城市快速公交系统运营的可行性分析方法

2012-10-10王鹏飞孟德光井国龙李双喜

河北科技师范学院学报 2012年3期

王鹏飞，薛艺，孟德光*，李政，赵艳，井国龙，李双喜

(1河北科技师范学院城市建设学院，河北秦皇岛，066004;2秦皇岛市公安局交通警察支队;3河北省交通规划设计院;4秦皇岛市交通运输局)

随着城市化和机动化的飞速发展，我国很多城市都在不同程度上受到交通拥挤、事故多发、环境污染等城市病的威胁。集中优势力量优先发展公共交通体系不但能够有效的缓解城市交通拥堵，而且还可以改善人居环境。轨道交通虽然是高效率的公共交通方式，但它建设耗资巨大，建设周期长，且无法在短期内形成密集的运输网络［1］。因此，作为轨道交通与普通公交“结合体”的快速公交系统就诞生了。快速公交系统简称BRT(Bus Rapid Transit)系统，是利用改型的公交车辆，运营在公交专用道路空间上，是一种保持轨道交通特性又具备常规公交灵活性的便利、快速的公交方式［2］。

BRT系统之所以在短短的半个世纪就得到如此的发展，主要是因为其具有以下优势:(1)造价低、建设周期短;(2)速度快、灵活性好;(3)运送能力大、污染小、耗能少;(4)安全性高，对用户友好;(5)增加大城市地铁服务范围，有利于TOD土地开发模式［2］。其中，造价低(通常情况下，仅为轨道交通成本的1/10)以及建设周期短(单条项目从立项到完工的时间1～2年，地铁通常为8～10年)是吸引中小城市的主要原因。但是，对于中小城市，BRT系统的建设仍是一笔较大的财政支出。因此，在修建BRT系统之前，政府部门必须对其运营的可行性进行科学的分析。

目前，对城市BRT系统的研究主要集中在运营意义分析［3，4］、国内外案例分析［5］、环境评价指标体系建立［6］、设计流程［7］、专用信号控制［8，9］、站点设置方式［10］等方面。而对于 BRT 系统这种造价相对昂贵的交通基础设施却缺少运营可行性的分析方法研究，使得政府部门在决策时面对:(1)出行者对BRT系统的交通需求预测;(2)其运营路段交通拥堵(即其运行对其他出行方式的影响)程度的预测等问题的分析却无从下手，而其后的规划、设计与管理更加无从谈起。因此，笔者以当今交通规划主流的TransCAD软件与交通微观仿真主流的Vissim软件为技术支撑，充分把前者的静态交通预测优势与后者的动态交通仿真优势相结合对BRT系统运营的可行性方法进行研究，为政府部门的决策提供支持。

1 可行性分析方法的基本思想

1．1 交通软件

Vissim软件是由德国PTV公司开发的微观交通仿真系统工具，是一种微观、基于时间间隔和驾驶行为的仿真建模工具。它主要用于建模和分析各种交通条件下城市交通和公共交通的运行状况，是评价交通工程设计和城市规划方案的有效工具。

TransCAD软件是由美国Caliper公司开发的基于GIS的交通规划系统工具。它把地理信息技术和交通规划技术较好的结合在一起，可以用于各种地图制作、地图寻址、交通需求预测、公共交通、物流、选址以及销售区域管理，是建立交通信息和决策支持系统的理想工具。

笔者以上述两款软件为技术支撑，分别对交通需求及交通拥堵程度进行分析与预测。表面上，利用TransCAD软件对目标年的BRT系统的交通需求进行预测;而应用Vissim软件对BRT系统运营后的道路与交叉口的车辆运行状态进行预演以得到平均行程时间、燃油消耗量等重要评价指标即可得出可行性分析结果。而实际上，交通预测模型中所含参数全部要依靠仿真计算得出的结果进行标定与估计;而仿真模型中关于交通流量的设定也要通过交通预测模型得到。因此，仿真计算与交通需求是相互影响的，两个软件之间是相互联系的，并不是相互独立存在的。

1．2 BRT系统的交通需求量预测

1．2．1 回归分析模型首先，要预测目标年中i小区到j小区的总交通出行量(即交通需求量)。为分析简便，在此以一条起点(i小区的形心)与终点(j小区的形心)的BRT系统的线路为研究对象。由于只有一组OD，因此不涉及到交通分布与交通分配问题。交通出行量预测的方法主要有原单位法、交叉分类法、增长系数法、回归分析法。其中，回归分析法，特别是线性回归分析法(见公式(1))是目前国内在交通规划工作中使用较多的一种方法。

