尤 悅 何紅弟

(上海海事大學(xué)物流研究中心 上海 201306)

0 引 言

集裝箱碼頭的運輸作業(yè)需求的急劇增加，港區(qū)相關(guān)道路負(fù)荷的不斷加大。2017年4月14日，上海港港區(qū)發(fā)生嚴(yán)重?fù)矶?，港區(qū)作業(yè)的設(shè)計通過能力與不斷增加的超負(fù)荷運行工作導(dǎo)致塞港，為了應(yīng)對這種局面，需對港區(qū)相關(guān)道路交通運行情況及交通流進行研究。

為了滿足更高效的港口運作要求，港區(qū)管理者對港口道路交通的逐漸重視，港區(qū)研究以各種方式展開，多以仿真軟件如Arena、EM-Plant、ExtendSim、Flexsim為載體對港區(qū)進行規(guī)劃設(shè)計及優(yōu)化：李立等[1]用Arena軟件建立了以集裝箱為實體、內(nèi)卡為特殊實體——運輸工具的碼頭內(nèi)部道路運輸系統(tǒng)的模型。秦天保等[2-3]通過模仿出堆場主要道路的流量，結(jié)合道路通行能力及飽和度等對主要路段及交叉口進行評價。王小變[4]和張涌昊等[5]研究了關(guān)于港區(qū)堆場長度對堆場工作效率的影響。沙梅等[6]將優(yōu)化方法與仿真技術(shù)方法相結(jié)合，對集裝箱碼頭堆場的布局進行了優(yōu)化和仿真研究。但上述研究軟件多是采用離散事件仿真模型，不能準(zhǔn)確仿真出其交通流。相關(guān)研究表明，VISSIM這種微觀仿真軟件可以對港區(qū)道路及生產(chǎn)流程進行有效模擬，上海洋山港碼頭前沿運用VISSIM模擬設(shè)計[7]對港區(qū)的輔助規(guī)劃，郭子堅等[8]利用VISSIM仿真出客滾港區(qū)，研究車輛和旅客的進、出港高峰段疊加時港內(nèi)道路交通的運行情況及港區(qū)交通組織方案的優(yōu)化，文獻[9]利用VISSIM仿真多佛爾港的集卡進出港情況，并評價了其仿真方法得到相關(guān)結(jié)論。唐國磊等[10]則對雙40英尺岸橋進行了相關(guān)的研究，找出了兩者最適合集卡運行的配備比例。

綜上所述，VISSIM軟件確實是可以作為港區(qū)交通規(guī)劃和生產(chǎn)作業(yè)效率評價的研究工具，但其目前對于港區(qū)的大多研究都是局限于局部物理渠化，當(dāng)相對獨立的個體構(gòu)成交通網(wǎng)絡(luò)時，對于交通網(wǎng)絡(luò)的整體性能和運行質(zhì)量，如何站在整個交通路網(wǎng)效率及港口生產(chǎn)整體性的角度評估這些策略和措施的效果非常有必要。

本文基于VISSIM軟件對港口的仿真模擬，并利用仿真技術(shù)具有可重復(fù)性、可延續(xù)性、可還原性的特點結(jié)合閘口道路通行能力的流量控制，針對港區(qū)堆場路網(wǎng)道路，結(jié)合宏觀基本圖理論研究港區(qū)交通流特性和道路通行能力并得出相關(guān)結(jié)論，為改善港區(qū)道路交通和港口集疏運現(xiàn)狀提供一定的參考意見。

1 堆場模型的建立及驗證

1.1 仿真模型的建立

建模思路：堆場道路運輸模型是以集卡為主體，按照其運輸作業(yè)流程進行建模，將公交車運行線路的運行原理進行類比，以時間序列作為其觸發(fā)方式對集卡作業(yè)過程建立起碼頭堆場道路運輸系統(tǒng)模型，港區(qū)集裝箱堆場集卡作業(yè)過程如圖1所示。

