基于PARAMICS的公交專用道時分復用方法研究及優化

董紅召，趙玉婷

（1.浙江工業大學 智能交通聯合研究所，浙江 杭州 310032；2.浙江工業大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部／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用方法研究及優化

董紅召1，2，趙玉婷1，2

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

公交專用道有效實現公交優先的同時加深了社會車輛與道路資源間的矛盾，保證公交優先的車道復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模型，采用C語言擴展PARAMICS功能對實驗路段進行仿真實驗，并通過調整時分復用方法中各關鍵參數的取值，對該方法進行優化設計.最后驗證優化后的公交專用道時分復用方法能夠保證公交優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；時分復用；PARAMICS仿真；優化

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、非機動車輛和行人對公交車運行的影響，是實現公交優先策略的有效措施之一.然而，該方法進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先的車道復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等提出了間歇路權優先的公交專用道（BLIP）等［1－3］.國內仍沒有專用道復用技術的研究，僅對專用道閑置資源進行了分析，討論其他車輛（如出租車）［4］在專用道上行駛的可行性.當前對公交專用道復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用后是否能改善復用路段的車輛行駛狀況；2）現有的車道復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用時間；3）車輛的復用時間進行定量計算時，其中涉及到的相關參數如何確定.

交通仿真軟件PARAMICS是交通領域學術界和工程界都廣泛采用的主流高級軟件工具［5－6］，能對時分復用方法的理論研究和優化設計進行模擬實驗，仿真結果較為真實.因此，為對公交專用道資源進行充分、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用方法，并采用微觀交通仿真軟件PARAMICS仿真對該方法進行優化設計，并驗證優化后的復用方法的實施效果.

1 公交專用道時分復用方法

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

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

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

3）預測社會車輛在專用道i至i＋1之間區域行駛的行程時間（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.通過調查和仿真實驗可以設定一個范圍，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，由以下兩種情況確定：當i＜n，λ1＝0，λ2＝1；當i＝n，λ1＝1，λ2＝0.

4）預測迫近車輛從當前位置行駛到第i＋1盞時分復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測時間，s；Ns為將經過的公交站點總數；Tbusstop（k）為公交車輛在第k個公交站點的停靠時間，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，在大量現有的國內外文獻中將其規定為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，由以下兩種情況確定：t時刻專用道i至i＋1之間區域是允許借道時，σ＝0；不允許借道時σ＝1.

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

2 基于PARAMICS的公交專用道時分復用優化設計方法

在PARAMICS環境下，通過建模和二次開發對不同參數條件下的時分復用方法進行仿真及結果分析，調整直接關系時分復用方法優劣的三個關鍵參數Tmin，α和R，從而達到對該方法的優化設計.

2.1 設定初始R，α和T min

為保證能夠及時搜索到決定社會車輛能否繼續對專用道進行復用的迫近車輛的同時盡量減小計算量，應該將R的初始狀態R0設置為迫近車輛在R0以外時分復用信號燈沒有顯示紅燈可能的最小距離，可以根據式（4）確定為

設定初始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行時分復用，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設定為能夠接受的最大還道時間.

初始時將最小時間片設置到最大值為

2.2 目標函數

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

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

2.3 約束條件

1）公交延誤率Del，無量綱.專用道時分復用后，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用路段或其下游交叉口產生延誤，通過提出公交延誤率的概念來衡量某一路段實施時分復用方法后對公交車輛造成的影響.為較好的保證公交優先，Del≤1%.

式中：Nbus為觀測時間內通過該路段的公交車輛數；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.為能嚴格控制社會車輛僅在其復用時間內行駛在專用道上，將S的范圍約束在S≥98%.

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

2.4 優化設計

通過調整R，α和Tmin三個參數的取值，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.優化過程如下：

1）固定R和Tmin，僅改變參數α，即R＝R0和Tmin＝，調整α從α0以步長b（α）減少到1.分別對實施相應時分復用方法的實驗路段進行仿真，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Tmin，即R＝R0和α＝α1，調整Tmin從以步長b（Tmin）減少到20 s（當Tmin＜20 s，車輛的借還道過程過于頻繁，極易引起交通紊流）.分別對實施相應時分復用方法的實驗路段進行仿真，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R，R＝R0是安全的搜索半徑，即迫近車輛在R0以外時分復用信號燈沒有顯示紅燈的可能，但由于α＝α1≤α0和Tmin＝≤，R已經過安全.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設定的更小，R′由下式決定：

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

根據基于PARAMICS的公交專用道時分復用優化設計方法和約束條件，最終優化設計后的公交專用道時分復用方法的各關鍵參數設置為：αbest＝2，＝50或60，Rbest＝900.專用道時分復用方法實施前、時分復用方法未優化前及優化后的仿真結果進行分析，F，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

仿真結果分析：1）由圖4可知，實驗路段無論是實施優化的或未經優化的時分復用方法都比實施前減少了車輛在下游交叉口的延誤，但是經過優化比未優化的時分復用方法能夠更為顯著地減少了車輛的交叉口延誤，將不再出現交叉口嚴重擁堵時刻；2）由圖5可知，優化設計后的時分復用方法實施后，提高了復用路段的車輛平均速度，但是未優化的時分復用方法反而降低了復用路段的車輛平均速度；3）由圖6可知，優化設計后的時分復用方法實施后，復用路段的車流密度有明顯下降，并且專用道沒有或實施了未優化前的時分復用方法時，交通流密度隨著仿真的進行呈現較快的整體上升趨勢，而實施優化后的時分復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，與前兩者之間的差距越來越大，即隨著時間進行優化后的時分復用方法的優勢越為明顯，但是同樣未優化的時分復用方法反而增大了復用路段的車流密度；4）由表3可知，實驗路段無論是實施優化的或未經優化的時分復用方法均能使借道車輛的還道成功率達到100%，對公交車輛的通行僅產生極小的延誤，保證復用后的專用道仍為暢通狀態，并且經過優化的時分復用方法能否減少復用路段車輛平均路段行程時間而未優化的時分復用方法卻增加了這一時間.

4 結 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用方法.應用PARAMICS，通過在相同的道路條件下調整時分復用方法中各關鍵參數的取值進行多次重復的仿真實驗，并根據實驗結果分析得到的變化規律，對該方法進行優化設計.仿真實驗結果表明：并不是對公交專用道的任意復用都能改善道路的通行狀況，由于優化前的時分復用方法中各參數選擇不當，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；對專用道進行合理的時分復用，即采用PARAMICS仿真的方法進行參數優化后的時分復用方法能夠保證公交優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，2007.

［5］聶佩林，余志，何兆成.基于 MapInfo電子地圖的Paramics仿真基礎路網構建［J］.系統仿真學報，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［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、智能機電控制系統，E-mail：its＠zjut.edu.cn.

（

劉 巖）