基于PARAMICS的公交专用道时分复用方法研究及优化

董红召，赵玉婷

（1.浙江工业大学 智能交通联合研究所，浙江 杭州 310032；2.浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部／浙江省重点实验室，浙江 杭州 310032）

基于PARAMICS的公交专用道时分复用方法研究及优化

董红召1，2，赵玉婷1，2

（1.浙江工业大学 智能交通联合研究所，浙江 杭州 310032；2.浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部／浙江省重点实验室，浙江 杭州 310032）

公交专用道有效实现公交优先的同时加深了社会车辆与道路资源间的矛盾，保证公交优先的车道复用方法可以较好的解决这一问题.为了改善目前的公交专用道复用方法，研究了一种能够定量计算社会车辆借道时间的公交专用道时分复用方法.在PARAMICS交通仿真软件中建立以特定路段为中心的微观交通路网模型，采用C语言扩展PARAMICS功能对实验路段进行仿真实验，并通过调整时分复用方法中各关键参数的取值，对该方法进行优化设计.最后验证优化后的公交专用道时分复用方法能够保证公交优先的前提下提高社会车辆的平均行驶速度、降低路段的车流密度、减少交叉口延误和道路拥堵时间.

公交专用道；时分复用；PARAMICS仿真；优化

公交专用道能使公交车辆从整个交通流中分离出来，减少社会车辆、非机动车辆和行人对公交车运行的影响，是实现公交优先策略的有效措施之一.然而，该方法进一步激化了社会车辆与道路资源间的矛盾.近年来提出的保证公交优先的车道复用方法可以较好的解决这一矛盾.如Viegas J.提出了间歇式公交专用道（IBL）和Michael Eichler等提出了间歇路权优先的公交专用道（BLIP）等［1－3］.国内仍没有专用道复用技术的研究，仅对专用道闲置资源进行了分析，讨论其他车辆（如出租车）［4］在专用道上行驶的可行性.当前对公交专用道复用方法的研究主要存在以下3个问题：1）未论证公交专用道复用后是否能改善复用路段的车辆行驶状况；2）现有的车道复用方法只是停留在从宏观定性角度来描述或判断而未能定量地确定社会车辆的复用时间；3）车辆的复用时间进行定量计算时，其中涉及到的相关参数如何确定.

交通仿真软件PARAMICS是交通领域学术界和工程界都广泛采用的主流高级软件工具［5－6］，能对时分复用方法的理论研究和优化设计进行模拟实验，仿真结果较为真实.因此，为对公交专用道资源进行充分、合理地利用，研究了一种能够定量计算社会车辆借道时间的公交专用道时分复用方法，并采用微观交通仿真软件PARAMICS仿真对该方法进行优化设计，并验证优化后的复用方法的实施效果.

1 公交专用道时分复用方法

公交专用道复用方法是根据公交车辆的定位信息、行驶路线信息和交叉口配时信息，通过沿专用道右侧车道分隔线设置的一组时分复用信号灯来控制社会车辆对专用道的复用：时分复用信号灯显示绿色，表示允许借道，行驶在专用道邻道上的社会车辆可有选择地采取借道行为；时分复用信号灯显示红色，表示禁止借道，社会车辆不得进入专用道行驶，同时在专用道行驶的社会车辆必须驶出专用道.时分复用信号灯亮起的灯色及其保持时间就是车辆的复用时间，以两交叉口间路段为例，车辆复用时间的定量计算方法如图1所示.

图1 公交专用道时分复用路段示意图Fig.1 The image of the section of DBL time division multiplexing

2）假设允许社会车辆在当前时刻t借用i至i＋1之间区域的专用道行驶，即第i盏时分复用信号灯显示绿灯.

3）预测社会车辆在专用道i至i＋1之间区域行驶的行程时间（单位：秒）公式为

其中：Tcarlight（d）为社会车辆在下游交叉口信号灯等待的预测时间，s；Vcar为社会车辆的自由流车速，m／s；为还道过程所需的最小时间，s；α为专用道邻道交通状态对还道时间的影响因子，无量纲；为借道时间，s.和由于受到驾驶员个体差异、道路、天气等众多因素的影响，所以经过简化后的借、还道时间计算方法仍难以得到借道和还道过程的精确时间.通过调查和仿真实验可以设定一个范围，社会车辆的借道时间为10～17 s；社会车辆的还道最小时间为7～12 s.λ1，λ2表示为简化公式引入的无量纲系数，由以下两种情况确定：当i＜n，λ1＝0，λ2＝1；当i＝n，λ1＝1，λ2＝0.

