基于元胞自动机模型的公交车在站延误研究

石 琴, 刘魏娜, 黄志鹏

(合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥 230009)

基于元胞自动机模型的公交车在站延误研究

石 琴, 刘魏娜, 黄志鹏

(合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥 230009)

文章运用元胞自动机模拟公交停靠站站长及公交车在站停靠乘客上下车的过程,考虑交叉口与公交车站距离过近致使公交车成簇式到达对停靠站的影响,并改变站台容纳数和乘客到达数量得到相应的公交车站内站外延误。对模拟得到的延误数据进行分析,结果表明当公交车成簇式到达时,站台容纳数的增大并不能根本改善公交车在站延误,且使公交车站内延误增大。模拟结果说明公交车在停靠站的到达状况对公交车在站延误具有决定性作用,对公交停靠站的改善应充分考虑交叉口对公交车行车及停靠站的影响。

元胞自动机模型;公交停靠站;簇式到达;公交车延误;站台容纳数

目前对公交车在站延误与停靠时间的研究与分析主要是从乘客上下车所耗费时间、站台形式、站台组织、公交车型、收费方式及车上拥挤度等方面入手[1-6],但对这些因素的研究并不能从根本上改变公交车站外排队和站内受阻滞的状况。文献[7,8]则着重提出交叉口与公交停靠站过近这一不合理设置,但主要是考虑此种设置方式对交叉口及路段交通流的影响,本文则是考虑公交站点与交叉口距离过近导致公交车出现短时集簇现象,从而致使公交车到达停靠站后出现严重的在站延误。

由于交通流元胞自动机是以离散方式来描述交通流离散状态的仿真模型,且其有利于描述车辆微观运动,故本文利用元胞简单易操作特性模拟公交停靠站,实现公交到站、乘客上下车、站台容纳数改变等过程,通过对得到的模拟延误时间的分析,说明公交车在站到达这一因素对公交车在站延误有着决定性作用。

1 延误分析

公交车延误的主要影响因素可分为限定和非限定因素:限定因素如公交车在站台的到达情况、站台所能容纳的车辆数等;非限定因素如其它机动车对公交车进站的影响、乘客流的混乱和不连续造成车辆等待乘客到达目标公交车、前车阻滞造成额外等待时间等。

因此,本文在模拟公交车在站延误时,主要考虑公交车在站到达和站台容纳数2个因素,并将公交车在站延误分为站内延误和站外延误,站外延误主要是指车辆排队引起的站外排队等待时间,站内延误主要是指乘客上下车引起的前车阻滞。

2 公交车在停靠站的到达特性

公交车在停靠站的到达是指在一段时间内公交车到达停靠站时所呈现出的规律。由于公交车每条线路在发车点发车间隔均匀,且每条线路发车频率不具有相关性[9],故理论上可认为公交站台上各线路在停靠站的到达服从泊松分布。但公交车在实际行车过程中受交叉口及其它车辆的影响,在研究中并不能使用平均到达率简单地描述公交车在停靠站的到达状况。本文从实际出发,说明公交车在停靠站的到达状况对公交车在站延误研究的重要性。

3 模型建立

模型定义在一段有限长度的一维格子上,每个格子代表公交停靠站上的一段道路。假设站台上可容纳的车辆数为c,以当前城市广泛使用的公交车为例,车长12m,车辆停靠的安全间距为2 m,则一个停车位长14 m,一个元胞代表的长度为2m,即一个停车位占据7个元胞,则站台上可容纳公交车停靠的元胞数为7c,一个时步对应时间1 s。用i表示元胞位置,用j表示公交车的序号,用bn(t)=1/0表示元胞n在t时步的状态。1表示该元胞已被车辆占据或不能停车;0表示空,可停车。图1所示为模型示意图(图中所标示的车辆位置为车头所占元胞位置)[10]。

图1 公交停靠站模型示意图

在从t→t+1的过程中,按照下面的规定进行更新:

