基于FHWA模型的集裝箱卡車服務(wù)區(qū)停車位數(shù)量計算方法研究*

姬楊蓓蓓 蔡 杰 姬子媛 徐 錦

(上海大學管理學院1) 上海 200444) (北京郵電大學世紀學院2) 北京 100876)

0 引 言

合理地計算集卡停車位，既能滿足現(xiàn)階段和遠期的停車需求，又可避免盲目建設(shè)而造成土地資源和服務(wù)設(shè)施的浪費.

目前，我國現(xiàn)有的服務(wù)區(qū)停車規(guī)模計算方法大多是根據(jù)道路等級確定服務(wù)區(qū)停車位數(shù)量[1]，未考慮交通流量和服務(wù)間距等因素的影響.很多學者參考文獻[2]中的參數(shù)，例如，蔣愚明等[3]針對普通高速公路服務(wù)區(qū)，對確定服務(wù)區(qū)停車位數(shù)量進行研究.在設(shè)計交通量方面，湯立濤等[4]研究發(fā)現(xiàn)在對公路交通量進行預測時，當數(shù)據(jù)樣本較小時，運用多元線性回歸結(jié)合三次指數(shù)平滑的預測模型所產(chǎn)生的誤差小于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測模型.Wang等[5]基于國內(nèi)生產(chǎn)總值和貨運量的彈性系數(shù)，比較靜態(tài)、動態(tài)和灰色組合模型，預測中國不同地區(qū)的客貨運量.在駛?cè)肼史矫?，崔洪軍等[6]基于高速公路車輛服務(wù)需求特征，結(jié)合高速公路OD矩陣，運用數(shù)理統(tǒng)計，建立了計算服務(wù)區(qū)車輛駛?cè)肼实男路椒?，從而量化分析服?wù)區(qū)間距對駛?cè)肼实挠绊?屠念潯[7]基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了高速公路服務(wù)區(qū)車輛駛?cè)肼暑A測模型，對駛?cè)肼实拇_定進行規(guī)范.在周轉(zhuǎn)率方面，孫小年等[8]研究發(fā)現(xiàn)日本的調(diào)查數(shù)據(jù)不適合中國國情，在區(qū)域調(diào)查的基礎(chǔ)上修正周轉(zhuǎn)率參數(shù)，將周轉(zhuǎn)率進行分級劃分，作為區(qū)域停車位數(shù)量設(shè)計指導.關(guān)宏志等[9]以停車時間長度選擇行為為對象，利用在北京市商業(yè)區(qū)——西單地區(qū)的停車行為調(diào)查數(shù)據(jù)和Logistic模型，建立了停車時間長度的選擇模型，分析提高周轉(zhuǎn)率的因素.在停車位計算的方法創(chuàng)新方面，王殊等[10]基于顧客到達時間與服務(wù)時間都呈負指數(shù)分布，引入排隊理論，對傳統(tǒng)的高峰小時駛?cè)肼屎屯＼囄粩?shù)量的確定進行了改進.Carrese等[11]提出結(jié)合駕駛時間和行駛時間，對卡車停車位進行計算，但該方法未考慮到車流量的增長和港口未來發(fā)展趨勢對停車位數(shù)量的影響.

由此可見，針對集卡服務(wù)區(qū)停車位合理建設(shè)數(shù)量的研究較少，我國在針對大型物流集散區(qū)域周邊的集卡服務(wù)區(qū)建設(shè)案例也較少，原有的服務(wù)區(qū)停車位數(shù)量計算方法不能直接用于預測集卡服務(wù)區(qū)停車位建設(shè)數(shù)量.因此，文中在分析集卡停車位數(shù)量的影響因素基礎(chǔ)上，引入港口年均吞吐量、日高峰系數(shù)，以及空載率等參數(shù)，對美國聯(lián)邦公路局(Federal Highway Administration,FHWA)模型進行修正，提出了集卡服務(wù)區(qū)的停車位數(shù)量計算方法，并以上海洋山港的集卡服務(wù)區(qū)建設(shè)為例，計算集卡服務(wù)區(qū)的停車位數(shù)量，并分別與模型修正前以及日本服務(wù)區(qū)停車位計算方法做了對比分析.

