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1. 研究目的与意义（文献综述）

1、 目的及意义

1.1研究背景

近年来，随着社会经济的发展，城市规模急剧扩张，城镇化进程逐渐加快，汽车保有率和交通需求量迅猛增长，道路的建设跟不上日益增长的交通需求，交通拥堵逐渐成为阻碍城市发展的世界性城市病。

公共交通作为一种运量大、占道少、能耗小的交通方式逐渐步入人们的视野，发展公共交通被认为是解决城市交通拥堵问题的重要途径，然而公共交通在机动性、灵活性以及服务水平上均不及私人小汽车，再加上私家车保有率逐年递增，对公共交通的发展市场产生了巨大冲击。为了提高公共交通的竞争力，西方国家率先提出了公交优先发展战略，法国于20世纪60年代开辟了第一条公交专用道。随着经济的快速发展，交通供需矛盾愈演愈烈，世界各大城市也纷纷走上了公共优先的可持续发展道路。我国起步则稍晚一些，1997年才以北京长安街为试点开辟了国内第一条公交专用道。

公交专用道是公交优先发展战略的一项重要措施，在国内外众多大城市中都取得了不错的效果。然而，当公交车发车频率较低时，公交专用道会造成城市道路资源的浪费，尤其是在客运高峰时段，设有公交专用道的路段出现车流密度失衡现象，社会车道严重堵塞，而公交专用道的车辆却寥寥无几。为了降低对社会车辆的负面影响，平衡社会车辆与公交车的路权需求，有学者提出了间歇式公交专用道的概念，仅当路段内有公交车时才禁止小汽车使用，否则允许社会车辆借道行驶。相比于常规公交专用道，间歇式公交专用道虽然可以减少对社会车辆通行效率的负面影响，但是当两交叉口之间路段距离较长时，间歇性专用道仍无法高效地利用道路资源。

为了更好地落实和发展公交优先战略，本文针对常规公交站用道和间歇式公交专用道的缺点，建立了一种基于移动闭塞的共享公交专用道模型，旨在保证公交优先的前提下提高道路资源利用率，减少对社会交通的负面影响。并且还开发了共享公交专用道仿真平台，用于评价本方案的实施效益。

1.2研究意义

本文的研究意义主要体现在以下两方面：

（1）为了缓解日益严峻的交通供需矛盾，在保证公交优先的前提下减少公交优先对社会交通的负面冲击，推动公交专用道的研究和发展，本文建立了一种基于移动闭塞的共享公交专用道，相比于常规公交专用道和间歇式公交专用道，更高效地利用道路资源，体现了社会公平性、经济合理性，更符合公交优先战略的初衷。

（2）随着自动驾驶以及车联网技术的发展，新的驾驶行为和规则不断被提出，传统的交通仿真平台已无法满足需求，人们更加需要一种功能集成度高、扩展性强的仿真平台，可以高效便捷地定义驾驶规则，将车路协同模型的仿真推向一个新顶点。

2、 国内外研究现状

2.1公交专用道

公交专用道最早始于20世纪60年代的法国，之后在西雅图、渥太华、匹兹堡、伦敦、东京、纽约等地相继实施后也都取得了显著的效果^[1]。而我国的城镇化进程较西方发达国家稍慢一些，因此在公交优先领域的研究起步时间也晚了不少。1997年杨晓光等^[2]对公交专用道的设置形式和条件做了深入研究，同年，北京长安街建成了我国第一条公交专用道，实测数据表明，公交车的平均运行车速提高了10%-15%，准点率提高了20%^[3]。

1999年Shalaby^[4]采用TRANSYT7F平台对多伦多的城市主干道进行研究分析后发现，在主干道上设置公交专用道可以显著提高公交车运行效率以及平均速度，但与此同时，社会车辆的路权受到了制约和限制，导致专用道邻近的社会车道变得更加拥堵，延误时间增加。2011年Princeton等^[5]对巴黎的公交专用道的运营情况展开调研也得到了同样的结论，在设置公交专用道后相邻车道的社会车辆行驶时间增加了26%。

