我國城市快速路基本路段HOV 車道設(shè)置方案研究

鄧社軍 陳 峻 李春燕 畢 昕

1.東南大學(xué)，交通學(xué)院，南京 210096

2.揚(yáng)州大學(xué)，建筑科學(xué)與工程學(xué)院，揚(yáng)州 225009

0 引 言

HOV（High Occupancy Vehicle）即“高占有率的車”，指載客數(shù)多的車輛。專門供HOV 車輛行駛的車道稱為HOV 車道，其上可以供行駛的車輛包括：公共汽車、乘坐2 人或以上的小客車或貨車。HOV 車道設(shè)置的目標(biāo)[1]是通過鼓勵(lì)合乘，提高高速公路系統(tǒng)的通過能力，降低整體擁堵，減少合乘者的出行時(shí)間，提高效率。國外已形成相對完整的高速公路HOV 車道理論研究體系，研究內(nèi)容主要側(cè)重于HOV 車道管理和評價(jià)兩個(gè)方面。其中如何確定HOV 車道數(shù)及準(zhǔn)入車輛條件，是HOV 研究的重點(diǎn)內(nèi)容。Huanyu Yue 等人[2]對高速公路上的混合車流車道、公交專用道以及HOV 專用道進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，通過分析不同類型車道的平均車速、車道數(shù)、車輛載客率、自由流速度等參數(shù)界定HOV 專用道的設(shè)置條件。Jaimyoung Kwon[3]在研究了HOV 車道在加州高速公路系統(tǒng)中的應(yīng)用后認(rèn)為：當(dāng)有相當(dāng)數(shù)量的公共汽車或中型合乘車在HOV 車道上行駛時(shí)，其運(yùn)輸效率更高。設(shè)置兩車道的HOV 設(shè)施，可以消除蝸牛式的低速車輛，提高整體運(yùn)行速度。美國2005 年城市機(jī)動性報(bào)告[4]分析了19 個(gè)堵塞嚴(yán)重的主要快速通道，發(fā)現(xiàn)在八車道上設(shè)置2 條HOV車道可以承擔(dān)1/3 的客流量，在交通高峰時(shí)期，對于消減延誤很有效果。國內(nèi)的畢仁忠[5]、陳瑋[6]提出要將國外HOV 專用道引入到我國交通規(guī)劃體系并提出了設(shè)置HOV 車道的構(gòu)想，李鵬飛[7]提出了利用公交專用道來設(shè)置HOV 車道，但研究內(nèi)容均缺少定量的分析。詹嘉[8]采用多方式出行選擇logit 模型，求解設(shè)置HOV 車道后的基礎(chǔ)分擔(dān)率。結(jié)果表明在總載客數(shù)不變的情況下，合乘可以使行駛車輛總數(shù)減少。設(shè)置HOV 車道可以提高運(yùn)行速度、減少延誤等，但其研究內(nèi)容缺少在具體的道路與交通條件下HOV 車道的設(shè)置方案。

我國城市快速路交通量大，交通擁堵現(xiàn)象與國外高速公路有相似之處。因此，合理的借鑒國外經(jīng)驗(yàn)，研究基于我國國情的城市快速路HOV 車道方案，對于提高道路網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)輸效率、緩解交通擁堵問題具有很好的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。本論文研究內(nèi)容包括2 方面：一是對中國典型快速路基本路段進(jìn)行交通數(shù)據(jù)采集與特性分析；二是提出快速路基本路段進(jìn)行HOV 車道設(shè)置的多方案設(shè)計(jì)，并通過交通仿真對比分析各方案的運(yùn)行效果。

1 基本路段選取與數(shù)據(jù)調(diào)查

1.1 典型路段的選取

由于城市快速路的交通流在連續(xù)流設(shè)施中運(yùn)行的特性與高速公路相似，因此，在城市快速路的組成上，本文參照高速公路的組成部分，把城市快速路分為基本路段、交織區(qū)以及匝道和匝道連接點(diǎn)三種路段。在具體位置的規(guī)定上，根據(jù)美國通行能力手冊（HCM）和交通工程手冊中對高速公路各組成部分的劃分，把快速路基本路段定義為進(jìn)口匝道的上游150 m 和下游750 m 以及出口匝道的上游750 m 和下游150 m 以外的路段，本文只研究城市快速路基本路段的交通流特性，具體位置如圖1 所示。

