多車(chē)道機(jī)場(chǎng)航站樓車(chē)道邊停車(chē)容量研究*

張龍財(cái) 劉 斌 劉明輝 徐健平

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院機(jī)場(chǎng)學(xué)院 廣漢 618307）

1 引言

機(jī)場(chǎng)航站樓車(chē)道邊停車(chē)位的設(shè)置可有效提升旅客乘機(jī)的便捷度，但旅客流量的快速增加使得機(jī)場(chǎng)航站樓車(chē)道邊停車(chē)需求不斷增加，當(dāng)現(xiàn)有的道路停車(chē)設(shè)施不能滿足逐漸增加的停車(chē)需求時(shí)，就會(huì)形成交通瓶頸，造成大范圍的交通擁堵，因此對(duì)機(jī)場(chǎng)航站樓車(chē)道邊停車(chē)容量的準(zhǔn)確評(píng)估對(duì)于緩解交通擁堵和優(yōu)化地面交通管理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

已有許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)機(jī)場(chǎng)航站樓車(chē)道邊的停車(chē)容量進(jìn)行了研究，其中在停車(chē)容量計(jì)算的數(shù)學(xué)模型方面，主要采用宏觀方法，即將送客車(chē)輛作為一個(gè)整體來(lái)研究，主要采用的數(shù)學(xué)理論模型有排隊(duì)論［1］、時(shí)空軌跡理論［2］、間隙接受理論［3］、交織區(qū)理論［4］等，在微觀層面，利用仿真軟件［5］或者計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編寫(xiě)程序［6～7］對(duì)停車(chē)容量進(jìn)行評(píng)估。航空業(yè)務(wù)量的快速發(fā)展，使得機(jī)場(chǎng)為滿足不斷增加的停車(chē)需求必須對(duì)車(chē)道邊進(jìn)行改擴(kuò)建，車(chē)道邊也從雙車(chē)道變成多車(chē)道［8］，傳統(tǒng)用于計(jì)算車(chē)道邊停車(chē)容量的模型［9］，理論性較強(qiáng)，且大都從宏觀角度出發(fā)，不能體現(xiàn)具有人車(chē)混行交通特性的復(fù)雜交通狀況，針對(duì)多車(chē)道不能動(dòng)態(tài)考慮車(chē)輛變道停車(chē)行為對(duì)周?chē)?chē)輛車(chē)速的干擾，不能真實(shí)地反映車(chē)道邊真實(shí)的交通狀況。

因此本文從微觀角度研究車(chē)輛個(gè)體行為，考慮送客車(chē)輛速度的瞬時(shí)變化以及變道停車(chē)行為，加入強(qiáng)制換道與自由換道選擇機(jī)制，改進(jìn)STCA 模型［10］的換道規(guī)則建立多車(chē)道機(jī)場(chǎng)航站樓車(chē)道邊停車(chē)容量評(píng)估模型，并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，最后驗(yàn)證了停車(chē)道位于中間車(chē)道時(shí)對(duì)停車(chē)容量的影響。

2 航站樓車(chē)道邊送客車(chē)輛停車(chē)行為分析

機(jī)場(chǎng)航站樓車(chē)道邊（以下均指機(jī)場(chǎng)航站樓出發(fā)層車(chē)道邊）是指機(jī)場(chǎng)航站樓前供車(chē)輛?？俊⑼ㄐ?，服務(wù)旅客下車(chē)的道路設(shè)施［11］，通常由停車(chē)道、行車(chē)道以及過(guò)境車(chē)道組成，進(jìn)入航站樓車(chē)道邊的送客車(chē)輛首先需要從行車(chē)道換道駛?cè)肽繕?biāo)停車(chē)位，停車(chē)以后進(jìn)行旅客下車(chē)服務(wù)，同時(shí)在服務(wù)完成后，送客車(chē)輛換道再次駛?cè)胄熊?chē)道，最后駛離車(chē)道邊。對(duì)于多條行車(chē)道的機(jī)場(chǎng)航站樓車(chē)道邊需要執(zhí)行多次換道行為，才能進(jìn)行停車(chē)下客服務(wù)，圖1 所示為雙行車(chē)道機(jī)場(chǎng)航站樓車(chē)道邊布局示意圖。

