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通过微型交通模拟的方法分析城市高速道路
公交车专用道与交汇路段的影响
Xumei Chen; Lei Yu, Ph.D., P.E., M.ASCE; Lin Zhu; Jifu Guo; and Mingzheng Sun
摘要：本文提出了一种微观的交通模拟方法，对由于在城市高速公路上安装专用公交车道（XBL）而导致的交汇部分的能力影响分析。北京有三种典型的XBLs结构，包括：位于道路中央带有公交站台的公交车道，位于道路两侧带有公交站台的公交车道和位于道路两测不带有公交站台的公交车道。然后，在设计模拟场景中，将一般交通的交汇段长度，车间距，主线体积以及越坡和上公交站体积视为参数。最后，执行微观模拟，通过其估计一般交通交汇部分的容量，并评估交汇部分长度和车间时间对容量的影响。发现交汇段长度和行程对不同配置下一般交通的能力有不同的影响。结果还提供了交汇部分的长度和行程在乘客上下公交车比公交车正常行驶的情况下更敏感。
关键词：公交车、堵车区域、城市高速道路、模拟、容量。
介绍
增加公众对于提高道路效率以便移动人而不仅仅是车辆的愿望已经导致促进给予公共汽车优惠的方法。 专用车道（XBL）是旨在提高公共交通速度的措施之一，否则交通拥堵会阻碍公共交通。 由于世界上第一个指定的XBL是在1939年在芝加哥（美国公共交通协会2008）创建的，在发达国家和发展中国家的城市道路网中越来越多的XBL已经投入使用，优先于公共汽车，节省旅行时间在道路拥挤的一般道路上，XBL在综合运输战略中发挥关键作用。然而，它们的一些用途可能是有争议的，因为它们可能降低一般交通的道路容量或增加道路设施对周围区域的影响。它的有效性受到道路基础设施条件、XBL配置、对交通流量的不稳定干扰、交通组成、公交车交通量等的影响。在中国，大多数XBL是建立在城市道路中的。他们的功能已经得到广泛研究并拥有模拟方法。但到目前为止，并没有在任何城市高速公路上实施XBL。 XBLs对城市高速公路的能力的影响预计将不同于城市道路，因为不同的功能，交通条件和不同类型的道路的位置。因此，为了评估在城市高速公路上建造XBL的有效性，需要进行广泛的研究。为了实现这个目标，要解决的一个非常重要的问题之一是确定XBL如何降低一般交通（特别是织造部分）的能力。安装XBLs对一般交通能力的影响是影响城市高速公路XBLs接受的关键因素。然而，关于XBLs交汇部分的能力的影响的研究还没有找到。在这方面，本文的研究旨在使用微模拟方法来研究XBLs对交汇部分的能力的影响。
文献评论
一些国家，如美国和加拿大，在高速公路或高速公路上实施XBL。 Miller（2009）回顾了高速公路上XBL的例子，如在圣伯纳迪诺高速公路中段的El Monte Busway，在Harbour高速公路中线的Harbour Transitway，以及新泽西495和Lincoln隧道的“对流”XBL。沿新泽西495和林肯隧道的XBL是目前在美国最繁忙和最有效率的公交车道（纽约港务局和新泽西州PYNYNJ 2005）。每天，约1,700辆运载超过62,000名乘客的公共汽车使用XBL。在渥太华的主要受控通道高速公路金钟道上的公共汽车道设计为提供快速和可靠的过境服务。因为公共汽车通常使用很少的容量，所以通常也允许汽车和汽车使用公共汽车车道，这产生高占用车辆（HOV）车道（Yue etal。 2003）。在高速公路上实施的XBL或HOV车道实例的这样的例子为中国的城市决策者和交通规划者提供了积极的经验。此外，使用现场测量或模拟，在高速公路或高速公路上使用XBL或HOV车道评估性能。例如，Wattleworth等人（1978）分析了迈阿密I-95 / NW第七大道公共汽车/汽车游泳池示范项目第二阶段对车辆和乘客运动的影响。 Yue等人（2003）开发了一个决策模型，用于确定高速公路优先车道是否可以在当前条件下使用CORSIM模拟方法进行验证。 Cherry等人（2005）使用PARAMICS微观交通模拟模型来分析拟议的HOV车道及其对沿着旧金山湾区的州际公路580（I-580）高速公路走廊的快速公交车运行的影响。 Daganzo和Cassidy（2008）对高速公路车道对高速公路拥堵的合理影响，建议如何在全市高速公路系统上部署HOV车道，并建议更好地规划全市公交车道系统。