公交专用道虽然可以保证公交车的优先性，但是当公交车发车频率低时，公交专用道造成了道路资源浪费，加剧了社会车辆的排队堵塞。为了在保证公交优先的同时减少对社会交通的负面影响，Viegas和Lu^[6-7]于1997年首次提出了间歇式公交专用道（IBL, intermittent bus lane）系统，用可变信息标志和嵌入路面的道钉灯来提醒社会车辆路权分配情况，仅当路段内有公交车时才作为公交专用道，禁止社会车辆驶入，否则允许社会车辆通行。同时，为了避免公交车在交叉口排队停车，IBL系统仍需要信号相位配合^[8-11]才能保证公交车迅速通行。

在间歇式公交专用道上，若公交车前方有社会车辆阻塞，仍会影响公交车的运行速度，对此Eichler等^[12]于2006年提出了预留长度的概念。预留长度是从公交车尾部开始算起，包含公交车及其前方道路的一段固定区间，当公交车前方的社会车辆延误时，公交车可以利用这段距离进行缓冲，从而保持正常车速运行。

2006年，Viegas等在葡萄牙首都里斯本对IBL系统进行了首次示范运营，预留长度始终固定为公交车前方的1400ft（约426.7m）^[13]。里斯本的IBL系统如下图1-2所示，实测交通流数据表明，间歇式公交专用道相比于常规公交专用道高可以提高公交车的运营车速15%-20%^[14-15]，且对社会车辆的影响更小。该系统建设维护成本低廉，一直沿用至今。

相较于常规公交专用道而言，间歇式公交专用道对社会交通的负面影响更小，2012年Zyryanov等^[16]通过对AIMSUN平台进行二次开发，利用实测车流量数据模拟了双向四车道、双向六车道下的间歇式公交专用道运行状况，发现使用了IBL后平均车速可提高8%-10%，尤其是在大流量、平均车速小于20km/h时IBL提速效果显著。

交叉口是城市道路交通的瓶颈，公交专用道在路段和交叉口都应该保证公交优先。在交叉口进口道，为了避免公交车与社会车辆混合排队增大公交车延误，谢秋峰等（2011年）^[17]针对公交车对交叉口道路资源的动态需求特征，提出了间歇式公交专用进口道的控制系统及控制方法，并通过计算得出了不同信号周期长度下设置间歇式公交专用进口道的临界交通饱和度。

与常规公交专用道一样，间歇式公交专用道的适用范围也是有限的。2015年Qiu等^[18]建立了元胞自动机模型分别对未设置公交专用道的路段、设有间歇式公交专用道的路段进行了仿真，通过比较车流速度、密度、通行效率得出了结论：当车流密度处在25-74pcu/km时，适合设置间歇式公交专用道。

间歇式公交专用道是一个复杂的系统，相比常规公交专用道而言，它需要更多的技术手段来支撑。2015年Olstam等^[19]提出了间歇式公交专用道系统的总体设计结构，该系统主要由系统控制单元、用户界面和保障性控制单元三个部分组成，其中，系统控制单元作为技术核心模块，负责接收交通信号信息、公交车信息、传感器信息，并控制间歇式公交专用道的开启和关闭^[20]。目前的科技水平已经完全具备了实施间歇式共享公交专用道的技术条件，但由于其系统较复杂以及操作实施的难度高，仍需进行更多的试点实验后才可大范围推广。

2.2交通仿真技术发展历程

交通仿真技术的本质上还是依赖于计算机的发展水平，因此国内外交通仿真技术的发展主要分为以下三个时间段^[21]，且由于国内对交通仿真技术的研究起步较晚，所以起到关键性推动作用的研究成果大多来自于自国外。

