港區(qū)集疏運道路車輛運行時間可靠度研究

黃安邦，周 強，張利分，陳 可

(武漢理工大學 物流工程學院，湖北 武漢 430063)

港區(qū)集疏運道路車輛運行時間可靠度研究

黃安邦，周 強，張利分，陳 可

(武漢理工大學 物流工程學院，湖北 武漢 430063)

首先分析了影響港區(qū)集疏運道路可靠性的因素及其作用機理；然后引入運行時間可靠度的概念來評價港區(qū)集疏運道路交通運行狀態(tài)，推導出計算公式并提出了港區(qū)集疏運道路可靠度的仿真評價方法；最后結合實際港區(qū)在不同方案下的仿真交通量和車輛運行時間，計算其運行時間可靠度并對比分析。結果表明，運行時間可靠度能很好地評價港區(qū)集疏運道路的運行狀態(tài)，并可為港區(qū)系統(tǒng)規(guī)劃提供參考。

港區(qū)集疏運；運行時間；可靠度；仿真；狀態(tài)評價

港區(qū)集疏運系統(tǒng)作為港區(qū)的重要組成部分之一，如何協(xié)調(diào)其與港區(qū)各碼頭系統(tǒng)之間的關系顯得十分重要。尤其對港區(qū)集疏運系統(tǒng)中集疏運道路的研究一直是港區(qū)綜合管理者與相關學者的關注點，其中，集疏運道路是指各港口與港區(qū)外圍之間的道路，其交通為該路段上的貨運交通[1]。

國內(nèi)外學者對集疏運系統(tǒng)進行了一系列的研究。如王兵[2]基于區(qū)域發(fā)展層面分析了前灣港區(qū)的戰(zhàn)略定位，系統(tǒng)研究了疏港體系問題，進而提出了港區(qū)集疏運系統(tǒng)的近期優(yōu)化與遠期設想方案。王寅弘等[3]針對港區(qū)交通仿真和港區(qū)道路設計間的協(xié)同進行研究，分析發(fā)現(xiàn)該研究兼具必要性和重要性，并運用理論與實際相結合的方法研究了港區(qū)交通流預測、交通流仿真模型與港區(qū)道路設計等問題。HOJATI等[4]提出了一種量化交通事故對車輛運行時間可靠度影響的方法。

目前，我國港區(qū)集疏運系統(tǒng)中道路交通能力與車流量需求不匹配的問題十分突出。主要是因為：①碼頭出入閘口通道數(shù)目與其吞吐能力不契合，不益于集疏港；②港區(qū)場站布局不當，交通流分配不合適；③各碼頭配置設備效率與交通需求不匹配，造成資源浪費或不足[5]。而作為港區(qū)交通基礎的集疏港道路，其可靠性的作用更加突顯。因為只有可靠的集疏港道路才可能有可靠的交通，這樣不僅可以提高港區(qū)相關系統(tǒng)的功效，還會降低其間接費用。為此，筆者提出一種新型的港區(qū)集疏運道路交通運行狀態(tài)評價方法，可適用于大多數(shù)港區(qū)集疏運系統(tǒng)的研究，為其合理評價與規(guī)劃提供參考。

1 港區(qū)集疏運道路可靠性的影響因素及其作用機理

1.1 港區(qū)集疏運道路可靠性的影響因素

當港區(qū)集疏運道路的暢通能力低于其交通需求時會造成交通阻塞，因此，港區(qū)集疏運道路的運行狀況是由其交通需求與暢通能力共同作用的。而集疏運道路的可靠性考慮了其中隨機性變化因素，可用于其交通運行狀況不同程度的表征。通過分析可知，引起集疏運道路可靠性變化的因素很多，總體可以分為道路本身因素與外部因素兩大類。道路本身因素主要包括初始的道路建設和現(xiàn)實損耗兩方面。其中，初始的道路建設主要是通過車道寬度、車道數(shù)和車道側向凈寬等基本屬性影響通行能力；現(xiàn)實損耗主要與道路損壞、交通事故和道路施工等因素有關[6]。外部因素除了地質(zhì)災害、惡劣氣候等不可抗力因素外，還包括各碼頭的裝卸效率、各碼頭進出閘口容量與數(shù)量、港區(qū)內(nèi)碼頭布置形式及各碼頭的吞吐量變化等。道路本身因素基本上是從集疏運道路的暢通能力方面影響其可靠性，而外部因素是直接或間接地作用于集疏運道路的交通需求，進而造成其可靠性的變化。

