基于運行圖的快速公交系統運營組織研究

鄭麗娟，董德存

（1.浙江師范大學行知學院，浙江 金華321004，2.同濟大學交通運輸工程學院，上海201804）

0 引言

快速公交系統（Bus Rapid Transit，簡稱BRT）是一種介于軌道交通與常規公交之間的新型客運系統，利用現代公交技術配合智能交通的運營管理，使傳統的公交系統基本達到軌道交通的服務水平，其投資和運營成本大大低于軌道交通，與常規公交接近[1]。它是一種大運量交通方式，采用先進的車輛，時空雙向優先，為出行者提供了一種更快速、更舒適、更靈活的公交出行方式，通常也被人稱作“地面上的地鐵系統”。在全面實施城市公交優先發展戰略下，目前我國已有十余座城市建成適合當地居住特點的快速公交路網。但由于運營組織方法的落后，BRT 的服務水平仍較低。例如：BRT 系統準點率誤差一般不會超過1.5min，但北京BRT開通后平均誤差達到15min[2]。

為保證BRT 的快速高效運行，提高BRT 的運營組織水平，可以借鑒軌道交通運營組織中利用列車運行圖組織全路列車運行的思想，對BRT 的運營實行精細化管理和扁平化指揮，使快速公交系實現軌道交通運營服務水平。近年來部分學者已開始采用運行圖的理念來解決公交運營組織中的相關問題。文獻[3]和文獻[4]對基于運行圖的公交優先系統進行了初步的探討和研究；文獻[5]從時空兩方面對BRT 的優先系統的構成進行了研究，文獻[6]提出了公交車時空圖圖解法并以此研究了公交專用道的區間運營能力；文獻[7]基于GI/G/1 排隊論模型和車站有效停靠泊位數研究了快速公交系統通行能力計算方法；文獻[8]參考軌道交通運營組織方法研究了快速公交運營組織方法，并以車均延誤時間為主要評價指標，文中組織公交車輛以車隊形式運營可以節省延誤，但對于乘客來說，發車間隔的不均衡反而會降低服務水平。本文將在前人的基礎上對快速公交運營組織的運行圖設計和編制展開研究：首先介紹基于運行圖的BRT 系統構成和系統條件，然后研究BRT運行圖的主要要素的確定和編制方法，最后以濟南市BRT1號線為例進行BRT運行圖的編制。

1 基于運行圖的BRT系統

在軌道交通系統運輸生產中，列車運行圖是一個綜合性計劃，用以表示列車在鐵路區間運行及在車站到發或通過時刻的技術文件，它規定各次列車占用區間的程序，列車在每個車站的到達和出發（或通過）時刻，列車在區間的運行時間，列車在車站的停站時間以及機車交路、列車重量和長度等，是全路組織列車運行的基礎[9]。快速公交系統作為“地面上的地鐵系統”，一旦具備時空優先的條件，就可以采用當前成熟的軌道交通運營技術，實現有計劃的準點到站、發車，大幅提高BRT的服務水平。

1.1 基于運行圖的BRT系統構成

通過與軌道交通系統的相似性比較原理，BRT系統在采用運行圖技術進行運營組織時，其核心要素主要包括6 個組成部分，即BRT 公交專用道、專用車站、專用車輛、通信系統、智能交通技術和運營調度指揮系統。圖1 所示為基于運行圖的BRT 運營系統構成圖，它是實行運行圖技術的前提條件。

圖1 基于運行圖的BRT系統構成

1.2 基于運行圖的BRT系統條件

為了使BRT 系統能夠運用運行圖進行運營組織，必須具備以下幾個方面的條件。

（1）獨立路權的道路系統

軌道交通能夠運用列車運行圖來組織運行，是因為其在空間上具有獨立運行的線路，為了確保BRT 運用運行圖的有效性，BRT 必須要有獨立路權的道路運行系統，主要包括：專用車道、專用車站和專用交叉口進口道。其中專用車站主要功能應包括交通功能和運營管理功能，交通功能體現在為公交乘客提供上下客、集中換乘，以減少乘客的換乘時間和距離；運營管理功能應包括許多軌道交通車站的特性，BRT售檢票系統、運營信息管理系統，此外，在設有超車道的車站，還可以供公交車在該站進行越行（也即超車）。