(a) 外集卡 (b) 內(nèi)集卡圖1 集裝箱堆場集卡運作流程

碼頭堆場道路運輸系統(tǒng)分為兩個系統(tǒng)即外集卡集疏運系統(tǒng)和內(nèi)集卡運輸系統(tǒng)，依據(jù)公交運作建立起堆場交通仿真模型：

外集卡集疏運模型(單行程運行)：外集卡發(fā)車-到達(dá)港區(qū)進閘口等待-進入堆場路網(wǎng)-裝卸工作區(qū)域等待-到達(dá)港區(qū)出閘口等待-駛離港區(qū)。

內(nèi)集卡運作模型(環(huán)線運行)：內(nèi)集卡進入岸橋列隊等待裝卸-進入堆場路網(wǎng)-裝卸工作區(qū)域等待-駛向前沿-重新進入岸橋列隊-(循環(huán)工作)-工作結(jié)束駛離碼頭進入等待區(qū)。

模型假設(shè)：1) 堆場裝卸設(shè)備只考慮堆場起重機、交通組成只考慮一種車型；2) 船舶-岸橋-內(nèi)集卡系統(tǒng)的裝卸任務(wù)量保持一定；3) 只考慮普通集裝箱的裝卸；4) 以公交站臺模擬岸橋和場橋的工作狀況，忽略場橋岸橋移動的時間，裝卸時間只受到起重機的裝卸效率及裝卸數(shù)量的影響。系統(tǒng)建模元素與VISSIM建模構(gòu)件對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 建模構(gòu)建關(guān)系

1.2 模型參數(shù)的標(biāo)定及驗證

選擇上海某港區(qū)的集裝箱碼頭作為研究地點，2016年9月對港區(qū)流量進行了調(diào)查，根據(jù)港方配合收集到了9月每日集卡進出閘以及在主干道的流量數(shù)據(jù)，主要路段的數(shù)據(jù)收集的關(guān)鍵點如圖2-圖3所示。圖2為調(diào)查集裝箱碼頭堆場平面布局示意簡圖，根據(jù)2016年9月平均每日外集卡集疏運車輛數(shù)畫出圖3，可觀察到外集卡早高峰時段為上午5時到6時，晚高峰時段為下午11時到12時，堆場的高峰時段流量為150～190輛/h，平峰時段流量約為80～100輛/h。

圖2 港區(qū)堆場平面示意圖

圖3 外集卡9月集疏運車輛數(shù)

仿真模型參數(shù)標(biāo)定：仿真模型的參數(shù)設(shè)置是直接影響模型是否可行的關(guān)鍵要素，此交通模型的仿真設(shè)置主要包括路網(wǎng)參數(shù)、車輛的性能、駕駛行為(跟車行為和變道行為見表2、表3)，路網(wǎng)根據(jù)港區(qū)真實情況設(shè)置，考慮集卡這種特殊的運輸車輛，各系數(shù)的設(shè)定參考現(xiàn)有集卡矯正數(shù)據(jù)設(shè)定[11-12]。

表2 集卡主要跟車行為參數(shù)

表3 集卡變道行為參數(shù)

模型驗證：利用收集到的數(shù)據(jù)(9月1日23：00-24：00出港道路的流量、主干道觀察流量的平均值)，以5 min為數(shù)據(jù)采樣間隔獲得仿真與實測地點處的車輛數(shù)，根據(jù)多次運行仿真得到數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)(見圖4)進行檢驗分析，對上述標(biāo)定的模型進行驗證。

(a) 出港道路流量對比

(b) 檢測路段流量對比圖4 仿真值與實際值對比

利用秩和檢驗對實測數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)點進行檢驗，建立假設(shè)H0：假設(shè)仿真得到的變道車輛數(shù)與實測變道車輛數(shù)相等。結(jié)果(見表4)顯示兩者無顯著差異，可以利用上述建立的仿真模型描述整體港區(qū)車輛交通的運行情況。

表4 95%置信水平下的車輛數(shù)秩和檢驗結(jié)果

2 基于VISSIM的港區(qū)交通流分析

本文意在分析港口集裝箱堆場路網(wǎng)在不同交通需求下交通流的變化，以及控制不同車輛進入后對路網(wǎng)交通流的影響分析。由于港口流量受到閘口開放通道數(shù)影響，因此可以將開放閘口通道數(shù)量作為控制進入路網(wǎng)車流量的主要參數(shù)。