1.2 港區(qū)集疏運道路可靠性影響因素的作用機理

通過分析影響集疏運道路可靠性的因素，進而探求其作用機理。路段失效與交叉口失效共同作用于路網(wǎng)失效，其中路網(wǎng)失效是指其部分功能失去效用，即變得不可靠。其一般包括駕駛員沒能在預期的時間內(nèi)通過路段與交叉口、路網(wǎng)擁堵造成路網(wǎng)通行能力降低以及現(xiàn)有集疏運道路容量無法滿足交通需求激增造成擁堵等情況。

集疏運道路系統(tǒng)的本身因素與外部因素共同導致道路網(wǎng)絡可靠性的變化，由連通可靠度、運行時間可靠度與容量可靠度等外在評估指標表征，其內(nèi)在機理是更深層次的路網(wǎng)通行能力隨機性與交通需求隨機性之間的自適應協(xié)調(diào)響應。集疏運道路可靠性影響因素作用機理[7]如圖1所示。

圖1 集疏運道路可靠性影響因素作用機理

2 港區(qū)集疏運道路車輛運行時間可靠度

2.1 集疏運道路車輛運行時間可靠度定義與計算

由于港區(qū)集疏運道路的交通需求與實際通行能力均具有隨機特征，運行時間可靠度作為一種概率性評價指標，其能準確地表示交通流動態(tài)特性，故引入運行時間可靠度來描述集疏運道路的交通狀況。

依據(jù)城市道路運行時間可靠度[8-9]與港區(qū)集疏運道路容量可靠度[10]的定義，將港區(qū)集疏運道路的車輛運行時間可靠度定義為：在給定的港區(qū)集疏運道路條件下，車輛在其路段上的運行時間在規(guī)定時間閾值內(nèi)的概率。其中，時間閾值是指時間的最大值，是對實際狀態(tài)的一種設定條件，可依據(jù)所要達到的研究目的來設置。通常設置時間閾值有兩種方法：一種是由出行者設定可接受的運行時間；另一種是由道路管理者規(guī)定合理的運行時間。由于后者的閾值為確定量，易于實現(xiàn)，前者的閾值是隨機變量，可能與某種概率分布相似，但難以描述。因此筆者運用大多數(shù)學者采用的第二種方法計算港區(qū)集疏運道路可靠度。

根據(jù)上述港區(qū)集疏運道路車輛運行時間可靠度的定義，定義OD對車輛運行時間可靠度為在給定的港區(qū)集疏運道路條件下，車輛從起點O到達訖點D的運行時間在規(guī)定時間閾值內(nèi)的概率。根據(jù)BELL等[11]實證分析交通流的歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)道路車輛運行時間在相對較長的時期內(nèi)可近似滿足正態(tài)分布規(guī)律，且其與實際時長的方差置信度在可接受范圍內(nèi)，故筆者沿用這一假設。

在計算OD對車輛運行時間可靠度之前，需得到每條路徑車輛運行時間可靠度。路徑車輛運行時間可靠度與道路車輛運行時間可靠度的區(qū)別只在于對象不同，其表達式為：

r(o,d)=P{Tr≤T}=P{Tr≤αT0}=

(1)

式中：r(o,d)為路徑lod的可靠度；α為閾值系數(shù)，且α>1，一般取1.2；Tr為從o到d的實際行駛時間；T為道路管理者所規(guī)定的合理路徑時間閾值；T0為自由流時路徑lod的行駛時間；f(t)為從o到d的實際行駛時間概率密度；Tm為從o到d的實際行駛時間均值；σ為從o到d的實際行駛時間標準差。

集疏運道路失效概率圖如圖2所示，其中陰影區(qū)域面積表示集疏運道路的失效概率，該失效概率與集疏運道路可靠度之和為1。

圖2 集疏運道路失效概率圖

由于實際港區(qū)集疏運路網(wǎng)中從o到d有多條路徑，而r(o,d)只是其中某條路徑的可靠度，為了計算從o到d的路段總可靠度，需將集疏運路網(wǎng)類比為并聯(lián)系統(tǒng)，按照其思路計算OD點對間的可靠度，可表示為：

(2)

