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原文传递面向动态车道路权共享协作的公交专用道时分复用方法研究

论文题名：	面向动态车道路权共享协作的公交专用道时分复用方法研究
关键词：	公交专用道;时分复用;动态车道;路权共享
摘要：	随着城市机动车数量的日益增长，交通拥堵已成为一个不可忽视的社会问题。发展公共交通系统、保证公交优先是缓解城市交通拥堵、减轻空气环境污染的有效方法。设置公交专用道作为推行公交优先的主要措施之一，是保障公交路权优先、运行畅通的重要抓手，在实现公交的路权优先方面收效显著。然而随着城市道路资源日趋紧缺，公交专用道时段性闲置引起的车道资源浪费现象，对城市交通体系带来了副作用，阻碍了公交车道的进一步推广。为缓解公交优先与社会交通对道路资源迫切需求之间的矛盾，动态公交车道（或称间歇式公交专用道）系统应运而生。然而，就目前而言，现有的动态公交车道研究尚处于发展的初级阶段，相关系统研究还较为粗浅，其方法体系、机理、适用性仍尚待探索和深化。　　有鉴于此，论文由数字信号通信中的时分复用原理受到启发，以动态车道路权协作分配和公交车道间歇开放为切入点，从机理、方法、效果、实例四个方面出发，开展了面向动态车道路权共享协作的公交专用道时分复用方法研究，以实现公交/普通车道在保证公交优先前提下，允许社会交通动态借道共享的目标，进而推进公交优先，缓解交通拥堵。文章的主要研究工作如下：　　（1）为弥补现有动态公交车道控制策略在理论和技术实施上所存在的局限性，提出了基于路权优先级的公交专用道时分复用控制策略，并建立了较为完整的公交专用道时分复用理论及方法体系。首先，对基于路权优先级的公交专用道时分复用概念进行了阐述，初步提出了公交专用道时分复用控制理念；在此基础上，从系统的角度概述了公交时分复用车道的组织架构和技术实现；随后，基于现有动态公交车道控制策略的局限性分析，面向车道路权的共享协作，提出了基于路权优先级的动态时间片划分策略和车道路权空间片划分方法；进一步，为了将相对抽象的路权时间片结果转换为具体的VMS（Variable Message Signs）控制策略，提出了公交时分复用车道的VMS动态控制策略；最后，针对时分复用控制策略中的各关键参数进行了优化分析，并分别给出了具体的参数确定方法。　　（2）为探究所提出的公交专用道时分复用控制策略的有效性，从微观建模的角度评估了车道的运行效果，并对其运行机理进行微观解析和理论分析。其中，分别构建了公交专用道（Dedicated Bus Lane,DBL）、间歇式公交专用道（Intermittent Bus Lane,IBL）和公交时分复用车道（Bus Lane with Time Division Multiplexing,BLTDM）三种车道控制策略的元胞自动机交通模型；针对模型中的微观细节，提出了一种基于驾驶员换道心理分析的模糊逻辑换道概率模型以适应上述交通场景下的车辆换道建模；结合交通仿真实验，对比分析了上述三种车道控制策略下的路段交通流特性，并对各控制策略车道的运行效果及适用流量范围进行了定量评估，给出了各车道控制策略的实施指标。研究结果表明，IBL和BLTDM策略在一定交通条件下可以优化DBL路段的交通状况；相比于IBL，BLTDM的适用流量范围更广，对公交运行频次的适应性更强，且能够平衡交通流的稳定性，这说明BLTDM策略比IBL策略具有更大的应用优势，同时也证明了BLTDM策略的可行性和优越性。　　（3）针对当前动态公交车道工程应用缺少设置标准及依据的问题，提出了一种面向公交时分复用车道的设置条件确定方法。首先，基于车道设置目的及特性，分别针对车道的道路适用特性和交通适用特性进行了定性分析，得到：其道路设置条件为单向3车道以上路段，而交通设置条件为高交通饱和度和低公交车流量；进一步，为获取明确的交通设置条件量化区间和设置指标，建立了公交时分复用车道交通设置条件临界模型；最后，以杭州市某路段作为案例，对该路段公交时分复用车道的交通设置条件进行实例分析，获取了该路段车道交通设置区间，并给出了相应的车道设置建议，数值分析结果验证了临界模型的可行性，同时评估了设置前后车道的运行效果。　　（4）为降低公交时分复用车道运行过程中由车辆路权争夺冲突所导致的负面效果，面向动态车道的路权协作优化，提出了一种车联网环境下的车辆博弈换道协作策略。在捕捉和分析驾驶员不同换道类型的行为特征及驾驶期望的基础上，建立车辆换道协作博弈模型，通过求解模型的纳什均衡输出最优的换道协作方案；特别地，设计了一种换道收益变量标准化的评估方法，并在强制换道中引入了与换道压力相关的协作激励用于构建收益函数；然后，基于实测交通数据对模型中的权重系数进行校准和检验，检验结果显示，模型的平均绝对误差百分比在10%以内，具有良好的准确性和可靠性；最后，搭建交通仿真环境，仿真并对比了有/无换道协作策略两种情况下的公交时分复用车道路段交通，仿真结果表明，所提出的车辆博弈换道协作策略可以有效提高车辆的换道和通行效率，提升路段的通行能力，进一步提高了公交时分复用车道的运行效益。　　（5）为提供可行的车道系统实现方案和实践经验，开发了公交专用道时分复用系统并对其应用实验进行了分析与评估。首先，基于系统的需求分析，对车道系统的实现方案及总体架构进行设计；随后，在GIS平台上对系统各功能模块及子模块进行了具体地开发与实现；最后，对公交专用道时分复用系统的应用实验进行了统计分析和运行评估，实验发现，实施公交专用道时分复用系统并不会对原有公交专用道中的公交行驶造成影响，并且可以通过开放公交车道，缩短社会车辆的路段行程时间，从而提高路段的整体交通效率，尤其是在高峰交通时段效果显著。这也进一步验证了公交专用道时分复用方法在实际道路应用中可以在保证公交优先的前提下，有效地挖掘公交专用道中空余的道路资源，提高公交车道的利用率。
作者：	赵晨馨
专业：	机械工程
导师：	董红召
授予学位：	博士
授予学位单位：	浙江工业大学
学位年度：	2020