大規(guī)模聚集人員轉(zhuǎn)移的交通組織仿真與實踐——以沙特Ras Tanura化工新城建設(shè)項目為例

丘建棟，Amer Tawfik

（1.深圳市城市交通規(guī)劃設(shè)計研究中心有限公司，廣東 深圳 518027；2.施偉拔（沙特）有限公司，沙特 利雅得 301285)

0 引言

交通仿真是運用計算機技術(shù)模擬現(xiàn)實或構(gòu)想中的交通系統(tǒng)，是交通規(guī)劃、交通設(shè)計、多方案比選的重要技術(shù)方法[1]。依據(jù)描述交通系統(tǒng)的尺度差異，交通仿真可劃分為宏觀仿真模型、中觀仿真模型和微觀仿真模型。其中微觀仿真模型細(xì)致地描述了系統(tǒng)中人或車的產(chǎn)生、運動、消失及其之間的相互影響[2－4]，能非常逼真地再現(xiàn)實際交通狀況或構(gòu)想中的交通方案，已成為多種規(guī)劃設(shè)計方案比選的有力工具。

本文針對沙特一個化工新城在施工期間大規(guī)模聚集人員轉(zhuǎn)移過程中的交通組織規(guī)劃，探索微觀交通仿真技術(shù)在項目未開展之前的應(yīng)用，通過量化的計算評估，優(yōu)化交通組織方案。

1 項目概況

1.1 總體情況

沙特Ras Tanura化工新城綜合項目（簡稱：RTIP）是沙特阿美石油公司（Saudi Aramco）近年來主推的一個大型項目，占地約15km2，建成后將成為世界上最大的石油化工產(chǎn)業(yè)園[5]。該項目位于沙特東部、波斯灣沿岸，距離沙特東部最大城市Dammam約50km。

項目施工期間，RTIP將有7.5萬工人參與項目建設(shè)。為了保證工人的生活質(zhì)量，在項目約20km外集中安排工人居住區(qū)，如圖1所示。運送工人的車輛需使用Jubail—Dammam高速公路（雙向六車道）和Juaymah公路（雙向四車道），途經(jīng)一個公安檢查站和一個信號交叉口。每臺運送大巴車輛標(biāo)載50人，共需1 500輛運送大巴車輛。

圖1 RTIP項目區(qū)位圖

1.2 項目約束條件

項目約束條件如下：

a）在工人居住區(qū)安排停放1 500輛大巴的車站，工人步行至車站；

b）進入車站前，工人需要進行打卡安檢；

c）大巴使用居住區(qū)北面單向兩車道支路進入Jubail—Dammam高速公路；

d）大巴車輛全程限速60km／h；

e）途經(jīng)公安檢查站，應(yīng)低速通過；

f）進入RTIP工地前，需要進行車輛安檢，之后必須低速行駛至相應(yīng)的施工單元。

1.3 建設(shè)方目標(biāo)需求

為了確保運送車輛在項目施工期間，每天早上在1h內(nèi)把7.5萬名工人從居住地運送到RTIP，政府建議建設(shè)方在途經(jīng)道路進行擴寬升級，以適應(yīng)施工期間新增的交通需求。而建設(shè)方希望用最小的交通基建投資和運營成本，實現(xiàn)1h內(nèi)運送工人至RTIP的目標(biāo)。

經(jīng)過多輪的技術(shù)交流，顧問公司建議采用交通仿真技術(shù)，模擬車輛運行中的各種影響因素及其延誤量化指標(biāo)，測試不同的道路設(shè)置對延誤的影響程度，為給施工期間交通組織的優(yōu)化提出建議。

2 建立微觀仿真模型

建立微觀仿真模型，主要計算運送工人車輛從居住區(qū)至RTIP的行程時間，包括車站排隊放行時間、路段行駛時間、公安安檢時間、RTIP口檢查時間，同時需要評估影響這些時間延誤的因素。

2.1 仿真軟件比選

目前比較流行的幾種常用微觀仿真軟件包括：TransModeler（Caliper，2011），CORSIM（FHWA，2003），VISSIM（PTV，2011），PARAMICS（Quadstone，2009）[6－8]，每個仿真軟件都有各自的優(yōu)缺點，都成功地運用于交通組織、系統(tǒng)運營規(guī)劃等。其中TransModeler可以結(jié)合宏觀交通模型（TransCAD），進行多車種矩陣的動態(tài)交通分配，尤其考慮了背景交通量的相互影響，輸出的Trajectory Data能記錄仿真過程中每臺車輛的行駛軌跡[9]。如同GPS行車記錄儀一般，可以詳細(xì)記錄仿真中每臺車輛積累的行程時間、行程距離還有坐標(biāo)位置等。這些數(shù)據(jù)基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫格式，可非常方便地用于延誤分析。因此仿真軟件采用Caliper公司的TransModeler。

