交通系統(tǒng)時(shí)效果較好。本文即采用Chowdhury 所提出的換道規(guī)則作為研究的基礎(chǔ)。考慮到實(shí)際情況下車輛同時(shí)進(jìn)行兩次換道行為屬于小概率事件，約束其每個(gè)時(shí)空步至多換道一次。車輛具體換道規(guī)則如下：

（1）換道動(dòng)機(jī)：

式中：dn為當(dāng)前車輛前方空元胞數(shù)；dn,o為相鄰右車道前方空元胞數(shù)；dn,o,b為相鄰車道后方空元胞數(shù)；dn≤min(vn,car(t) + 1,vmax,car)表示單位時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)車輛在當(dāng)前車道不能按期望速度行駛；dn,o＞dn表示臨近車道上行駛環(huán)境比當(dāng)前車道好；En,o= 0 表示車輛換道時(shí)鄰車道元胞并無(wú)車輛占據(jù)。

需要說(shuō)明的是，策略一及策略二即采用上述的車輛換道規(guī)則，策略三采用如圖2所示的車輛換道規(guī)則。

2.4 仿真評(píng)價(jià)指標(biāo)

以公交車平均行車延誤百分?jǐn)?shù)dbm以及交通量提升倍數(shù)qm作為不同策略比較分析的評(píng)價(jià)指標(biāo)。公交車平均行車延誤百分?jǐn)?shù)的定義為：在相同仿真時(shí)間內(nèi)，策略二或策略三的公交車平均行駛時(shí)間與策略一的公交車平均行駛時(shí)間之差與策略一公交車平均行駛時(shí)間比值的百分?jǐn)?shù)，如下所示：

式中：dbm為統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)策略m的公交車平均行車延誤百分?jǐn)?shù)；nm為統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)策略m通過的公交車總數(shù)；tm,i表示策略m中第i輛公交車的行駛時(shí)間；當(dāng)m=1時(shí)表示公交專用道。

同時(shí)假設(shè)公交車平均延誤百分?jǐn)?shù)在10%以內(nèi)，即認(rèn)為公交車通行狀況不受影響。

道路交通流量提升倍數(shù)的定義為：在相同仿真時(shí)間內(nèi)，策略二或策略三的總標(biāo)準(zhǔn)交通量與策略一的總標(biāo)準(zhǔn)交通量之差與策略一總標(biāo)準(zhǔn)交通量的比值，并認(rèn)為車道交通流量提升倍數(shù)大于0.2時(shí)，策略二及策略三的設(shè)置具有實(shí)施價(jià)值。道路交通流量用公式表示如下：

式中：nm,gen,i為策略m在初始條件下投放在第i條普通車道的社會(huì)車輛數(shù)；Ngen為普通車道設(shè)置的車道總數(shù)，Ngen= 2。

3 新型高乘載車道仿真結(jié)果分析

3.1 交通流量及公交車延誤特征分析

利用Matlab 建立上述混合交通流元胞自動(dòng)機(jī)仿真模型，設(shè)置仿真時(shí)間為2 000 s，單位時(shí)間步長(zhǎng)為1 s，前200 s 為系統(tǒng)預(yù)熱時(shí)間，取后1 800 s 作為結(jié)果分析數(shù)據(jù)，同時(shí)為了消除隨機(jī)性引起的誤差，結(jié)果取五次仿真實(shí)驗(yàn)的平均值。分析三種策略的公交車運(yùn)行延誤與交通流量特征，當(dāng)公交車發(fā)車間隔為120 s 時(shí)，不同合乘車比例下策略二與策略三的公交車平均行車延誤百分?jǐn)?shù)、普通車道交通量及高乘載車道交通量變化特征對(duì)應(yīng)仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 策略二與策略三交通量及公交車平均行車延誤百分?jǐn)?shù)Fig.4 The average bus operation delay and traffic volume of strategy two and strategy three

