Quy hoạch mạng lưới đường - Chương 4: Phân bổ nhu cầu vận tải (trip distribution)

,57 Tổng số hành khách trên một chuyến métro trong giờ cao điểm chọn sử dụng xe đạp 19 24 % chọn đi bộ trong nhóm người có nhiều lựa chọn gồm 316 người 0 0 Tổng số hành khách trên một chuyến métro trong giờ cao điểm chọn đi bộ 59 59 Trường hợp này, tỷ lệ và số lượng hành khách ứng với tuyến metro trong giờ cao đỉểm đến ga Bến Thành chọn sử dụng xe bus thay đổi không đáng kể, chỉ giảm 01 người. Số lượng hành khách lựa chọn sử dụng xe máy giảm đi 4 người. Số lượng chuyển sang sử dụng xe đạp, số lượng chọn sử dụng xe đạp tăng thêm 5 người. Như vậy, với sự thay đổi, dao động của biến số chi phí (các biến số khác cũng có thể thực hiện tương tự trong trường hợp cần nghiên cứu) ở năm nghiên cứu vì chính sách nhà nước thay đổi, do biến động giá cả ... ta có thể dể dàng điều chỉnh mô hình phân tích hành vi lựa chọn phương thức đi lại tiếp chuyến của hành khách từ tuyến métro Bến Thành – Suối Tiên đến ga Bến Thành. Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 14 CHƯƠNG 6 PHÂN CHIA LƯU LƯỢNG TRÊN TOÀN BỘ MẠNG LƯỚI Bước cuối cùng trong chu kỳ dự báo 4 bước liên quan tới việc lựa chọn của hành khách về tuyến nối giữa hai vùng đi và đến đối với một phương thức vận tải nào đó. Bước này có thể xem như mô hình cân bằng giữa nhu cầu đi lại (Vijm) được tính toán ở bước trước và cung của hệ thống giao thông trên khía cạnh về hạ tầng giao thông trong trường hợp mạng lưới vận tải công cộng thì người ta sẽ tính toán tần suất dịch vụ. Lý thuyết kinh tế có thể được áp dụng trong các bước trước. Phân chia lưu lượng trên toàn bộ mạng lưới là quá trình xác định lưu lượng cho các tuyến của mạng lưới giao thông. Hình 6.1 minh hoạ bước này. Hình 6.2 Đầu vào và đầu ra của quá trình phân chia lưu lượng trên toàn mạng lưới. Số lượng tuyến nối giữa các cặp vùng phụ thuộc vào phương thức vận tải. Đối với vận tải bằng phương tiện cá nhân lái xe có rất nhiều tuyến và hoàn toàn tự do để lựa chọn. Còn vận tải hành khách công cộng cho phép một số giới hạn các tuyến để chọn lựa mà thôi. Người ta cố gắng mô phỏng giao thông di chuyển trên mạng lưới hiện tại và tương lai. Phương pháp: • Đường ngắn nhất; • Phương pháp hạn chế theo năng lực tuyến (được sử dụng phổ biến hơn cả) Hành vi chọn tuyến: Yếu tố quyết định việc ấn định lưu lượng trên toàn bộ mạng lưới phụ thuộc vào quan điểm về hành vi lựa chọn tuyến của người sử dụng vận tải. Năm 1952 Wandrop đã phát triển hai nguyên tắc độc lập về hành vi chọn tuyến. Nguyên tắc thứ nhất là người ta sẽ chọn đi theo tuyến nào có thời gian đi lại ít nhất. Nguyên tắc thứ hai cho rằng việc ấn định lưu lượng trên các tuyến được thực hiện sao cho thời gian đi lại trung bình của tất cả các người sử dụng trên mỗi cặp ij là như nhau. Quan điểm thứ nhất là quan điểm cân bằng người sử dụng theo đó người sử dụng cố gắng Đặc điểm của mạng lưới: các tuyến và các nút Vijm Mô hình phân chia lưu lượng trên toàn mạng Vijm,r Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 15 tối thiểu hoá thời gian đi lại của họ. Quan điểm thứ hai là quan điểm cân bằng hệ thống giao thông, theo đó tổng chi phí sử dụng hệ thống giao thông là tối thiểu. Khái niệm quãng đường ngắn nhất và chi phí tối thiểu liên quan đến thời gian đi lại, trong công thức chi tiết người ta sử dụng khái niệm chi phí quy đổi, bao gồm thời gian đi lại, nhiên liệu tiêu thụ, giá vé, tốc độ trung bình, số lần đỗ Một phát triển sau nữa về nguyên tắc cân bằng đã chấp nhận sự thật rằng người sử dụng chỉ được cung cấp một số thông tin hạn chế về mạng lưới khi quyết định chọn phương thức vận tải cũng như tuyến đường đi giữa hai cặp điểm. Do vậy sẽ là logic hơn nếu chúng ta dựa trên quan điểm cân bằng người sử dụng, theo cách này mỗi người sử dụng ấn định cho mình con đường mà họ nghĩ là ngắn nhất, người ta gọi là quan điểm cân bằng động. Tác động của 3 quan điểm này đối với mạng lưới là hoàn toàn khác nhau. Theo quan điểm cân bằng người sử dụng, tất cả các tuyến được sử dụng nối giữa điểm xuất phát và điểm đích đều có thời gian đi lại (hoặc chi phí) bằng nhau, trong khi các tuyến không được sử dụng nối giữa hai cặp điểm này sẽ có thời gian đi lại lớn hơn. Điều này có nghĩa là có khá nhiều tuyến nối giữa hai cặp điểm sẽ không có lưu lượng giao thông đi qua. Theo quan điểm cân bằng hệ thống, tất cả các tuyến nối giữa hai cặp điểm xuất phát điểm đích sẽ được đánh giá và lưu lượng được ấn định trên các tuyến này sao cho tổng chi phí hoặc thời gian đi lại của toàn bộ hệ thống là tối thiểu. Quy luật về quan điểm cân bằng này rất có ích đối với quá trình quy hoạch khi lưu lượng giao thông lớn, ví dụ như quy hoạch thời gian cho mạng lưới đèn tín hiệu, quy hoạch các làn đường, điểm giao cắt khác mức, và các bộ phận cấu thành khác nhằm khuyến khích giúp tối thiểu hoá thời gian chi phí đi lại, hạn chế ô nhiễm hạn chế tắc đường. Cuối cùng, theo quan điểm cân bằng động, tất cả các tuyến có thể nối giữa hai cặp điểm sẽ được ấn định lưu lượng tuỳ thuộc mức trở ngại của tuyến, nếu hai tuyến có cùng mức trở ngại giao thông thì hai tuyến đó sẽ được ấn định lưu lượng như nhau; nếu tuyến r1 có mức trở ngại giao thông lớn hơn tuyến r2 thì tuyến r1 sẽ có lưu lượng nhỏ hơn tuyến r2. 6.1 Phương pháp ấn định lưu lượng cho tuyến ngắn nhất Còn gọi phương pháp phân tất cả hoặc không phân gì cả, phương pháp này đòi hỏi tìm tuyến đi ngắn nhất hoặc tuyến có mức trở ngại giao thông tối thiểu giữa hai cặp điểm. Điều này được thực hiện bằng cách xác định các tuyến nối giữa hai vùng có khả năng thay thế nhau, sau đó mức trở ngại giao thông, và chọn tuyến có mức trở ngại thấp nhất. Phân tất cả lưu lượng giao thông cho tuyến ngắn nhất (thời gian đi/ mức trở ngại thấp nhất) và không phân gì cho các tuyến còn lại. Gọi Pijm là tỉ lệ các chuyến đi từ i tới j sử dụng phương thức vận tải m trên tuyến r. Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 16 Pijm = 1 đối với tuyến ngắn nhất Pijm = 0 đối với các tuyến khác Giải pháp này được xem như một phương pháp phi thực tế. 6.1.1 Thuật toán tìm đường ngắn nhất Thuật toán tìm đường ngắn nhất bắt đầu từ điểm xuất phát, và tiếp tục đi đến các điểm tiếp theo các tuyến ngắn nhất, các tuyến không nằm trên đường ngắn nhất sẽ bị loại ra khỏi mạng đường. Bước 1: Đầu tiên gắn giá trị về mức trở ngại giao thông (hoặc thời gian đi lại) của điểm xuất phát = 0, các điểm khác đều có mức trở ngại ≠0. Ta ấn định một tuyến đi (ij) nhất định và tính mức trở ngại đến điểm j đó và lấy giá trị này làm cơ sở so sánh. Bước 2: Thêm vào các cặp (ij) với j là điểm tiếp theo sau Bước 3: Đối với điểm j thêm vào danh sách, cộng giá trị trở ngại của tuyến ij vào bảng ta được tổng giá trị trở ngại đến điểm j mà đi qua điểm i. Nếu giá trị náy nhỏ hơn giá trị hiện tại trong bảng thì ta thay thế giá trị tổng trở ngại hiện tại đến điểm j bằng giá trị mới và chọn điểm i đó làm điểm dẫn đến điểm j. Nếu giá trị tổng trở ngại mới lớn hơn giá trị hiện tại trong bảng thì tiếp tục tới tuyến nối tiếp theo. Bước 4: Quay trở lại bước 2 cho đến khi các điểm đã được tính xong và cho ta kết quả. Ví dụ 6.1: Cho các thông số như sau, tính toán lưu lượng đi qua mỗi tuyến đường. Lưu lượng tính toán ở mỗi vùng (xe/h) Tới vùng 1 2 3 4 1 0 500 750 350 Từ vùng 2 275 0 1050 475 3 650 1870 0 950 4 1250 350 2050 0 Với thời gian đi lại ở các vùng cho bởi hình vẽ sau: Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 17 Giải: Xây dựng sơ đồ đi lại ngắn nhất như sau: Từ vùng 1 Từ vùng 2 Từ vùng 3 Từ vùng 4 Số chuyến là: 1 2 4 3 100 110 170 165 60 100 70 80 70 50 1 2 4 3 110 70 170 1 2 4 3 100 130 70 1 2 4 3 60 140 50 1 2 4 3 100 80 150 Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 18 Từ vùng 1 Từ vùng 2 Từ vùng 3 Từ vùng 4 Lưu lượng được sắp xếp là: 1 2 4 3 500 750 + 350 750 1 2 4 3 275 475 1050 + 475 1 2 4 3 950 + 650 650 1870 1 2 4 3 2050 + 350 1250 350 1 2 4 3 275 500 0 0 2075 3150 1100 1900 1525 2220 Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 19 6.2 Phương pháp phân chia theo tỉ lệ Phương pháp đường ngắn nhất giả thiết rằng tất cả những hành khách đi lại giữa các cặp vùng đều chọn cùng một tuyến. Nhưng thực tế lưu lượng nhu cầu giao thông lại được phân chia trên nhiều tuyến. Như vậy việc phân chia lưu lượng giao thông cho các tuyến giữa hai cặp điểm là tuân theo quy luật thực tế. Irwin và Von Cube đã đưa ra hàm tính % lưu lượng ấn định cho mỗi tuyến như sau: )/1( /1)( r ij r ij W W rp Σ = ở đây Wijr là trở ngại của tuyến r từ điểm i đến điểm j Mô hình logit đa nhân tố với hàm bất thoả dụng có thể áp dụng như một giải pháp phân chia lưu lượng. 6.2.1 Phương pháp đa nhân tố áp dụng ở California Phương pháp này xác định số chuyến giữa hai tuyến cơ sở cho rằng số chuyến đi trên mỗi tuyến là phụ thuộc vào thời gian và khoảng cách đi lại của tuyến đó. P = 50 + 50 (d + 1/2t) [(d - 1/2t)2 + 4,5]-1/2 P tỉ lệ % lượng giao thông sử dụng đường cao tốc d khoảng cách đi lại tiết kiệm được do đi trên đường cao tốc (km) t thời gian đi lại tiết kiệm được do đi trên đường cao tốc (phút) Đường cong đa nhân tố áp dụng cho đường công cộng của cục đường bộ Mỹ. Mô hình này chỉ có một tham số: tỉ lệ thời gian đi lại tf/ta tf thời gian đi lại trên đường cao tốc ta thời gian đi lại trên đường chính Ví dụ 6.2: Đường chính có chiều dài d = 75km, vận tốc µ = 45km/h Đường cao tốc d = 10km, µ = 80km/h ta = 7,5/45 × 60 = 10 phút tf = 10/80 × 60 = 7,5 phút tf/ta = 0,75 Bao nhiêu chuyến đi theo đường cao tốc Đường cong của Cục đường bộ Mỹ sử dụng: mô hình một tham số tỉ lệ thời gian đi lại tf/ta Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 20 Hình 6.3 Đường cong FHWA 6.3 Phương pháp năng lực giới hạn Khi lưu lượng tăng tới năng lực thông qua của đường, thì tốc độ trung bình của dòng giao thông sẽ giảm từ tốc độ tự do (tốc độ của xe khi có mình nó trên đường) cho đến tốc độ khi dòng giao thông đạt tối đa. Hiện tượng này cho thấy một nghịch lý sau: khi ấn định lưu lượng giao thông cho tuyến ngắn nhất (hay trở ngại nhất, thường được xác định bởi giá trị thời gian đi lại ít nhất). Do việc phân chia này mà tốc độ dòng giao thông trên tuyến đó lập tức giảm đi và kết quả là thời gian đi lại trên tuyến không còn thấp như trước đây nữa, sau khi phân chia lưu lượng tuyến không còn là tuyến ngắn nhất. Nhiều kỹ thuật sử dụng phương pháp bước lặp được sử dụng để chuyển đổi giữa trở ngại của tuyến tính trước khi phân chia lưu lượng và trở ngại thực tế sau khi phân chia lưu lượng. Kỹ thuật này gọi là phương pháp năng lực giới hạn, tức là xác định lưu lượng trên mạng lưới có xét đến năng lực thông qua của tuyến. 6.3.1 Mô hình sử dụng bởi cục đường bộ Mỹ Mối liên hệ giữa lưu lượng tuyến và trở ngại giao thông của tuyến đó được mô tả bởi hàm năng lực tuyến. W = W0 [1 + 0,15 (V/Qmax)4] W trở ngại (thời gian đi lại) của tuyến khi lưu lượng là q W0 trở ngại (thời gian đi lại) của tuyến khi lưu lượng tự do (đường vắn xe, coi như chỉ có một xe trên đường) V lưu lượng của tuyến Qmax năng lực thông qua thực tế của tuyến 0,15 là hệ số kinh nghiệm thực tế. Sử dụng xe riêng cá nhân 50% sử dụng 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Tỉ lệ sử dụ n g đ ư ờ n g ca o tố c Tỉ lệ thời gian Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 21 Hàm này cho thấy rằng với mỗi mức năng lực thông qua nhất định, trở ngại của tuyến cao hơn 15% so với trở ngại ứng với lưu lượng tự do. Khi nhu cầu vượt quá điều kiện rất xuất đối với dòng giao thông. Phương pháp hạn chế năng lực kết hợp với hàm năng lực có thể hội tụ về một trạng thái cân bằng 6.3.2 Phương pháp Drew Mỗi bước lặp sử dụng một phương trình quan hệ giữa tỉ số thời gian đi lại và tỉ số khối lượng trên năng lực Tỉ lệ thời gian đi lại (thời gian đi lại trên đường cao tốc/thời gian trên đường ngắn nhất )/( 0 mr ij mr ijmr mr ij QVf t t = ở đây Vijmr số chuyến đi từ i đến j sử dụng phương thức m trên tuyến r Qijmr năng lực thông qua tối đa cho phép (xe/h) tịj mr thời gian đi lại từ i đến j bằng phương thức m trên tuyến r t0 mr thời gian đi lại khi dòng