基于換乘地鐵的公交信號(hào)優(yōu)先控制方法研究

鄭桂芳，尚春琳，鮑冠文，秦利南

(北方工業(yè)大學(xué)城市道路交通智能控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100144)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平的穩(wěn)步提升，公交和地鐵已經(jīng)成為主要的交通工具，為市民的出行提供了越來越多的公共服務(wù)，帶來了很大的便利，但實(shí)現(xiàn)公交與地鐵的一體化銜接還存在問題.目前基于地鐵與公交的換乘信息研究已經(jīng)有很多，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者做了深入的研究.Chang[1]通過對(duì)乘客公交換乘城際軌道的到站規(guī)律分析，建立乘客公交換乘城際軌道的候車平均時(shí)間模型.趙強(qiáng)[2]通過研究城市軌道交通的公交停靠站設(shè)計(jì)等，提出了軌道交通換乘公交的設(shè)計(jì)思路.Chien等[3]分析公交與軌道交通問題，通過對(duì)站點(diǎn)只有1條公交線路的情況建立了模型，并計(jì)算線路的發(fā)車頻率和站間距離.王洋[4]分析了公交與地鐵無縫換乘的發(fā)展趨勢(shì)以及其設(shè)計(jì)原則,并提出基本設(shè)計(jì)思路.蔣敏[5]運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，分析處理乘客出行信息數(shù)據(jù)，識(shí)別乘客公交與地鐵之間的換乘，并對(duì)換乘時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化.陳嘉超等[6]對(duì)公交、地鐵的刷卡數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配關(guān)聯(lián)，建立乘客個(gè)人出行鏈，根據(jù)刷卡時(shí)間差，推導(dǎo)計(jì)算公交和地鐵站換乘接駁量的方法.王思齊[7]針對(duì)公交和公交及公交和地鐵的同步次數(shù)最大化的問題，建立乘客的步行時(shí)間和防止乘客串車的同步最大換乘模型.魏華[8]通過對(duì)優(yōu)化公交的發(fā)車時(shí)刻等研究，從運(yùn)營(yíng)、管理等角度提高公交換乘軌道交通的效率.

國(guó)內(nèi)外對(duì)公交與地鐵的換乘主要是針對(duì)換乘線路的研究，但是在公交與地鐵之間的銜接方面有待進(jìn)一步研究.鑒于此本文針對(duì)公交與地鐵的銜接問題提出基于換乘地鐵的交叉口處的公交信號(hào)優(yōu)先控制研究的方法.通過對(duì)臨近交叉口的公交站換乘地鐵的換乘乘客情況的分析，劃分時(shí)段、確定平均換乘人數(shù)，并基于人均延誤建立優(yōu)化模型來確定公交信號(hào)優(yōu)先控制方法.以此減少乘客在地鐵站臺(tái)的等待時(shí)間，提高乘客公交換乘地鐵的效率[9].

1 公交優(yōu)先與地鐵銜接分析

本文主要針對(duì)臨近與換乘地鐵的公交站臺(tái)的交叉口處的公交信號(hào)優(yōu)先控制來優(yōu)化公交優(yōu)先和地鐵的銜接.通過對(duì)交叉口處的公交優(yōu)先的信號(hào)控制，縮短公交車在交叉口處的停留時(shí)間，使乘客能換乘最近一班地鐵，減少乘客在地鐵站臺(tái)的等待時(shí)間.如圖1所示.

圖1 公交與地鐵銜接示意圖

設(shè)乘客到達(dá)公交站時(shí)刻t1，乘客到達(dá)地鐵站時(shí)刻為t2，優(yōu)化后乘客到達(dá)公交站時(shí)刻為t′1，優(yōu)化后乘客到達(dá)地鐵站臺(tái)時(shí)刻為t′2，記最近一班地鐵到站時(shí)間為t0，地鐵到站時(shí)間間隔為T，乘客行走的平均速度為v，公交站到地鐵站臺(tái)距離為L(zhǎng).深色圓圈表示地鐵到站時(shí)間，根據(jù)乘客到達(dá)地鐵站臺(tái)時(shí)間及優(yōu)化后的情況將乘客到達(dá)地鐵站臺(tái)時(shí)的狀況分為2種情況.