（1） 诞生期：20世纪40-60年代

计算机之父Von Neumann和Ulam于20世纪40年代末发明了世界上第一台电子计算机，紧接着，1949年Asimow和Gerlough率先提出了交通仿真的非正式建议^[22]，而1951年才在英国道路研究实验室完成了第一次正式的交叉口仿真。美国的加尼夫尼亚大学洛杉矶分校也在1953年提出了城市交叉口和高速公路的交通仿真模型。

（2） 发展期：20世纪60-80年代

交通仿真技术在这一时期飞速发展，大量的交通仿真平台问世，甚至有不少著名平台一直沿用至今。

这一时期的交通仿真系统主要是服务于城市交叉口信号优化设计的，1956至1966年美国联邦公路局基于宏观的确定性优化模型开发了SIGOP仿真系统^[23]，并用于研究信号配时的参数优化问题；1963年Gerlough建立了用于道路网络信号配时的TRANS模型；而这个时代最具代表性的还是由英国道路于交通研究所的D.L罗伯逊于1967年开发的微观交通流仿真平台TRANSYT，其主要目的也是用于优化信号配时。

进入70年代后，基于微观交通流模型的交通仿真技术迅速崛起，1971年美国的Lieberman^[24]建立了UTCS-1模型，以随机时间扫描的方式描述车辆运动轨迹，其目的仍是评价路网信号配时方案，1977年Lieberman又在UTCS-1的基础上开发了用于研究城市路网NETSIM微观交通流仿真平台，成为了这一时期的典型代表。另外，美国推出了用于信号交叉口的TEXAS和SIGSIM、用于高速公路的INTRAS，英国利兹大学也开发了用于平面交叉口信号控制的SATURN模型^[25]。

这一时期，德国人在微观交通仿真模型的研究上做了大量的开创性工作，为后来的仿真平台奠定了坚实基础。1968年Wiedemannn就提出了SIM-2模型，用于城市双车道交叉口的定时信号控制仿真，1969-1970年间，Ziegler对其改进得到了SIM-2/S。1974年Wiedemann又提出了著名的跟驰模型INTAC并开发单车道仿真程序INTAC-2，1977年，Hubscheider对INRAC-2进行了参数标定，得到了功能更强的MISSIS平台，用于进行德国高速公路的仿真实验。

（3） 成熟期：20世纪80年代末以后

随着计算机技术的迅速发展和ITS研究浪潮的兴起，世界各国都开始了以ITS为背景的交通仿真平台研究开发，将交通仿真技术推向了高潮。从而出现了大批功能强大、应用广泛的交通仿真平台，如CORSIM、VISSIM、PARAMICS、MITSIM等^[26-29]。

相比于国外的发展趋势，由于我国交通国情的限制，交通仿真长期处于一种未受重视的状态，因此起步较晚。直到90年代后，我国的交通界才逐渐意识到ITS的研究价值，在各大高校和研究机构开展了一系列探索性工作并取得了一定的成果。天津大学的马寿峰等（1998年）^[30]提出了城市路段的跟驰模型并开发了仿真平台；同济大学的邹智军（2000年）^[31]开发了优先控制型交叉口仿真系统，覃煜等（2001年）^[32]研发了高架道路匝道连接区车辆运行GPSS仿真分析模型；吉林大学的魏丽英等（2001年）^[33]提出了面向对象和面向消息传递的分布式离散事件模拟方法；东南大学的王炜等（2001年）^[34]提出了公路交叉口的通行能力分析方法；北京交通大学的陈炜等（2001年）^[35]开发了大规模城市交通仿真系统。

自90年代以来，国内的微观交通仿真研究虽然有了丰硕的成果，但是总体来说，目前国内开发的仿真平台系统功能集成度较低，通常只能用于解决某一特定交通场景下的问题，迄今为止还没有一款被普遍认可或是能解决实际问题的系统仿真平台。

2.3常用的交通仿真平台性能对比

（1） 驾驶行为模型

表1-1 微观交通仿真平台的行为模型比较^[36]

