基于運行圖的快速公交運營組織方法研究

丁鈺玲 李文權(quán) 許 賀

東南大學(xué)，交通學(xué)院，南京210096

0 引 言

快速公交（Bus Rapid Transit，簡稱BRT），是目前世界上成功推廣的一種公共交通方式。BRT以其較低的投資成本和接近于軌道交通的運輸能力，在我國大力發(fā)展公共交通的背景下得以廣泛運用。我國北京、廈門、常州、杭州等地BRT的成功運營都為緩解城市交通壓力起到了巨大的作用。然而，BRT在我國的實際運營中仍沿用常規(guī)公交的運營組織方法，導(dǎo)致兩個突出問題：（1）節(jié)點上：BRT車輛在節(jié)點（公交?？空竞徒徊婵冢┨幦源嬖谥^大的交通延誤。（2）路段上：不同線路的BRT車輛同時運行在公交專用道的同一區(qū)間時，由于公交車輛搶道運行，導(dǎo)致車輛在公交專用道上運行秩序混亂。由于運營組織方法的落后，BRT并不能真正稱為“軌道式的公共汽車交通”[1]。例如：BRT系統(tǒng)準(zhǔn)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]。由此可見，BRT在我國各大、中城市蓬勃發(fā)展的今天，其服務(wù)水平仍不容樂觀，BRT的運營組織方法有待改善。

軌道交通列車運行基于運行圖，要求準(zhǔn)點到站、發(fā)車，并具備一整套保障列車“按圖行車”的基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)[3]。而公交專用道為快速公交基于運行圖的運營組織提供了可能性，如若能將運行圖的思想合理運用到快速公交的運營組織中，將為上述問題的解決提出新的思路。目前，一些學(xué)者已開始采用運行圖來解決公交運營中的相關(guān)問題。文獻[4]中采用了公交時空圖解法來研究公交專用道的區(qū)間運營能力；文獻[5-6]對基于運行圖的公交優(yōu)先系統(tǒng)進行了初步探討。本文將在前人研究的基礎(chǔ)上開展基于運行圖的快速公交運營組織方法研究：首先介紹基于運行圖的BRT運營系統(tǒng)，然后研究快速公交運行圖設(shè)計與編制方法，最后進行快速公交運營組織方法的評價和實例分析。

1 基于運行圖的快速公交運營系統(tǒng)

快速公交基于運行圖運營是指通過相關(guān)技術(shù)、設(shè)施的投入和 BRT運行規(guī)則的改進，組織各線路BRT車輛按照事先編制好的公交運行圖行車，有序占用公交專用道，并以車隊的形式到達?？空竞屯ㄟ^交叉口，準(zhǔn)點到站、發(fā)車的一種新的快速公交運營組織方法。

1.1 快速公交運營系統(tǒng)構(gòu)成

圖1所示為基于運行圖的BRT運營系統(tǒng)，它是改進BRT運行規(guī)則的前提條件。

圖1 基于運行圖的BRT運營系統(tǒng)Fig.1 BRT operation system based on bus time-space diagram

（1）停靠站運營系統(tǒng)，如圖2所示。BRT專用停靠站的布設(shè)保障了乘客在車輛到達前完成售檢票；實時信息牌告知乘客下一車輛的到站時刻及具體?？课恢?，乘客可在對應(yīng)安全門外候車，車輛到站時乘客可由兩個安全門處同時上下車，以縮短上下車時間，并在路面施畫停車線以保證車輛準(zhǔn)確停車。

（2）交叉口信號控制系統(tǒng)，主要包括交叉口的信號控制策略及根據(jù)“按圖行車”要求調(diào)整后的信號配時方案。

圖2 BRT專用停靠站布設(shè)示意Fig.2 BRT stop layout

（3）車輛運行保障系統(tǒng)，主要為保障車輛運行速度的穩(wěn)定性及發(fā)生緊急情況時的應(yīng)急處理服務(wù)。

1.2 快速公交運行規(guī)則

真正實現(xiàn)快速公交基于運行圖運營的重點是在上述運營系統(tǒng)的保障下改進快速公交的運行規(guī)則，使其能夠滿足“按圖行車”的相關(guān)條件?，F(xiàn)改進快速公交的運行規(guī)則如下：