式中：R(o,d)為OD點對間的可靠度；ri(o,d)為OD點對間第i條路徑的可靠度；n為節(jié)點OD點對間的有效路徑總條數(shù)。

2.2 集疏運道路可靠度研究的仿真方法

目前，城市道路交通可靠度研究已基本形成了我國城市道路的連通可靠度、容量可靠度及運行時間可靠度等的計算理論。如針對道路網(wǎng)絡的運行狀態(tài)，提出相關可靠度的評價指標，根據(jù)得到的指標參數(shù)對路網(wǎng)進行優(yōu)化；或者假定突發(fā)事件的發(fā)生，測試道路系統(tǒng)所能承受的最大限度，為特定事件的處理提供參考。而對港區(qū)集疏運道路可靠度的研究較少，特別是從時間角度對可靠度的研究，現(xiàn)結合已有的相關研究，認為集疏運道路運行時間可靠度可用系統(tǒng)仿真方法研究。

通過仿真模擬得出運行時間，進而求得集疏運道路可靠度。由于道路網(wǎng)絡是一個復雜動態(tài)系統(tǒng)，結合隨機性強的交通流研究會增強一定的難度，而仿真模型能夠很好地解決這類離散事件動態(tài)系統(tǒng)的問題，故建立仿真模型研究路網(wǎng)可靠度是一大趨勢。通過仿真得到集疏運道路可靠度之后，有利于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的問題，找出系統(tǒng)瓶頸并為提升道路運行狀況提供參考建議，同時也利于港區(qū)建設高質(zhì)量的集疏運系統(tǒng)，便于港區(qū)持續(xù)高效地發(fā)展。

3 港區(qū)集疏運系統(tǒng)仿真模型與可靠度計算

由于仿真模型能夠很好地解決路網(wǎng)復雜系統(tǒng)中交通流的時變性問題，且數(shù)據(jù)較易獲得。因此筆者采用仿真建模方法獲得港區(qū)集疏運道路的運行時間及其分布，再利用上述公式計算出各路段的運行時間可靠度。

3.1 港區(qū)集疏運系統(tǒng)建?；A

由于筆者主要研究港區(qū)公路集疏運系統(tǒng)，只考慮各碼頭總的裝卸效率，根據(jù)具體功能區(qū)分，港區(qū)集疏運系統(tǒng)可分為集疏運道路系統(tǒng)、碼頭內(nèi)部系統(tǒng)和運行車輛等。集疏運道路系統(tǒng)包括路段模型、超車模型及沖突區(qū)模型等。

(1)路段模型與超車模型。路段模型主要是基本參數(shù)的設定，如車道長度、車道容量及車輛行駛速度等。超車模型中將不同車道的速度劃分為不同等級，同時一條長路段可分割成許多長度相近的子路段，每條子路段最多只能容納一定數(shù)量的車輛。當相鄰路段沒車且相鄰路段下一段車輛數(shù)小于車道容量，車輛就可以由慢車道向快車道換道轉換，實現(xiàn)超車。

(2)沖突區(qū)模型。模型中沖突區(qū)表現(xiàn)為十字路口與三岔路口，車輛進出閘口優(yōu)先與先到先行相結合，實際上是一種車輛安全行駛模型。

(3)碼頭內(nèi)部系統(tǒng)模型。由于不考慮碼頭內(nèi)部的具體裝卸與運輸流程，將模型簡化為車輛經(jīng)閘口大門進入堆場后，停留一段時間再離開，車輛停留的時間與實際中車輛進入堆場到離開堆場的整個操作過程的時間分布相一致。

(4)車輛模型。車輛模型是根據(jù)港區(qū)綜合通過能力，并結合公路所占集疏運比例得出的。該模型設置車輛的目的碼頭屬性、啟動時間、最大行駛速度等參數(shù)。

按照交通流理論，描述交通流特性的基本參數(shù)有交通流量、速度和密集度。為計算港區(qū)集疏運道路運行時間可靠度，還需統(tǒng)計各路段的運行時間及其分布情況。