（2）信號優先系統

在城市道路資源日趨緊張的今天，空間優先方式雖然效果顯著，但快速公交專用道的空閑率較高、利用率低，純粹空間優先方式不能滿足實際需求。因此在公交優先的技術研究中，還需要時間優先系統，即信號優先控制系統。BRT通行信號優先權可以通過對公交車輛進行檢測，而后通過與信號機的聯動和一定的信號優先方式（如相位伸縮、優先相位插入等）來實現。信號優先通行技術主要包括BRT 車輛檢測識別技術和信號優先控制技術兩部分，優先信號控制策略大體分為三類：被動優先、主動優先和實時優先[5]。在基于運行圖的快速公交運營組織下，可以采用信號控制與運營計劃結合的方式，以BRT 車輛的路段平均運行速度代替一般車輛的平均運行速度作為線控參數確定的標準設計綠波帶，以此提高被動優先的交叉口運行效率。路段上各交叉口基于相同信號周期的綠波帶設計如圖2所示。

圖2 基于相同信號周期的綠波帶設計圖

（3）專用車輛

BRT 專用車輛有別于常規公交車輛，其在運能、速度、外形尺寸、動力系統及內部配置等方面都優于常規公交車輛。BRT 車輛應選擇大容量、低排放、更舒適的低地板鉸接公交車。BRT系統一般采用單鉸接或雙鉸接車輛，提高了車輛容量；低地板、大開門的特殊設計能夠使乘客特別是殘疾人快速平穩地上下車，減少上下客的停站延誤，以提高運營速度；實時信息顯示與播報系統使乘客感受更加方便。

（4）智能化的運營管理系統

快速公交系統能夠運用運行圖進行運營組織，除了以上的獨立路權的專用道、信號優先控制系統和專用車輛外，還需要智能化的運營管理系統，包括智能調度系統、運營監控系統、乘客信息服務系統、計劃排班系統、車輛定位測速系統等。

2 快速公交運行圖的編制

2.1 BRT運行圖的圖解表示

從圖解原理上，運行圖是運用坐標原理對列車運行時間、空間關系的圖解表示，由橫軸、縱軸、垂直線、水平線、斜線、時間和車次等7要素組成。目前我國軌道交通系統列車運行圖采用以橫坐標表示時間，縱坐標表示距離的形式，列車運行圖上的水平線表示分界點的中心線，水平線間的間距表示分界點間的距離，垂直線表示時間。由此，快速公交運行圖圖解的7要素代表的含義如下：

（1）橫坐標：表示時間變量，按要求用一定的比例進行時間劃分，快速公交系統可以考慮采用一分格或半分格，即每一等分表示1min或30s；

（2）縱坐標：表示距離分割，根據區間實際里程比率法，采用規定的比例以車站或交叉口中心線所在位置進行距離定點；

（3）垂直線：是一族平行的等分線，表示時間等分段；

（4）水平線：是一族平行的不等分線，表示各個車站和信號交叉口中心線所在的位置；

（5）斜線：即車輛運行軌跡線，軌跡線斜率的倒數可表示車輛運行速度的大小；不同線路的快速公交采用不同顏色的線條表示；

（6）在列車運行圖上，車輛運行線與車站的交點即表示該車輛到達、出發或通過的時刻，由于公交車停站時間較短，一般不標明到、發不同時間；

（7）在列車運行圖上，每個列車均有不同的車號與車次，上行車次用偶數表示，下行車次用奇數表示。

2.2 BRT運行圖的主要要素確定

在編制BRT 運行圖前，必須收集編圖資料并確定運行圖的要素。編圖資料包括：運營時間、分時最大斷面客流量、車輛定員數、車輛保有數、車輛折返能力、車站停靠泊位數、車輛停站時間、交叉口綠燈時間、乘務員作息安排、與其他交通方式的銜接以及對現行列車運行圖完成情況的分析等。BRT運行圖要確定的主要要素包括基礎時分標準、發車間隔、交路方案及車輛運用數。

2.2.1 基礎時分標準

BRT運行圖編制中最基礎的數據是基礎時分標準，主要包括根據節點距離和車輛運行速度計算出來的運行時分標準、根據乘客的上下車人數及車門數確定的停站時間、折返時間、公交車輛間最小安全間隔時間和其他各種間隔時間等數據。