（1）確定BRT線路優(yōu)先等級規(guī)則。將BRT線網(wǎng)分為主線 1號線、2號線…N號線和各主線上的支線，如 1號線 1支線等。每條線上行駛的 BRT命名為wB（w為線路名），按照各BRT線路所承擔(dān)的全日客流量大小進行分級，客流量較大的線路優(yōu)先級較高。

（2）行車組織規(guī)則。各線路BRT車輛不是按照各自固定的發(fā)車間隔發(fā)車，而是根據(jù)沿線?？空静次粩?shù)和交叉口的信號配時方案，協(xié)調(diào)各線路BRT車輛的發(fā)車間隔時間，組織各線路車輛有序占用公交專用道，以車隊的形式到達停靠站和通過交叉口。

（3）運行速度規(guī)定。在車輛運行速度保障系統(tǒng)的控制下，BRT車輛除加減速進出站外均勻速行駛。

（4）?？空痉?wù)規(guī)則。BRT車輛在?？空景凑找?guī)定時間?？?，?？课恢檬走x靠前泊位；為減小車輛的加減速進出站時間，采用直線式停靠站，且車輛加減速進出站時間計入在某一?？空镜目偼？繒r間內(nèi)，不在運行圖上表示。

（5）交叉口控制規(guī)則。各交叉口必須采用相同的周期時長，供BRT車輛通行的綠燈時間必須保證以車隊的形式到達的車輛能夠通過交叉口，并協(xié)調(diào)控制兩相鄰交叉口的相位差Δ。

（6）應(yīng)急處理。某一BRT車輛發(fā)生故障時，可立即反饋至車輛運行紊亂處理系統(tǒng)，系統(tǒng)將做出運行調(diào)整指示，若產(chǎn)生的是不可協(xié)調(diào)的延誤，該車必須退出公交專用道。

2 快速公交運行圖

2.1 快速公交運行圖的設(shè)計

快速公交運行圖主要包括以下部分，如圖3所示：

（1）坐標(biāo)軸：快速公交運行圖上橫軸表示時間，其中長線為 1分鐘線，短線為 10秒鐘線；運行圖上的縱軸表示節(jié)點（停靠站、交叉口）距離。

（2）交叉口：將設(shè)定好的交叉口信號配時方案在底圖上繪制出來。

（3）?？空荆和？空咎幠軌蛲瑫r停放的車輛數(shù)表示其?？坎次粩?shù)。

（4）車輛運行軌跡線：它表示快速公交車輛隨時間而發(fā)生的空間變化過程，運行軌跡線斜率的倒數(shù)可表示車輛運行速度的大??；不同線路的快速公交采用不同顏色的線條表示。

（5）其他：完整的快速公交運行圖是由若干條BRT主線和支線的運行圖組成，因此運行圖上還應(yīng)包括車次號和主（支）線名稱，上行車次用偶數(shù)表示，下行車次用奇數(shù)表示。

圖3 快速公交運行圖設(shè)計示意Fig.3 Design of BRT time-space diagram

2.2 編制運行圖的資料

編制BRT運行圖所需的主要資料如表1所示。其中，部分資料數(shù)據(jù)可通過實際調(diào)查得到，另一些數(shù)據(jù)需要通過公式間接計算得出。

表1 編制BRT運行圖所需數(shù)據(jù)資料Tab.1 The data for making BRT time-space diagram

編組運行的公交車輛間最小安全間距s：

式中：lf—— 駕駛員在反應(yīng)時間內(nèi)車輛行駛的距離（m）；

lz—— 車輛的制動距離（m）；

l1—— 車輛之間的安全距離（m），取2m；tr—— 駕駛員的反應(yīng)時間（s）；

φ—— 輪胎與路面間的附著系數(shù)，取0.44[4]。協(xié)調(diào)控制的兩相鄰交叉口相位差：

式中：c—— 協(xié)調(diào)控制的信號周期時長。供BRT通行的綠燈時間需滿足：

2.3 快速公交運行圖的編制

在掌握上述基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料后，首先確定每條線路 BRT車輛在各?？空镜目偼？繒r間最大的為該線路的關(guān)鍵?？空?；然后根據(jù)劃分的BRT線路的優(yōu)先等級，按照逐條編制優(yōu)化成網(wǎng)的原則編制 BRT運行圖，具體步驟如圖4所示：