4）预测迫近车辆从当前位置行驶到第i＋1盏时分复用信号灯的行程时间公式为

其中：Vbus为公交车辆的自由流车速，m／s－1；为公交车辆在每个上游交叉口信号灯等待的预测时间，s；Ns为将经过的公交站点总数；Tbusstop（k）为公交车辆在第k个公交站点的停靠时间，s.

5）判断条件为

其中：ht为车辆换道时最小的车头安全时距，s，在大量现有的国内外文献中将其规定为1.5～2.0 s；Tmin为允许使用专用道的最小时间片，s，不能设定过小，因为过小的时间片会造成借还道信号变化频繁，容易引起道路交通流振荡；也不能设定过大，因为过大的时间片不能很好的利用道路资源；σ为简化公式引入的无量纲系数，由以下两种情况确定：t时刻专用道i至i＋1之间区域是允许借道时，σ＝0；不允许借道时σ＝1.

根据式（3）可得到如下结论：式（3）成立，即式（2）中的假设成立，则允许社会车辆借用专用道i至i＋1之间区域，复用时长为Tcar＝ΔTbus－（＋σTmin＋ht），ΔTbus为两辆经过复用路段公交车辆（普通公交车辆或BRT）驶离第i盏时分复用信号灯的时间间隔，s；式（3）不成立，即式（2）中的假设不成立，则禁止社会车辆借用专用道i至i＋1之间区域，禁止时长为ΔTbus.

2 基于PARAMICS的公交专用道时分复用优化设计方法

在PARAMICS环境下，通过建模和二次开发对不同参数条件下的时分复用方法进行仿真及结果分析，调整直接关系时分复用方法优劣的三个关键参数Tmin，α和R，从而达到对该方法的优化设计.

2.1 设定初始R，α和T min

为保证能够及时搜索到决定社会车辆能否继续对专用道进行复用的迫近车辆的同时尽量减小计算量，应该将R的初始状态R0设置为迫近车辆在R0以外时分复用信号灯没有显示红灯可能的最小距离，可以根据式（4）确定为

设定初始α0＝5，因为α大于5说明车辆需要用过长时间（5×≥35 s）才能还道，此时若仍对专用道进行时分复用，极有可能由于社会车辆不能及时还道造成对公交车辆的影响，即将α设定为能够接受的最大还道时间.

初始时将最小时间片设置到最大值为

2.2 目标函数

一般可以用车辆平均路段速度和交叉口延误等数据来评价一个路段的服务水平.路段时分复用后，希望能够提高路段的平均速度和减少交叉口延误，因此综合两个参数的评价效果，引入车辆平均路段行程时间作为时分复用方法的优化目标，则目标函数可写为

式中：Ncar为观测总时间Tconst（令Tconst＝1 h）内通过该路段的社会车辆数；tcari为社会车辆在该路段的行程时间，s.显然，F越小，时分复用方法越优.

2.3 约束条件

1）公交延误率Del，无量纲.专用道时分复用后，由于借道的社会车辆未能及时还道于公交车辆，容易造成公交车辆在复用路段或其下游交叉口产生延误，通过提出公交延误率的概念来衡量某一路段实施时分复用方法后对公交车辆造成的影响.为较好的保证公交优先，Del≤1%.

式中：Nbus为观测时间内通过该路段的公交车辆数；Tdelayi为第i辆公交车辆的延误时间.

2）社会车辆还道成功率S，无量纲，由式（8）确定.为能严格控制社会车辆仅在其复用时间内行驶在专用道上，将S的范围约束在S≥98%.

3）专用道的饱和度应该小于等于0.65.因为，根据美国《道路通行能力手册》当专用道上的饱和度大于0.65，专用道将会出现拥堵状况，容易影响公交车辆的通行和限制专用道内其他借道车辆行驶速度的提高.

2.4 优化设计

通过调整R，α和Tmin三个参数的取值，在满足约束条件的前提下找到F（R，α，Tmin）取得最小值的组合.优化过程如下：

1）固定R和Tmin，仅改变参数α，即R＝R0和Tmin＝，调整α从α0以步长b（α）减少到1.分别对实施相应时分复用方法的实验路段进行仿真，在满足约束条件下选出能使F最小的α值，记做α1.