2.1 仿真方案設(shè)計

運轉(zhuǎn)中的集裝箱港口路網(wǎng)一直處于不間斷的工作狀態(tài)，且每日外集卡運轉(zhuǎn)的高峰期最多維持3 h，因此仿真設(shè)定仿真時長為3.5 h，前0.5 h作為預(yù)熱階段，后面的3 h作為數(shù)據(jù)收集時間，采用多次仿真取平均值的方法消除仿真的隨機性。

首先，應(yīng)用上述建立好的堆場仿真模型，設(shè)置足夠多的閘口通道，保證閘口無擁堵，在此情況下，繪制高峰和平峰期流量下堆場路網(wǎng)的交通基本圖。其次，根據(jù)該港口采用智能道口且實際入閘口的通道數(shù)為5，在仿真時分別建立路網(wǎng)，設(shè)置閘口通道數(shù)量為4、5、6，在不同堆場作業(yè)需求交通量下多次模擬，觀察路網(wǎng)交通流的變化進行對比。

2.2 港區(qū)堆場路網(wǎng)交通流分析

本文主要參照宏觀交通基本圖(MFD)對路網(wǎng)進行分析，MFD是從路網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)觸發(fā)，分析道路多個斷面或區(qū)域路網(wǎng)多條道路的宏觀上(網(wǎng)絡(luò)內(nèi)全部車輛)平均交通流參數(shù)之間的關(guān)系，能直觀地反映網(wǎng)絡(luò)的駛?cè)肓拷煌ê婉偝隽拷煌ㄩg的函數(shù)關(guān)系[13]，多根據(jù)到達(dá)頂峰時的飽和狀態(tài)來評價路網(wǎng)的運行性能[14]。

2.2.1 不受閘口通行能力限制的MFD

通過運行不受閘口通行能力的控制情況的情況，發(fā)現(xiàn)堆場路網(wǎng)是存在宏觀交通基本圖的。圖5是對高峰和平峰時段港區(qū)交通作業(yè)需求量下的交通基本圖進行對比?？梢?，高峰時期，隨著港區(qū)內(nèi)部累積車輛數(shù)的逐漸增加，駛出車輛達(dá)到180 輛/h時，內(nèi)部累積車輛達(dá)到320輛左右時，整個路網(wǎng)的駛出車輛數(shù)不再隨內(nèi)部累積的車輛增長，此時路網(wǎng)保持在一種相對穩(wěn)定的狀態(tài)；當(dāng)路網(wǎng)滯留車輛繼續(xù)增大時，路網(wǎng)的駛出車輛開始逐步減小，路網(wǎng)進入過飽和狀態(tài)，可知路網(wǎng)的最佳內(nèi)部車輛即為320輛，最大駛出量為180輛/h。低峰時段內(nèi)，隨著滯留車輛的增加，駛出車輛達(dá)到120輛/h時，內(nèi)部累積車輛達(dá)到200輛，因為交通量較小，不存在路網(wǎng)過飽和的狀態(tài)。