phương tiện không bị tắc nghẽn từ i đến j theo phương thức m trên tuyến r. Phương trình giới hạn năng lực thông qua: [ ] mr ij mr ij r mr ij mr ijmrmr ij QV kQV tt /1 )1()/(1 0 − −− = ở đây kr nhân tố xác định mức độ phục vụ biến đổi theo năng lực khác nhau của đường cao tốc 0 ≤ kr ≤ 1/2 đối với đường cao tốc, kr = 0 nếu là đường cao tốc chuẩn 1/2 ≤ kr ≤ 1 đối với đường chính Lập trình tính toán Tính Vijc1; Vijc2;; Vijcr thoả mãn 1/ Vijc1 + Vijc2 + .. + Vijcr = Vijc 2/ tijc1 = tijc2 == tijcr Ví dụ 6.3: Ở năm tương lai, vùng 1 và vùng 2 sẽ được kết nối với nhau bằng một tuyến đường cao tốc có 3 làn mỗi hướng với khả năng thông hành là 2000 xe/giờ/làn. Hiện tại hai vùng này đã có 1 tuyến đường cấp cao hiện hữu có 2 làn mỗi hướng với khả năng thông hành là 1200 xe/giờ/làn. Vận tốc tự do tại tuyến đường cao tốc và tuyến đường cấp cao lần lượt là 10 phút và 20 phút. Mức độ phục vụ là ¼ và ¾. Tính toán Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 22 lưu lượng cho tuyến đường cao tốc và tuyến đường cấp cao vào năm tương lai nếu dự báo rằng trong năm tương lai có 6600 xe/giờ sẽ di chuyển từ vùng 1 đến vùng 2. Lời giải: Trước hết, giả sử V12F = 5400 xe/giờ, V12A = 1200 xe/giờ,  = 10 1 −  54003 × 2000 × (1 − 14)1 − 54006000 ! = 32 phút ' = 20 1 −  12002 × 1200 × (1 − 34)1 − 12002400 ! = 35 phút Vì t12F ≠ t12A nên ta phải tiếp tục thực hiện quá trình trên. Giả sử V12F = 5440 xe/giờ, V12A = 1160 xe/giờ, làm tương tự như trên, ta có: t12F = t12A = 34 phút 6.4 Phân chia lưu lượng hành khách công cộng Việc phân chia lưu lượng cho mạng lưới giao thông công cộng hiện tại là tương đối phức tạp. Mạng lưới giao thông công cộng bao gồm các tuyến và các điểm nút, vận hành hệ thống giao thông công cộng bao gồm việc xác định các tuyến trung chuyển và lịch biểu chạy xe. Mô hình hiện tại và biện pháp kích cầu với các nguồn lực hạn chế (số xe đang vận hành, chi phí vận hành) cho thấy rằng dịch vụ vận tải hành khách công cộng không phải được cung ứng ở mọi nơi. Các tuyến trùng lặp nhau, nhu cầu trung chuyển giữa các tuyến, sự khác biệt giữa việc sử dụng làn đường riêng với chi phí cao và dùng chung đường với các loại xe khác, và mức độ biến đổi của dịch vụ theo thời gian và không gian là một thách thức đối với việc phân chia lưu lượng cho mạng lưới giao thông công cộng. 6.5 Tổng kết Phân chia mạng lưới là việc mô phỏng con đường mà hành khách chọn để đi giữa các vùng. Việc phân chia lưu lượng tính toán số chuyến đi giúp cho việc dự báo thông qua và quy hoạch. Bước này đòi hỏi lý thuyết hành vi về việc chọn tuyến, đòi hỏi phương pháp mô tả mạng lưới cho việc lập trình, tiêu chuẩn chọn tuyến phù hợp, và tiêu chuẩn phân chia lưu lượng trên mỗi tuyến. Các mô hình phân chia lưu lượng được áp dụng tuỳ từng trường hợp cụ thể. Việc có tính đến vấn đề tắc nghẽn hay không sẽ quyết định việc sử dụng mô hình năng lực giới hạn hoặc mô hình phân chia tự do. Việc xác định nhu cầu đi lại giữa hai cặp vùng thông qua một hoặc nhiều tuyến sẽ quyết định việc sử dụng mô hình phân chia cho tuyến ngắn nhất hoặc mô hình phân chia cho nhiều tuyến. Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 23 6.6 Hành vi giao thông của cá nhân và gia đình Các yếu tố không xác định được, như giới tính, tuổi tác, thu nhập cá nhân. có ảnh hưởng đến hành vi giao thông cũng như hàm thoả dụng của hệ thống giao thông và các phương thức vận tải. Hành vi giao thông của các cá nhân và hộ gia đình là kết quả của các quyết định liên quan đến vấn đề đi lại và có thể phân chia theo các quyết định ngắn hạn và dài hạn. Các quyết định dài hạn liên quan đến sự lựa chọn về tính cơ động và bao gồm các mối liên hệ giữa quyết định đi lại và vị trí nhà cửa, nơi làm việc, số xe riêng sở hữu, và phương tiện có sẵn để đi làm. Các quyết định ngắn hạn lại liên quan đến các sự lựa chọn về xung quanh vấn đề đi lại như mục đích, phương thức, điểm đến, tuyến đi và thời gian đi lại trong ngày. Trong phân tích hành vi giao thông không liên tục, một yếu tố quan trọng là chỉ tiêu phân tích, đó là phân tích hành vi giao thông của cá nhân hoặc hộ gia đình. Hành vi của cá nhân có thể xem là độc lập với mục đích đi lại và các đặc điểm riêng của mỗi cá nhân. Tuy nhiên hành vi của mỗi cá nhân trong một gia đình lại bị ràng buộc và cần phải phù hợp với mục đích của cả gia đình. Do đó điều quan trọng là phải đánh giá xem đặc điểm mỗi hộ gia đình sẽ bị ảnh hưởng như thế nào khi xem xét mức độ ảnh hưởng của môĩ cá nhân trong gia đình đó. 6.7 Xác định lưu lượng trên mạng lưới đối với vận tải hàng hoá Đối với vận tải hàng hoá, chi phí vận chuyển đóng vai trò quyết định, ngoài ra năng lực thông qua của tuyến cũng có ảnh hưởng đáng kể. Để giải quyết vấn đề này ta sử dụng bài toán phân bố luồng hàng trên mạng lưới. Các điểm nút của mạng lưới được ký hiệu là x với x = 1, 2,.,n. Từng loại hàng hoá khác nhau được vận chuyển từ nút i đến nút j trên cung (ij) với (i ∈x, j∈x) Ký hiệu: ai k khối lượng gửi (sản xuất) loại k ở điểm i Xijk khối lượng loại hàng k vận chuyển từ i đến j Cijk chi phí vận chuyển cho 1 đơn vị hàng hoá trên tuyến (i,j) bao gồm chi phí đưa hàng, chi phí khai thác, và các chi phí biến đổi khác. rij khả năng thông qua của tuyến Hàm mục tiêu: Min Σ Cijk Xijk Các ràng buộc: Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 24 ΣXijk - ΣXjik = aik với i = 1, 2,., n; k= 1, 2,.,p ΣXijk ≤ rij Xij ≥ 0 Các số liệu để giải bài toán được đưa vào 3 ma trận số liệu: ma trận chi phí [C] ma trận khả năng thông qua [r] và ma trận khối lượng hàng [a] Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 25 CHƯƠNG 7 QUY HOẠCH GIAO THÔNG CÔNG CỘNG 7.1 Mô hình chi phí • Công thức sau được sử dụng cho hầu hết các khu đô thị với dữ liệu phù hợp; • Sự vận hành của giao thông công cộng có các số liệu đầu vào và kết quả đầu ra của mô hình kinh tế; • Tài chính là nguồn cung cấp cho giao thông công cộng và các thông số như xe-giờ, xe-km, số xe ở giờ cao điểm là kết quả đầu ra của hệ thống giao thông công cộng; • Một cách toán học, mối quan hệ có thể được thể hiện như sau: Ct = f(R1, R2, Rn) Với Ct : Tổng chi phí của dịch vụ giao thông công cộng; R : Các nguồn lực giao thông. Mô hình dơn vị chi phí có thể được biểu diễn bởi: C = aR1 + bR2 + cR3 + dR4 + 7.1.1 Mô hình chi phí xe buýt: Xe-giờ: • Chi phí trả lương cho người vận hành xe là chi phí thường được nhắc đến nhất; • Nhân viên vận hành xe thường được trả theo giờ, do đó chi phí về lương thườn được dựa trên giờ phục vụ của hệ thống; • Tương tự, người giám sát vận hành liên quan trực tiếp đến số giờ vận hành và được liệt vào chi phí xe-giờ. Xe-km: • Rất nhiều chi phí lien quan đến khái niệm xe-km khi một hệ thống xe bus được vận hành; • Chi phí như nhiên liệu, hao mòn lốp xe, và các thiết bị cần thiết phải bảo dưỡng là một hàm số liên quan trực tiếp đến số km phục vụ; • Chí phí vật liệu cho thân xe, phanh xe, máy móc, gầm xe, và bọ lọc khí thải, .. cúng lên quan đến số km phục vụ; • Tóm lại, những chi phí kể trên cùng với chi phí nhiên liệu, thuế, và nhiều chi phí khác, được đặt trong nhóm xe-km; Số lượng xe cần thiết trong giờ cao điểm • Rất nhiều chi phí không liên quan đến các chi phí kể trên (xe-giờ, xe-km); Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 26 • Chi phí nhằn cung cấp cho quá trình vận hành và duy trì các tiện ích cho xe được xác định bởi số lượng xe hơn là số giờ hoặc số km phục vụ; • Rất nhiều chi phí nhiên liệu liên quan đến số lượng xe trong giờ cao điểm, bao gồm chí phí duy trì hệ thống nhà ga, các thiết bị phục vụ xe và người, .. • Nhiều chi phí trả trước liên quan đến số lượng xe vận hành như các hao mòn thiết bị, chi phí công ty, chi phí trả lương cho nhân viên. Chi phí hệ thống • Những chi phí do hư hỏng, tai nạn được đặt vào nhóm chi phí hệ thống; • Chi phí quảng cáo, phân xưởng, thu nhập liên bang và các loại thuế cũng được đưa vào nhóm này. Ví dụ 7.1: Thiết lập mô hình tính chi phí cho Chicago Transit Authority cho hệ thống xe bus vào khoảng 14.69% chi phí xe-km, 54.62% chi phí cho xe-giờ, 25.60% chi phí cho tổng số lượng xe trong giờ cao điểm, cò lại 5.09% cho chi phí hệ thống. Loại chi phí Số lượng Số tiền ($) % chi phí Chi phí đơn vị Xe-km Xe-giờ Tổng số xe Chi phí hệ thống Tổng 90701.804 8500.071 2210 $138832.579 25431.448 94572.897 44330.511 8806.063 173140.919 14.69 54.62 25.60 5.09 100.00 $.28/xe-km $11.13/xe-h $20059.22/xe $0.06/$1 chi phí hệ thống C = 11.13H + 0.28M + 20059.22V + 0.06R Với C = Tổng chi phí hàng năm của hệ thống; H = Chi phí xe-giờ; M = Chi phí xe-km; V = Chi phí cho tổng số xe trong giờ cao điểm ; R = Chi phí hệ thống. 7.1.2 Cách thức tiến hành • Đặc điểm chi phí của các hệ thống giao thông công cộng là thay đổi rất lớn. Ví dụ chi phí vận hành xe bus rất cao so với chi phí ban đầu (tỉ lệ 5 :1), trong khi hệ thốn tàu điện ngầm là (1 :3) ; • Chi phí vận hành, bao gồm chi phí nhân công, năng lượng, và chi phí vật liệu ; • Chi phí ban đầu liên quan đến thoiừ gian phục vụ của phương tiện và hạ tầng : 8 đến 15 năm cho bus, 30 đến 40 năm cho xe bánh sắt và 100 năm cho đường hầm ; • Khi tính toán và so sánh chi phí, phí vận hành của mỗi hệ thống, chi phí ban đầu được khấu trừ dần hàng năm và lợi tức thay đổi sẽ được tính đến ; Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 27 • Tóm lại, phương pháp sau đây cung cấp một hướng nhanh chóng để tính chi phí giao thông công cộng khi có đủ dữ kiện. 1. Đặc điểm của mỗi hệ thống được phân tích: dạng, nhu cầu, khả năng, hoạct động ; 2. Chi phí vận hành được tính cho một đơn vị : a. Chi phí liên quan đến khoảng cách (năng lượng, bảo trì, phục vụ của phương tiện, .. trong nhóm xe-km) ; b. Chi phí liên quan đến thời gian (lương cho nhân viên, chi phí khác liên quan đến tổng số giờ hoạt động của đoàn xe, xe-giờ) ; c. Chi phí liên quan đến đường đi (bảo trì tuyến đường, đèn tín hiệu, nhà ga, chi phí liên quan đến số km trong ngày). Chi phí liên quan đến khoảng cách và thời gian được gọi là chi phí biến đổi. Bảng 7.1. Chi phí vận hành cho một đơn vị tính (US$) Chi phí Bus LRT RRT Chi phí về khoảng cách (xe-km) Chi phí về thời gian (xe-giờ) Chi phí tuyến đường (/km của tuyến/ngày) 0.7 16 25 2.0 10 320 2.0 11 1200 3. Biến đổi chi phí ban đầu theo năm, trong đó có tính đến trượt giá và thay đổi lợi tức, được tính như sau : a. Mỗi nhóm chi phí ban đầu được giả sử rằng chia đền hàng năm cho đến hết thời gian phục vụ ; b. Lợi tức được giả sử (ví dụ 6%) ; c. Cố định sự chi trả hàng năm, sử dụng bảng tra. 4. Tính hiệu quả của chi phí của nhiều nhóm phục vụ được diễn tả bằng tổng chi phí/hành khách-km. Ví dụ 7.2: LRT phục vụ thàng phố 1 triệu dân. Đường sắt sẽ lưu thông khác mức khoảng 75% và lưu thông cùng mức với đường thông thường là 25%. Các dữ liệu như sau : Chiều dài tuyến : 15km ; Khoảng cách điểm dừng/vị trí = 0.3km ; Giờ phục vụ/ngày : 18 ; Ngày phục vụ/năm : 365 ; Chiều dài trung bình một chuyến đi : 3.75km ; Vận tốc trung bình : 12.5km/h ; Số giờ cao điểm : 3 ; Hành khách/ngày : 500 000 ; Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 28 Số người lên tàu mỗi giờ : 60 000 ; Số người tại giờ cao điểm cao nhất trong 1 hướng: 24 000 ; Headway : 120 giây (cao điểm), 240 giây (bình thường) ; Sức chứa/ xe : 900 khách ; Sức chứa/toa : 225 khách ; Hệ số nạp : 90%. Chi phí ban đầu : Đường dành riêng : $9.16 triệu/km, tuổi thọ 40 năm ; Thay ray (đôi) : $3.33 triệu/km ; tuổi thọ 30 năm ; Đèn tín hiệu : $1.67 triệu/km ; tuổi thọ 30 năm ; Nguồn : $ 5triệu/km ; tuổi thọ 30 năm ; Nhà ga : $0.15 triệu/nhà ga ; tuổi thọ 40 năm ; Xưởng (2) : $12.5 triệu/xưởng ; tuổi thọ 40 năm ; Xưởng sửa chữa (1) : $25 triệu ; tuổi thọ 40 năm ; Tàu : $0.8 triệu/cái ; tuổi thọ 25 năm ; Lợi tức : 6% hàng năm. Chi phi vận hành : Xe-km : $2 ; Xe-giờ : $9 ; Chi phí đường/km/ngày : $375 ; Tính tổng chi phí cho khành khách-km. Giải : 1. Số lượng hành khách lên tàu hàng ngày : Cao điểm : 3 giờ * 60 000 = 180 000 trong 3 giờ = 60 000 khách/giờ; Bình thường : 500 000 – 180 000 = 320 000 trong 15 giờ = 21 333 khách/giờ ; 2. Lưu lượng lớn nhất : Cao điểm : 24 000 ; Bình thường : 12 000 (giả sử 50% cao điểm) Số lượng tàu cần thiết : 3. Sức chứa mỗi giờ (hệ số nạp 90%) : Cao điểm : 24 000/0.9 = 27 000 khách/giờ ; Bình thường ; 12 000/0.9 = 13 000 4. Headway : Cao điểm 120 giây ; Bình thường 240 giây ; 5. Tần suất : Cao điểm 30 xe/giờ ; Bình thường 15 xe/giờ; 6. Sức chứa/tàu : 900 ; Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 29 7. Sức chứa/xe : 225 ; 8. Số xe/tàu : 4 ; 9. Số xe/giờ : Cao điểm 120 ; Bình thường 60; 10. Thời gian đi cho hai lượt đi và về (bao gồm dừng 21 phút tại các trạm dừng) : 2h24min + 21min = 2h45min = 2.75h ; 11. Chiều dài đoàn tàu : 120 xe/giờ * 2.75h / 90% = 367 xe (90% sẵn có) ; 12. Xe-km/ngày : Cao điểm : 120 xe/h * 3h/ngày * 30km = 10 800 ; Bình thường : 60 xe/h * 15h/ngày * 30km = 27 000 ; Tổng cộng = 37 800 xe-km/ngày. 13. Số lượng tàu vận hành trong ngày : Cao điểm : 120 tàu/h * 3h/ngày = 90 tàu/ngày ; Bình thường : 15 tàu/h * 15h/ngày = 2250 tàu/ngày ; Tổng cộng = 315 tàu/ngày * 2.75 giờ = 866 tàu-giờ/ngày. 14. Số xe hoạt động mỗi ngày : 866 tàu-giờ/ngày * 4 xe/tàu = 3464 xe-giờ/ngày Chi phí : 15. Tổng chi phí ban đầu (triệu $) = 637.3 Hàng năm = (chi phí ban đầu * i%)/(1-(1+i%)-n) với i = 6% 16. Chi phí hàng năm quy đổi từ chi phí ban đầu = $46.8 triệu 17. Chi phí vận hành hàng năm: Chi phí khoảng cách mỗi ngày: 37 800 xe-km * $2 = $75 600 Chi phí thời gian mỗi ngày: 3464 xe-giờ * $9 = $31 176 Chi phí quãng đường mỗi ngày: 15 chuyến-km * 375 = $5 625 Tổng cộng = $112 401 Chi phí vận hành hàng năm = $112 400 *365 = $41.03 triệu Đơn vị chi phí Chi phí (triêu $) Tuổi thọ Chi phí hàng năm (triệu $) Đường dành riêng (15km) Thanh ray Đèn tín hiệu Năng lượng Nhà ga/bến đỗ (45+ 5) Xưởng (2) Xưởng sửa chữa Tàu (367) Tổng $9.16/km 3.33/km 1.67/km 5/km 0.15 12.5 25.0 0.80 137.5 50 25 75 7.5 25 25 293.6 638.5 40 30 30 30 40 40 40 25 9.14 3.63 1.82 5.45 0.50 1.66 1.66 22.96 46.8 18. Tổng chi phí hàng năm = 46.8 + 41.03 = $87.83 triệu 19. Khách-km hàng năm = 500 000 * 3.75 * 365 = 685 triệu 20. Chi phí/khách-km = 87.83/685 = $0.128 Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 30 7.2 Thiết kế và vận hành hệ thống giao thông công cộng: Định nghĩa: L: Chiều dài của tuyến; θ: Thời gian cho cả chuyến đi lẫn về (thời gian cần thiết để phương tiện hoàn tất toàn bộ chuyến đi và về bao gồm thời gian chờ); V: Vận tốc trung bình cho toàn bộ tuyến, Km/h Vs, Vp: Được gọi là vận tốc trung bình cho từng chặn; f: Tần suất phục vụ trong 1 giờ; h: Headway, thời gian giữa hai xe liên tiếp; N: Số lượng tàu; n: Số lượng toa/ tàu P: Số hành khách trên xe; Q: Số hành khách/giờ; Cc: Sức chứa của xe, hành khách/xe; Ct: Sức chứa của tàu, hành khách/tàu; Ct: n*Cc; nmax: S/lc; lc: chiều dài của xe; S: chiều dài của nhà ga (platform). Mối quan hệ cơ bản: • Lưu lượng: Q Q = fnp f = 60/h (Nếu h tính bằng phút); = 3600/h (Nếu h tính bằng giây); Q = 3600np/h • Thời gia cho cả tuyến: θ = 2*L/V; km/km/h = 2*60*L/V (phút) = 2*3600*L/V (giây) • Số lượng tàu cần thiết: N = θ/h = 120L/Vh (h tính bằng phút) • Vận tốc: Vận tốc trung bình Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 31 Hình 1. Khoảng cách – thời gian Hình 2. Vận tốc – thời gian X : Khoảng cách giữa các điểm dừng; S1, S2, S3: Khảng cách ứng với thời gian t1, t2, t3; t1: Thời gian tăng tốc đến vận tốc đều; t2: Thời gian ở vận tốc đều; t3: Thời gian giảm tốc đến 0; T: Thời gian chờ tại điểm dừng Tổng thời gian giữa hai điểm dừng = thời gian đi + thời gian chờ; = t1+ t2+ t3+ T t1 = Vc/a t3= Vc/d với a : Giá trị tăng gia tốc ; d : Giá trị giảm gia tốc ; Vc: Vận tốc đều Tìm t2? Cruising Deceleration Acceleration Time Distance S1 S2 S3 t1 t2 t3 X Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 32 S1 = at2/2 = a(V/a)2/2 = v2/2a; S3 = dt2/2 = d(V/d)2/2 = v2/2d; X = S1 +S2 + S3 --> S2 = X - S1 – S3 t2 = S2/V = (X - S1 – S3 )/V = X /V - (V2/2a)/V - (V2/2d)/V = X /V – V/2a – V/2d t1+ t2+ t3 = V/a + V/2a + V/2d Vận tốc trung bình cho cả đoạn đường = khoảng cách giữa các chặn/(thời gian di chuyển cho một chặn) = X/(t1+ t2+ t3+T) Vs = X/(X/V + V/2a + V/2d +T) Nếu X không đồng nhất : Vs = ∑ =       +++ k i i i T d V a V V X L 1 22 Nếu thời gian mất mát tại mỗi điểm chờ xe buýt là như nhau, khi đó : Vs = V LT d V a Vk L +      ++× 22 Tuy nhiên, tất cả các công thức trên chưa bao gồm thời gian quay đầu xe, do đó : Vs = r V LT d V a Vk L ++      ++× 22 Với r là thời gian quay đầu. 7.3 Năng lực vận chuyển đường sắt Khả năng vận chuyển hành khách của đường sắt được xác định bởi sức chứa của ga, và của tàu tùy theo cái nào nhỏ hơn. Thông thường, khả năng chứa của ga thường lớn hơn. Chi tiết hơn, khả năng vận chuyển của đường sắt phụ thuộc vào : 1. Kích cỡ toa xe và chiều dài của ga ; 2. Chính sách của nhà ga trong việc cho phép người đứng chờ trong ga ; 3. Khoảng cách ngắn nhất giữa các tàu liên tiếp. Khoảng cách ngắn nhất là một hàm số không chỉ của thời gian chờ tại mỗi ga mà còn phụ thuộc vào chiều dài tàu, tỉ lệ tăng tốc và giảm tốc, hệ thống điều khiển tàu. Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 33 Khả năng vận hành hành khách tại giờ cao điểm có thể được đánh giá từ những công thức sau : Hành khách/giờ = (số tàu/giờ) . (số toa/số tàu) . (số ghế/số toa) . (hành khách/số ghế)(1) Hành khách/giờ = (số toa/giờ) . (số ghế/số toa) . (hành khách/số ghế) (2) Hoặc dựa trên công thức mức độ phục vụ cho phép : Hành khách/giờ = (số tàu/giờ) . (số toa/số tàu) . (m2/số toa) . (m2/hành khách) (3) Công thức 3 được suy ra từ khả năng không phụ thuộc vào số ghế mà phụ thuộc vào diện tích của toa xe. Ví dụ 7.3: Một LRT gồm 10 tàu có 4 toa xe cho một tuyến trong 1 giờ. Hệ số nạp hnàh khách trung bình là 1.9 hành khách một ghế. Tính bao nhiêu người mà tuyến cho thể vận chuyển. Chiều dài toa la 80ft và có 80 ghế. Hành khách/giờ = (số tàu/giờ) . (số toa/số tàu) . (số ghế/số toa) . (hành khách/số ghế) = 10 . 4 . 80 . 