多车道机场航站楼车道边停车容量研究.pdf

舰 船 电 子 工 程2023 年第 5 期1引言机场航站楼车道边停车位的设置可有效提升旅客乘机的便捷度，但旅客流量的快速增加使得机场航站楼车道边停车需求不断增加，当现有的道路停车设施不能满足逐渐增加的停车需求时，就会形成交通瓶颈，造成大范围的交通拥堵，因此对机场航站楼车道边停车容量的准确评估对于缓解交通拥堵和优化地面交通管理具有重要的现实意义。已有许多国内外学者对机场航站楼车道边的停车容量进行了研究，其中在停车容量计算的数学模型方面，主要采用宏观方法，即将送客车辆作为一个整体来研究，主要采用的数学理论模型有排队论1、时空轨迹理论2、间隙接受理论3、交织区理论4等，在微观层面，利用仿真软件5或者计算机语言编写程序67对停车容量进行评估。航空业务量收稿日期：2022年11月5日，修回日期：2022年12月20日基金项目：2022年度中央高校基本科研业务费专项资金项目（编号：J2022-041）；中国民用航空飞行学院研究生科研创新项目（编号：X2022-21）；大学生创新创业训练计划项目（编号：S202210624256）资助。作者简介：张龙财，男，博士，教授，研究方向：机场运行管理。刘斌，男，硕士研究生，研究方向：机场陆侧交通管理。刘明辉，男，硕士研究生，研究方向：机场旅客应急疏散。徐健平，男，硕士研究生，研究方向：机场旅客应急疏散。多车道机场航站楼车道边停车容量研究张龙财刘斌刘明辉徐健平（中国民用航空飞行学院机场学院广汉618307）摘要机场航站楼车道边送客车辆的换道停车行为会造成道路收缩，形成交通瓶颈，在停车容量达到饱和时很容易造成大范围的交通堵塞。论文从微观角度研究送客车辆的个体行为，考虑送客车辆变道对目标车道前后车辆车速的干扰，基于STCA模型构建改进型多车道机场航站楼车道边停车容量仿真模型，引入强制换道与自由换道选择机制，通过实测数据验证模型的准确性，最后利用所建模型分析了当停车道位于中间车道时对停车容量的影响。仿真结果表明：当停车道位于中间车道时，可显著增加机场航站楼车道边停车容量。关键词机场航站楼车道边；停车容量；STCA模型；停车道位置中图分类号TP391.9DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2023.05.020Study of Multi-lane Airport Terminal Curbside Parking CapacityZHANG LongcaiLIU BinLIU MinghuiXU Jianping（Airport College，Civil Aviation Flight University of China，Guanghan618307）AbstractThe lane change parking behavior of passenger drop-off vehicles at airport terminal curbside can cause road contraction and form traffic bottlenecks，which can easily cause large-scale traffic jams when the parking capacity reaches saturation.This paper studies the individual behavior of passenger drop-off vehicles from a microscopic perspective，considers the interferenceof the lane change of passenger drop-off vehicles on the speed of vehicles in front and behind the target lane，constructs an improved multi-lane airport terminal curbside parking capacity simulation model based on the STCA model，introduces forced lanechange and free lane change selection mechanisms，verifies the accuracy of the model through the measured data，and finally analyzes the impact on the parking capacity when the parking lane is located in the middle lane using the proposed model.Finally，theimpact on the parking capacity is analyzed when the parking lane is