圖4 快速公交運行圖編制步驟Fig.4 Steps for making BRT time-space diagram

圖5所示為信號協(xié)調(diào)控制下快速公交運行圖編制步驟示意，分別對應(yīng)圖4中運行圖編制的四個步驟。

圖5 信號協(xié)調(diào)控制下快速公交運行圖的編制步驟Fig.5 Steps for making BRT time-space diagram under coordinated signal control

快速公交運行圖的編制可通過 VBA編程，由AutoCAD自動繪制完成。該方法可減少運行圖的編制時間和錯誤，且運行圖紙干凈美觀、易于調(diào)整。

其繪圖過程如圖6所示。

圖6 VBA繪圖過程Fig.6 VBA drawing process

3 快速公交運營組織方法評價

公交車輛行車延誤是判斷公交服務(wù)水平的重要指標(biāo)，本文選取車均延誤時間為指標(biāo)對常規(guī)的公交運營組織方法和基于運行圖的公交運營組織方法進行評價。

車均延誤時間是指平均每輛車的出行時間與理想情況下出行時間的差值。公交延誤按照地理位置劃分為路段延誤、?？空狙诱`和交叉口延誤。本文在分析兩種運營組織方法所產(chǎn)生的公交延誤時做出如下假設(shè)：

（1）假設(shè)路段上公交車流量飽和度較小，路段延誤忽略不計。

（2）?？空狙诱`與交叉口延誤不相互影響。

（3）在計算交叉口延誤時，考慮車輛是均勻到達，交通流為穩(wěn)定流，無初始排隊的情況，并且車輛加減速延誤忽略。

因此，車均延誤時間d包括了交叉口的車均延誤時間dj和?？空镜能嚲诱`時間dz：

3.1 交叉口延誤分析

圖 7（a）、（b）分別表示了常規(guī)的公交運營組織方法和基于運行圖的公交運營組織方法下公交車通過交叉口的時空表示?？梢钥闯觯谙嗤男盘栔芷诩芭鋾r情況下，兩種運營組織方法中一個信號周期內(nèi)通過的公交車數(shù)量相同，但延誤差異很大。

常規(guī)的公交運營組織方法下，美國通行能力手冊（HCM）中給出了車輛均勻到達交叉口的延誤計算公式[7]：

式中：σ——信號交叉口綠信比；

x——公交進口道飽和度；

Q——公交車到達流率；

S——公交車以飽和流通過的流率。

圖7 公交車輛通過交叉口的時空表示Fig.7 Bus time-space diagram at intersections

采用基于運行圖的公交運營組織方法，組織公交車輛以車隊形式運營，配合沿線交叉口信號協(xié)調(diào)控制，并在運行圖編制過程中就考慮了各交叉口的配時方案，組織各線路BRT車輛在綠燈時間內(nèi)到達和通過交叉口，消除了公交車輛在交叉口的延誤。

3.2 ?？空狙诱`分析

常規(guī)公交在?？空狙诱`時間包括排隊延誤、錯車延誤、被擋道延誤、等乘客延誤、二（多）次停車延誤以及匯入車流的延誤時間等。而快速公交全線行駛在公交專用道上，且通常設(shè)置有BRT專用停靠站，故其在停靠站的延誤時間與常規(guī)公交在?？空镜难诱`時間不同，并不包括以上所有部分。采用常規(guī)的公交運營組織方法，快速公交車輛在停靠站延誤時間主要是排隊所產(chǎn)生的延誤。