3.2 港區(qū)集疏運系統(tǒng)仿真試驗參數(shù)與變化因子

某綜合港區(qū)由糧食碼頭、集裝箱碼頭、件雜貨碼頭、鋼鐵碼頭、木材碼頭和散貨碼頭組成，其布局大致如圖3所示，初始堆場布置形式為集裝箱碼頭靠近港區(qū)大門。

(1)試驗基本參數(shù)：根據(jù)該港區(qū)各類碼頭的規(guī)劃年吞吐量和公鐵集疏運比例，估算外部集疏運車輛進出各碼頭閘口的高峰量。即糧食碼頭、集裝箱碼頭、件雜貨碼頭、鋼鐵碼頭、木材碼頭和散貨碼頭的車輛進/出碼頭閘口的高峰量依次為：1 218輛/日、7 000輛/日、1 000輛/日、320輛/日、1 592輛/日、2 096輛/日。港區(qū)一號路以糧食碼頭進出閘口分界，分為路段A和路段B。港區(qū)二號路段從右至左按各碼頭進出閘口的分布，分為路段1～路段8。設定路段B、路段A、路段1～路段8的時間閾值分別為10.4 min、5.6 min、1.4 min、5.4 min、1.5 min、3.2 min、1.5 min、1.5 min、2.5 min和3.9 min。調(diào)研和統(tǒng)計資料顯示車輛在各碼頭停留時間接近截斷正態(tài)Tnormal分布，故設置車輛在糧食碼頭、集裝箱碼頭、件雜貨碼頭、鋼鐵碼頭、木材碼頭和散貨碼頭的初始停留時間均服從Tnormal(40,5,25,55,1)的截斷正態(tài)分布。截斷正態(tài)分布的5個參數(shù)依次表示車輛在碼頭停留時間的均值、標準差、最小值、最大值及偽隨機數(shù)流。

(2)變化因子：各碼頭裝卸效率、碼頭靠近與遠離港區(qū)大門的布局方式。將各碼頭裝卸效率處理成卡車在各碼頭的停留時間，且其服從截斷正態(tài)Tnormal分布。由于港區(qū)內(nèi)部不同碼頭作業(yè)形成的車流量不同，而不同碼頭布置形式會使得港區(qū)集疏運道路的車流量分布不同，進而會對道路的可靠性造成一定程度的影響，故選取碼頭遠離與靠近港區(qū)大門作為其中的一個變化因子。

圖3 某綜合港區(qū)布局示意圖

3.3 試驗數(shù)據(jù)分析與可靠度計算

首先，以各碼頭裝卸效率為變化因子，即車輛在碼頭停留時間服從Tnormal(40,5,25,55,1)、Tnormal(30,5,15,45,1)、Tnormal(20,5,5,35,1)的分布，分別為方案1、方案2和方案3。進入港區(qū)各碼頭的日車流量和港區(qū)各路段的平均車流量分別如表1和表2所示。

表1 進入港區(qū)各碼頭的日車流量 輛

表2 港區(qū)各路段的平均車流量 輛/h

由表1可看出，方案1～方案3各碼頭車流量均未達到預設的車輛進/出碼頭閘口的高峰量，隨著車輛在各碼頭裝卸時間的減小，即隨著各碼頭裝卸效率的提高，車輛進入各碼頭的日車流量均有先增大再減小的趨勢。這說明，方案2各碼頭的裝卸效率與港區(qū)集疏運道路通行能力更匹配。從表2可看出，各路段平均車流量增長趨勢與表1分析大致一樣且各路段道路的服務能力不均衡，路段A、路段B和路段1車流量過高，原因在于集裝箱貨運車流占整個港區(qū)貨運車流比例大，而這幾個路段是其進入港區(qū)的必經(jīng)之路，為緩解道路交通壓力，這幾個路段寬度、車道數(shù)以及容量等還有待增強。

港區(qū)各路段的車輛平均運行時間與標準差數(shù)據(jù)如表3所示，由于路段8是單行道，故沒有該路段的上行路據(jù)。通過這些數(shù)據(jù)可以計算出3種方案下港區(qū)各路段的運行時間可靠度，如表4所示。

根據(jù)表4的運行時間可靠度可知，隨著各碼頭裝卸效率的提升，港區(qū)各路段的運行時間可靠度也有所提升，但之后當裝卸效率再提升時，港區(qū)各路段的運行時間可靠度也沒有增大，反而有所減小。出現(xiàn)這種情況，是因為各碼頭裝卸效率的提升加快了港區(qū)集疏運系統(tǒng)的交通流，而此時系統(tǒng)瓶頸影響了交通流，使得車輛在港區(qū)道路緩慢行駛。比如進出閘口通道數(shù)不足，車輛在進出閘口前的交叉口等待，即車輛在沖突區(qū)的延誤，從而影響路段正常行駛的車輛。