圖5 無閘口通行限制下的MFD

2.2.2 閘口通行能力限制的路網(wǎng)分析

利用閘口的通行能力對交通量進行控制，即改變閘口通道的個數(shù)，分別在平峰時段和高峰時段不同交通需求量下進行對比。

運行結(jié)果如圖6所示，高峰時段隨著閘口通道數(shù)的逐步增加，小區(qū)周期內(nèi)駛出車輛數(shù)幾乎保持不變維持在180輛/h，這與不受閘口控制的最大通行量一致，但其對應(yīng)閘口通道數(shù)為4、5、6時堆場路網(wǎng)內(nèi)的車輛累積數(shù)依次增大，分別為260輛、280輛、320輛。受到閘口通行限制的影響，此狀態(tài)堆場內(nèi)的車輛累積數(shù)已經(jīng)達(dá)到最高，路網(wǎng)處于最大負(fù)荷階段。平峰時段的堆場交通需求量依舊不受閘口的通行能力的影響，與上節(jié)結(jié)論一致，因此可以將其作為衡量高峰時期交通狀況的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)交通累積量在60～175輛時，高峰時段與低峰時段的駛出量基本吻合，可判定此時高峰時段內(nèi)路網(wǎng)是處于暢通的狀態(tài)，在175～200輛時，隨著閘口數(shù)量的增多高峰時段的駛出量逐漸減小，此時路網(wǎng)積壓的車輛開始增多，直至達(dá)到路網(wǎng)飽和。

(a) 通道數(shù)為4

(b) 通道數(shù)為5

(c) 通道數(shù)為6圖6 受閘口通行限制下的MFD

由上述分析，針對高峰時段，進一步對閘口通道數(shù)量控制下路網(wǎng)車輛變化進行分析，隨著仿真時間的推動。如圖7所示，除了閘口數(shù)量為4時，其他情況路網(wǎng)累積車輛一直在上升，說明仿真中后期，路網(wǎng)一直處于低效的通行狀態(tài)。

圖7 路網(wǎng)累積車輛隨時間的變化

根據(jù)時間推動下車輛駛出量來看，如圖8所示，路網(wǎng)在初始時處于暢通的狀態(tài)，當(dāng)?shù)竭_(dá)最大駛出量180輛時，路網(wǎng)出現(xiàn)不同的變化，閘口通道數(shù)為6時，路網(wǎng)負(fù)荷大，使得駛出路網(wǎng)的車輛數(shù)開始減少；而閘口數(shù)量為4時，路網(wǎng)能維持最大的駛出量此時能夠有效地使路網(wǎng)維持在最大通行能力。另外隨著仿真時間的推進，可以發(fā)現(xiàn)閘口數(shù)量大時，路網(wǎng)駛出車輛開始逐漸減少，路網(wǎng)系統(tǒng)提前進入低效率運行狀態(tài)，導(dǎo)致路網(wǎng)擁堵速度加快，這與上述車輛積壓導(dǎo)致?lián)矶孪嚓P(guān)。以上說明閘口數(shù)量的控制在高峰時段對其路網(wǎng)確實有一定影響。

圖8 車輛駛出量隨時間的變化

從路網(wǎng)性能來看，改變閘口通道數(shù)量下的堆場仿真總體運行情況如表5所示，閘口通道數(shù)量為4時，無論是車輛在路網(wǎng)的總延誤還是總行程時間都低于閘口通道數(shù)量為5和6時的時間，其中，總延誤分別減少了8.3%和17%，總行程時間分別減少了11%和26.7%。因此，從路網(wǎng)交通的運行層面來看，閘口通道數(shù)量為4時路網(wǎng)效率達(dá)到最優(yōu)。

2.2.3 閘口處仿真狀況分析

本文的主要研究目的是為了使得堆場閘口路網(wǎng)的通過效率達(dá)到最大化，上文都是從堆場內(nèi)部的路網(wǎng)性能及通行能力進行分析。但是在實際運行中，必須考慮到控制過度很有可能造成場外的疏港道路發(fā)生嚴(yán)重?fù)矶?，港區(qū)外道路交通的順暢是保證堆場內(nèi)部正常運行的前提，因此我們在評價時需要將閘口外等待的集卡車輛列隊納入考慮范疇。

針對高峰時段，在進閘口通道處的路段設(shè)置檢測器，得到仿真時段內(nèi)場外車輛列隊的最大排隊長度、平均停車次數(shù)、平均延誤時間這三個參數(shù)，通過這些參數(shù)確定閘口外集卡列隊是否出現(xiàn)進港集疏運道路的擁堵，其參數(shù)值見表6。從閘口路段結(jié)果分析看來，設(shè)置6個通道對集疏運道路產(chǎn)生的影響最小，此時閘口基本處于暢通，4個通道時最大排隊長度達(dá)到65 m，相當(dāng)于4輛集卡同時在外等待，平均停車延誤時間相較于實際的閘口通道數(shù)增加一倍。限制閘口通行流量必然會導(dǎo)致閘口路段通行效率降低，當(dāng)閘口通道數(shù)為4時，車輛的延誤等參數(shù)對于閘口外部的集疏運道路影響在可控范圍內(nèi)，本著以港口效率高效運行為最優(yōu)的目標(biāo)，因此高峰時段閘口通道數(shù)量設(shè)置為4時較為合適。