located in the middle lane.The simulation results show thatwhen the parking lane is located in the middle lane，it can significantly increase the curbside parking capacity of the terminal.Key Wordsairport terminal curbside，parking capacity，STCA model，parking lane locationClass NumberTP391.9总第 347 期2023 年第 5 期舰 船 电 子 工 程Ship Electronic EngineeringVol.43 No.593总第347期的快速发展，使得机场为满足不断增加的停车需求必须对车道边进行改扩建，车道边也从双车道变成多车道8，传统用于计算车道边停车容量的模型9，理论性较强，且大都从宏观角度出发，不能体现具有人车混行交通特性的复杂交通状况，针对多车道不能动态考虑车辆变道停车行为对周围车辆车速的干扰，不能真实地反映车道边真实的交通状况。因此本文从微观角度研究车辆个体行为，考虑送客车辆速度的瞬时变化以及变道停车行为，加入强制换道与自由换道选择机制，改进STCA模型10的换道规则建立多车道机场航站楼车道边停车容量评估模型，并利用实测数据对模型的准确性进行验证，最后验证了停车道位于中间车道时对停车容量的影响。2航站楼车道边送客车辆停车行为分析机场航站楼车道边（以下均指机场航站楼出发层车道边）是指机场航站楼前供车辆停靠、通行，服务旅客下车的道路设施11，通常由停车道、行车道以及过境车道组成，进入航站楼车道边的送客车辆首先需要从行车道换道驶入目标停车位，停车以后进行旅客下车服务，同时在服务完成后，送客车辆换道再次驶入行车道，最后驶离车道边。对于多条行车道的机场航站楼车道边需要执行多次换道行为，才能进行停车下客服务，图1所示为双行车道机场航站楼车道边布局示意图。车流方向过境车道行车道1行车道2行车道航站楼图1机场航站楼车道边布局模式示意图3多车道机场航站楼车道边停车容量仿真模型STCA模型仅适用于模拟分析双车道的确定性单侧换道问题10，在单向三车道以上的多车道的元胞自动机仿真模型中，这种换道规则不再适用，因此本文在STCA模型基础上加入强制与自由换道规则模拟多车道航站楼车道边送客车辆司机的驾驶行为。3.1模型构建送客车辆进入航站楼车道边后，经历换道停车和换道驶离两个过程，由于航站楼车道边人车混行的复杂交通特性，其中换道停车过程包括判断换道停车条件、送客车辆速度位置更新两个阶段，换道驶离过程包括判断换道驶出条件，产生换道动机，判断换道间距条件三个阶段，对应变量符号及表示含义如表1所示。表1模型变量符合及表示含义变量符号1v（n，t+1）empty_frontx（n，t+1）Parking_gap（j，t）empty_right1empty_right2v（i，j，t），v（i，j-1，t）car3.v（id），car3.x1（id）car3.x2（id），Car.m（id）length_carempty_safePchange_laneCar.x1（id），car.x2（id）Car.v（id）X1-1说明由行车道2进入航站楼车道边的概率第n辆车t+1时刻的速度当前车辆与前方紧邻车辆的间距第 n 辆车在 t+1 时刻所处的位置第j辆车在t时刻与目标停车位之间的间距t 时刻第 j 辆车与目标车道前方、后方车辆的间距车道i第j辆车与第j-1辆车在t时刻的瞬时车速驶出停车位车辆的瞬时车速，车头与车位在道路空间中的位置，车辆所在的车道送客车辆的长度换道安全距离换道概率当前车辆车头与车位所处的位置车辆的瞬时速度停车区域行车道1最晚换道点3.1.1跟驰规则NaSch模型作为元胞自动机中最经典的交通流仿真模型，通过四个简单规则就可以模拟道路交通流的基本特征12。因此本文使用该模型模拟送客车辆在行车道上的跟驰过程。具体演化规则如下：1）加速：V(nT+1)min(V(nT)+1Vmax)2）减速：V(nT+1)min(V(nT+1)d(nT)3）以概率 p随机慢化：V(nT+1)max(V(nT+1)-10)4）位置更新：X(nT+1)X(nT)n+V(nT+1)上式中：V（n，T+1），X（n，T+1）为T+1时刻车辆张龙财等：多车道机场航站楼车道边停车容量研究94舰 船 电 子 工 程2023 年第 5 期的速度及位置，V（n，T），X（n，T）为T时刻车辆n的速度及位置，d（n，T）为T时刻车辆n与当前车道前方紧邻车辆之间的间距，其中，d（n，T）=X（n+1，T）-X（n，T）-Lcar，其中，Lcar为送客车辆占据的单位元胞数量。