圖1 城市快速路基本路段示意Fig.1 Basic section of a urban expressway

城市快速路的基本段，由于受到出入口匝道與公交站點(diǎn)的影響比較小，交通流特性相對穩(wěn)定。道路斷面在基本段內(nèi)沒有漸變加寬段，車道數(shù)保持不變，因此，選用城市道路基本段進(jìn)行HOV 車道設(shè)置研究具有一定的可行性。

一般而言，在HOV 車道實(shí)施前，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)周密的調(diào)查研究，充分考慮交通需求、道路的供給能力及對出行者的影響，應(yīng)優(yōu)先選擇在公共汽車交通繁忙的路線上實(shí)施。根據(jù)研究需要，本文選取玄武大道—花園路段的東西方向與虎踞北路—天津新村小區(qū)南北段進(jìn)行調(diào)查，如表1 所示，玄武大道—花園路段與虎踞北路—天津新村小區(qū)段為南京市的城市主干道，交通量大，車輛在高峰期擁堵情況比較嚴(yán)重?！赌暇┦薪煌òl(fā)展年報(bào)》[9]顯示玄武大道的平均車速在高峰時(shí)段只有30km/h 左右。

表1 城市快速路基本路段的幾何條件調(diào)查Tab.1 Geometry condition survey of urban expressway’s basic section

1.2 數(shù)據(jù)調(diào)查與分析

調(diào)查時(shí)間選定在下午的16:30-18:00，調(diào)查內(nèi)容包括交通量、車速、各車型及載客人數(shù)。本文假設(shè)高峰期間中客車的平均載客人數(shù)為15 人/車，大客車（含公交車）滿載且平均載客人數(shù)為60 人/車，定義車輛載客人數(shù)為n 時(shí)為n+型車。以5min 為時(shí)間間隔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表2、表3 所示。

表2 玄武大道東—西車道高峰時(shí)段車輛實(shí)際載客人數(shù)調(diào)查表Tab.2 Actual vechile passenger survey on the Xuanwu road in the rush hours

對表2 數(shù)據(jù)分析，可得出各載客數(shù)的車型占所有車流量的比例，見圖2 所示；根據(jù)各車型載客人數(shù)占總載客數(shù)的比例，得出各車型對全部客流的貢獻(xiàn)率，見圖3 所示。

圖2 宣武路各載客數(shù)的車型占所有車流量的比例Fig.2 Ratio between each type passenger vechicle and the total vehicles on Xuanwu road

圖3 各車型載客人數(shù)占總載客數(shù)的比例Fig.3 The passenger volume proportion of each vehicle type to the total vehicles on Xuanwu road

表3 虎踞北路南—北車道車輛實(shí)際載客人數(shù)調(diào)查表Tab.3 Survey of actual vehicle passengers between the south of Huju north road and the north chedao in the rush hours

對表3 數(shù)據(jù)分析，可得出各載客數(shù)的車型占所有車流量的比例，具體見圖4 所示；根據(jù)各車型載客人數(shù)占總載客數(shù)的比例，得出各車型對全部客流的貢獻(xiàn)率，見圖5 所示。

圖4 各載客數(shù)的車型占所有車流量的比例Fig.4 Traffic volume proportion of each vehicle type to the total vehicles in the Huju road

圖5 各車型載客人數(shù)占總載客數(shù)的比例Fig.5 Passenger volume proportion of each passenger vehicle type to the total passenge vehicles in the Huju road

由圖2-5 分析得出：①大客車和中客車對客流運(yùn)輸?shù)呢暙I(xiàn)占了全部客流量的70%～80%；②考察小汽車對客流量貢獻(xiàn)率從高到低排列依次為：2 人合乘小汽車、3 人合乘小汽車、單人小汽車以及4 人合乘小汽車；③2 人合乘小汽車在全部小汽車中占據(jù)相當(dāng)大的比例，因此可以考慮設(shè)置載客數(shù)2 人以上為HOV 車道準(zhǔn)入條件。