通常，因变量P为交通出行量;而自变量X一般为社会经济活动指标，本次研究中为GDP;a为系数。而要预测目标年的交通需求之前首先要对模型中的系数a进行估计，此项工作利用TransCAD软件的回归分析模型参数标定功能即可完成。若直接对i小区的交通出行量进行调查(即OD调查)有困难，则可以应用TransCAD软件中的交通流量反推OD矩阵的功能来求出历年或现状年的i小区(或任一小区)交通出行量。而道路上的交通流量调查要比OD调查容易得多(时耗短、费用少)，可以通过文献检索、人工计数、实时拍摄等方法获得。

1．2．2 Logit模型其次，需要预测未来城市对BRT系统的交通需求。除了非机动车与行人等慢行交通之外，私家车、普通公交、BRT系统就组成了出行者的选择范围。利用Logit模型可以方便的对各种交通方式的分担率进行计算(见公式(2))，其中U为在i小区到j小区之间第k种交通方式带给出行者的效用，而效用函数也多如公式(3)一样，采用合理而简便的线形形式。值得注意的是:根据公式(3)所示，这里所说的效用为负效用。

其中，

其中，T为平均出行时间;C为出行金钱费用消耗。对于使用普通公交或BRT系统的出行者，所需金钱费用就是车票价格。而对于私家车出行者，所需金钱费用则是燃油消耗量与单位油价的乘积。燃油消耗量与平均出行时间均可以由Vissim软件仿真计算得出。α为时间的金钱价值与时间权重的乘积;β为所花费金钱的权重。使用TransCAD软件中Logit模型的参数估计功能可以对Logit模型中α与β的数值进行估计。从公式(2)、(3)可看出政府部门可以通过票价、运营速度、运营时间、发车频率等数值的设定来改变目标年出行者对BRT系统的需求，而这个需求恰恰是政府在进行可行性分析的时候最重视的一项指标。

1．3 城市交通拥堵程度预测

1．3．1 微观交通仿真的意义在满足目标年出行者对BRT系统的需求之后，可行性分析的对象将转移为其运营后运营路线上交通拥堵程度预测上来。表面上，通过目标年出行者对私家车与普通公交车的交通需求与目标年道路通行能力之比，即目标年BRT系统运营路段上的V/C比即可对是否拥堵做出判断。并且可进一步与BRT系统不运营状态下的同样路段上的V/C比进行比较得出更加精确的结论。

但是，值得注意的是:首先，交通拥堵是一种动态现象，需要用能够反映动态交通流状况的Vissim软件实现，并不能单纯的使用TransCAD软件中的静态交通模型(例如UE模型、SUE模型等)来进行分析。其次，普通公交与私家车在属性方面(例如车辆性能、行驶路线等)有很大的不同，不能合并一起进行分析。最后，BRT系统的建立将带来相应附属设施的变化，例如:①天桥或地下通道的建设;②交叉口BRT专用信号灯的建设;③中央式或右侧式专用道路的建设等。这些附属设施的设置与交通管制措施的实施都将对其他机动车，特别是对交叉口处的转弯车辆有很大影响，而这些影响是绝对不能忽略的。因此，单纯从上述的目标年运营线路的V/C比并不能对交通拥堵程度做出正确的预测。

1．3．2 “心理-生理”跟车模型一个微观交通仿真软件中应包括车辆的纵向行为模型与横向行为模型两部分，其中车辆的纵向行为模型是最为重要的。Vissim软件的纵向行为模型是一个基于时间的、离散、随机的微观模型，它以驾驶员-车辆-单元为基本实体，因此也被称为“心理-生理”跟车模型，即著名的Wiedemann 74与Wiedemann 99模型。其中，前者主要应用于城市道路，而后者主要应用于城际道路。Vissim软件中使用的Wiedemann 74模型是Wiedemann于1974年提出的跟车模型的改进版本，其中最重要的两车之间的距离d可以用以下公式(4)计算

其中，

其中，ax为平均停车距离，是指停止车辆的平均停车距离，变化幅度为±1 m;bx_add为安全距离的附加部分;bx_mult是安全距离的倍数部分;v是车辆速度(m/s);z是介于［0，1］之间的数值，是以0．5为平均值的标准正太分布，标准差为0．15。

1．3．3 BRT系统的仿真在对目标年的交通流情况进行分析时，需要应用Vissim软件对BRT系统进行仿真。目前，PTV公司还没有开发出专门用于BRT系统仿真的附加模块。但是，可以利用现有的基础模块对BRT系统进行仿真。BRT系统主要包括专用车道、车辆、车站和信息管理系统［2］。因此，可以灵活运营Vissim软件中的基础模块，对专用路权、停靠站点、行车路线、运营时刻表、车辆性能、交叉口信号控制、乘客乘车需求、乘客过街行为等进行建模，以达到最大限度模仿现实的目的(图1，图2)。除此之外，对于交叉口冲突区域的优先规则、限速路段、减速带等细致部分，在Vissim软件中也均可实现。但上述设置必须要满足相关的国家规范［11～13］。