由圖4(a)～(f)可知，當(dāng)普通車道交通流運(yùn)行處于自由流狀態(tài)，車流密度小于30 pcu·km-1時(shí)，策略二與策略三高乘載車道交通量均為公交車交通量，說(shuō)明社會(huì)車輛在普通車道上行駛不受阻礙，合乘車輛沒有進(jìn)入高乘載車道的需求，即在自由流情況下設(shè)置高乘載車道暫無(wú)較高的實(shí)際價(jià)值。當(dāng)交通流密度處于30～50 pcu·km-1時(shí)，隨著合乘車比例和交通流密度的提升，高乘載車道交通量與公交車平均延誤百分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。當(dāng)交通流密度處于50～140 pcu·km-1時(shí)，高乘載車道交通量變化可以分為三種情況：合乘車占比小于30%時(shí)，高乘載車道交通量隨交通流密度增長(zhǎng)保持上升趨勢(shì)；合乘車占比位于30%～60%時(shí)，交通量隨交通流密度的增加保持緩慢下降的趨勢(shì)；當(dāng)合乘車占比大于60%時(shí)，隨著交通流密度的增大，高乘載車道交通量在交通流密度大于50 pcu·km-1后呈現(xiàn)快速下降的趨勢(shì)，且下降速率隨合乘占比的增加而增大。具體分析可知：當(dāng)合乘車輛占比在30%時(shí)，合乘車密度最大為30～84 pcu·km-1，對(duì)應(yīng)自由流向擁堵的過渡階段，所以這一階段流量下降平緩；而當(dāng)合乘車輛占比大于60%時(shí)，合乘車密度最大為72～140 pcu·km-1，交通流密度靠近堵塞密度，此時(shí)合乘車總數(shù)增加，使得高乘載車道行駛環(huán)境惡化，為了保障高乘載車道上公交車運(yùn)行效率，合乘車輛需要逐漸駛離高乘載車道，高乘載車道交通量呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)這一階段策略二的延誤百分?jǐn)?shù)要高于策略三對(duì)應(yīng)百分?jǐn)?shù)，說(shuō)明考慮公交優(yōu)先的新型高乘載車道設(shè)置策略在保證公交車運(yùn)行方面具有優(yōu)勢(shì)。

3.2 新型高乘載車道設(shè)置條件分析

為了進(jìn)一步說(shuō)明城市快速路新型高乘載車道設(shè)置條件，繪制了策略二及策略三普通車道交通流密度及合乘車輛占比雙因素作用下的公交車平均延誤百分?jǐn)?shù)及道路交通流量提升倍數(shù)三維偽彩圖，如圖5所示。圖中綠色虛框表示高乘載車道的延誤百分?jǐn)?shù)適用范圍，即公交車平均延誤百分?jǐn)?shù)小于10%；藍(lán)色虛線框表示道路交通流量提升倍數(shù)適用范圍，即流量提升倍數(shù)大于0.2。因此，綠色區(qū)域與藍(lán)色區(qū)域的交集即為該條件下的新型高乘載車道適用性范圍。

圖5 策略二、策略三延誤百分?jǐn)?shù)及流量提示比適用范圍Fig.5 Ranges of applicability of the average bus operation delay and traffic flow increment for different strategies

對(duì)比圖5 的疊加區(qū)域可知，不同合乘車比例條件下高乘載車道設(shè)置的交通流適應(yīng)密度范圍存在差異。隨著合乘車比例的增加，車道設(shè)置的交通流適應(yīng)密度呈現(xiàn)縮小的趨勢(shì)。當(dāng)合乘車比例為50%時(shí)，策略三的適應(yīng)密度為[34,88]pcu·km-1，略高于策略二的適應(yīng)密度[34,81]pcu·km-1。而當(dāng)合乘車比例大于等于60%時(shí)，策略二與策略三適用范圍的疊加區(qū)域保持一致，為[34,61]pcu·km-1。具體分析為：當(dāng)交通流密度小于34 pcu·km-1時(shí)，交通流處于自由流階段，車輛沒有駛?cè)敫叱溯d車道的需求；交通流密度在34～61 pcu·km-1的范圍時(shí)，道路運(yùn)行條件（車流）處于自由流向擁堵流過渡，設(shè)置新型高乘載車道有助于提升道路利用效率；合乘車比例大于等于60%，密度區(qū)間為61～140 pcu·km-1時(shí)，高乘載車道交通流接近堵塞狀態(tài)，雖然上一輛公交車已經(jīng)駛出邊界，但其駐站停車產(chǎn)生的堵塞波尚未完全消散，進(jìn)而導(dǎo)致高乘載車道的流量下降，也進(jìn)一步解釋了當(dāng)合乘車占比較高時(shí)在高密度場(chǎng)景下高乘載車道流量下降的原因，如圖6所示。

