港區(qū)出入口客貨專用閘口優(yōu)化管理研究

馬紅偉，段緒斌，李明劍

（天津市市政工程設計研究院，天津市 300051）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展,港口規(guī)模和貨物吞吐量不斷擴大,進出港口的貨運交通量也日益增加。閘口是港區(qū)集疏運交通的咽喉，閘口交通運行狀況的好壞直接影響著港區(qū)出入口交通的運行效率,進而影響整個港口貨物的運送時間。由于車輛性能的差異以及超載等原因，大貨車的啟動時間(即車輛從靜止狀態(tài)達到正常速度行駛所花費的時間)相比小汽車一般長5～10 s。這種啟動時間上的差異往往導致排在大貨車后面的小汽車啟動時間損失嚴重，從而形成閘口交通流的“啟動瓶頸”。因此，在一定條件下，閘口采用客貨混行的設計和管理形式會帶來閘口通行效率的下降。

基于這一考慮，目前我國部分港口采用大貨車專用閘口或者小汽車專用閘口的形式來分離客貨車輛，提高閘口的通行效率。然而，客貨專用閘口的優(yōu)化設計和管理方法缺乏，在實踐中往往簡單地把靠最右側(cè)或者最左側(cè)一個閘口設置為專用閘口，而沒有考慮閘口上游不同車種到達的規(guī)律。例如，天津港部分閘口在最左側(cè)的閘口設置集裝箱卡車專用通道，禁止小汽車通行。集裝箱卡車具有加速性能差和車身長（約16 m）的特點，相對于小汽車，變換車道比較困難。如果把集裝箱專用閘口設置在最左側(cè)，往往會導致從閘口上游的右側(cè)車道或者中間車道進入的集裝箱卡車需要變換很多次車道才能到達目標閘口，這種變換車道的駕駛行為會在閘口上游形成大量的交織，產(chǎn)生巨大的交通安全隱患。

因此本文的著力點在于以數(shù)據(jù)采集為基礎，以虛擬現(xiàn)實技術為指導，通過對成熟的交通仿真模型的構建測試，在交通仿真軟件的場景中研究客貨專用閘口優(yōu)化設計與動態(tài)運行管理問題。

1 仿真模型與實驗

1.1 指標選取

本文根據(jù)閘口上游車流量和交通組成歷史數(shù)據(jù)以及實時檢測數(shù)據(jù)，以研究通行效率與交通安全為目標，對港區(qū)閘口的布置形式進行優(yōu)化設計和動態(tài)管理的研究，因此選取港區(qū)閘口的延誤作為指標表征交通效率水平，延誤值越小表示此項閘口布置形式及動態(tài)管理水平越高；選擇港區(qū)閘口交通沖突次數(shù)作為指標表征交通安全水平，并選擇VISSIM與SSAM結(jié)合運行處理得到交通沖突次數(shù)，其中VISSIM是由德國PTV公司開發(fā)的微觀交通仿真系統(tǒng)模擬工具，SSAM是美國FHWA開發(fā)的交通沖突分析軟件，其中SSAM可以基于VISSIM輸出的統(tǒng)計數(shù)據(jù)計算獲得評價交通安全指標交通沖突數(shù)目。

1.2 仿真模型

1.2.1 仿真參數(shù)

VISSIM的仿真模型參數(shù)分為車輛參數(shù)與路段參數(shù)，車輛參數(shù)是通過觀測統(tǒng)計相應閘口各車型數(shù)據(jù)確定，本文的車輛與路段參數(shù)是選擇天津港部分閘口實測數(shù)據(jù)。在確定仿真模型的基礎上運行VISSIM進行效率與安全的評價。

（1）車輛類型分為大貨車與小客車兩類，車輛大小根據(jù)我國的車輛設計參數(shù)所確定。車型組成大貨車占比分別從20%開始，按10%的幅度遞增至80%,車型分類圖示見圖1、圖2。

（2）大貨車與小客車速度以天津港實測數(shù)據(jù)為準，選取港口閘口附近長直線道路段80 m測數(shù)據(jù)，大貨車與小客車的速度分別見圖3、圖4，其中仿真模型以該速度設置。

圖1 港區(qū)小客車

圖2 港區(qū)大貨車

圖3 小客車三個路段實測速度

圖4 大貨車三個路段實測速度

（3）閘口模型根據(jù)天津港實際閘口設計方案確定為該港口上游車道為4車道，出入口擴寬為6個閘口，并按仿真需要分別構建兩個閘口交通模型，一個為普通現(xiàn)行的客貨混行港區(qū)出入口閘口模型，另一個為優(yōu)化設計后的客貨專用閘口模型，分別見圖5、圖6，其中仿真模型以該圖形設置。