1.9 = 6080 người/giờ 7.4 Thiết kế vận hành Thiết kế vận hành đường sắt : Mục đích của phần này là đưa ra những ý tưởng về khả năng vận chuyển, lưu lượng, khoảng cách và an toàn vào thiết kế vận hành tàu và xe búyt. Chúng ta đã từng biết lưu lượng được định nghĩa là số lượng xe vượt qua một điểm cố định nằm trên tuyến đường. Lưu lượng và khoảng cách giữa các xe liên tiếp : V = 3600/h Tương tự, khả năng thông hành và khoảng cách giữa các xe liên tiếp : Cv = 3600/hm Với Cv là khả năng thông hành lý thuyết hay lưu lượng xe tối đa, hm là khoảng cách giữa các xe liên tiếp tối thiểu. Khả năng thông hành lý thuyết : CP = n Cc Cv = 3600nCc/hm Với : Cp : Khả năng thông hành lý thuyết ; n : Số toa/tàu ; Cc : Số lượng hành khách tối đa trên 1 toa. Khả năng thông hành thực tế và khả năng thông hành lý thuyết được tính thông qua hệ số , khả năng thông hành thực tế : Ca = 3600α/hm Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 34 Hệ số nạp thường được sử dụng thể hiện phần trăm số chỗ bị chiếm : Khả năng thông hành thực tế : 3600 n Cc α σ /hm Với σ : Hệ số nạp. Hệ số nạp là tỉ số của số chỗ bị chiếm và mức độ chiếm chỗ của toa xe khi thiết kế. Khi hệ số nạp σ = 1 nghĩa là toa xe đã bị hết chỗ ; Số lượng hành khách tối đa mà trên thực tế họ có thể chen chân trong tàu đựoc gọi là hệ số nạp tối đa, khi đó hệ số nạp có thể lớn hơn 1 (giờ cao điểm) ; Đặc biệt khi thiết kế đường sắt, khoảng cách phanh xe an toàn cực kì quan trọng ; Hệ số an toàn được sử dụng cho thiết kế an toàn và gọi là khái niệm brick-wall-stop ; Ví dụ khi tàu ở phía trước dừng một cách bất chợt, tàu ở phía sau phải có thể dừng một cách an toàn, với hệ số an toàn K. Thông thường, K = 1.5; Giả sử rằng xe đi liền sau trong trường hợp này dừng với gia tốc giảm đều. Do đó : Giãn cách giữa hai xe liền kề ngắn nhất : hm = o co v nl d Kv + 2 Với : vo = vận tốc trung bình (m/sec) ; lc = chiều dài toa ; d = gia tốc giảm (m/sec2) Khả năng thông hành lý thuyết được tính lại: Cp = oco c vnldKv nC /2/ 3600 + Suy ra: vo = K nlc2 cho mức thông hành lớn nhất. Thay thế v0, ta có: hm = d Knlc2 Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 35 và mức thông hành lý thuyết lớn nhất = 2546 Kl ndC c c× Từ đó, nếu muốn nâng cao mức khả năng thông hành, chúng ta có thể sử dụng các cách sau đây : • Nâng số lượng hành khách trong mỗi toa xe ; • Tăng chiều dài đoàn tàu ; • Giảm khoảng cách giãn xe giữa các tàu ; • Nâng hệ số nạp xe ; • Cải thiện hệ thống dẫn đường. Ví dụ 7.4: Thiết kế vận hành xe điện : Công ty quản lý đường sắt cần thiết kế một hệ thống đường sắt cao tốc nhằm đáp ứng 10,000 hành khách một giờ với vận tốc yêu cầu là 35 đến 40ft/sec (24 đến 27 mph). Giả sử giảm gia tốc là 2ft/sec2, hệ số an toàn là K = 1.35, khoảng cách dãn xe nhỏ nhất = 120 giây, khoảng cách dãn xe lớn nhất = 240 giây, hệ số nạp = 0.9, hệ số dẫn đường = 0.6, hệ số chứa toa trong nhà ga lớn nhất = 10 toa xe, khoảng cách một toa xe = 70ft, sức chứa của 1 toa xe = 130 hành khách. Tính bao nhiêu toa mà một tàu nên có để thỏa mãn số lượng hành khách. Khoảng cách giãn xe là bao nhiêu : 1. Xác định khoảng cách giãn xe : Cx = 3600. α. σ. Nx. Cc/hs 1000 = 3600. 0.6. 0.9. 130/hx Vì thế : nx = 0.03937hx nx (toa/tàu) hx (khoảng cách giãn xe, giây) 1 25.27 2 50.54 3 75.82 4 101.09 5 126.36 6 151.63 hx min = 120 giây ; 7 176.91 hx max = 240 giây ; 8 202.18 9 227.45 10 252.72 2. Tính chính xác khoảng cách giãn xe và kích thước tàu. Từ nguyên tắc brick-wall- stop (BWS) : Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 36 vo = K nlc2 , hm = d Knlc2 Số lượng toa /tàu n Vận tốc, vo Khoảng cách giãn xe, h0 (giây) Tính (hx) BWS (hx) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 14.4 20.3 24.8 28.8 32.2 35.2a 38.1a 40.7 43.1 25.27 50.54 75.82 101.09 126.36 151.63 176.91 202.18 227.65 9.72 13.75 16.84 19.44 21.73 23.81 25.71 27.49 29.20 a : Chấp nhận 3. Đánh giá : Tính toán của bảng trên dựa vào cá yếu tố : (a) vận tốc phải từ khoảng 35 đến 40ft/sec ; (b) khoảng cách giãn xe nhỏ nhất = 120 giây ; (c) BWS h0 không được nhỏ hơn 120 giây. 4. Kết luận : Sáu hoặc bảy toa/tàu thì thỏa. Sáu xe/tàu : vận tốc 35.28 ft/sec, hx = 151.63 giây ; Bảy xe/tàu : vận tốc 38.10 ft/sec, hx = 176.91 giây ; Kết quả trên cho giờ cao điểm. Thông thường, trong giờ bình thường, số toa trong một tàu có thể khác, tùy thuộc vào vào các chính sách quản lý. 7.5 Thiết kế vận hành xe buýt : Thiết kế vận hành tuyến xe buýt khác nhiều so với thiết kế vận hành xe điện. Kết quả của thiết kế sẽ bao gồm khoảng cách giãn xe chấp nhân được, thời gian vận hành, thời gian dừng xe, số lượng xe và vận tốc trung bình. Thời gian dừng xe tại các trạm dừng được tính theo các công thức sau : aA + bB + C (hai chiều thông qua cửa đông nhất) td = aA + C (một chiều, cửa xuống) bB + C (một chiều, cửa lên) với : a, b : Thời gian trung bình lên và xuống cho một hành khách ; a = 1.5 đến 2 giây ; b = 2.5 đến 3.5 giây; A, B : Số lượng hành khách xuống và lên; Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 37 C : Thơig gian mất do mở cửa và đóng cửa hoặc thời gian mất do giao thông tấp nập trong khi xe buýt đã sẵn sàng chuyển bánh, thông thường C = 15 giây. Tầng suất phục vụ của xe buýt: f = Q/Cc với f = Tầng suất yêu cầu (xe buýt/giờ); Q = Yêu cầu phục vụ (hành khách/giờ); Cc = Số hành khách tối đa trong xe buýt. Khả năng thông hành của xe buýt được xác định qua 4 thông số: năng lực thông hnàh của tuyến, năng suất chứa của nhà ga xe buýt, năng suất chứa của xe, khoảng cách giãn xe. Ba thông số đầu tiên là những thông số độc lập, khoảng cách giãn xe phụ thuộc vào ba biến trên. Năng suất chứa của xe buýt phụ thuộc vào 2 thông số: số chỗ ngồi và số chỗ đứng và thể hiện bởi biểu thức sau: Ct = Ca + αCb Với Ct : Tổng số hành khách trên xe buýt; Ca : Tổng số chỗ ngồi; Cb : Tổng số chỗ đứng; α : Hệ số Năng suất thông hành của xe buýt ở bất kì thời gian nào là: Rc = m t h C60 = m ba h CC )(60 α+ Số lượng xe buýt cần thiết để phục vụ một tuyết đường nào đó đựoc xác định bằng thời gian để hoàn tất một chuyến đi: θ = cv d với: θ : Thời gian hoàn tất một chuyến đi (một vòng); d : Khoảng cách một chuyến đi (một vòng); vc: Vận tốc trung bình (km/h); Thời gian cần thiết để quay đầu xe (khoảng 10 phút) được cộng thêm vào mỗi chuyến đi. Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 38 Số lượng xe cần thiết: Nf = h θ Ví dụ 7.5: Cần thiết phải có một hệ thống xe buýt từ A đến B có khoảng cách 8.5 dặm. Thời gian đi 30 phút. Nhu cầu tại giờ cao điểm là 400 khách/giờ và xe buýt 45 ghế có 20 chỗ đứng. Thiết kế hệ thống và xác định số lượng xe, giả sử rằng khoảng cách giãn xe là 30 phút và thời gian quay đầu là 7.5 phút. Vận tốc vận hành là: v0 = 60L/to = 60.8.5/30 = 17mph; to = thời gian vận hành. Khoảng cách giãn xe: 30 phút. Thời gian quay đầu = 7.5 phút. hmin = 60Ct/Rc = 400 )2045(60 + = 9.75 phút (làm tròn 10phút); Thời gian một vòng, θ = 2(t0 + tt) = 2(30 + 7.5) = 75 phút; Số lượng xe buýt: Nf = θ/h = 75/10 = 7.5 = 8 xe; Thời gian 1 vòng sau khi hiệu chỉnh: θ’ = Nf h = 8. 10 = 80 phút; Thời gian quay đầu sau khi hiệu chỉnh, t’t = (θ’ – 2t0)/2 = (80 – (2 . 30))/2 = 10 phút; Vận tốc trung bình, vc = d/θ = 120L/θ’ = 120 (8.5)80 = 12.75 mph. Tóm lại, Khoảng cách giãn xe: h = 10 phút; Thời gian 1 vòng: θ = 80 phút Thời gian quay đầu, tt = 10 phút Số lượng xe, Nf = 8 xe Vận tốc trung bình, vc = 12.75 mph 7.6 Khả năng thông hành của giao thông công cộng Khả năng thông hành của một tuyến đường là số lượng hành khách lớn nhất đi qua tại một điểm nhất định trong một khoảng thời gian xác định, dưới một điều kiện vận hành cho trước. Khả năng thông hành qua vận chuyển hành khách thông thường kém chính xác hơn khả năng thông hành qua số lượng xe. Khả năng thông hành qua số lượng xe được biểu diễn bằng số lượng xe lớn nhất đi qua một điểm tạ một thời gian nhất định nhân với số lượng hành khách lớn nhất có thể vận chuyển trên 1 xe. Ví dụ như số lượng người lớn nhất có thể vận chuyển trên đường cao tốc do xe ôtô và xe buýt có thể được tính như sau: Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 39 Cp = f’O1 + [(1800 – 1.5f’)O2] Với f’ : Số lượng xe buýt trong 1 giờ; O1 : Số lượng người trong xe buýt; O2 : Số lượng người trong xe ôtô; Cp : Số lượng người lớn nhất trong 1 giờ vận chuyển (người/giờ) Nếu f’ = 28, O1 = 45, O2 = 1.25 thì: Cp = 28. 45 + [(1800 – 1.5. 28)1.25] = 3457 người/giờ Đường cao tốc như trên nếu hướng đến trung tâm đô thị, nơi có mức độ phục vụ giảm, thông thường sẽ có khả năng thông hành khác với ví dụ trên vì khi đó đường cao tốc có khả năng thông hành 1800 xe/giờ/làn có thể không còn đúng nữa. Ví dụ 7.6: Đường cao tốc đô thị tại giờ cao điểm có 5200 xe ôtô với số người trung bình trong xe là 1.25 người và 35 xe buýt với 45 người/xe. Ngòai ra, có thêm 90 xe chở khách (vanpools) vận chuyển 10 khách/xe (bao gồm cả tài xế). Tính toán lưu lượng, phần trăm lưu lượng hành khách trên từng loại xe. Xe/giờ Người/xe Người/giờ % xe % người Ôtô Vanpool Buýt Tổng cộng 5200 90 35 5325 1.25 10 45 6500 900 1575 8975 97.65 1.69 0.66 100 72.42 10.02 17.56 100 Tổng số người là 8975 vào giờ cao điểm. Xe ôtô chiếm 97.65% tổng số xe, tham gia vận chuyển 72.42% tổng số hành khách. Vanpool và buýt, chiếm lần lượt 1.69% và 0.66% vận chuyển 10.02% và 17.56% tổng số hành khách. Khả năng thông hành thông qua số lượng hành khách phụ thuộc vào 4 yếu tố chính: 1. Số lượng xe (toa xe) trên một đơn vị hành trình (buýt, ôtô, tàu điện); 2. Số hành khách trên một đơn vị hành trình; 3. Khoảnh cách giãn xe nhỏ nhất hoặc thời gian giãn xe nhỏ nhất; 4. Số kênh vận chuyển, hệ số nạp, và sức chứa của ga. Yếu tố 1, 2, 4 độc lập với nhau. Yếu tố 3 phụ thuộc vào các yếu tố còn lại. 7.7 Kế hoạch tuyến đường Kế hoạch tuyến đường, thời gian biểu đưa ra những thời điểm mà xe buýt sẽ đến, đồng thời điểm bắt đầu di chuyển cho hành khách và người lái. Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 40 Kế hoạch tuyến thông thường được xây dựng dựa trên khoảng cách giãn xe không đổi giữa các xe liên tiếp nhau. Khoảng cách giãn xe hay thời gian giãn xe không đổi để hành khách dễ nhớ hơn. Khoảng cách giãn xe không đổi bao gồm giừo cao điểm sáng và chiều, ban ngày, ban đêm, .. Ngoài ra, kế hoạch tuyến có thể thay đổi vào cuối tuần hoặc ngày nghỉ. 7.8 Khoảng cách giãn xe Thông thường, khoảng cách giãn xe phụ thuộc vào mức độ phục vụ với khoảng cách giãn xe nhỏ nhất vào thời gian cao điểm. Ở những đoạn đường có nhu cầu vận chuyển hành khách cao, người vận hành cung cấp “capacity headway”, nghĩa là khoảng cách giãn xe khi các xe tham gia có hệ số nạp lớn nhất. Do đó, “capacity headway” là biến thay đổi từ chuyến đến chuyến, khi đó sức chứa lớn nhất trên xe phụ thuộc vào số chỗ ngồi và cả chỗ đứng trên xe. Bên cạnh đó, ở những chuyến đường vắng khách hoặc lúc giờ thấp điểm, người vận hành xe buýt thường chạy với “policy headway”, nghĩa là khoảng cách giãn xe lớn nhất được chấp nhận phục vụ. Khả năng thứ ba là khoảng cách giãn xe được thiết lập sao cho tối thiểu hóa tổng chi phí vận chuyển và thời gian mà hành khách phải bỏ ra. “Capacity headway” được tính như sau: h = rQ LC fa với: h = khoảng cách giãn xe; Ca = Số chỗ ngồi lớn nhất; Lf = Hệ số nạp lớn nhất; Q = Tổng số người chờ phục vụ trong 1 giờ; r = Hệ số nạp cho hành khách trong 1 chuyến Khoảng cách giãn xe dựa vào tối thiểu hóa chi phí và thời gian bỏ ra của hành khách thay đổi theo căn bậc hai của tổng nhu cầu. Trong trường hợp này, chi phí vận hành thỉ lệ thuận với tổng số xe cần để vận chuyển trong tuyến đó. Tổng số xe lại là một hàm của tổng thời gian cần thiết của xe hoàn tất chuyến đi đó (bao gồm thời gian di chuyển và thời gian mất do dừng tại các trạm đỗ xe buýt) và khoảng cách gian xe. Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 41 Tổng số xe cần thiết được tính như sau: N = θ/h Với θ = tổng thời gian Chi phí vận chuyển được tính như sau: Co = γo N = γoθ/h Với γo chi phí vận chuyển cho 1 xe trong 1 giờ vận chuyển. Nếu số người lên xe trung bình trong 1 chuyến đi là Qh. Nếu số hành khách chờ trong khoảng thời gian bằng ½ thời gian giãn xe, tổng chi phí cho thời gian chờ xe là: Cw = γwQh/2 Với γw là giá trị thời gian (đồng/giờ). Tổng chi phí cho toàn bộ chuyến do đó: C = Co + C w = γoθ/h + γwQh/2 Lấy đạo hàm của C theo h, cho bằng 0, ta được khoảng cách giãn xe tối ưu như sau: h = Qw o γ θγ2 Trong thực tế, người ta thường làm tròn khoảng cách giãn xe đến 10, 15, 30 phút vì hành khách thường cố gắng đến bến xe buýt trùng với thời điểm xe buýt đến nếu thời gian giãn xe lớn hơn 10 hoặc 15 phút, do đó thời gian giãn xe dựa trên 10 hoặc 15 phút sẽ dễ dàng cho hành khách nhớ. Ví dụ 7.7: Một tuyến xe buýt được thiết kế cho 500 hành khách 1 giừo và thời gian tổng cộng của tuyến là 2.5 giờ. Xe buýt có sức chứa lớn nhất là 50 khách. Chi phí vận hành là 60$/xe- giờ và giá trị thời gian của hành khách là 10$/giờ. Hệ số nạp tối đa cho hnàh khách lên xe là 0.6 và hệ số nạp tiêu chuẩn là 1.2. Xác định capacity headway, thời gian giãn xe nhằm tối thiểu hóa chi phí và thời gian chờ của hành khách, và thời gian giãn xe thực tế. Tất cả các thời gian giãn xe sẽ được làm tròn đến phút gần nhất. Capacity headway: Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 42 h = giò phút rQ LC fa 60 × = )500)(6.0( )60)(2.1)(50( = 12 phút Khoảng cách giãn xe tối thiêu chi phí: h = Qw o γ θγ2 = 60)500)(10( )5.2)(60(2 × = 14.7 hay 15 phút Bởi vì capacity headway nhỏ hơn khoảng cách giãn xe tối thiêu chi phí, do đó xe buýt sẽ đến trùng nhau nếu kết quả thứ hai được dùng. Vì thế h = 12 phút. 7.9 Xây dựng thời gian biểu Một khi khoảng cách giãn xe được thiết lập, thời gian biểu cho giao thông công cộng trên một tuyến đường sẽ được xác định; Trường hợp đơn giản nhất là thời gian vận hành trung bình trên một tuyến không đổi, khoảng cách giãn xe không đổi và không có điểm giao tiếp giữa các xe trong mạng lưới tuyến. Với những điều kiện như vậy, tổng thời gian (cycle time) là không đổi và bằng tích của các khoảng thời gian giãn xe. Ngược lại, nếu thời gian vận hành trung bình thay đổi do lưu lượng xe thay đổi ở tuyến, nếu xe giao nhau ở nhiều tuyến khác nhau, khi đó tổng thời gian sẽ không được tính như vậy. Trong trường hợp thời gian vận hành thay đổi, xe sẽ không thể duy trì thời gian giãn xe không đổi, ngoài trừ tại các điểm trung chuyển. Với những điều kiện như trên, thời gian biểu có thể được xác định như sau: Đầu tiên, thời điểm được thiết lập, thời gian vận hnàh trung bình được xác định cho tất cả các tuyến giữa các thời điểm; Để ý rằng vì các xe di chuyển theo hướng ngược lại thông thường sử dụng cùng tuyến đường, thời gian vận hành có thể khác nhau, do đó thời gian vận hành được tính toán riêng biệt, ví dụ như từ A đến B và từ B đến A; Trên thực tế, thời gian vận hành trung bình trên một tuyến chưa tồn tại và được xác định từ thời gian xe chạy cộng với thời gian lên xuống của hành khách. Khi thời gian biểu đã hoàn tất và thay đổi, thời gian vận hành sẽ được quan sát trực tiếp; Khi đã xác địn được thời gian giãn xe và thời gian vận hành trung bình, tổng thời gian và số lượng xe cần thiết trên tuyến sẽ được xác định. Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 43 Tổng thời gian bao gồm tổng thời gian vận hành trung bình ở các tuyến con, thời gian lên xuống xe và thời gian nghỉ cho tài xế, thời gian quay đầu. Do đó: θ = T + tL với T = l i i tt +∑ tl = max(tσ, tw) ti : Thời gian lưu thông trên đoạn i; tL : Thời gian lên và xuống xe; tl : Thời gian lên và xuống xe nhỏ nhất; tw : Thời gian cần thiết để tài xế nghỉ ngơi, xác định từ hợp đồng người lao động, có thể cố định hay tỉ lệ theo tông thời gian vận hành; tσ : Thời gian cần thiết để xe sau khi quay đầu sẽ khởi hành chuyến tiếp theo đúng giờ. Từ biểu thức N = θ/h với yêu cầu số lượng xe là một số nguyên dương, N = n. h. int(T/h) Với nhint( ) hàm chỉ làm tròn đến số nguyên dương gần nhất. Ví dụ 7.8: Xây dựng thời gian biểu cho hệ thống xe buýt dựa trên thời gian cho như sau. Thời gian giãn xe là 30 phút, thời gian lên và xuống xe là 7 phút tại mỗi chặn hoặc 10% thời gian chạy tùy theo cái nào lớn hơn. Chuyến xe đầu tiên từ A đến D là 8:00am. Thời gian biểu trong khoảng thời gian từ 8:00am đến 12:00 trưa. Thời gian đi giữa các đoạn như sau: Đoạn Thời gian đi, phút A- B B- C C- D D- C C- B B- A 20 15 40 38 18 22 ∑ i it = 20 + 15 + 40 + 38 + 22 = 153 phút tw = 2. 7 phút = 14 phút tσ = 0.1 . 153 phút = 15.3 phút T = 153 + 15.3 = 168.3 phút N = n. h. int(168.3/30) = n h int(5.6) = 6 xe θ = 6. 30 = 180 phút Quy hoạch mạng lưới đường TS. Chu Công Minh 44 tL = 180 – 168.3 = 11.7 phút tl + tL = 11.7 + 15.3 = 27 phút Sử dụng thời gian lên xuống xe buýt 14 phút tại A và 13 phút tại D (chú ý rằng bất cứ tổ hợp giữa 7 phút tại A và 20 phút tại D, 20 phút tại A và 7 phút tại D đều được) Xe A B C D Xe D C B A 1 2 3 4 5 6 1 2 3 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 8:20 8:50 9:20 9:50 10:20 10:50 11:20 11:50 12:20 8:35 9:05 9:35 10:05 10:35 11:05 11:35 12:05 12:35 9:15 9:45 10:15 10:45 11:15 11:45 12:15 12:45 1:15 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7:58 8:28 8:58 9:28 9:58 10:28 10:58 11:28 11:58 8:36 9:06 9:36 10:06 10:36 11:06 11:36 12:06 12:36 8:54 9:24 9:54 10:24 10:54 11:24 11:54 12:24 12:54 9:16 9:46 10:16 10:46 11:16 11:46 12:16 12:46 1:16 Thuật giải tìm thời gian biểu Thuật giải thiết lập thời gian biểu sẽ xác định số lượng xe buýt nhỏ nhất của một tuyến đường cho trước trong một khoảng thời gian cho trước nhằn đáp ứng nhu cầu và tiêu chuẩn cho trước. Chu trình: 1. Xác định nếu đang là thời gian giãn xe nhỏ nhất, HE đáp ứng đủ cho nhu cầu. Nếu không, tính toán lại với thời gian giãn xe lớn hơn, HR , số lượng xe N, chuyển sang bước 7; 2. Nếu HE không đáp ứng đủ nhu cầu, tính toán lại số lượng xe N đáp ứng đủ nhu cầu Q; 3. Tính thời gian giãn xe H đủ cho N; 4. Nếu H lớn hơn thời gian giãn xe lớn nhất, HMAX, gán N = N+1 và trở lại bước 3; 5. Chọn lại H, HR đã được làm tròn; Nếu số được chọn lớn hơn 6 phút, các số thườn được dùng là 7.5, 10, 12, 15, 20, 30, 40, và 60 phút. 6. Nếu HR không đáp ứng đủ nhu cầu, gán N = N+1 và trở lại bước 3; 7. Xuất kết quả số lượng xe N, thời gian giãn xe HR.