2 基于仿真的方案設(shè)計(jì)及效果分析

2.1 方案設(shè)計(jì)

VISSIM 是由德國PTV 公司開發(fā)的微觀交通流仿真系統(tǒng)，以單個(gè)車輛為基本單位，可較為真實(shí)地反映道路交通狀況[10]，本文運(yùn)用VISSIM（3.7 版本）進(jìn)行仿真。首先運(yùn)用AutoCAD 繪制城市干道基本路段的平面圖保存為BMP 格式，以作為仿真的背景圖；其次設(shè)置車道數(shù)、車道寬度、車道功能劃分等數(shù)據(jù)，建立城市快速路基本段的現(xiàn)狀平面模型。利用現(xiàn)有的車道數(shù)，根據(jù)車型、流量及載客數(shù)，設(shè)計(jì)不同的車道組合方案。假設(shè)條件：道路基礎(chǔ)條件（全部車道數(shù)）及交通需求不變，即總流量、車型比例以及車輛實(shí)際載客情況都不改變。

按照由簡單到繁復(fù)、由低到高的原則，本文設(shè)計(jì)了7 種比較可行的方案進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并分別進(jìn)行行車速度、延誤等分析，車道方案見表4 所列。

表4 城市快速路六車道/八車道基本路段各類型單向車道分配方案Tab.4 Every one direction lane assigning plan on the urban expressway basic section for the six/eight lanes

對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行如下說明：①HOV 車道設(shè)置了7 種準(zhǔn)入車型，普通車道供貨車及不符合其他車道條件的車輛使用；②公交專用道、HOV 專用道與普通車道的車道數(shù)由其流量的比例大致確定；③方案5、6、7 的公交專用道僅供中客車與大客車使用；④上面六種專用道設(shè)計(jì)方案剔除了2 人以上合乘的HOV 專用道與公交專用道組合設(shè)計(jì)，這主要是基于該種設(shè)計(jì)將會導(dǎo)致三條車道上的流量差距過大，公交專用道和普通車道利用不足而HOV 專用道上通行能力過飽和，以致無法給HOV 車輛提供更高的行駛車速和更可靠的行程時(shí)間，因此，本文的研究中摒棄該方案。

2.2 車輛模型選用

在設(shè)置車輛模型（vehicle model）、車輛類型（vehicle type）、車輛類別（vehicle classes）時(shí)，在無專用道的情況下均只設(shè)置小汽車、中客車、大客車、貨車四類。其中小汽車、大客車、貨車可直接利用VISSIM 中默認(rèn)的car、bus 和truck 模型。但中客車需先定義一個(gè)名為中客車的車輛模型（vehicle model），如圖6 所示。最后設(shè)置兩個(gè)方向的車型組成（traffic composition）。

圖6 VISSIM 仿真模型的車輛參數(shù)設(shè)置Fig.6 The vehicle parameters setting in the VISSIM simulation model

2.3 仿真結(jié)果分析

將仿真輸出數(shù)據(jù)表示為柱狀圖（見圖7、圖8），進(jìn)行變化趨勢分析。

2.3.1 各方案的平均行駛車速分析

基于調(diào)查數(shù)據(jù)，進(jìn)行仿真對比分析可以看出：①對于雙向六車道的設(shè)計(jì)方案，當(dāng)不同車型流量比例相差偏大時(shí)，在此條件下設(shè)置1 條3+型HOV 車道后的行駛速度會高于設(shè)置2 條2+型HOV 車道時(shí)的行駛車速；②對于雙向八車道的設(shè)計(jì)方案，當(dāng)車道的飽和度較低時(shí)，只設(shè)置一條公交專用道將大客車流分離出來，不僅有利于改善大客車流的運(yùn)行，也會讓專用道的利用率與普通車道的飽和度達(dá)到較好的平衡；③設(shè)置2 條2+型HOV 專用道的平均行駛速度是全部設(shè)置HOV 車道的方案中最低的，說明此方案不太適合實(shí)測的道路與交通條件。④無論是雙向六車道還是八車道，單獨(dú)設(shè)置一條公交專用道后的速度會比 HOV 車道+公交專用道的組合設(shè)計(jì)的平均速度要高，組合設(shè)計(jì)也并不適合此類城市干道。