圖5 現(xiàn)行的客貨混行港區(qū)出入口閘口模型

圖6 優(yōu)化設計后的客貨混行港區(qū)出入口閘口模型

（4）閘口上游交通量根據(jù)天津港出入口實測調(diào)查數(shù)據(jù)確定，分別設置為1 000 veh/h、1 200 veh/h。

1.2.2 動態(tài)管理設定

應用于交通仿真軟件VISSIM和安全分析軟件SSAM的優(yōu)化設計后客貨專用閘口模型，不僅是對其閘口斷面型式進行調(diào)整，并且基于不同流量和交通組成組合條件，對每個周期采用動態(tài)管理方法：通過實時檢測得到的閘口上游各個車道的交通量和交通組成，判斷上游車道所對應的閘口是否達到采用客貨分離的閥值，如沒達到閥值則繼續(xù)保持客貨混行的方式；如果達到閥值，則啟用客車或者貨車專用閘口形式。

動態(tài)管理方法步驟進一步細化為：

（1）上一周期車道流量Qm和交通組成貨車占比Pm的檢測：在閘口上游布設雙線圈檢測器，根據(jù)兩個線圈振蕩電路的頻率變化、線圈長度以及車輛經(jīng)過線圈的時長來估計車長和車速，從而對通過車型進行判別，最終獲得各個車道周期時間內(nèi)的流量值和交通組成貨車占比；

計算公式如下：

式中：v為車速；Lv為車長；L為兩個線圈之間間隔距離；t1、t2分別為車輛進入第一個和第二個線圈的時刻；T1為車輛通過某一個線圈 (例如第一個線圈)的時間；L1為第一個線圈的長度。

（2）根據(jù)上一周期各個車道的交通流量和貨車比例，計算相鄰兩車道的交通流量和貨車比例，式中x,y為相鄰車道號。

在每一個周期，重復以上步驟。具體流程見圖7。

圖7 客貨分離閘口動態(tài)管理流程圖

1.3 仿真實驗

利用仿真模型在VISSIM和SSAM分析車輛在港區(qū)閘口附近的運行特征及交通運行效率和交通運行安全，下面僅以客貨混行閘口為例分析交通延誤和沖突。

對于駛?cè)腴l口的大貨車，駕駛員首先將車輛切換至各個閘口通道，對于4個進口道拓寬為6個閘口的天津港閘口而言，一些車輛需切換至外側(cè)閘口；然后減速到閘口測速收費區(qū)域進行測重收費通關等各種操作；接著控制車輛啟動加速駛出港區(qū)閘口；最后從閘口通道駛?cè)胝５缆贰?/p>

大貨車在閘口處可能發(fā)生的延誤包括閘口排隊等待，收費通關等；可能發(fā)生的碰撞沖突包括換道時候可能發(fā)生的側(cè)向碰撞、減速和加速時候可能發(fā)生的追尾碰撞、合流時候可能發(fā)生的側(cè)向或追尾碰撞，此外也有可能發(fā)生單車駛離車道、單車碰撞閘口設施等事故。

對于駛?cè)腴l口的小客車，則在閘口處不存在測重收費通關等行為，故駕駛員的駕駛行為是首先將車輛切換至各個閘口通道，；然后根據(jù)前車及排隊行為減速到閘口測速收費區(qū)域；接著控制車輛加速駛出港區(qū)閘口；最后從閘口通道駛?cè)胝５缆贰?/p>

小客車可能發(fā)生的延誤包括閘口排隊等待等；可能發(fā)生的碰撞沖突包括換道時候可能發(fā)生的側(cè)向碰撞、減速和加速時候可能發(fā)生的追尾碰撞、合流時候可能發(fā)生的側(cè)向或追尾碰撞，此外也有可能發(fā)生單車駛離車道、單車碰撞閘口設施等事故。

從上述特征來看，影響港區(qū)閘口出入交通效率及安全的因素包括了閘口的渠化設計及交通運行管理等方面。其中閘口渠化設計要素包括進口道寬度、數(shù)量；閘口數(shù)量；連接處長度、角度等；交通運行管理包括客貨分離，速度、流量分離等。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 基礎數(shù)據(jù)設置