根據(jù)上述分析可知，各碼頭裝卸效率的提升在一定程度上能夠增大集疏運道路的運行時間可靠度，為使集疏運道路車輛運行順暢，在港區(qū)建設或改造時各碼頭配置設備的效率需與集疏運道路通行能力相匹配。各碼頭配置設備的效率過低，會使得各碼頭服務車輛數(shù)減少和港區(qū)碼頭外部擁堵；各碼頭配置設備的效率過高，不僅對集疏運效率的提升影響不大，還會造成資源的浪費。

表3 港區(qū)各路段的車輛平均運行時間與標準差 min/min

表4 港區(qū)各路段的運行時間可靠度

車流量多的集裝箱碼頭靠近港區(qū)大門與否會對港區(qū)集疏運道路的交通造成一定的影響。故在上述方案的基礎上，進行集裝箱碼頭遠離港區(qū)大門的試驗，即在方案2的基礎上將散貨碼頭與集裝箱碼頭位置對調(diào)。該方案下的港區(qū)各路段車輛平均運行時間與標準差統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表5所示,港區(qū)各路段的運行時間可靠度如表6所示。

表5 港區(qū)各路段的車輛平均運行時間與標準差 min/min

表6 港區(qū)各路段的運行時間可靠度

通過對比表6與表4方案2的數(shù)據(jù)可知，集裝箱碼頭遠離港區(qū)大門的布置，可使得港區(qū)各路段的運行時間可靠度均有所提高或保持不變。這是因為集裝箱碼頭遠離港區(qū)大門的布置，使得車流量集中在港區(qū)后方眾多的集疏運道路，車輛運行順暢，整體運行時間減少，從而運行時間可靠度也相應得到提高。而路段1與路段2的運行時間可靠度增長最多，這可能是因為路段1與路段2交點處是集裝箱碼頭先前的進港大門，此時為車流量小的散貨碼頭進港大門，碼頭布置形式變化對該處的車流量減小造成較大的影響。車輛在交叉路口沖突區(qū)的等待時間減少，從而車輛在相近路段的運行時間可靠度得到提高。

通過上述分析可知，港區(qū)各碼頭布置形式在一定程度上能夠影響車輛在集疏運道路的運行時間可靠度，其能很好地表征港區(qū)集疏運道路運行狀況。故為使港區(qū)集疏運道路上的車流暢通，加快集疏運速率，應合理規(guī)劃碼頭布置形式。

4 結論

筆者提出了采用運行時間可靠度評價港區(qū)集疏運道路交通運行狀態(tài)的新方法，并界定了其內(nèi)涵與計算公式。結合仿真實例進行運行時間可靠度計算與分析，研究表明：①港區(qū)各碼頭裝卸效率需與集疏運道路通行能力相匹配，這樣港區(qū)車流才能穩(wěn)定有序、快速通行，從而實現(xiàn)港區(qū)資源的合理與優(yōu)化配置。②港區(qū)內(nèi)車流量較多的碼頭應盡量布置在遠離港區(qū)大門處，車流量不再集中靠近港區(qū)大門處，使車流分散在港區(qū)后方眾多的集疏運道路，從而港區(qū)車輛運行會更加順暢。③該方法能夠較好地評價交通隨機變化情況下港區(qū)集疏運道路的運行狀態(tài)，可為提高集疏運系統(tǒng)服務水平提供重要的依據(jù)。而運行時間可靠度作為一種新型評價方法，為港區(qū)集疏運系統(tǒng)研究提供了一種新思路。

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ResearchonVehicleTravelTimeReliabilityinPortCollectionandDistributionRoad

HUANGAnbang,ZHOUQiang,ZHANGLifen,ChenKe

Firstly, the factors influencing the reliability of port collection and distribution road and their mechanism have been analyzed. Then, the concept of travel time reliability has been introduced to evaluate the traffic running state of port collection and distribution road, the formula has been deduced and a simulation evaluation method on reliability in port collection and distribution road has been proposed. Finally, combined with simulated traffic volume and vehicle travel time under different scenarios of the actual port, the travel time reliability has been calculated and made comparative analysis. The results show that travel time reliability can evaluate the running state of port collection and distribution road well and it can provide reference for port system planning.

port collection and distribution; travel time; reliability; simulation; state evaluation

U651.5

10.3963/j.issn.2095-3852.2017.05.003

2095-3852(2017)05-0515-06

A

2017-05-04.

黃安邦(1994-)，男，江西萬年人，武漢理工大學物流工程學院碩士研究生，主要研究方向為物流系統(tǒng)建模與分析.

HUANGAnbangPostgraduate; School of Logistics Engineering, WUT, Wuhan 430063,China.