3.1.2换道停车过程1）判断换道停车条件针对内侧行车道上的送客车辆进入车道边后首先判断与目标停车位之间的距离，当满足式（1）和式（2）时，送车车辆进入停车位进行停车下客服务：parking_gap(jt)v_max（1）empty_front(ijt)=empty_safeempty_right2=empty_safempty_front(ijt)=1（3）当车辆不满足步骤 1）的自由换道规则时，由于车道边人车混行，道路交通状况复杂，尤其在客流高峰时段，无法产生合适的换道时机，为准确模拟车道边送客车辆的换道行为，当送客车辆驶入车道边一定距离后，当车辆到达最晚换道点，即式（4），之后车辆采取停车方式，反之车辆采取降低车速的方式即式（5）。car.x1(id)=X1_1（4）car.v(id)=0p(0ppark)1p(ppark1)（5）2）送客车辆速度及位置更新当内侧行车道送客车辆满足换道条件进入停车以后更新车辆状态及停车位数量，同时记录车辆停车开始服务时间，并随机生成规定时间范围内送客车辆的最短服务时间，规则如式（6）所示：car.v()id=0lane()car.m()id+1 car2.x1()id=-1lane()car.m()id+1 car2.x2()id=-1car.T1()id=tpark_time=randi()110drive_in_car=drive_in_car+1（6）外侧行车道送客车辆满足换道条件，换道进入内侧行车道，更新车辆的位置如式（7）所示，送客车辆的速度及位置按照跟驰规则进行更新。lane(car.m(id)+1 car.x1(id)=-1lane(car.m(id)+1 car.x2(id)=-1（7）3.1.3换道驶离过程送客车辆在完成下客服务后，驶出停车位进入行车道，根据道路当前环境状况选择换道或者直行，直至驶离车道边。1）判断换道驶出条件在停车服务完成后，送客车辆在满足换道条件下，即式（8），直接换道进入行车道2；或者当送客车辆所在停车位前存在空闲停车位时，送客车辆可前行一段距离，然后向右前方行驶进入行车道，即满足式（9），车辆由停车道驶入行车道2。empty_left_back=0empty_left_front=2lane(car.m(id)-1car.x1(id)=0（8）empty_front=2lane(car.m(id)car2.x1(id)+length_car)=0（9）若不满足驶出停车位条件，车辆只能在原停车位上进行等待，在下一次循环时，重新判断。送客车辆进入行车道2以后更新车辆状态信息及停车位数量更新，即式（10）。car3.v(id)=min(car2.v(id)+2 v_max)car3.x1(id)=car2.x1(id)+car3.v(id)car3.x2(id)=car3.x1(id)-length_car+1car3.m(id)=car.m(id)-1（10）2）产生换道动机当送客车辆再次进入行车道以后，车辆期望在满足安全条件下快速驶离车道边，当前方车辆不能满足当前车辆对期望速度的追求时，就会产生换道动机，即式（11）和式（12）。empty_left_front=empty_front（11）V(ijt)V(ij-1t)（12）对于外侧行车道车辆当满足下述条件时，产生换道动机，即式（13）。empty_right_front=empty_front（13）3）判断换道间距条件95总第347期判断换道车辆与目标车道前后紧邻车辆间距是否满足换道条件，即式（14）。当满足换道条件后，更新车辆的位置状态，即式（15），然后执行车辆跟驰规则，当车辆不满足换道条件时，车辆仅执行跟驰规则。empty_right_back=empty_safeempty_right_front=empty_front（14）lane(car3.m(id)+1 car3.x1(id)=0lane(car3.m(id)+1 car3.x2(id)=0（15）因为送客车辆在驶出车道边后，不存在车辆混行的交通状态，车辆会以期望速度驶离车道边，防止乒乓变道现象的产生，设置变道概率，在满足换道条件下，同时满足式（16），才能执行换道行为。p=rand()Pchange_lane（16）4仿真验证4.1数据采集对某机场航站楼车道边的规模进行实地观测，获得该机场航站楼车道边及车辆状态相关参数如表2所示。表2航站楼车道边布局及车辆状态参数参数车道边长度/m车道数量/条车道边宽度/m停车位长度/m有效停车位数量/个车辆平均占用长度/m（小型汽车）车辆最大行驶速度/（kmh-1）车辆最大停靠时/min参数值32241074285034.2仿真环境设置本文构建模型采用开放式边界条件，送客车辆驶出航站楼车道边即驶离仿真系统。每次循环以概率p产生车辆随机进入行车道1或者2，每辆车占据两个元胞，停车落客时间设置为数据采集中最大与最小中的随机值，基本参数设置见表3，为防止随机因素产生的干扰，选取50008600时间步的仿真结果作为停车容量的仿真值，并将10次仿真结果的算数平均值作为有效仿真值。表4统计了在50008600时步的航站楼车道边停车容量的10次仿真结果的算数平均值及与实测值之间的误差，可以看出本文所建模型的仿真结果与实际观测结果的误差较小，因此本文构建的车道边停车容量仿真模型可有效计算双行车道的车道边停车容量。