交通仿真技術(shù)在EPC項(xiàng)目管理中的應(yīng)用

許煒陽(yáng) 王艷華 張晗嘉 夏賽 李瀟葆

(中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010)

0 引言

EPC模式是國(guó)家大力推行的總承包方式之一，現(xiàn)已成為政府投資項(xiàng)目的主流建設(shè)方式。業(yè)績(jī)較好的EPC總承包方在工程材料集中采購(gòu)方面具有較大優(yōu)勢(shì)，有利于控制投資和節(jié)約成本，其承擔(dān)的責(zé)任也日益加大。大多數(shù)市政項(xiàng)目涉及占道施工，如何合理組織施工期間的交通通行、緩解交通擁堵、確保施工期間的施工人員安全與場(chǎng)外人員安全成為EPC總承包方亟待解決的問(wèn)題，而交通疏導(dǎo)方案的合理性與施工安全也密切相關(guān)。因此，有必要在EPC項(xiàng)目管理過(guò)程中運(yùn)用交通仿真技術(shù)進(jìn)行模擬，制訂合理可行的交通疏導(dǎo)方案，確保工程安全順利推進(jìn)。

1 交通仿真技術(shù)簡(jiǎn)介

使用交通仿真技術(shù)對(duì)交通系統(tǒng)進(jìn)行仿真，可以得到交通流在時(shí)間和空間范圍內(nèi)的分布規(guī)律。在進(jìn)行實(shí)際道路測(cè)試時(shí)需要耗費(fèi)大量的人力和財(cái)力，且風(fēng)險(xiǎn)性較高。而仿真技術(shù)能夠反映交通流的各種因素，并根據(jù)條件邊界參數(shù)要求再現(xiàn)交通狀況，已成為分析各種交通環(huán)境和優(yōu)化交通的有力研究工具。因此，在涉及占道施工的EPC項(xiàng)目管理過(guò)程中應(yīng)用交通仿真技術(shù)具有重要作用。

交通仿真模型結(jié)合交通流模型的需求分析、通行能力分析和排隊(duì)論等其他交通分析技術(shù)，可用于分析和評(píng)價(jià)多因素相互作用的交通設(shè)施或交通系統(tǒng)。與其他交通分析技術(shù)相比，交通系統(tǒng)仿真具有許多優(yōu)勢(shì)：①不需要實(shí)際系統(tǒng)的參與，經(jīng)濟(jì)方便；②特別適用于研究規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的交通系統(tǒng)行為；③可以在相同交通環(huán)境下，通過(guò)改變邊界參數(shù)比較不同的設(shè)計(jì)方案；④通過(guò)系統(tǒng)仿真，可以清楚地了解哪些是交通流中的主要變量，以及它們之間是如何相互作用的。

依據(jù)仿真模型對(duì)交通系統(tǒng)描述的細(xì)節(jié)的程度，交通仿真模型可以劃分為宏觀(Macroscopic)、中觀(Mesoscopic)、微觀(Microscopic)三種類型[2]。由于宏觀、中觀仿真模型對(duì)交通系統(tǒng)的描述相對(duì)比較粗略，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)可確保在微機(jī)上也能實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的微觀仿真，微觀交通仿真模型已經(jīng)成為交通仿真的主流模型。目前，Vissim軟件是我國(guó)仿真平臺(tái)首選的仿真核心軟件。

1.1 數(shù)據(jù)采集

為使交通仿真情況更接近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，在進(jìn)行交通仿真前需獲取精確的交通流數(shù)據(jù)。開(kāi)發(fā)視頻車流量自動(dòng)采集系統(tǒng)主要有兩個(gè)目的：①獲取市政工程占道施工區(qū)各個(gè)區(qū)域和路段的交通數(shù)據(jù)，以及相關(guān)的路網(wǎng)的框架結(jié)構(gòu)(路口各個(gè)方向的車道數(shù)等)，作為仿真的建模的相關(guān)參數(shù)。②通過(guò)獲得未占道施工時(shí)的交通數(shù)據(jù)，可以先定性定量地分析施工前道路的交通流動(dòng)特性以及車輛運(yùn)行狀態(tài)，以便分析哪些時(shí)段、哪些路段已接近飽和，并在施工占道時(shí)候多加注意；哪些時(shí)段、哪些路段還有富余的通行能力，可在施工占道時(shí)用來(lái)分擔(dān)交通壓力；為后期進(jìn)行交通分流交通疏解提供原始數(shù)據(jù)支撐。通過(guò)開(kāi)展高效準(zhǔn)確的交通數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可以對(duì)道路交通進(jìn)行有目的的監(jiān)控、分析、決策和疏導(dǎo)調(diào)度，為施工圍擋的布置形式提供數(shù)據(jù)支撐，為后期交通疏解提供依據(jù)。

1.2 建模與仿真

模型建立是交通仿真技術(shù)的核心步驟，通過(guò)有效利用建模前期采集的數(shù)據(jù)，運(yùn)用科學(xué)系統(tǒng)的方法建立仿真模型。仿真模型的建立代表用戶已經(jīng)把建模所需的數(shù)據(jù)都編入了仿真模型，且模型能夠以比較合理的規(guī)則運(yùn)行。但并不表示模型已能表達(dá)實(shí)際交通運(yùn)行情況或者用于方案分析，必須進(jìn)行錯(cuò)誤檢查，形成可校正的模型后再進(jìn)行模型校正，只有使之轉(zhuǎn)化為具有高可信度的仿真模型才能應(yīng)用于工程和研究。