Trajectory Data的數(shù)據(jù)格式如圖2所示。這是一個帶坐標(biāo)的數(shù)據(jù)表，跟Garmin GPS輸出格式基本一致。其中，Time列為積累的時間；Distance列為積累的行程距離；Speed為瞬時速度，除此之外還可以得到車輛的加速度和所處的地理位置等。

圖2 行駛軌跡數(shù)據(jù)格式

2.2 仿真系統(tǒng)及參數(shù)標(biāo)定

2.2.1 出行需求預(yù)測

未來年道路實際的交通出行需求，主要由背景交通量和運送工人的大巴車輛構(gòu)成。根據(jù)區(qū)位特點，背景交通量以私人小汽車為主。通過宏觀模型獲得現(xiàn)狀機動車出行OD，結(jié)合未來年各交通小區(qū)產(chǎn)生量與吸引量的增長，運用Fratar雙約束增長模型，預(yù)測未來年背景的機動車出行OD。而運送工人大巴的OD則從居住區(qū)至RTIP，共有1 500輛大巴出行。出行需求為早高峰出行OD，且場景唯一。

2.2.2 駕駛行為

運送大巴的駕駛行為與背景小汽車駕駛行為有所差別。為保證安全，要求運送大巴限速60km／h，并設(shè)定加速度不超過1.5m／s2。在行駛過程中，限制大巴超車，并降低其換車道的概率。而背景小汽車則根據(jù)道路的實際限制條件行駛，駕駛行為采用仿真軟件的默認(rèn)值。駕駛行為的場景唯一。

2.2.3 居住區(qū)車站

車站距離居住區(qū)中的任一住宅應(yīng)小于500m。假設(shè)停車道寬為4m，共15條停車道，停車道間隔為4m，作為上下車人行道。為滿足1 500輛大巴的停放，車站用地面積應(yīng)為1500m×124m＝186000m2，如圖3所示。由于道路系統(tǒng)不可能滿足15條車道的車輛同時放行，因此需要車輛排隊放行，在出入口處適當(dāng)增加渠化，加寬加長車道轉(zhuǎn)換交織區(qū)。

圖3 工人居住區(qū)車站平面圖

同時，放行車道數(shù)場景設(shè)定為：場景①2條車道；場景②3條車道；場景③4條車道；場景④5條車道（構(gòu)想方案）。

2.2.4 道路系統(tǒng)

首先標(biāo)定各等級道路的通行能力和限速條件，其次標(biāo)定路網(wǎng)內(nèi)主要瓶頸點處（如匝道、信號交叉口、坡度等）路段的通行能力。為了在動態(tài)分配過程中，運送大巴偏離指定路徑，需要設(shè)定路徑系統(tǒng)（Bus Route），以確保動態(tài)交通分配后運送大巴按既定線路行駛。

Juaymah公路單向車道數(shù)場景設(shè)定：場景①2車道（現(xiàn)狀）；場景②3車道（構(gòu)想方案）；場景③4車道。

2.2.5 公安檢查站

公安檢查站是沙特政府為了防止恐怖分子襲擊，在重要節(jié)點處設(shè)置的檢查站，以對過往車輛進行抽查。正常的車輛不需要停駐，但必須低速通過。在TransModeler仿真系統(tǒng)中，使用Speed Hump來模擬減速和加速的全過程。

公安檢查站通過車速場景設(shè)定：場景①5km／h（現(xiàn)狀）；場景②10km／h；場景③20km／h；場景④30km／h。

2.2.6 RTIP安檢口

進入RTIP工地之前，所有車輛必須通過安檢口，為了運送大巴車輛能較為平順地到達安檢口，需要分段地每隔50m各增加1個車道，分段總數(shù)由安檢口數(shù)量決定，如圖4所示。