圖1 機(jī)場(chǎng)航站樓車(chē)道邊布局模式示意圖

3 多車(chē)道機(jī)場(chǎng)航站樓車(chē)道邊停車(chē)容量仿真模型

STCA模型僅適用于模擬分析雙車(chē)道的確定性單側(cè)換道問(wèn)題［10］，在單向三車(chē)道以上的多車(chē)道的元胞自動(dòng)機(jī)仿真模型中，這種換道規(guī)則不再適用，因此本文在STCA模型基礎(chǔ)上加入強(qiáng)制與自由換道規(guī)則模擬多車(chē)道航站樓車(chē)道邊送客車(chē)輛司機(jī)的駕駛行為。

3.1 模型構(gòu)建

送客車(chē)輛進(jìn)入航站樓車(chē)道邊后，經(jīng)歷換道停車(chē)和換道駛離兩個(gè)過(guò)程，由于航站樓車(chē)道邊人車(chē)混行的復(fù)雜交通特性，其中換道停車(chē)過(guò)程包括判斷換道停車(chē)條件、送客車(chē)輛速度位置更新兩個(gè)階段，換道駛離過(guò)程包括判斷換道駛出條件，產(chǎn)生換道動(dòng)機(jī)，判斷換道間距條件三個(gè)階段，對(duì)應(yīng)變量符號(hào)及表示含義如表1所示。

表1 模型變量符合及表示含義

3.1.1 跟馳規(guī)則

NaSch 模型作為元胞自動(dòng)機(jī)中最經(jīng)典的交通流仿真模型，通過(guò)四個(gè)簡(jiǎn)單規(guī)則就可以模擬道路交通流的基本特征［12］。因此本文使用該模型模擬送客車(chē)輛在行車(chē)道上的跟馳過(guò)程。具體演化規(guī)則如下：

1）加速：V(n，T+1)→min(V(n，T)+1，Vmax)

2）減速：V(n，T+1)→min(V(n，T+1)，d(n，T))

3）以概率p 隨機(jī)慢化：V(n，T+1) →max(V(n，T+1)-1，0)

4）位置更新：X(n，T+1) →X(n，T)n+V(n，T+1)

上式中：V（n，T+1），X（n，T+1）為T(mén)+1時(shí)刻車(chē)輛的速度及位置，V（n，T），X（n，T）為T(mén) 時(shí)刻車(chē)輛n 的速度及位置，d（n，T）為T(mén) 時(shí)刻車(chē)輛n 與當(dāng)前車(chē)道前方緊鄰車(chē)輛之間的間距，其中，d（n，T）=X（n+1，T）-X（n，T）-Lcar，其中，Lcar 為送客車(chē)輛占據(jù)的單位元胞數(shù)量。

3.1.2 換道停車(chē)過(guò)程

1）判斷換道停車(chē)條件

針對(duì)內(nèi)側(cè)行車(chē)道上的送客車(chē)輛進(jìn)入車(chē)道邊后首先判斷與目標(biāo)停車(chē)位之間的距離，當(dāng)滿足式（1）和式（2）時(shí)，送車(chē)車(chē)輛進(jìn)入停車(chē)位進(jìn)行停車(chē)下客服務(wù)：

當(dāng)不滿足式（1）和式（2）中的任意一個(gè)時(shí)，車(chē)輛執(zhí)行跟馳規(guī)則，當(dāng)不滿足式（1）時(shí)，為使車(chē)輛能夠快速停車(chē)，車(chē)輛采取怠速的方式，在下一次循環(huán)時(shí)，重新判斷。

進(jìn)入航站樓車(chē)道邊的送客車(chē)輛都需要換道駛?cè)胪＼?chē)位進(jìn)行停車(chē)，因此每一輛車(chē)都必須執(zhí)行換道行為，因此，當(dāng)車(chē)輛滿足換道條件時(shí)，即式（3），車(chē)輛優(yōu)先執(zhí)行換道行為。