(1)乘客到达停靠站的过程。对于所研究的停靠站,概率为 μ,则

其中,Nps(t)表示在t时刻停靠站上等待上车的乘客数;μ表示乘客到达的概率;rand表示产生的随机数。

(2)元胞占据情况。若某时步公交车j到达停靠站,若b(n)=0(n≤7c),则公交车j可进入停靠站,假设车头所占元胞序号为 i,则b(n)=1(n=i,i+1,…,i+6),若(i+6)≥7c,则表明此时停靠站上已停满了车辆,所有的元胞被占据;若b(n)=1(n=1,2,…,7c),则表明站上无空位,车辆需要站外排队等待进站。当站内车辆完成上下客驶离车站时,b(n)=0(n=i,i+1,…,i+6)。

将t时步到站的第j辆公交车上的乘客数记作N pb(j,t),当车辆停靠开始上下客时,假定下车的乘客数目由(2)式来决定:

由此,上车的乘客数目为:

公交车j完成上下客所用的时间为:

此时停靠站上的乘客数为:

(2)～(5)式中,α为反映从公交车j下车的乘客占原乘客数比例的参数;β为反映上公交车j的乘客占原停靠站上的乘客比例的参数;η为反映从公交车j下车的乘客中在此站转乘其它公交车的乘客的比例参数;γ和δ分别为单位乘客平均下车时间和上车时间,为了与现实中单位人次的上车时间要比下车时间长的情况相一致,使δ＞γ;M为公交车的承载能力。

本模拟中考虑公交车承载能力使其更贴近现实中公交车及站台上乘客数的变化[10,11],并将M、η、δ、γ等参数设置为模拟固定参数,将模拟时步数、公交车簇平均到达间隔、公交车站台容纳数与乘客到达率设为可变参数。

4 模拟结果及讨论

图2所示表示了公交站台上乘客数量的变化过程。从左至右表示时间的演化方向,从下至上表示乘客数目增长的方向,为了能清楚表示公交站台乘客数目的变化趋势,特将产生的乘客数量扩大50倍后表示在图上。图中A和B表示同一时步的2个不同意义点,(A-B)表示公交车簇到达停靠站后上车乘客的数量(现实中,乘客上下车需耗费相应时间,但模拟中用一个时步表示乘客上下车,元胞状态更新时则考虑公交车在站服务时间),且此时步表示有公交车簇到达停靠站,t表示公交车簇的到达间隔。由图2可以看出,在公交车簇到达以前,站台上乘客数量一直处于累计状态,当公交车簇到达时,公交站上乘客数量产生突变。由于到达的公交车数量和等待上车乘客数量都较多,易造成上车乘客流的混乱及公交车等待乘客上车的状况,使得更大程度地增加公交车的在站延误,造成恶性循环。

图2 公交站台乘客数量随时步变化

乘客到达率为0.5时,改变站台容纳数得到不同的平均站内延误和站外延误,如图3所示。

图3 公交车平均在站延误时间与站台容纳数变化关系

由图3可看出,随着站台容纳数的增加,公交车平均站外延误显著减小,公交车平均站内延误显著增加。这是由于公交车成簇式到达,一次到达停靠站的数量较多,当站台容纳数增多时,站内公交车的数量增多,因此造成站内靠近停靠站入口处公交车辆更容易受前端出口处车辆的阻滞;站外排队公交车数量则相对减少,因此产生站外延误的公交车辆也随之大大减少。

在乘客到达率为 0.5、0.7、0.9情况下改变站台容纳数时公交车平均站内延误和站外延误的变化趋势,如图4和图5所示。图 4、图 5中公交车平均站内外延误曲线走势与图3曲线走势相合。但由图4、图5可知,在同一乘客到达时,公交车的平均站内延误和站外延误之和在不同的站台容纳数时大致相同,站台容纳数的增加并不能改善公交车在站总延误状况,只能改善公交车站外排队情况,但同时也会加剧公交车站内受阻滞情况造成站内延误增加。此种情况下,站台容纳数的改变只是重新分配了公交车站内延误时长 t1和站外延误时长t2。

图4 平均站内延误随站台容纳数改变的变化趋势

图5 平均站外延误随站台容纳数改变的变化趋势

导致这种状况发生的根本原因是公交车在停靠站成簇式到达,在此情况下,站台容纳数的改变只是表面上改变了站内与站外排队的公交车的数量,公交车在站延误情况并不能得到根本改善。