表3仿真参数设置变量单位元胞尺寸/（mcell-1）车身长度/cell车道数量/条停车下客服务时间/min最大行驶速度/（kmh-1）仿真精度/s随机慢化概率p车辆驶入行车道2的概率p2取值3.524（42，150）s31s0.30.5表4仿真结果与实测数据对比实测值/pcuh-11211仿真值/pcuh-11289相对误差/%64.3停车道的不同位置对停车容量的影响分析为进一步研究停车道的不同位置对停车容量的影响，设置停车道位于内侧车道与中间车道两种方式，分析其对停车容量的影响，停车道位于中间车道的航站楼车道边布局模式如图2所示。过境车道行车道1行车道2行车道航站楼图2停车道位于中间车道的航站楼车道边布局模式示意图停车道位于内侧车道和中间车道的仿真结果对比如图3所示。由图3可知，当停车道位于中间车道时，停车容量明显增加，因为当停车道位于中间车道时，送客车辆由一侧行车道换道驶入目标停车位，当服务完成后，送客车辆直接驶入另一条行车道，直至驶离车道边，避免了驶入与驶离停车位车辆之间的冲突，因此在车道边规模不变的前提下，可有效提升航站楼车道边停车容量。012345678910仿真次数/次180017001600150014001300120011001000停车容量/（辆/h）停车道位于内侧车道停车道位于中间车道图3停车道的不同位置导致的停车容量变化对比图张龙财等：多车道机场航站楼车道边停车容量研究96舰 船 电 子 工 程2023 年第 5 期5结语为完善多车道机场航站楼车道边停车容量的评估方法，通过对机场航站楼车道边送客车辆的停车行为进行分析，基于改进的STCA模型构建多车道机场航站楼车道边停车容量仿真模型，通过实测数据验证了模型的准确性，最后利用本文模型验证了当停车道位于中间车道时对停车容量的影响。仿真结果表明，在车道边规模不进行扩建的前提下，可停车道位于中间车道可显著提升机场航站楼车道边停车容量。在后续的研究中还应在模型中加入大型客车专用车道，并对其具体驾驶特征进行深入分析。参 考 文 献1柳伍生，周和平.机场陆侧出发层车道边通行能力分析J.交通科学与工程，2010，26（2）：98-102.2王茹.机场航站楼车道边容量评估 D.天津：中国民航大学，2016.3欧阳杰，王茹.基于可接受间隙理论的机场出发层车道边容量评估 J.科学技术与工程，2015，15（29）：193-198.4张振飞.枢纽机场陆侧车道边容量评估 D.天津：中国民航大学，2019.5Liu S，Zhou C，Rong J，et al.Measuring the Length of aTwo-Lane Curbside Based on Traffic Features J.Transportation Research Record Journal of the TransportationResearch Board，2020，2674（4）：290-599.6李新刚.基于元胞自动机模型的交通系统微观建模与特性研究 D.北京：北京交通大学，2010.7Harris T M，Nourinejad M，Roorda M J.A MesoscopicSimulation Model for Airport Curbside ManagementJ.Journal of Advanced Transportation，2017：1-19.8郑文昌.机场出发车道边布局模式及规模分析 J.交通与运输，2021，37（03）：12-16.9亚历山大.T.韦尔斯，赵洪元.机场规划与管理 M.北京：中国民航出版社，2004：10-26.10邓建华，冯焕焕，葛婷.多车道元胞自动机换道决策模型的冲突处理策略 J.交通运输系统工程与信息，2019，19（04）：50-54.11王茹，赵明明.机场陆侧车道边布局模式研究 J.交通企业管理，2016，31（04）：4-7.12Nagel K，Schreckenberg M.A cellular automaton modelfor freeway trafficJ.Journal de Physique I，1992，2（12）：2221-2229.投 稿 约 定1.来稿切勿一稿多投。编辑部收到稿件之后，15个工作日内通过电子邮件回复作者。如果一个月内没有收到审稿回复（主要通过电子邮件，特别需要者可寄送纸质录用通知），则请与本刊编辑部联系确认。2.来稿文责自负。所有作者应对稿件内容和署名无异议，稿件内容不得抄袭或重复发表。编辑部对来稿有权作技术性和文字性修改，实质性内容修改需征得作者同意。3.请作者严格遵守国家有关保密法规，文稿须经作者所在单位保密审查后才能刊载。发表后的文稿若出现泄密问题，由作者自行负责。4.论文一经发表，赠送当期样刊贰册。5.本刊已许可有关合作单位以数字化方式复制、汇编、发行并由互联网传播全文，不存在相关著作权使用费用问题。作者向本刊提交论文发表的行为视为同意我刊上述声明。97