當(dāng)車(chē)輛不滿足步驟1）的自由換道規(guī)則時(shí)，由于車(chē)道邊人車(chē)混行，道路交通狀況復(fù)雜，尤其在客流高峰時(shí)段，無(wú)法產(chǎn)生合適的換道時(shí)機(jī)，為準(zhǔn)確模擬車(chē)道邊送客車(chē)輛的換道行為，當(dāng)送客車(chē)輛駛?cè)胲?chē)道邊一定距離后，當(dāng)車(chē)輛到達(dá)最晚?yè)Q道點(diǎn)，即式（4），之后車(chē)輛采取停車(chē)方式，反之車(chē)輛采取降低車(chē)速的方式即式（5）。

2）送客車(chē)輛速度及位置更新

當(dāng)內(nèi)側(cè)行車(chē)道送客車(chē)輛滿足換道條件進(jìn)入停車(chē)以后更新車(chē)輛狀態(tài)及停車(chē)位數(shù)量，同時(shí)記錄車(chē)輛停車(chē)開(kāi)始服務(wù)時(shí)間，并隨機(jī)生成規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)送客車(chē)輛的最短服務(wù)時(shí)間，規(guī)則如式（6）所示：

外側(cè)行車(chē)道送客車(chē)輛滿足換道條件，換道進(jìn)入內(nèi)側(cè)行車(chē)道，更新車(chē)輛的位置如式（7）所示，送客車(chē)輛的速度及位置按照跟馳規(guī)則進(jìn)行更新。

3.1.3 換道駛離過(guò)程

送客車(chē)輛在完成下客服務(wù)后，駛出停車(chē)位進(jìn)入行車(chē)道，根據(jù)道路當(dāng)前環(huán)境狀況選擇換道或者直行，直至駛離車(chē)道邊。

1）判斷換道駛出條件

在停車(chē)服務(wù)完成后，送客車(chē)輛在滿足換道條件下，即式（8），直接換道進(jìn)入行車(chē)道2；或者當(dāng)送客車(chē)輛所在停車(chē)位前存在空閑停車(chē)位時(shí)，送客車(chē)輛可前行一段距離，然后向右前方行駛進(jìn)入行車(chē)道，即滿足式（9），車(chē)輛由停車(chē)道駛?cè)胄熊?chē)道2。

若不滿足駛出停車(chē)位條件，車(chē)輛只能在原停車(chē)位上進(jìn)行等待，在下一次循環(huán)時(shí)，重新判斷。送客車(chē)輛進(jìn)入行車(chē)道2 以后更新車(chē)輛狀態(tài)信息及停車(chē)位數(shù)量更新，即式（10）。

2）產(chǎn)生換道動(dòng)機(jī)

當(dāng)送客車(chē)輛再次進(jìn)入行車(chē)道以后，車(chē)輛期望在滿足安全條件下快速駛離車(chē)道邊，當(dāng)前方車(chē)輛不能滿足當(dāng)前車(chē)輛對(duì)期望速度的追求時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生換道動(dòng)機(jī)，即式（11）和式（12）。

對(duì)于外側(cè)行車(chē)道車(chē)輛當(dāng)滿足下述條件時(shí)，產(chǎn)生換道動(dòng)機(jī)，即式（13）。

3）判斷換道間距條件

判斷換道車(chē)輛與目標(biāo)車(chē)道前后緊鄰車(chē)輛間距是否滿足換道條件，即式（14）。當(dāng)滿足換道條件后，更新車(chē)輛的位置狀態(tài)，即式（15），然后執(zhí)行車(chē)輛跟馳規(guī)則，當(dāng)車(chē)輛不滿足換道條件時(shí)，車(chē)輛僅執(zhí)行跟馳規(guī)則。

因?yàn)樗涂蛙?chē)輛在駛出車(chē)道邊后，不存在車(chē)輛混行的交通狀態(tài)，車(chē)輛會(huì)以期望速度駛離車(chē)道邊，防止乒乓變道現(xiàn)象的產(chǎn)生，設(shè)置變道概率，在滿足換道條件下，同時(shí)滿足式（16），才能執(zhí)行換道行為。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 數(shù)據(jù)采集