5 结 论

(1)由交叉口因素所引起的公交车在停靠站成簇式到达时,站台容纳数的增大并不能从根本上改善公交车在站延误状况,公交车在停靠站的到达状况对公交车在站延误具有决定性作用。

(2)站台容纳数的增大能改善公交车站外排队的情况,但容纳数过大不仅占用很多道路资源,也不利于公交车在站内的组织,易引起乘客流的混乱,使站内延误增大。

(3)对公交车站及公交线网的改善应结合该路段乘客流量设置合理的公交站点与站台容纳数,避免与交叉口过近,并根据乘客对线路的需求使公交车在停靠站的到达合理化。

本文通过模拟说明公交车在停靠站的到达对公交车在站延误的重要性及交叉口对公交停靠站的影响,对现实公交路线及停靠站的改善有一定的指导意义,但对于公交车在站到达状况、公交站点在整个线网中的合理设置、根据公交车到达特性设置合理站台容纳数等问题及其相互间制约关系还有待进一步研究。

[1] 马宏伟,李刚炎,胡 剑,等.城市公交停靠站时间延误分析与对策[J].公路与汽运,2006,12(6):25-27.

[2] 王 希.城市公交站点延误统计分析及对策研究[D].西安:长安大学公路学院,2007.

[3] 朱 袆,陈学武.多线路公交停靠站点车辆延误分析与对策[J].中国市政工程,2002,6(2):7-9.

[4] 韩宝睿,林 丽,范 啸.公交停靠站车辆延误的调查分析[J].城市交通,2004,2(4):68-71.

[5] 李 娜,陈学武.公交车中途停靠站停靠能力及设计站长计算初探[J].土木工程学报,2003,36(7):72-77.

[6] 吴 叶,徐大刚.公交停靠站停靠时间特征分析[J].公共交通,2007,(12):78-80.

[7] 彭国雄,莫汉康.城市公交停靠站设置常见问题及对策[J].交通运输工程学报,2001,1(3):77-80.

[8] 姜 平,石 琴,陈无畏,等.基于Elman型回归神经网络的公交客流预测[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2008,31(3):340-343.

[9] 柏海舰,李文权.常规公交站台容纳线路能力计算模型[J].东南大学学报:自然科学版,2007,37(6):1077-1080.

[10] 宋 颂,韩 东,马学森,等.基于无线传感器网络的智能公交系统[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2008,31(1):21-24.

[11] Jiang Rui,Hu M aobin,Jia Bin,et al.Realistic bus rou te m odel considering the capacity of the bus[J].The European Phy sical Journal B,2003,34:367-372.

Research on busdelay based on cellular automaton model

SH IQin, LIU Wei-na, H UANG Zhi-peng

(School of Machinery and Automobile Engineering,H efei University of Technology,H efei 230009,China)

The length of the bus stop and the process of passengers'getting in and out of buses are simulated based on the cellular automaton model.The cluster arrivalof buses at the bus stop at one time is considered,w hich is caused by close distance between the intersection and the bus stop.The data of bus delay on and out of the bus stop aregotten by varying the num ber of bus stop capacity and passengersarriving at bus stop.The bus delay data obtained indicate thatwhen toomany busesarrive at the bus stop at one tim e,thew ay o f increasing bus stop capacity number cannot imp rove the situation of bus delay radically,instead itmakes the delay on the bus stop longer.The sim ulation results show that the bus arrival status at the bus stop has determinant effect on the bus delay,so the influence of the intersection on bus traveling and bus stop should be taken into accountwhen redeveloping the bus stop.

cellular automaton model;bus stop;cluster arrival;bus delay;bus stop capacity number

U491.1

A

1003-5060(2011)01-0010-04

10.3969/j.issn.1003-5060.2011.01.003

2010-02-02

国家自然科学基金资助项目(70771036)

石 琴(1961-),女,安徽蚌埠人,博士,合肥工业大学教授,硕士生导师.

(责任编辑 吕 杰)