（2） 交通设施描述及通信能力

表1-2 微观交通仿真平台的交通设施描述和通信能力比较

2.4现状研究评述

（1） 公交专用道

通过检索国内外公交专用道的研究情况发现，国外学者的研究起步较早，已在多个城市试点运营了间歇性公交专用道系统，验证了其可行性和有效性；近年来，国内学者也从系统设计、信号控制、适用条件等多个方面对间歇式公交专用道展开了深入研究，达到了世界前沿水平。

从目前国内外针对公交专用道提出的优化方案看来，常规式公交专用道在公交车发车频率低时，不可避免地存在道路资源浪费的问题，而间歇式公交专用道虽然可以打破常规公交专用道的路权垄断，在技术上也具备可行性，但当其应用于长路段时，仍会出现一辆公交车占据整条车道的现象，公交专用道对社会车辆开放的时间较短，路权在时间和空间上的分配不够精准，尚有提升的空间。为了当前的研究基础上继续探索更加高效、公平的公交专用道实施方案，本文建立了基于移动闭塞的共享公交专用道模型，可以在时间和空间上实现路权的动态、精准分配，相比间歇式公交专用道能具有更高的道路资源利用率和通行效率。

（2） 微观交通流仿真平台比选

为了设计出功能集成度高、易于维护、便于扩展的仿真平台框架，本文检索了国内外的多款交通仿真平台并对其模型以及适用范围进行了研究，发现国外的交通仿真技术比国内的更加成熟，这都归功于国外的计算机技术和ITS研究起步较早，因此在90年代就已经研发出了几款功能全面、应用广泛的仿真系统，能适用于多种交通环境，一直沿用至今；而目前国内90年代才开始研究交通仿真模型，且多属于“各自为政”式的自主开发，缺乏团队合作与交流，因此显得比较零散，系统功能的集成度较低，通常只是围绕某个单一的交通问题进行仿真，所建立的仿真平台不能适用于复杂多变的交通大环境。

本文从共享公交专用道模型的仿真需求出发，吸收和借鉴了国外几款常用仿真软件的系统架构以及驾驶模型。在研究过程中发现，VisSim、Paramics和AIMSUN三者的性能较为出众，一方面具备有完善的车辆跟驰、换道、阻塞排队模型，另一方面在交通基础设施的描述能力上也十分出色，但是在驾驶规则的扩展性上有所欠缺。以VisSim平台为例，虽然提供了COM和API两类开发接口，COM接口用于修改仿真参数，API接口用于定义驾驶模型，但是仍存在不少弊端，其一是开发权限不足，用户最多只允许对某一类车辆的驾驶模型进行重新定义；其二是计算机算力浪费，当用户使用外部驾驶员模型时，系统会先后进行两次运算，然后以第二次的计算结果（外部模型）覆盖第一次的结果（系统模型），使得第一次运算时间白白浪费了，仿真效率有待提升。

2. 研究的基本内容与方案

3、 研究内容、方法和技术路线

3.1研究内容

本文的研究内容主要包含以下几个方面：

（1） 共享公交专用道模型

路段上，构建移动闭塞区间长度与公交车实时运行速度的函数关系；交叉口处，利用前置信号相位分离混合交通流，避免公交排队延误。并从驾驶员心理-生理特性出发，建立需求驱动和行为阈值的换道模型。

3. 研究计划与安排

第1~3周：查阅文献，确定研究内容和方法，完成开题报告；

第4周：研究国内外交通仿真软件架构及模型，建立共享公交专用道数学模型；

第5~6周：学习unity3d游戏引擎和c#语言；

4. 参考文献（12篇以上）

参考文献：

[1] 胡润洲.城市公共交通专用道(路): 提高大城市公交运输水平的重要途径[j].城市规划,1997(03):34-35.

[2] 杨晓光,马林.有关城市公交专用道(路)之设计要点及优先控制管理系统[j].城市规划,1997(03):36-37.