對(duì)某機(jī)場(chǎng)航站樓車(chē)道邊的規(guī)模進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)，獲得該機(jī)場(chǎng)航站樓車(chē)道邊及車(chē)輛狀態(tài)相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 航站樓車(chē)道邊布局及車(chē)輛狀態(tài)參數(shù)

4.2 仿真環(huán)境設(shè)置

本文構(gòu)建模型采用開(kāi)放式邊界條件，送客車(chē)輛駛出航站樓車(chē)道邊即駛離仿真系統(tǒng)。每次循環(huán)以概率p產(chǎn)生車(chē)輛隨機(jī)進(jìn)入行車(chē)道1或者2，每輛車(chē)占據(jù)兩個(gè)元胞，停車(chē)落客時(shí)間設(shè)置為數(shù)據(jù)采集中最大與最小中的隨機(jī)值，基本參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3，為防止隨機(jī)因素產(chǎn)生的干擾，選取5000～8600 時(shí)間步的仿真結(jié)果作為停車(chē)容量的仿真值，并將10 次仿真結(jié)果的算數(shù)平均值作為有效仿真值。

表3 仿真參數(shù)設(shè)置

表4統(tǒng)計(jì)了在5000～8600時(shí)步的航站樓車(chē)道邊停車(chē)容量的10 次仿真結(jié)果的算數(shù)平均值及與實(shí)測(cè)值之間的誤差，可以看出本文所建模型的仿真結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果的誤差較小，因此本文構(gòu)建的車(chē)道邊停車(chē)容量仿真模型可有效計(jì)算雙行車(chē)道的車(chē)道邊停車(chē)容量。

表4 仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

4.3 停車(chē)道的不同位置對(duì)停車(chē)容量的影響分析

為進(jìn)一步研究停車(chē)道的不同位置對(duì)停車(chē)容量的影響，設(shè)置停車(chē)道位于內(nèi)側(cè)車(chē)道與中間車(chē)道兩種方式，分析其對(duì)停車(chē)容量的影響，停車(chē)道位于中間車(chē)道的航站樓車(chē)道邊布局模式如圖2所示。

圖2 停車(chē)道位于中間車(chē)道的航站樓車(chē)道邊布局模式示意圖

停車(chē)道位于內(nèi)側(cè)車(chē)道和中間車(chē)道的仿真結(jié)果對(duì)比如圖3 所示。由圖3 可知，當(dāng)停車(chē)道位于中間車(chē)道時(shí)，停車(chē)容量明顯增加，因?yàn)楫?dāng)停車(chē)道位于中間車(chē)道時(shí)，送客車(chē)輛由一側(cè)行車(chē)道換道駛?cè)肽繕?biāo)停車(chē)位，當(dāng)服務(wù)完成后，送客車(chē)輛直接駛?cè)肓硪粭l行車(chē)道，直至駛離車(chē)道邊，避免了駛?cè)肱c駛離停車(chē)位車(chē)輛之間的沖突，因此在車(chē)道邊規(guī)模不變的前提下，可有效提升航站樓車(chē)道邊停車(chē)容量。

圖3 停車(chē)道的不同位置導(dǎo)致的停車(chē)容量變化對(duì)比圖

5 結(jié)語(yǔ)

為完善多車(chē)道機(jī)場(chǎng)航站樓車(chē)道邊停車(chē)容量的評(píng)估方法，通過(guò)對(duì)機(jī)場(chǎng)航站樓車(chē)道邊送客車(chē)輛的停車(chē)行為進(jìn)行分析，基于改進(jìn)的STCA 模型構(gòu)建多車(chē)道機(jī)場(chǎng)航站樓車(chē)道邊停車(chē)容量仿真模型，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，最后利用本文模型驗(yàn)證了當(dāng)停車(chē)道位于中間車(chē)道時(shí)對(duì)停車(chē)容量的影響。仿真結(jié)果表明，在車(chē)道邊規(guī)模不進(jìn)行擴(kuò)建的前提下，可停車(chē)道位于中間車(chē)道可顯著提升機(jī)場(chǎng)航站樓車(chē)道邊停車(chē)容量。在后續(xù)的研究中還應(yīng)在模型中加入大型客車(chē)專(zhuān)用車(chē)道，并對(duì)其具體駕駛特征進(jìn)行深入分析。