2.3.2 各方案的延誤時(shí)間分析

圖9、圖10 為雙向六、八車道不同設(shè)計(jì)方案延誤時(shí)間比較。

①方案1 設(shè)置兩條2+型HOV 車道時(shí)延誤最大。此時(shí)公交車輛、中客車與 2 人以上合乘小汽車在HOV 車道上混行，而單人駕駛小汽車與貨車在普通車道上混行，三條車道車型之間的車速差距較大且流量比例不均衡，導(dǎo)致了相互影響從而增加了各自車道的延誤。

②方案5 延誤時(shí)間只有0.14s，這可能是由于將大客車流分離后放入公交專用道運(yùn)行后，不僅提高了大客車流的運(yùn)行速度，而且普通車道上由于減少了小汽車與大客車之間的相互影響，從而使得兩條普通車道上的小汽車延誤時(shí)間也在減小。

③方案2、3、4 和方案6、7 的延誤時(shí)間均維持在比較低的水平，而且隨著HOV 車道準(zhǔn)入條件的提高，延誤時(shí)間基本呈現(xiàn)降低的趨勢。在該類型城市干道基本路段上設(shè)置一條HOV 專用道比設(shè)置兩條HOV 專用道或者HOV 專用道與公交專用道的組合要更合理。

2.3.3 各方案的理論車速與行駛車速之差的分析

六車道、八車道理論車速與行駛車速差的關(guān)系如圖11、圖12 所示。

圖11 六車道理論車速與行駛車速關(guān)系Fig.11 Difference between the theoretical and real traveling speeds and its relationship with time delay of the 6 lanes

圖12 八車道理論車速與行駛車速關(guān)系Fig.12 Difference between the theoretical and real traveling speeds and its relationship with time delay of the 8 lanes

①無論是理論車速與行駛車速之差還是延誤時(shí)間，7 個(gè)方案均表現(xiàn)出相同的變化趨勢。在相似的車型組成分布和載客人數(shù)組成分布下，各設(shè)計(jì)方案的的延誤時(shí)間隨著HOV 車道的準(zhǔn)入條件以及公交專用道設(shè)置變化規(guī)律也相似。

②當(dāng)平均理論車速與平均行駛車速之差較大時(shí)，延誤時(shí)間也較大。因此，可以設(shè)法減小各車道中所行駛的車輛之間車速差別來減少路段總體延誤時(shí)間。

2.3.4 各方案的路段上每公里可以節(jié)省行駛時(shí)間比較

美國加州交通局HOV 規(guī)劃導(dǎo)則對HOV 設(shè)施提出的要求是：車輛在HOV 車道上通勤出行時(shí)，每公里至少節(jié)省1 min 的出行時(shí)間，全程出行時(shí)間節(jié)省的理想值是5～10min[11]。該規(guī)定是針對HOV 車道的行駛時(shí)間而言，但為了考慮路段上整體的效率，以此為依據(jù)將各方案每公里平均行駛時(shí)間與原始狀況進(jìn)行比較列入表5 中，其中，節(jié)省時(shí)間表示原始方案的每公里行駛時(shí)間與該方案的每公里行駛時(shí)間的差值，其中每公里行駛時(shí)間由路段平均行駛速度決定。該差值若為負(fù)值則表示該方案不能節(jié)省時(shí)間反而會耽誤時(shí)間。

表5 城市干道基本路段各設(shè)計(jì)方案所能節(jié)省時(shí)間比較Tab.5 Time saving comparison among the urban expressway basic sections in the simulation experiments