圖6 密度為100 pcu·km-1、合乘車占比為60%時(shí)公交車駐站產(chǎn)生的堵塞現(xiàn)象Fig.6 Traffic congestion generation when the density is 100 pcu·km-1 and HOV’s proportion is 60%

此外，當(dāng)公交車發(fā)車時(shí)間間隔為120 s時(shí)，觀察公交車平均行車延誤百分?jǐn)?shù)所對(duì)應(yīng)三維偽彩圖的不適應(yīng)密度范圍，可以發(fā)現(xiàn)在此范圍內(nèi)策略三對(duì)應(yīng)偽彩圖的色階要弱于策略二，說(shuō)明與策略二相比，策略三影響了部分低速合乘車的駛?cè)爰昂铣塑囻偝鲂滦透叱溯d車道的判定，降低了公交車的行駛延誤，有利于保障公交車的優(yōu)先通行。綜上，當(dāng)公交車發(fā)車間隔為120 s，合乘車占比低于60%時(shí)，在低中密度范圍內(nèi)設(shè)置高乘載車道，有助于吸引普通車道的合乘車輛，改善普通車道交通流狀況，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)道路交通流量增大與公交車運(yùn)行效率保證的雙目標(biāo)。

3.3 公交車發(fā)車時(shí)間間隔敏感性分析

為進(jìn)一步討論公交車發(fā)車時(shí)間間隔對(duì)不同策略的新型高乘載車道的適應(yīng)性影響，增設(shè)公交車發(fā)車時(shí)間間隔分別為150 s、180 s 時(shí)，策略二、策略三延誤及流量提升倍數(shù)適用范圍三維熱力圖如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8 可知，隨著公交車發(fā)車間隔的增加，對(duì)應(yīng)兩種高乘載車道設(shè)置策略的交通流適應(yīng)范圍也不斷擴(kuò)大。當(dāng)公交車發(fā)車間隔為150 s，對(duì)應(yīng)公交車小時(shí)交通量為24 veh·h-1時(shí)，以合乘車占比50%為例，策略二疊加區(qū)間為[34,88]pcu·km-1，策略三疊加區(qū)間為[34,95]pcu·km-1；當(dāng)公交車發(fā)車間隔為180 s 時(shí)，策略二疊加區(qū)間為[34,88]pcu·km-1，策略三疊加區(qū)間為[34,102]pcu·km-1；而當(dāng)發(fā)車間隔為120 s 時(shí)，策略二、策略三疊加區(qū)間分別為[34,81]pcu·km-1、[34,88]pcu·km-1。由此可見，隨著公交車發(fā)車時(shí)間間隔的增大，新型高乘載車道設(shè)置的交通流適用密度范圍呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。從交通波的角度分析，公交車交通流實(shí)際相當(dāng)于間斷流，公交車在公交站點(diǎn)停靠時(shí)產(chǎn)生了堵塞波，影響了后方的合乘車或公交車速度，且公交車交通量越大，總的?？繒r(shí)間越大，對(duì)應(yīng)堵塞波的范圍和影響時(shí)間越長(zhǎng)，所以公交車平均延誤也會(huì)有所增加。同時(shí)由上面所列的疊加區(qū)間可以發(fā)現(xiàn)，雖然策略二適用范圍隨公交車交通量縮減而有所增加，但其擴(kuò)大后的適用范圍低于策略三的適用范圍，說(shuō)明對(duì)于原設(shè)有公交專用道的高密度普通車道路段，將公交專用道管理策略變更為具有公交優(yōu)先的新型高乘載車道管理策略，能夠提高道路路段流量，實(shí)現(xiàn)道路設(shè)施資源的利用最大化。

圖7 公交車發(fā)車間隔為150 s時(shí)策略二、三適用范圍Fig.7 Ranges of applicability of different strategies when the bus time interval is 150 s