1 改進的集卡停車位計算模型

1.1 原有的集卡服務(wù)區(qū)停車位計算模型

文獻[11]在2014年將FHWA模型簡化，去除了小汽車與卡車比例等因素，集中考慮了卡車的駕駛數(shù)據(jù)并應(yīng)用于對意大利的停車場評估，研究內(nèi)容都是大型車輛停車位計算，對本研究有一定的借鑒意義.但模型研究對象是一般的卡車，其運輸特性和港口集裝箱卡車還是有較大的區(qū)別，集裝箱卡車服務(wù)區(qū)停車位的計算要結(jié)合港口的吞吐量和運輸效率等因素.

原FHWA模型是基于卡車年均日流量和駕駛距離為基礎(chǔ)，分四個步驟計算高峰小時停車需求：首先計算每輛卡車平均每次的駕駛時間，然后計算某地區(qū)每天卡車的總駕駛時間，再計算某地區(qū)卡車的總停車時間，最后根據(jù)高峰率，計算高峰時段停車需求.模型為

(1)

式中：PD為高峰小時停車需求；Cp為高峰小時系數(shù)，反映的是停車的集中程度，為1 h內(nèi)最大車流量/d流量；PRS為停車是為了休息的概率，%；AADTHGVs為現(xiàn)狀卡車日高峰流量，輛/d；L為車輛行駛距離，km；V為車輛行駛速度，km/h；TTS為每周每輛卡車停車總等待時間，h/周；TD為每周每輛卡車最大駕駛時間，h/周；TSS為每小時停車休息時間，min/h.

1.2 改進的FHWA模型

在原有的FHWA模型中，卡車日流量取值是現(xiàn)階段流量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并未預測服務(wù)區(qū)建成后的使用期間的流量，難以滿足未來的增長需求.此外，集卡日流量的大小和停車需求主要取決于港口吞吐量的變化和運輸效率，高峰停車需求大小取決于車輛集中程度.因此,本研究在原有的FHWA模型的基礎(chǔ)上引入了集卡的特征參數(shù)：港口年均集裝箱吞吐量、集卡平均裝箱量、集卡日均交通量，月高峰系數(shù)和日高峰系數(shù).

1.2.1引入集裝箱卡車特征參數(shù)

1) 港口年均集裝箱吞吐量 港口吞吐量是指經(jīng)由水路進出港口，并進行裝卸的貨物總量，港口所需集卡的數(shù)量是要滿足運輸需求.但在大型港口中，其經(jīng)陸路由集卡進行轉(zhuǎn)運的貨物，只占吞吐量的一部分，在確定港口年均轉(zhuǎn)運集裝箱數(shù)量時應(yīng)加入水陸轉(zhuǎn)換系數(shù)β.

(2)

2) 集卡日均交通量(annual average daily traffic，AADT) 港區(qū)集卡的日均交通量是指經(jīng)集卡運輸?shù)募b箱數(shù)量(twenty feet equivalent unit，TEU)與每輛集卡的平均裝箱量(TEU/輛)的比值.但集卡日均交通量也受到空載率(Pe)的影響，在運輸集裝箱數(shù)量一定時，集卡空載率越大，日均流量越大.相反，集卡空載率越小，日均流量越小.其計算公式為

(3)

3) 月高峰系數(shù)(αm)和日高峰系數(shù)(αd) 月高峰系數(shù)是指每月集卡最高流量與年平均月流量的比值.利用流量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以計算出月高峰系數(shù)，它表示的是月流量的浮動程度.日高峰系數(shù)是指在流量最高月份中，日最大流量與日平均流量的比值，它表示的是日流量的浮動程度，其計算公式如下所示.集卡日高峰流量(AADTmax)是集卡日均交通量與月高峰系數(shù)和日高峰系數(shù)的乘積.