图1 专用路权(中央快速公交专用道)

图2 港湾式停靠站

1．3．4 评价指标对城市交通拥堵程度的预测，本次研究采用综合性、全方位的评价方法。评价指标分为主要指标与次要指标，主要指标为:(1)交叉口服务水平;(2)交叉口平均控制延误;(3)路段服务水平;(4)V/C;(5)平均行程时间。次要指标为:(1)交叉口停车次数;(2)燃油消耗量;(3)CO排放量;(4)NOX排放量。

其中，路段与交叉口的服务水平是出行者与政府都非常重视的指标，但反映两个服务水平的最根本指标则为交叉口的平均控制延误与V/C。另外，对于大力提倡可持续发展的今天，次要指标中所涉及的交通安全、环境与资源保护的内容也是不容忽视的，且其中的燃油消耗量是计算私家车出行费用的重要参数。

1．4 可行性分析方法的框架

基于上述的分析，BRT系统运营的可行性分析可以分为以下步骤:(1)现状调查;(2)现状仿真计算;(3)Logit模型参数估计;(4)利用线性回归模型对目标年的某小区交通出行量进行预测;(5)利用步骤(3)中已经估计好参数的Logit模型对不含BRT系统的目标年交通运行状况进行仿真计算;(6)对BRT系统的方案进行设计(包括计算不同分担率下的票价)，得出在不同分担率条件下的仿真计算结果;(7)对不同分担率下的仿真结果按照交通需求、运营成本、交通拥堵程度等进行评价，并在此过程中得出目标年BRT系统的最佳设计方案。上述步骤可表示为图3。

值得注意的是:作为本次研究的重点之一，BRT系统的分担率与其设计方案密不可分的，两者是互相影响的关系。因此，在分析目标年中BRT系统的分担率时，应当人为设定复数个分担率，在此基础之上即可以得出不同分担率条件下的仿真计算结果。

图3 BRT系统运营可行性分析流程

2 可行性分析方法的应用

在此主要通过计算流程对BRT系统的可行性分析方法的应用过程进行阐述。因此，以下调查或计算得出的所有数据均用参数设定来表示。而对于具体的工程项目，对应其中的字母代入具体数值即可得出实际结果。

2．1 前期分析

首先，政府应当根据当地总体规划与实际情况对BRT系统的线路(主要是起终点)做战略上的确定。其次，要对所确定的复数条备选路线进行现场踏勘，再根据行业标准及国家规范进行简单评估，选出BRT系统的最佳路线。

2．2 数据调查

对所选的最佳路线进行详细的调查，主要内容如下:(1)道路线形情况;(2)BRT系统预选路线上各交叉口各进口方向的交通流量;(3)各交叉口信号相位配时;(4)普通公交站点布局;(5)普通公交车到站(或发车)频率;(6)i小区的交通生成量;(7)i小区到小区j的交通需求。以上调查数据，主要为交通仿真服务。另外，还要对城市的某种经济指标进行调查与机动车保有量进行调查，主要有:(1)城市过去5～10年的GDP;(2)i小区到小区j的5～10年机动车保有量。

值得注意的是:i小区出行者中应当分为交通方式选择固定层与可能层。为简便起见，假设所有列入研究范围内的出行者均属于交通方式选择的可能层，即出行者因不同交通方式带给其效用不同而有所选择。在实际项目中，则在交通仿真与分析的时候加上交通方式固定层出行者数量即可，而此数据可以通过交通调查得出。

2．3 可行性分析过程

2．3．1 回归分析模型参数标定在此例子中，分析认为i小区的交通出行量与该城市的GDP有关系，且可视为线性关系。值得注意的是:BRT系统的规划是与城市总体规划分不开的，因此表1中所列出的GDP等数据，应当同城市总体规划文本中相一致。

表1 历年城市GDP与i小区出行量

基于表1的数据，应用TransCAD软件中的回归分析功能对公式(1)中的模型参数a0与a1进行标定，其计算结果为:

2．3．2 现状年的仿真计算此步骤主要目的是求得出行者在利用私家车、普通公交车的费用(私家车费用为燃油消耗量×当前油价，参考公式(7);普通公交车费用为票价)与平均行程时间(仿真计算结果见表2)。而采用的方法是利用Vissim软件进行现状年仿真，且进行评价。

表2 现状年交通仿真计算结果

2．3．3 Logit模型参数估计利用2．3．2中仿真计算得出的现状年私家车、普通公交车出行费用与平均行程时间，应用TransCAD软件即可对Logit模型的参数进行估计。本次研究中假设估计得出的参数在现状年与目标年保持不变。