本文以現(xiàn)行客貨混行港區(qū)閘口仿真模型與優(yōu)化渠化設計的客貨分離閘口為對比重點，在一定的流量與速度范圍中研究不同閘口的交通延誤及沖突數(shù)量，每次仿真實驗使用不同的隨機種子實驗10次，以平均值作為實驗結(jié)果。SSAM軟件中，需設置參數(shù)閾值：維持當前的速度和行駛方向，2車到達沖突點的預期時間差值，即距離碰撞時間（time to collision，TTC）=1.5 s；直行車輛實際到達潛在碰撞點的時間和轉(zhuǎn)向車輛侵占結(jié)束時間之間的時間差，即后侵占時間（post-encroachment time）PET=5.0 s。

2.2 延誤分析

取交通流量閾值為1 000 veh/h，設置2個客車專用閘口，4個貨車專用閘口對比客貨混行閘口的情況下，大貨車比例較大時，閘口通行效率較高，其中比例為55%左右延誤最小，當貨車比例達到45%時，延誤值與客貨混合通行情形下接近，小于40%時，閘口通行效率急劇下降，延誤值極速上升，遠小于在客貨混行情形下閘口通行效率，而在貨車比例大于70%時，因占絕大部分的貨車均擁擠在4個貨車專用閘口，其延誤也將增大，見圖8。

圖8 1000 veh/h時的兩個閘口延誤時間

取交通流量閾值為1 200 veh/h，設置2個客車專用閘口，4個貨車專用閘口對比客貨混行閘口的情況與設置為1 000 veh/h的情形相似，見圖9。但是對比圖8、圖9,可得，閘口的延誤隨著港區(qū)出入口流量的增加而持續(xù)增加，設置客貨專用的閘口延誤相比增長更為迅速，從而優(yōu)化效果并不明顯。

圖9 1200 veh/h時的兩個閘口延誤時間

說明了兩種形式對于交通延誤有著較大的影響，當大貨車占所有車型的比例在50%～70%的時候，客貨專用閘口有著較好的減小延誤的作用，但是貨車比例偏小或偏大的時候反而會嚴重增加延誤值。

2.3 安全分析

取交通流量閾值為1 000 veh/h，設置2個客車專用閘口，4個貨車專用閘口對比客貨混行閘口的情況下，客貨混行閘口交通沖突次數(shù)維持在10～20次，而設置客貨專用閘口的交通沖突次數(shù)在貨車占比小于30%時較高，在貨車占比大于30%后逐步減低，并在70%取最小值，見圖10。

圖10 1000 veh/h時的兩個閘口交通沖突次數(shù)

取交通流量閾值為1 200 veh/h，設置2個客車專用閘口，4個貨車專用閘口對比客貨混行閘口的情況下，交通沖突次數(shù)均有著較大的增長，在貨車占比大于50%之后，設置客貨專用的閘口交通沖突次數(shù)遠小于客貨混行的沖突次數(shù)，見圖11。

說明了兩種形式對于交通安全有著較大的影響，當大貨車占所有車型的比例在大于50%的時候，客貨專用閘口能大幅提高交通安全，但是貨車比例偏小時候反而會嚴重增加交通沖突次數(shù)。

3 結(jié)論

對以往研究的歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)對港區(qū)出入口處的閘口交通研究較少，故本文應用交通延誤和交通沖突次數(shù)作為研究閘口通行效率和安全的評價指標，結(jié)合VISSIM與SSAM軟件，在采集天津港閘口相關數(shù)據(jù)的基礎上對閘口布設形式和管理方式進行仿真研究。本文得到的主要研究結(jié)論如下：

（1）在流量相同的情況下，兩種形式對于交通延誤有著較大的影響，當大貨車占所有車型的比例在50%～70%的時候，采用客貨專用閘口有著較好的減小延誤的作用，但是貨車比例偏小或偏大的時候反而會嚴重增加延誤值。

（2）在流量相同的情況下，兩種形式對于交通延誤有著較大的影響，當大貨車占所有車型的比例在大于50%的時候，客貨專用閘口能大幅提高交通安全，但是貨車比例偏小時候反而會嚴重增加交通沖突次數(shù)。

（3）隨著流量由1 000 veh/h增加到1 200 veh/h直至更高，客貨專用閘口延誤值增長較快；但客貨專用閘口的交通沖突次數(shù)增長較客貨混行閘口混行慢。

建議在港區(qū)出入口上游流量較小且貨車占比維持在50%～70%的時候使用客貨專用閘口，同時實施動態(tài)管理，起到提升交通運行效率，降低交通事故的作用。

[1]Jian Sun,Guangxin Liu,Keping Li,etc.Survival Analysis on Pedestrian's Maximum Waiting Timeat Signalized Intersections[A].The89th Annual Meeting of the Transportation Research Board[C].Washington D.C.:National Academy of Science,2010,1428.