(4)

(5)

4) 集卡平均裝箱量(Mave) 集卡平均裝箱量是指平均每輛集卡在一次運輸中，裝載集裝箱的數(shù)量.它表示的是集卡的利用效率，在運輸集裝箱數(shù)量一定的情況下，平均裝箱量越大，集卡日流量越??；反之，集卡日流量越大.在港口吞吐量增大的現(xiàn)狀下，降低集卡流量的可行方案是：降低空載率，提高集卡平均裝箱量.

1.2.2改進的FHWA模型

FHWA模型改進對象是主線集卡流量的預測，改進思路為：首先根據(jù)現(xiàn)狀年運輸集裝箱數(shù)和主線交通量對集卡平均裝箱量進行計算；接著預測港口穩(wěn)定運營后的年集裝箱運輸量，根據(jù)平均裝箱量和年工作時間得出集卡日均交通量；最后根據(jù)對現(xiàn)狀交通量的統(tǒng)計分析，乘以高峰系數(shù)，預測集卡主線交通量大小.

改進的FHWA模型為

(6)

式中：PW為停車為了等貨的概率；AADTmax為預測集卡日高峰流量.

AADTmax=AADT×αm×αd

(7)

式中：AADT為日均交通量；αm為月高峰系數(shù)；αd為日高峰系數(shù).

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：TEUy為現(xiàn)狀港口集裝箱年吞吐量，TEU；HGVall為集卡年總流量，輛/年.

2 文獻[2]中停車位計算方法

港區(qū)集卡服務(wù)區(qū)停車位的規(guī)模大小主要取決于港口規(guī)模，駛?cè)肼屎透叻迓室彩怯纱坏礁蹠r間密切相關(guān)，文獻[2]中停車位計算方法其主要基于以下兩個前提：①其服務(wù)間隔和服務(wù)時間不變，②其服務(wù)間距為50 km.故直接參考日本高速公路服務(wù)區(qū)停車位計算并不符合港口實際情況.其計算公式為

停車位數(shù)量=預測交通量×高峰率×

駛?cè)肼省轮苻D(zhuǎn)率

(12)

預測交通量是指通車10年后的交通量，其計算公式為

Q=q×(1+γ)n-1

(13)

式中：Q為預測交通流量，輛/d；q為現(xiàn)狀交通流量，輛/d；γ為平均年增長率，%；n為預測年限.

駛?cè)肼?α)為車輛每日駛?cè)敕?wù)區(qū)的數(shù)量占日均流量的比例，其計算公式為

(14)

高峰率(ε)為1 h內(nèi)最多停車數(shù)量占每日總停車數(shù)的比例，其計算公式為

(15)

周轉(zhuǎn)率(η)為1 h內(nèi)每個停車位能服務(wù)多少輛車，其計算公式為

(16)

在集卡服務(wù)區(qū)停車位計算方面，改進后的FHWA模型與文獻[2]停車位計算方法相比較，不僅消除了服務(wù)間距這一前提，而且提出了港口吞吐量、裝箱率和駕駛時間等參數(shù)，更加全面的考慮集卡的平均裝箱量、司機駕駛時間和法律法規(guī)對停車的影響，對集卡服務(wù)區(qū)停車位的計算更具有指導作用.

3 實例分析

3.1 上海洋山港概況

洋山港是距離上海最近的具備15 m以上深水港的天然港址.2015—2017年洋山港集裝箱吞吐量分別為：1 540，1 561.6和1 655萬TEU，平均年均增長率為3.7%，預計未來吞吐量達到2 200萬TEU.2017年集裝箱卡車流量達到5 006 402輛，日高峰流量為21 000輛.集卡流量年統(tǒng)計數(shù)據(jù)見圖1.

圖1 2014—2017年洋山港集卡流量統(tǒng)計

3.2 相關(guān)參數(shù)的確定

3.2.1現(xiàn)狀集卡流量

根據(jù)對洋山港港口的調(diào)研和統(tǒng)計數(shù)據(jù)的收集處理，2015—2017年東海大橋集卡每月車流量統(tǒng)計見表1.