其中，

2．3．4 目标年交通需求量预测通过2．3．1节中标定的回归分析模型计算可得出目标年的交通需求量。但首先还是要对作为自变量的目标城市GDP进行预测计算才可以，而通常采用平均增长率法。

2．3．5 目标年不含BRT系统的仿真计算若目标年中不运营BRT系统，则城市道路交通的运行状态需要通过仿真来计算来评价。因为城市交通运行毕竟是动态现象，不能通过简单的静态交通分配模型来进行计算。在仿真计算过后，根据本次研究的评价指标体系会得到如下数据(表3)。

表3 目标年不含BRT系统的仿真计算结果

2．3．6 目标年BRT系统的方案设计在此步骤中，首先需要人为对分担率进行设定;其次，在不同的BRT系统分担率条件下应用Vissim软件行仿真计算，最后得出如表4一样的评价结果。

将表4中的不同BRT系统分担率下的各出行方式的平均行程时间以及仿真计算得出的私家车、普通公交车的出行费用。将计算结果带入公式(10)，(11)，(13)，(14)即可求解出目标年中BRT系统的票价。并且利用Vissim软件进行仿真计算的过程中，可以对专用路权、停靠站点、行车路线、运营时刻表、车辆性能、交叉口信号控制、乘客乘车需求，乘客过街行为进行试验性设置并评价其设置的效果。

表4 关于BRT系统的复数个设计方案

其中，

2．3．7 目标年BRT系统运营的可行性分析在经过上述计算与分析之后，会得到BRT系统需求量、车票价格、平均行程时间、交叉口服务水平、路段服务水平等数据。而政府在对BRT系统运营的可行性进行评价的时候，需要把握以下的制约条件:(1)BRT系统需求量;(2)交通拥堵程度;(3)BRT系统运营成本。其中，BRT系统需求量与交通拥堵程度均可以通过表4中的计算结果直接反应。而BRT系统的运营成本则要通过BRT系统需求量(与快速公交车辆需求量相关)与公式(13)，(14)中计算得出的票价进行分析。

3 结论与讨论

本次研究以TransCAD软件与Vissim软件为技术支撑，对城市BRT系统运营的可行性分析方法进行了研究，并以参数计算为例展示了该方法的流程。此方法主要通过两个软件之间的数据交换即可方便快捷的实现BRT系统运营的可行性分析，且可以同时得出BRT系统的最佳设计方案。此方法的输出结果具有很高的工程参考价值，为政府部门的决策提供了一种基于现代计算机手段分析可行性的方法论。

下一步的研究重点主要集中在:出行者效用函数的设置和Logit模型参数的设置两方面。对于前者，本次研究虽然抓住了出行者主要考虑的时间及费用，但是缺少对舒适性的考虑。舒适性是BRT系统区别于普通公交的重要一点，但是其很难与时间、费用一样在研究中进行量化分析。另外，对于后者，本次研究认为现状年估计的Logit模型参数与目标年是相同的，而出行者对出行费用与时间的重视程度可能是随时间变化而变化的，但具体的变化趋势及机理尚不明了。

另外，进行预测、分析与计算之后，上述方法所获得的毕竟是预评价结果。在BRT系统运营之前还要进行详细的民意调查、政策宣传;且运营之后还要观察其效果，出现问题及时解决。

［1］朱小郭，马江山．快速公交的线网规划研究［J］．山西科技，2009(1):77-79．

［2］任福田，刘小明，荣建，等．交通工程学［M］．北京:人民交通出版社，2008．

［3］马丽琴．浅谈快速公交缓解交通拥挤的意义［J］．青海交通科技，2011(2):15-16．

［4］陆化普，文国玮．BRT系统成功的关键:带型城市土地利用形态［J］．城市交通，2006，4(3):11-15．

［5］郭继孚，徐康明，陈燕凌，等．国内外快速公交系统发展实践［M］．北京:中国建筑工业出版社，2008．

［6］张宪．快速公交环境影响评价指标体系构建［J］．交通科技与经济，2012(1):84-85．

［7］马万达，施进华，马万经．快速公交系统(BRT)的交通设计研究和流程［J］．中国市政工程，2011(1):1-3，80．

［8］张伟，王军利，王瑞斌．快速公交信号优先控制研究［J］．中国人民公安大学学报:自然科学版，2010(4):28-31．

［9］杨远舟，毛保华，张建鹏，等．基于元胞自动机模型的快速公交信号优先仿真研究［J］．中国公路学报，2010，23(5):90-95，106．

［10］张晗，邹智军．不同到达分布下双泊位快速公交车站使用效率仿真研究［J］．交通标准化，2010(22):104-106．

［11］中华人民共和国住房和城乡建设部．CJJ136-2010快速公共汽车交通系统设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2010．