表6 閘口路段通行情況

2.3 港區(qū)交通改進措施

從上述試驗方案結(jié)果看，從考慮路網(wǎng)堆場運作效率來看，港區(qū)作業(yè)需求及交通量的控制是影響港區(qū)交通運行效率的主要因素，因此，提出以下措施改善港區(qū)交通狀況：

(1) 對閘口數(shù)量采用智能交通組織的方式，通過港區(qū)路網(wǎng)內(nèi)車輛及駛出車輛的實時監(jiān)控，在作業(yè)需求量變化較大時有策略的安排閘口開放通道的數(shù)量。從上述仿真試驗的交通流分析來看，當(dāng)港內(nèi)累積車輛過度超過300輛時，適當(dāng)減少開放閘口的數(shù)量，反而有助于港區(qū)相關(guān)作業(yè)的高效運行。

(2) 在港區(qū)道路路網(wǎng)設(shè)置時，可適當(dāng)延長進閘口道路緩沖區(qū)可以既滿足港區(qū)運作效率最大化，也不影響港區(qū)外道路交通。

(3) 為了使港區(qū)交通更加順暢運行，可以采取熨平高峰作業(yè)需求車輛的措施，結(jié)合港區(qū)進港預(yù)約系統(tǒng)，與運輸單位聯(lián)網(wǎng)，按計劃發(fā)布和接受進港消息，減小高峰時段和低峰時段的交通量差距，分散車輛到達(dá)時段。

3 結(jié) 語

(1) 為了確定集裝箱堆場內(nèi)交通流運行情況及其影響因素，借助仿真手段對其建立了集裝箱堆場集卡運輸?shù)奈⒂^仿真模型，通過實測數(shù)據(jù)對模型進行參數(shù)校核驗證其可靠性，證明利用VISSIM仿真軟件對港區(qū)交通模擬的可行性。

(2) 研究為堆場路網(wǎng)的交通運行狀況提供了交通流理論的分析支持。堆場路網(wǎng)的閘口通道流量無控制，高峰時存在路網(wǎng)的宏觀基本圖。在實際流量的控制中，路網(wǎng)總能達(dá)到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，且堆場路網(wǎng)的運行集中在宏觀圖的左半部分，路網(wǎng)的最大駛出量相對固定維持在180輛/h，這與堆場特殊的工作性質(zhì)有關(guān)，除了受到路網(wǎng)累積交通量的影響外，最主要還是受到了起重機的工作效率。不同閘口流量下，路網(wǎng)對應(yīng)最大駛出量下的路網(wǎng)積累車輛數(shù)有所改變，閘口流量大，港區(qū)更提前進入擁堵，影響港區(qū)作業(yè)效率。

(3) 港區(qū)整體交通性能和運行質(zhì)量的評價，對港區(qū)規(guī)劃管理者更為重要，從閘口控制流量可以使路網(wǎng)總延誤、總行程時間相較于實際情況減少11%和8.3%，較為顯著地控制路網(wǎng)內(nèi)的交通運行效率，從而提高港區(qū)整體的工作效率。

(4) 仿真得到的交通變化規(guī)律可以評價港區(qū)交通對策措施效果，可以用來解決港區(qū)交通擁堵幫助改善港區(qū)資金的規(guī)劃與分配，本著以堆場網(wǎng)絡(luò)高效運作的方式，進行合理地選取。結(jié)合方案提出了可以采用智能組織閘口通道數(shù)量、改變閘口道路緩沖區(qū)長度、熨平高峰作業(yè)需求車輛等措施緩解港區(qū)交通狀況等措施。