3.2.2日高峰流量的確定

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)：集卡空載率為0.1，洋山港遠期吞吐量為2 200萬TEU，集裝箱水陸轉(zhuǎn)化系數(shù)為0.5，日高峰系數(shù)為1.25.現(xiàn)狀集卡高峰流量為21 000輛/d，經(jīng)過以上模型計算，預測集卡日高峰流量為27 150輛，各參數(shù)結(jié)果見表2.

表1 2015—2017年洋山港集卡每月車流量統(tǒng)計

表2 集卡高峰小時流量計算結(jié)果

3.2.3集卡停車位需求預測

根據(jù)中國《道路交通安全法實施條例》第六十二條：連續(xù)駕駛機動車超過4 h應(yīng)停車休息，停車休息時間不得少于20 min，每小時休息5 min.根據(jù)對200位司機實地發(fā)放問卷的調(diào)研：東海大橋限速80 km/h，司機平均行駛速度70 km/h，進出洋山港集卡總行駛里程70 km，集卡司機日駕駛9 h，司機每周最大的駕駛時間70 h，在等貨或等通關(guān)時，司機平均每天的等待時間約為3 h，每周總等待時間為21 h，75%的停車是為了等貨.通過對“上海滬洋高速公路發(fā)展有限公司”的訪談，洋山港地區(qū)集卡高峰時段有10%的車輛排隊等候，即高峰小時系數(shù)為0.1.具體調(diào)研數(shù)據(jù)見表3.

表3 改進FHWA模型參數(shù)取值

將上述參數(shù)帶入改進后FHWA模型中：

(17)

3.3 對比分析

3.3.1與日本停車位計算方法對比

根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，2017年進出洋山港集裝箱卡車流量為5 006 402 輛，主線日高峰流量為21 000輛.由于2014—2017年卡車流量年均自然增長率為0.68%，10年后主線交通量根據(jù)預測公式計算可得22 315輛.

結(jié)合陳傳德等[12]的調(diào)研數(shù)據(jù)，在服務(wù)區(qū)間距為50 km的情況下，卡車的駛?cè)肼蕿?.13，周轉(zhuǎn)率為0.5，高峰率為0.1.計算可得停車位數(shù)量為580個.

3.3.2與原FHWA模型方法對比

根據(jù)原模型:

(18)

比較改進后FHWA模型與原FHWA模型和文獻[2]的停車位數(shù)量計算結(jié)果，改進后FHWA方法計算出的停車位數(shù)量偏大.其原因為：原FHWA模型只是對現(xiàn)狀停車需求進行估計，對于未來集卡流量的增長并未考慮.日本的高速公路停車位數(shù)量的計算是基于服務(wù)間距為50 km的假設(shè)下，洋山港地區(qū)的駕駛距離達到70 km，其駛?cè)肼?、高峰率等參?shù)取值偏小.

4 實地調(diào)研分析

隨著洋山港四期工程的正式運營，未來停車需求巨大，但洋山港周邊區(qū)域無法提供足夠數(shù)量和質(zhì)量的停車區(qū)域，不僅司機的飲食、住宿和安全等方面無法得到保障，而且增加了物流運輸成本.根據(jù)對“上海滬洋高速公路發(fā)展有限公司”的訪談，于2018年建設(shè)的集卡服務(wù)區(qū)其設(shè)計停車位數(shù)為710個，與改進后FHWA模型計算結(jié)果相近.綜合比較后改進后FHWA模型將集卡服務(wù)區(qū)高峰流量預測與港口年均吞吐量結(jié)合，停車位數(shù)量計算更貼近現(xiàn)行規(guī)劃，即本研究結(jié)論適合于集卡服務(wù)區(qū)停車位數(shù)量的確定.

5 結(jié) 論

1) 在預測高峰流量方面：對原有FHWA模型進行改進，將流量與港口吞吐量、平均集卡裝箱率、空載率等參數(shù)結(jié)合起來，更適合集卡流量預測.

2) 根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，改進FHWA模型計算結(jié)果與洋山港地區(qū)停車需求相近.

3) 文獻[2]中停車位的計算方法，基于服務(wù)間距為50 km的前提，與洋山港地區(qū)的服務(wù)間距不同，直接套用日本規(guī)范的計算方法，導致計算結(jié)果偏小.