2.2.2 發車間隔時間

城市軌道交通列車運行圖主要有三種類型：工作日、雙休日和節假日的運行圖。三種運行圖最主要的區別是運行間隔時間安排不同[10]。為實現快速公交的精細化管理，提高快速公交的運行效率和服務水平，快速公交的發車頻率和發車間隔也應根據工作日和節假日的客流特征進行不同的安排。車輛發車間隔時間應根據一天中各個時段的最大斷面小時客流量，分別計算每個時段與客流量相適應的發車間隔。定義ni為分時開行車輛數，t間i為第i個時間段的發車間隔時間，其計算方法為：

式中：ni為分時開行車輛數（列）；t間i為分時發車間隔（s）；m為公交車定員數（人/輛）；βi為時間段i的滿載率；為時間段i的最大斷面客流量（人/h）。

式（1）中列車開行數要取整數，在計算得出分時發車間隔的基礎上，還應檢查是否存在某段時間內發車間隔過長的情形，高峰小時的發車間隔是否與車輛折返能力相適應，配備的車輛數是否滿足最小發車間隔下所需要運用的車輛數量，最后才能最終確定全日各時段的發車間隔。

2.2.3 車輛交路方案

根據快速公交線路客流分布特征可知，其在時間和空間上都具有不均衡性，為提高快速公交的運營效率，針對不同的客流分布規律應制定相應的車輛組合調度形式。車輛組合調度形式主要包括：車輛停站方案（站站停、跨站停、區間停）和車輛交路方案（常規交路、混合交路和銜接交路）。車站停站方案中的跨站停和區間停會給旅客帶來不便，因此在這里不作討論。本文主要考慮根據線路斷面客流分布特征進行車輛交路方案的組合調度。在快速公交線路上，由于各個車站乘降人數的不同，線路上各區間的斷面客流通常各不相同，甚至相差懸殊。反映線路單向各個斷面客流不均衡程度的系數可按下式計算：

式中：Ki為第i個斷面的客流不均衡系數；pi為第i個斷面的單向客流量（人）；K為單向線路斷面數（個）。

在斷面客流不均衡程度較大的情況下，為了運營的經濟性，可以考慮采用特殊交路車輛開行方案。斷面客流分布為階梯型時，可采用大客流區段和小客流區段分別開行不同數量列車的銜接交路方案，或在大客流區段加開區段列車的混合交路方案；斷面客流為凸字型時，可采用在大客流區段加開區段列車的混合交路方案。開行混合交路方案的判斷準則如表1所示。

表1 開行混合交路方案判斷準則

2.2.4 車底運用數量

為完成旅客運送任務，快速公交系統必須設置停車基地，配備一定數量的車輛。車底需要的數量（N車底）是指在滿足給定的運行間隔時間條件下所需要運用的車底數量，它與發車間隔時間及車底的運行周期有關。車底周轉時間（θ車）是指列車在線路上往返一次所消耗的全部時間，它包括了車輛運行時間，在各車站的停站時間，以及在兩端折返站的折返停留時間。θ車的計算公式為：

式中：∑t運為車輛在線路上往返一次的運行時間和（s）；∑t站為車輛在線路上往返一次各車站的停站時間和（s）；∑t折返為車輛在折返站停留時間之和（s）。

車底需要數量（N車底）的計算公式為：

2.3 BRT運行圖的編制流程

在掌握上述基礎數據資料后，就可以進行BRT運行圖的編制。可以參照軌道交通列車運行圖的編制流程，大體經歷研究討論、編制方案、鋪畫詳圖和計算指標四個階段，具體工作流程如下：

（1）收集編圖資料，對有關問題組織調查研究和試驗，計算確定列車運行圖要素；

（2）總結分析現行公交運行圖的完成情況和存在的問題，提出改進意見；

（3）確定全日行車計劃；

（4）確定運用客車輛數；

（5）編制車輛開行方案，并根據車站、車輛、運營和調度部門意見進行調整；

（6）根據車輛開行方案，結合沿途交叉口信號配時，輔畫詳細的公交運行圖；

（7）對公交運行圖的編制質量進行全面的檢查，并計算BRT運行圖指標。

BRT運行圖的主要指標有：開行車輛數、折返車輛數、發車間隔、車輛技術速度、車輛旅行速度、輸送能力和運能利用率等。

3 案例分析

本文以濟南市BRT 1 號線為例運用上述規則進行快速公交運行圖的編制。

3.1 濟南市BRT1號線線路概況[11-12]