圖8 公交車發(fā)車間隔為180 s時(shí)策略二、三適用范圍Fig.8 Ranges of applicability of different strategies when the bus time interval is 180 s

3.4 公交車駐站時(shí)間分布特征分析

前述的分析中，均假設(shè)公交站點(diǎn)停靠時(shí)間為定值（20 s），在實(shí)際公交車運(yùn)行中，公交車在站點(diǎn)停靠時(shí)間呈現(xiàn)隨機(jī)性。假設(shè)公交車站點(diǎn)停靠時(shí)間服從N(20,4)的正態(tài)分布[22]，探究公交車?？繒r(shí)間的隨機(jī)性對(duì)高乘載車道適用性范圍的影響，以策略三為例，得到?？繒r(shí)間服從正態(tài)分布時(shí)適用性范圍如圖9所示。

圖9 公交車駐站時(shí)間服從正態(tài)分布下策略三的適用范圍Fig.9 Ranges of applicability of strategy three when the bus dwelling time follows a normal distribution

與圖5(b)、(d)公交車駐站時(shí)間為固定值20 s相比，公交車駐站時(shí)間服從正態(tài)分布時(shí)對(duì)應(yīng)的延誤百分?jǐn)?shù)要稍低于固定駐站時(shí)間，但兩者差距較小。考慮論文中正態(tài)分布服從N(20,4)，即公交車駐站時(shí)間在[16,24]的出現(xiàn)概率較大（為68.4%），與駐站時(shí)間為20 s時(shí)本身存在較大的重合部分，則仿真結(jié)果差異性較小。此外，社會(huì)合乘車輛無(wú)法獲知公交車駐站時(shí)間，且公交車駐站時(shí)間未在策略三的換道規(guī)則中得到應(yīng)用?？傮w而言，兩種情景下的公交車駐站時(shí)間仿真結(jié)果在公交車運(yùn)行延誤百分?jǐn)?shù)和交通量提升兩方面差距較小。

4 總 結(jié)

智能網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下，車車信息交互有助于實(shí)現(xiàn)提升公交專用道的設(shè)施利用效率及保障公交運(yùn)行效率的多重目標(biāo)，本文提出了一種考慮公交優(yōu)先的新型高乘載車道，建立了混合交通流元胞自動(dòng)機(jī)模型，以公交車平均行車延誤百分?jǐn)?shù)與道路交通流量提升倍數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)比分析了不同高乘載車道的設(shè)置策略。仿真結(jié)果表明：不同合乘車比例條件下高乘載車道設(shè)置的交通流適應(yīng)密度范圍存在差異；隨著合乘車比例的增加，高乘載車道設(shè)置的交通流適應(yīng)密度呈現(xiàn)縮小的趨勢(shì)?？紤]公交優(yōu)先的新型高乘載車道設(shè)置策略有效適應(yīng)性范圍總體上優(yōu)于常規(guī)高乘載車道的適應(yīng)范圍。具體而言，當(dāng)公交車發(fā)車時(shí)間間隔為120 s 以及合乘車比例為50%時(shí)，考慮公交優(yōu)先的新型高乘載車道設(shè)置策略的適應(yīng)密度為[34,88]pcu·km-1，略高于常規(guī)新型高乘載車道的適應(yīng)密度（[34,81]pcu·km-1）。而當(dāng)合乘車比例大于60%時(shí)，兩種車道設(shè)置策略的適應(yīng)性密度范圍保持一致。同時(shí)，隨著公交車發(fā)車間隔的增加，對(duì)應(yīng)兩種高乘載車道設(shè)置策略的交通流適應(yīng)范圍也不斷擴(kuò)大，且考慮公交優(yōu)先的新型高乘載車道設(shè)置策略密度擴(kuò)大范圍較高。此外，對(duì)公交車站點(diǎn)?？繒r(shí)間的隨機(jī)性進(jìn)行了討論，由于研究中假設(shè)公交車駐站時(shí)間服從20 s均值的正態(tài)分布，兩種場(chǎng)景下高乘載車道設(shè)置策略的適應(yīng)性差異性較小。本文研究成果為設(shè)置考慮公交優(yōu)先的新型高乘載車道提供了理論依據(jù)與實(shí)踐指導(dǎo)。