在这个研究中，尽管在一些国家发现了在高速公路上安装和评估XBL或HOV车道的实践，但是文献综述发现，与城市高速公路上安装XBL所引起的交汇部分的能力分析密切相关的出版物数量非常有限。一些研究集中在使用不考虑XBL的模拟方法的高速公路或高速公路交汇段的能力分析。 然而，这些研究仍然提供了一些有用的参考文献中的预期研究。 因此，以下文献综述集中在高速公路或高速公路交汇段能力分析的主题。
Stewart等人（1996）评估了INTEGRATION模型织造部分的能力。 Stewart等人（1996）的研究显示了1985年公路能力手册（HCM）程序和INTEGRATION在确定交汇段能力时识别交汇段的关键设计参数方面的差异。后来，Al-Kaisy等人（1999a，b，c）使用INTEGRATION来估计交汇，合并和发散部分的能力。他们描述了使用计算机交通模拟来探讨在一些关键几何和业务变量的影响下这些地区的容量和运行性能行为的模式。 Zhang和Rakha（2005）使用INTEGRATION对影响织造节能力的关键变量进行了系统分析。研究表明，高速公路和匝道之间的速度差对织造段的能力影响最小，因为在车辆容量下，车辆通常不以自由速度行驶。然而，这些研究没有开发用于估计交汇部分的分析程序。 Vermijs（1998）报道了使用高速公路操作模拟开发荷兰高速公路交汇部分的能力标准，荷兰开发的微观模拟软件。通过使用对荷兰织造部分的能力评估有效的微观模拟模型，获得了各种各样的容量值。交汇部分的模拟能力似乎是正常分布的，标准偏差在约200-400车辆/小时/车道的范围内。 Sun等人（2004）描述了使用中国上海的田野数据来模拟CORSIM中的四个交汇部分的努力。考虑中国的车辆性能，路况和驾驶员行为。发现影响模拟精度的主要参数包括自由流速，警告符号位置，间隙接受率，屈服值以及延长机动时间的持续时间。最后，Rakha和Zhang（2006）确定了总共34种不同的织造部分配置，在使用INTEGRATION在宽范围的织造部分长度和行程需求分布的情况下对其进行建模。他们开发了用于估计合并，分叉和交汇段容量的分析模型。
从文献综述中观察到，报告的关于交汇部分能力的研究主要是针对没有XBL的高速公路/高速公路进行的，并且没有现成的参考材料可用于帮助评价交汇部分对 城市高速公路。 因此，有必要设计适当的方法来研究XBL对高速公路一般交通的能力的影响。 本文提出的研究工作首先通过识别一组影响这些区段的能力的关键变量，扩展了具有多级交汇机动的集中湍流区域的容量分析的现有技术程序。 随后，估计了这种交汇部分一般交通的能力，并在VISSIM的协助下分析关键变量对能力的影响。
XBL配置和研究挑战
XBL配置
本研究中的XBL配置应设计为反映城市高速公路的特征。城市高速公路的上公交站和下公交站更加密集。由于需要减轻由交汇行为导致的拥塞，舷梯在城市高速公路中也非常受欢迎。为此，对北京的所有高速公路，包括第二和第三环路高速公路进行了彻底的现场调查。第二和第三环路高速公路在北京是非常重要的走廊，在不久的将来被认为是分配XBL。一般来说，这些高速公路的主干线在每个方向上被划分为三条车道，临街道路（并行设置辅助道路道路）。与此同时，作者调查了北京高速公路上的公交站和公交站的所有配置。大多数公交站和公交站是一条车道。一些公交站非常接近，即使是短到30米的距离，这创造了一个独特的交通交互的场景。
根据调查，本研究中确定了三种类型的XBL配置，如图1所示。 1.它们包括带公交站的配置的中间公交车道[配置（a）]，带有上下公交站的路边公交车道[配置（b）]和具有公交站上配置的路边公交车道[配置C）]。主线在每个方向上有三个车道，在这些配置中，公交站或公交站是一条车道。因为在XBL的存在下，具有开 - 关 - 公交站的中间母线车道不适于织造操作，所以不考虑这种构造。根据现场调查，77.3％的配置属于配置（a）如果中线公交车道增加。如果增加路边公交车道，39.4％的配置属于配置（b），60.6％的配置属于配置（c）。因此，这三种配置是使用XBL的高速公路的最典型的形式。对于配置（a），使用离开/匝道离开或进入公交车道与公交车交通的公共汽车。然而，对于配置（b）和（c），具有车辆的专用车道交汇的公共汽车进入/离开公交站上。如果在图6中没有添加XBL。如图1所示，它是A型交汇的形式。应当注意，在图1中，黑色虚线表示一般的交通和公共汽车允许改变车道。黑色实线表示一般交通和公共汽车不允许改变车道。黄色虚线表示只允许公共汽车改变车道。黄色实线是为一般交通分离XBL和车道的划界线，其中一般交通和公共汽车不允许改变车道。在配置（a）和（c）中，交汇部分被定义为允许公共汽车改变车道的部分，即黄色虚线覆盖部分。在这两个配置中，分别靠近公交站和公交站的织造部分被定义，如图1和2所示。 （a和c）。构造（b）中的交汇部分被定义为覆盖从入口的血管到出口的血管的距离，如图1所示。 1（b）。在图1（a）中，中间的额外路缘车道是紧急车道。 。图1（b）中，阴影线区域表示一般交通使用这些区域进入/离开主线，禁止进入公共汽车站区域。巴士站位于公交站的中间（b）和（c）。