情況1：當(dāng)t0

情況2：當(dāng)t0

圖2 公交與地鐵銜接情況圖

2 劃分時(shí)段

由于工作日期間不同時(shí)段內(nèi)的交通流量以及客流量存在較大差別，為了更加具體準(zhǔn)確的進(jìn)行研究，將工作日期間的研究時(shí)間劃分時(shí)段.本文選取北京市亦莊榮昌東街與宏達(dá)路的交叉口進(jìn)行研究，以亦莊開發(fā)區(qū)3路公交車換乘地鐵亦莊線為例.通過實(shí)地調(diào)研法，統(tǒng)計(jì)了從2018-06-04—2018-07-13連續(xù)6周內(nèi)工作日期間06:30—12:00乘客的出行規(guī)律，以及乘客換乘地鐵的規(guī)律，包括乘客的下公交車的時(shí)刻及乘客從下公交車到地鐵站臺(tái)的時(shí)間進(jìn)行調(diào)研統(tǒng)計(jì)，分別求取乘客下公交車的時(shí)刻及乘客從公交車下車到地鐵站臺(tái)時(shí)間的平均值.得到亦莊開發(fā)區(qū)3路公交車換乘地鐵榮昌東街站時(shí)間統(tǒng)計(jì)表的數(shù)據(jù).已知公交車發(fā)車時(shí)間間隔為10 min.

為了方便研究，分別將乘客平均下公交車的時(shí)刻和從下公交車到地鐵站臺(tái)時(shí)間分別作為橫縱坐標(biāo)作圖.亦莊開發(fā)區(qū)3路公交車換乘地鐵榮昌東街站時(shí)間柱形圖、散點(diǎn)圖分別如圖3、4所示.

圖3 亦莊開發(fā)區(qū)3路公交車換乘地鐵榮昌東街站時(shí)間柱形圖

圖4 亦莊開發(fā)區(qū)3路公交車換乘地鐵榮昌東街站時(shí)間散點(diǎn)圖

根據(jù)分布規(guī)律，運(yùn)用DBSCAN聚類算法，對(duì)乘客的換乘時(shí)間按時(shí)間的不同進(jìn)行聚類，聚類結(jié)果如圖5所示.

根據(jù)聚類的結(jié)果將乘客換乘時(shí)間分為3個(gè)時(shí)間段，具體時(shí)間段劃分如表1所示.時(shí)間段用n表示，其中n=1,2,3.

3 公交車中換乘地鐵人數(shù)分析

圖5 DBSCAN聚類結(jié)果圖

表1 乘客時(shí)間段劃分記錄

通過計(jì)算可得式(1)～(4).

(1)

(2)

(3)

(4)

4 建立模型

交叉口公交信號(hào)配時(shí)優(yōu)化，將交叉口車均延誤作為研究基礎(chǔ)，并將人均延誤作為控制目標(biāo).故本文根據(jù)《道路通行能力手冊(cè)》(HCM2010)的延誤公式計(jì)算交叉口處的車均延誤，然后分別考慮公交車內(nèi)換乘地鐵乘客，公交車內(nèi)非換乘地鐵乘客，非公交車輛人員3種情況下的交叉口人均延誤，并計(jì)算交叉口處的人均延誤.

4.1 基本假設(shè)

1)設(shè)宏達(dá)路R1和榮昌東街R2相交于交叉口C，宏達(dá)路R1是公交專用道，榮昌東街R2無公交專用道，公交專用道延伸到交叉口C.

2)在交叉口C處，只有宏達(dá)路R1有公交車到達(dá)且以3路公交車為例，其他方向沒有公交車.

3)非公交車在交叉口處均勻到達(dá)，概率服從泊松分布.