2）固定α和R，仅改变参数Tmin，即R＝R0和α＝α1，调整Tmin从以步长b（Tmin）减少到20 s（当Tmin＜20 s，车辆的借还道过程过于频繁，极易引起交通紊流）.分别对实施相应时分复用方法的实验路段进行仿真，在满足约束条件下，选出能使F最小的Tmin值，记做

3）固定α和Tmin，仅变化参数R，R＝R0是安全的搜索半径，即迫近车辆在R0以外时分复用信号灯没有显示红灯的可能，但由于α＝α1≤α0和Tmin＝≤，R已经过安全.虽然不会影响仿真后车辆平均路段行程时间、还道成功率进和公交车辆延误率，但是增加运算量，这点已通过仿真得到验证.因此可以将R设定的更小，R′由下式决定：

3 PARAMICS仿真实验

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

表2 公交路线Table 2 Bus routes

根据基于PARAMICS的公交专用道时分复用优化设计方法和约束条件，最终优化设计后的公交专用道时分复用方法的各关键参数设置为：αbest＝2，＝50或60，Rbest＝900.专用道时分复用方法实施前、时分复用方法未优化前及优化后的仿真结果进行分析，F，S，Del，饱和度比较如表3，实验路段的交通状况比较如图4－6.

表3 F，S，Del，饱和度对比Table 3 The comparison of F，S，Del and saturation

仿真结果分析：1）由图4可知，实验路段无论是实施优化的或未经优化的时分复用方法都比实施前减少了车辆在下游交叉口的延误，但是经过优化比未优化的时分复用方法能够更为显著地减少了车辆的交叉口延误，将不再出现交叉口严重拥堵时刻；2）由图5可知，优化设计后的时分复用方法实施后，提高了复用路段的车辆平均速度，但是未优化的时分复用方法反而降低了复用路段的车辆平均速度；3）由图6可知，优化设计后的时分复用方法实施后，复用路段的车流密度有明显下降，并且专用道没有或实施了未优化前的时分复用方法时，交通流密度随着仿真的进行呈现较快的整体上升趋势，而实施优化后的时分复用方法后的车流密度整体上升趋势非常缓慢，能够基本保持在一定范围内，与前两者之间的差距越来越大，即随着时间进行优化后的时分复用方法的优势越为明显，但是同样未优化的时分复用方法反而增大了复用路段的车流密度；4）由表3可知，实验路段无论是实施优化的或未经优化的时分复用方法均能使借道车辆的还道成功率达到100%，对公交车辆的通行仅产生极小的延误，保证复用后的专用道仍为畅通状态，并且经过优化的时分复用方法能否减少复用路段车辆平均路段行程时间而未优化的时分复用方法却增加了这一时间.

4 结 论

为充分利用公交专用道的闲置资源，研究了一种能够定量计算社会车辆借道时间的公交专用道时分复用方法.应用PARAMICS，通过在相同的道路条件下调整时分复用方法中各关键参数的取值进行多次重复的仿真实验，并根据实验结果分析得到的变化规律，对该方法进行优化设计.仿真实验结果表明：并不是对公交专用道的任意复用都能改善道路的通行状况，由于优化前的时分复用方法中各参数选择不当，不仅影响了路段上公交车辆的通行，而且普通车道的拥堵状况更为恶化；对专用道进行合理的时分复用，即采用PARAMICS仿真的方法进行参数优化后的时分复用方法能够保证公交优先的前提下提高路段的运输能力，及时疏散车辆，保证道路畅通，并改善路段上车辆的行驶状况，能使驾驶员有一个良好的驾驶环境.

［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］韩慧敏.出租车在公交专用道上行驶的可行性研究［D］.北京：北京交通大学，2007.

［5］聂佩林，余志，何兆成.基于 MapInfo电子地图的Paramics仿真基础路网构建［J］.系统仿真学报，2008，20（1）：214-217.

［6］赵晓华，陈阳舟，石建军，等.交通控制算法在Paramics交通仿真软件中的实现［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

国家自然科学基金资助项目（61174176）；浙江省重大科技专项资助项目（2009C03016-3）；杭州市社会发展科研专项资助项目（20110533B02）

董红召（1969—），男，河南滑县人，教授，博士，研究方向为智能交通系统、智能机电控制系统，E-mail：its＠zjut.edu.cn.

（

刘 岩）