從表5 中看出，方案2 的節(jié)約時(shí)間最多，與方案3、4、5 比較可知，在該類型城市的六車道雙向基本路段條件下，3+型HOV 車道的行駛時(shí)間一定是最短的。對于雙向八車道而言，只有公交專用道相對提高了路段平均的行駛時(shí)間可靠性。因而，對于典型雙向八車道城市干道基本路段來說，設(shè)置一條公交專用道是比較合理的方案。

2.3.5 各方案路段平均運(yùn)送能力的比較

類比公交專用道的運(yùn)送能力計(jì)算，定義路段乘客運(yùn)輸效率為單位時(shí)間路段能夠?qū)崿F(xiàn)位移人公里數(shù)（即客位里程），對于城市干道基本路段，定義路段運(yùn)送能力S 為一小時(shí)內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)位移的人公里數(shù)（人）。用P 表示車輛平均載客人數(shù)，Q 表示路段車流量，V 表示路段車輛平均行駛車速，則有S=Q×V×P。按照此公式算出各方案的運(yùn)送能力以及與原始方案相比的增長比例，如表6 所示。

表6 雙向六車道/八車道的基本路段各設(shè)計(jì)方案的運(yùn)送能力比較Tab.6 Comparison of the transit capacity on the urban expressway basic section in the two directions of the six/eight lanes in simulation experiments

顯而易見，與原始狀況相比，設(shè)置了專用道的方案均比原始狀況下的運(yùn)送能力有所增加。其中，3+型 HOV 專用道的運(yùn)送能力比原始狀況高了23.0%，在全部方案中增加比例最高，而公交專用道的運(yùn)送能力比原始方案增加了9.0%，為全部方案增加比例最低的。

設(shè)置一條公交專用道和一條3+型HOV 專用道的方案6 與只設(shè)置3+型HOV 專用道的方案2運(yùn)送能力相近，設(shè)置一條公交專用道和一條4+型HOV 專用道的方案7 與只設(shè)置4+型HOV 專用道的方案3 運(yùn)送能力相近，這說明在已經(jīng)設(shè)置了一條 HOV 專用道的前提下，再設(shè)置一條公交專用道的意義不大，反而會導(dǎo)致運(yùn)送能力的小幅下降。考慮設(shè)置公交專用道的成本，組合設(shè)計(jì)方案6、7不是非常合理。

3 結(jié) 論

本文選取了南京市的兩條城市快速路基本路段為研究對象，對其道路條件及交通條件開展調(diào)查，設(shè)計(jì)了7 種HOV 車道設(shè)置方案，并進(jìn)行了仿真對比分析，提出了 HOV 車道的設(shè)置方法，可以為同類型道路提供參考依據(jù)。

（1）雙向六車道條件下設(shè)2+型HOV 專用道的準(zhǔn)入條件不太適用我國的城市快速路基本路段。若綜合考慮延誤時(shí)間、車速以及運(yùn)送能力的因素，單獨(dú)設(shè)置3+型HOV 專用道可以提高整個(gè)路段乘客運(yùn)送能力。當(dāng)車型組成分布和載客人數(shù)有所變化，如公交流量進(jìn)一步增加的情況下，將HOV 專用道與公交專用道的組合設(shè)計(jì)可能會優(yōu)于單獨(dú)設(shè)置 HOV專用道的方案。

（2）雙向八車道條件下，當(dāng)公交和貨車比例都相對較低，而小汽車和中客車所占比例相對較高時(shí)，設(shè)置HOV 車道時(shí)的利用率可能相對較低，而建立公交專用道則比較合理。

（3）除單獨(dú)設(shè)置2+型HOV 車道的情況，大多數(shù)設(shè)計(jì)方案的平均車速均比原始狀況有所提升，這說明設(shè)置專用道后，將在原車道中行駛速度受到影響的車輛剝離出來，放入專用車道中，有利于提高路段平均車速。單獨(dú)設(shè)置3+型HOV 專用道時(shí)的車速達(dá)到最大，說明了在專用車道和普通車道上流量比例接近車道數(shù)比例時(shí)，車速將有所提升，這也與日常的感性認(rèn)識相符合。

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