4.2 目標(biāo)函數(shù)

以交叉口處的車均延誤為研究基礎(chǔ)、以人均延誤為控制目標(biāo)、以此來設(shè)定目標(biāo)函數(shù)并建立模型.

4.2.1 交叉口車均延誤計(jì)算

交叉口信號(hào)配時(shí)，將車均延誤作為分析基礎(chǔ)，以HCM2010的車均延誤公式為依據(jù).且無初始排隊(duì)，可表示為式(5)：

(5)

式中，第i相位j方向車輛的平均延誤為dij；第i相位j方向的飽和度為xij；信號(hào)周期為C，綠信比為ui；第i相位j方向的通行能力為Qij；修正系數(shù)為K，取0.4；上游車輛的過濾修正系數(shù)為I，取1.

(6)

4.2.2 人均延誤計(jì)算公式

由于本文采用劃分時(shí)段的方法進(jìn)行優(yōu)化，所以考慮不同時(shí)段時(shí)的人均延誤計(jì)算為式(17)：

(7)

5 仿真驗(yàn)證

本文以榮昌東街和宏達(dá)路的交叉口為例進(jìn)行仿真驗(yàn)證.利用VISSIM仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證.其中以亦莊線榮昌東街地鐵站與亦莊開發(fā)區(qū)3路公交車為基礎(chǔ)，以榮昌東街與宏達(dá)路交叉口為控制對(duì)象，以交叉口的實(shí)際車輛調(diào)研結(jié)果和公交信號(hào)優(yōu)先控制策略為基礎(chǔ)建立仿真模型.通過對(duì)不同時(shí)間段的模型進(jìn)行仿真優(yōu)化.根據(jù)公交車到達(dá)交叉口時(shí)，公交信號(hào)優(yōu)化前后的變化情況，得到不同時(shí)間段優(yōu)化前后交叉口處的車均延誤、人均延誤以及乘客換乘地鐵所需時(shí)間的對(duì)比圖，如圖6所示.已知地鐵亦莊線平峰期間的發(fā)車時(shí)間間隔為12 min，高峰期間發(fā)車時(shí)間間隔為5 min.

根據(jù)本文的優(yōu)化方法得出結(jié)果，3個(gè)時(shí)間段的車均延誤依次分別減少了1.6%、5.24%、6.25%；3個(gè)時(shí)間段的人均延誤依次分別減少了2.17%、7.14%、8.7%；3個(gè)時(shí)間段的乘客換乘地鐵所需平均時(shí)間依次分別減少了23.4%、17.32%、18.86%.根據(jù)優(yōu)化結(jié)果可知，在交叉口處車均延誤和人均延誤優(yōu)化較小的情況下，乘客換乘地鐵所需的平均時(shí)間有效縮短，優(yōu)化了臨近交叉口處的公交與換乘地鐵的有效銜接，提高了乘客公交換乘地鐵的效率.

圖6 優(yōu)化前后交叉口的車均延誤、人均延誤以及乘客換乘地鐵所需平均時(shí)間對(duì)比

6 結(jié)束語

通過分析臨近交叉口的公交站臺(tái)換乘到地鐵站臺(tái)的換乘銜接情況，對(duì)臨近交叉口的公交站臺(tái)與地鐵站臺(tái)的換乘進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，考慮公交優(yōu)先與地鐵銜接的不同情況，根據(jù)乘客換乘地鐵的時(shí)間進(jìn)行時(shí)段劃分，再計(jì)算乘客的換乘人數(shù)及非換乘人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，建立人均延誤優(yōu)化模型對(duì)公交信號(hào)優(yōu)先進(jìn)行優(yōu)化控制.最后用Vissim仿真軟件進(jìn)行模擬仿真并證明優(yōu)化控制方法的有效性.最終提高公交換乘地鐵的有效銜接，縮短乘客的換乘時(shí)間，提高乘客公交換乘地鐵的效率.