濟南市BRT1號線路位于北園路高架橋下，沿北園大街，從全福立交橋西至黃岡路東，全長11.6km。該線全程共設停靠站臺17 個，均為中央島式站臺，平均站距約為725m；站臺全部采用封閉式，車下售票，車輛靠左側停靠和上下乘客；全線除東工商河至三孔橋2站間路段外，全部采用到路中式BRT 專用道，專用道與社會車道間采用柵欄物理隔離；沿途有5 個較大的交叉口，其中2個位于起始點位置，其余3 個都在路線的中間部分，在平面交叉口和行人過街通道處，BRT均不享受公交信號優先。該線路運營車輛選用18m雙鉸鏈豪華公交車輛35部，平均運送速度為18.15km/h，平均行駛速度為29.45km/h（不包括所有停車延誤）。

3.2 線路運營方案

根據BRT 公司提供的統計資料[12]，濟南市BRT1 號線的日平均客運量為33 648 人次，早高峰小時的平均單向斷面流量為3 111 人次/h，晚高峰為2 800人次/h。線路運行時間為5：30—21：30，根據客流量高低劃分為高峰時段和非高峰時段，采用全程車單一方式，高峰時段高頻率發車、平峰時段降低發車頻率，同一時段內發車間隔均衡的調度方案。

3.3 客流特征分析

濟南市BRT1號線走廊周邊的土地利用性質綜合，其工作日分時最大斷面客流分布比例如表2所示，其分時客流分布呈現“雙峰型”，即有早晚高峰，且早高峰大概出現的時間在7：30—8：30，因此應針對不同時段的客流特點制定不同的發車間隔時間。在方向客流分布上，BRT1 號線高峰小時上下行兩個方向的客流走向一致，因此線路上下行采用同一發車方案。在斷面客流分布上，該線路斷面客流量呈“凸起型”分布，其斷面不均衡系數如表3所示，從站點5到站點13之間的路段斷面客流量較高，不均衡系數除斷面11 外均大于1.25，不均衡系數均值為1.29，可以考慮加開小交路車。

表2 分時最大斷面客流分布比例表

表3 BRT1號線各斷面客流分布的不均衡系數

注：表2和表3數據分別來源于文獻11中圖5-1和5-2相關數據的計算。

3.4 BRT運行圖的鋪畫

鋪畫運行圖時，首先確定全日行車計劃。濟南BRT1 號線的早高峰小時最大斷面客流量為3 111 人，根據表2 分時最大斷面客流分布比例，可計算出全日各時段的最大斷面客流量。BRT 專用車輛采用18m 長的鉸接車輛，額定載員160 人；車輛在兩端的折返時間為2min；線路斷面滿載率，早晚高峰小時為1.1，其他運營時間為0.9。根據式（1）可計算得出該線的全日行車計劃，如表4所示。

表4 濟南BRT1號線全日行車計劃

根據2.2 節所述，確定BRT 運行圖的主要要素。車輛運行速度取30km/h，停靠時間為40 s，根據表3 確定大小交路的開行數量比為2∶1，圖3 為該線路下行方向高峰小時的運行圖。

圖3 濟南BRT1號線下行方向高峰小時運行圖

最后，計算列車運行圖指標。運營高峰期間根據客流需要的開行車數是每小時18 列，發車間隔為3min20s，但因設置大小交路，因此在小交路區間發車間隔是3min20s，而非交路重疊區間發車間隔是5min。車輛技術速度為30km/h，車輛旅行速度為20.6km/h，大交路的車底周轉時間θ車為72min，小交路的車底折返時間為38min。車底需要數量為N車底=72min/5min+38min/10min=18輛，比配置的35輛車要少很多。

4 結語

快速公交作為一種快速、舒適、高效經濟的新型公共交通方式，成為我國城市公共交通發展的一個重要方向。但在快速公交的運營中，仍然采用單一全程車、每天固定的發車間隔的運營模式，致使系統運行效率不高、服務水平不好，對客源的吸引強度不大，遠沒有發揮其應有的作用。本文借鑒軌道交通運營組織中利用列車運行圖組織全路列車運行的思想，對BRT 基于運行圖的運營組織進行了研究。首先，分析了快速公交系統基于運行圖運營組織的系統構成和系統條件；然后，設計了BRT 運行圖的圖解表示和編制流程，并對運行圖主要要素的確定進行了研究；最后，在實例分析中，以濟南BRT1號線為例，根據線路條件和客流特征進行了高峰小時運行圖的編制。結果表明，如果快速公交能夠按圖運營，能提高旅行速度、節約運用車輛，這為BRT 的運營組織管理提出了新的思路，具有一定的指導意義。

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