把公交車輛在停靠站的停車過程看成是一個排隊過程，可以用排隊論的理論進行描述，如表 2所示。

表2 公交車輛?？窟^程各參數(shù)的排隊論解釋Tab.2 Parameters of bus queuing

文獻[8]中提出公交車輛在?？空镜牡竭_過程服從泊松分布，服務(wù)時間服從負(fù)指數(shù)分布，則單?？坎次缓投嗤？坎次还煌？空镜呐抨犨^程分別

采用基于運行圖的公交運營組織方法，在運行圖編制過程中就考慮了沿線?？空静次粩?shù)，各線路BRT車輛以車隊的形式在多停靠位的?？空窘邮芊?wù)（見圖8），既提高了停靠站的泊位利用率又消除了公交車輛在?？空镜难诱`時間。

圖8 多?？课煌？空镜墓贿\行圖Fig.8 Bus time-space diagram at the stop with multiple loading areas

4 實例分析

以常州市BRT 2號線會館浜橋—懷德橋區(qū)間為例。各站采用圖2所示的BRT專用?？空?，泊位數(shù)2個。區(qū)間內(nèi)節(jié)點間距如表3所示，區(qū)間開行B2、B21、B22線，B2客流量較大。在高峰小時 7:30～8:30，調(diào)查記錄隨機到達的 20輛公交車輛在懷德橋站、會館浜橋站的平均?？繒r間分別為 40 s，35 s。高峰小時內(nèi)要求各線路平均發(fā)車間隔時間約為1 min。交叉口信號周期時長為 120 s，供同方向公交車與社會車輛通行的綠燈時長為40 s。車輛運行速度25.68 km/h，采用18 m長的鉸接車輛?，F(xiàn)以本文提出的基于運行圖的快速公交運營組織方法為該區(qū)間下行方向編制高峰小時運行圖。

表3 節(jié)點間距Tab.3 Distances between each node

表4 交叉口信號相位差Tab.4 Signal phase differences among intersections

根據(jù)2.3節(jié)所述的快速公交運行圖編制步驟，運用VBA和AutoCAD自動繪圖。圖9所示為截取的7:30～7:35區(qū)間BRT運行圖。

圖9 會館浜橋-懷德橋區(qū)間BRT運行圖Fig.9 Huiguanbangqiao-Huaideqiao BRT time-space diagram

若采用常規(guī)的公交運營組織方法，根據(jù)公式（5）、（6）可得交叉口車均延誤時間根據(jù)公式（7）可得到?？空拒嚲诱`時間故該區(qū)間車均總延誤時間為64 s。而采用基于運行圖的公交運營組織方法不僅滿足了平均發(fā)車間隔的要求且消除了公交延誤時間。以BRT2號線為例，2號線全長20.4 km，若擴展到整條線路，該方法與常規(guī)的公交運營組織方法相比，可使全線BRT車均延誤時間減少30.2 min。實例中僅考慮了信號單一方向協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)了快速公交的無障礙通行。若要實現(xiàn)全線BRT無障礙通行必須考慮交叉口各方向信號的協(xié)調(diào)控制，推薦采用公交完全優(yōu)先信號。

5 結(jié)束語

快速公交憑借其相對較低的投資成本和較大的運輸能力成為適合我國公共交通發(fā)展的重要方向。但目前我國對于BRT研究尚屬起步階段，運營組織方法還有待改善。本文針對BRT實際運營中的兩個突出問題：節(jié)點上存在的較大交通延誤及路段上未合理安排各線路 BRT車輛有序占用公交專用道區(qū)間而造成的系統(tǒng)低效率，提出了基于運行圖的快速公交運營組織方法。在建立基于運行圖的快速公交運營系統(tǒng)基礎(chǔ)上改進了快速公交的運行規(guī)則。在該運行規(guī)則下研究了快速公交運行圖的編制方法，并以車均延誤時間為指標(biāo)對快速公交的不同運營組織方法進行分析評價。在實例分析中為常州BRT的一個運營區(qū)間編制運行圖，結(jié)果表明：運用編制運行圖的方法進行快速公交的運營組織可以提高車輛運行效率，降低公交車輛延誤，為我國BRT的運營組織管理提出了新的思路。

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