圖4 RTIP安檢口平面圖

RTIP安檢口個數(shù)場景設(shè)定：場景①5個（構(gòu)想方案）；場景②7個；場景③10個；場景④12個。

2.3 延誤計算方法

在每個場景仿真之后，根據(jù)Trajectory Data車輛行駛軌跡記錄，繪制車輛序列的延誤圖。例如，運送大巴分別以5km／h和30km／h的速度經(jīng)過公安檢查站，對前300輛大巴，兩種延誤時間區(qū)別不明顯，但隨著到達檢查站車輛的增加，延誤就有顯著區(qū)別。如圖5所示，當(dāng)大巴以5km／h速度通過檢查站，累積的車輛會顯著影響后續(xù)車輛的通過，最大車輛延誤在13min以上；而如圖6所示，由于車輛離散地到達，基本抵消了30km／h通過檢查站所帶來的延誤，最大車輛延誤不超過2min。

圖5 以5km/h的速度通過公安檢查站時車輛延誤時間

圖6 以30km/h的速度通過公安檢查站時車輛延誤時間

3 仿真結(jié)果與建議

3.1 結(jié)果分析

針對以上仿真系統(tǒng)的場景設(shè)定，總共有192個組合場景需要建立對比評估。在實際操作過程中，需要將宏觀判斷與實際建模相結(jié)合，適當(dāng)?shù)嘏懦缓侠淼募僭O(shè)場景或者可以推算出結(jié)果的場景，以減少建模工作量。最終需要建立32個組合場景的仿真系統(tǒng)。

在總體行程時間內(nèi)，最重要的是考慮最后一輛車能在1h內(nèi)通過RTIP安檢口，因此在各控制點的分段延誤中，測算最后一輛車有等候時間與無等候時間之差，即為各控制點的分段延誤。當(dāng)然由于最后一輛車往往受前面車輛延誤傳遞影響，因此需要在仿真系統(tǒng)中跟蹤所有車輛的運行狀態(tài)，而這些信息全部可以從Trajectory Data中獲得。

通過對32個組合場景的Trajectory Data分析，得到各分段控制點延誤如表1所示。

表1 各組合場景的最后一輛車延誤時間 單位：/min

3.2 交通組織建議

在各種場景中，途經(jīng)唯一的信號燈延誤不可避免，由于背景交通量和運送大巴的排隊累積疊加影響，造成后續(xù)車輛的巨大延誤，建議設(shè)置獨立跨線橋（見圖7），避開信號燈的影響。

圖7 增設(shè)跨線橋位置

建議與政府協(xié)商，為公安檢查站設(shè)置專用車道，允許運送大巴車輛以20km／h的車速通過公安檢查站，比現(xiàn)狀5km／h節(jié)省約10min。

綜合考慮各類設(shè)施的投資情況，最終推薦場景的組合為：車站同時放行的車道數(shù)為3條車道、Juaymah公路車道數(shù)保持原有的單向2車道，僅在公安檢查站處拓寬布設(shè)專用車道，同時通過車速為20km／h，RTIP安檢口為10個，在途經(jīng)唯一的信號交叉口處增設(shè)跨線橋。

綜上推薦的組合，從工人居住區(qū)至RTIP，兩地相距約20km，車輛運行時速為60km／h，第一輛車到達RTIP的時間約20min；最后一輛車總延誤小于40min，到達RTIP總時間小于1h，滿足既定目標(biāo)。

3.3 實踐效果

通過交通仿真分析，顧問公司得出運送車輛的延誤重點不在Juaymah公路的車道數(shù)量，而在于各控制點的排隊延誤，通過多方案比選，優(yōu)化了最初計劃在Juaymah公路加寬車道數(shù)的設(shè)想，在達到相同目標(biāo)的情況下，可為沙特阿美石油公司節(jié)省約70%的交通基建投資。

4 結(jié)語

大規(guī)模聚集人員的轉(zhuǎn)移或疏散，涉及到出行者的行為、道路設(shè)施以及各種瓶頸限制，如檢查站、閘口、坡度等。對于此類復(fù)雜的交通行為，通過微觀仿真技術(shù)，可以非常詳盡地再現(xiàn)交通行為的運行過程。在不需要經(jīng)過實際大規(guī)模演練的情況下，仍可得到聚集人員轉(zhuǎn)移或疏散的規(guī)律，同時可以測試各種設(shè)施的適應(yīng)性，預(yù)判設(shè)施可能出現(xiàn)的脆弱點，優(yōu)化原有設(shè)計方案。本文以沙特化工新城施工期間大規(guī)模聚集工人的運送為例進行了交通組織仿真與實踐，同樣，此類交通仿真方法在快速發(fā)展的中國，也有很好的借鑒意義。

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