研究挑战
本文的尝试研究面临着几个挑战要解决的微模拟建模，包括高速公路上的不同XBL配置，高容量总线路线，几乎饱和的主线交通和重交通上开/关。除了不存在交通的交叉路口的设计特征之外，城市高速公路的车辆和司机的特性，交通组成和拥堵水平与城际高速公路的特征完全不同，这主要是由于以下事实：城市高速公路通常位于密集的城市地区，具有更复杂的出入口设计和更高的织造和合并操作百分比。因此，本文中构建的微模拟模型需要反映密集的城市地区拥有的那些独特因素。同时，提供XBL使得交汇部分是具有更复杂的湍流的集中区域。除了由进入或离开高速公路的车辆引起的湍流之外，必须考虑进入或离开XBL的公共汽车对一般交通的干扰。进入或退出XBL的公共汽车的数量越大，交通干扰越大，因为主干线上的一般交通必须等待交通的间隙交叉。最后但并非最不重要的是，在确定一般交通的崩溃点方面也存在挑战，这在本研究中被定义为在给定交通运行条件下不能进一步增加一般交通吞吐量的状态。实质上，故障点是在当前条件下的最大吞吐量或容量（Siddique和Khan 2006）。
对于北京高速公路的情况，研究旨在找出在代表真实交通运行条件的各种情景下可以在除XBL之外的车道上适应的一般交通的最大吞吐量。 除了为在城市高速公路上安装XBL引起的一般交通的能力降低找到答案之外，该研究还旨在帮助过境规划者和交通工程师确定城市高速公路上XBL的适当优惠处理和设计。
模拟环境
模拟模型
VISSIM在本研究中被选定用于建模过境操作和织造段操作的强度。 场数据用作模型的输入值，主要包括四个类别：几何，交通特性，主线和开/关公交站交通的优先级规则，以及交通信息。 为了收集用于在不同的XBL配置上构建仿真模型的典型特征和数据，在公路/公交站上和沿高速公路主干线（包括第二和第三环路）进行了几个详细的实地调查。 然后，在广泛的校准之后，将所建立的模型用作评估XBL对一般交通的织造部分的能力的影响的测试台。
VISSIM模型的校准是非常重要的，以便更准确地预测在安装XBL之后北京的城市高速公路的系统响应，这肯定使得交汇部分的交通流紊乱复杂化。校准的目的是使模型重现现有的业务条件。为此，已经进行了两个方面的工作。首先，在分析用于两个总线的回路速度数据和全球定位系统（GPS）速度数据和在低需求条件下的一般传输之后，调整默认期望速度分布。期望的速度分布是重要的参数，其对VISSIM中的道路容量和可实现的行驶速度具有显着影响。校准的期望速度分布在图2中示出。 其次，一般交通分布的下限和上限分别为33和106公里/小时，公交车的上下限分别为30.6和76.5公里/小时。第二，VISSIM中的十个驾驶行为参数在其对交通量和容量的敏感性方面进行了预测试，其中三个具有更高的灵敏度被选择用于校准。它们包括平均停机距离，所需安全距离的附加部分和所需安全距离的乘法部分。在本文中，基于通用算法的校准程序是使用Matlab和Visual Basic（Yu et al。 2006）。在校准过程中，从VISSIM模型和实际高
速公路模拟的一系列交通流量之间的平方误差之和被设计为确定校准精度的指标。校准的平均静止距离，期望安全距离的附加部分和期望安全距离的乘法部分都是2.0m。校准后，模拟体积和观察体积之间的平均绝对相对误差从18.31降低到5.47％，而模拟速度和观察速度之间的平均绝对相对误差从31.2降低到小于12％。关于这种校准的详细描述可以在Chen等人（2007）。这些努力已经导致在VISSIM模型中的一组期望的速度分布和驾驶行为参数，其可以更准确地表示用于该研究的城市高速公路的条件。
情景设计
正如我们前面提到的，考虑三个XBL配置。对于每个XBL配置，详细的场景是为微仿真实现而设计的。在场景设计中考虑一对离线公交站和上斜线。此外，为不同情景的设计确定了四个因素，包括交汇部分长度，车间，一般交通的主干线体积和一般交通的开/关公交站体积。在具有XBL的
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