圍擋模型作為模型建立的核心內(nèi)容，直接影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。圍擋模型的建立主要有兩種方法：①將兩段不同車道數(shù)的路段相連接，一段作為正常通行的道路，另一段作為施工占道后可以通行的道路，二者利用連接器模型相連接。同時(shí)，在上游過(guò)渡區(qū)域設(shè)置沖突區(qū)域或讓行規(guī)則(當(dāng)沖突區(qū)域較為復(fù)雜時(shí)，可以采用預(yù)先設(shè)置交叉口節(jié)點(diǎn)的方法激活沖突區(qū)域集并顯示節(jié)點(diǎn)內(nèi)所有可能沖突區(qū)域。該方法非常適合沖突區(qū)域相互疊加難以選中的情況，可以快速有效地對(duì)所有沖突區(qū)域進(jìn)行編輯。該方法有明確的優(yōu)先權(quán)通行規(guī)則，可避免在模擬過(guò)程中車輛發(fā)生碰撞。②利用仿真過(guò)程中的路徑?jīng)Q策，提前設(shè)置車輛的運(yùn)行路線，使車輛通行路線避開(kāi)施工占道區(qū)域。由于方法一更接近現(xiàn)場(chǎng)方案布置形式，本文選取方法一建立占道模型。

1.3 仿真結(jié)果評(píng)價(jià)

交通仿真軟件施工前設(shè)計(jì)對(duì)多種占道施工方案進(jìn)行模擬，生成大量仿真數(shù)據(jù)，但單一的數(shù)字結(jié)果不具有直觀可視性，且無(wú)法根據(jù)零散數(shù)據(jù)進(jìn)行有效決策。作為仿真軟件，其主要功能設(shè)計(jì)均圍繞仿真進(jìn)行，雖可生成大量仿真數(shù)據(jù)，卻缺乏數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)功能。因此，建立合理的評(píng)價(jià)體系尤為重要。因此，在眾多指標(biāo)中挑選出能反映占道施工路段服務(wù)水平的指標(biāo)，構(gòu)建科學(xué)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)最終的評(píng)價(jià)結(jié)果具有十分重要的意義。結(jié)合我國(guó)城市立交占道工程實(shí)際情況，結(jié)合《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016)，分路段、信號(hào)交叉口兩部分分別進(jìn)行評(píng)價(jià)。路段服務(wù)水平評(píng)價(jià)選取交通密度、平均速度、負(fù)荷度、最大服務(wù)交通量4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，信號(hào)燈交叉口服務(wù)水平評(píng)價(jià)選取排隊(duì)長(zhǎng)度、負(fù)荷度、平均延誤3個(gè)指標(biāo)構(gòu)成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

1.3.1 路段服務(wù)水平評(píng)價(jià)指標(biāo)定義

(1)交通密度。交通密度是指單位長(zhǎng)度道路上某一時(shí)刻的車輛數(shù)目。其計(jì)算公式為

(1)

式中，K為交通密度(pcu/km)；Q為路段交通量(pcu/h)；vs為路段平均車速(km/h)。

(2)平均車速。平均車速只包括整個(gè)施工區(qū)在內(nèi)的路段所通過(guò)車輛的速度平均值。其公式具體為

(2)

式中，vs為路段平均車速(km/h)；vi為路段i的平均行程車速(km/h)；qi為路段I的長(zhǎng)度(m)；li為路段i的交通量(veh)。

(3)負(fù)荷度。負(fù)荷度是指某個(gè)時(shí)間段內(nèi)，路段實(shí)際的交通量與該路段最大通行能力狀態(tài)下交通量的比值[5]。用公式表示為

(3)

式中，X為飽和度；V為實(shí)際通過(guò)的交通量(pcu/h)；C為通行能力(pcu/h)。

(4)最大服務(wù)交通量。最大服務(wù)交通量是指在通常的道路條件、交通條件和管制條件下，保持規(guī)定的服務(wù)水平時(shí)，道路某一斷面或均勻路段在單位時(shí)間內(nèi)所能通過(guò)的最大小時(shí)交通量。

1.3.2 信號(hào)燈交叉口服務(wù)水平評(píng)價(jià)指標(biāo)定義

(1)排隊(duì)長(zhǎng)度。采樣周期內(nèi)，某一車道從隊(duì)尾停車車輛到路口停車線之間的平均距離(m)。

(2)平均延誤。平均延誤是指實(shí)際情況下行駛時(shí)間與理想狀況下行駛時(shí)間之差，計(jì)算公式為

dt=d2t-d1t

(4)

(5)

式中，dt為單一車輛的行程延誤；d2t為單位長(zhǎng)度內(nèi)實(shí)際行駛時(shí)間；d1t為單位長(zhǎng)度內(nèi)的理想行駛時(shí)間；D為施工區(qū)車輛平均延誤。

(3)負(fù)荷度。信號(hào)燈交叉口負(fù)荷度的定義與路段一致，用公式表示為

(6)

式中，X為飽和度；V為實(shí)際通過(guò)的交通量(pcu/h)；C為最大通行能力(pcu/h)。

通過(guò)動(dòng)態(tài)綜合評(píng)價(jià)方法，路段服務(wù)水平與信號(hào)燈交叉口服務(wù)水平的定量判定結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 路段服務(wù)水平

表2 信號(hào)燈交叉口服務(wù)水平

2 工程案例

董永北路立交橋是董永北路—G107、北京路—澴川北路的連通轉(zhuǎn)換點(diǎn)，布置為區(qū)域樞紐型互通立交，項(xiàng)目?jī)?nèi)容還包括京廣鐵路橋擴(kuò)建和跨黃孝路高架。過(guò)程范圍內(nèi)涉及道路半封閉施工及全封閉施工，因此需針對(duì)不同情況制訂相應(yīng)的交通疏導(dǎo)方案，具體封閉范圍包括：一標(biāo)段范圍內(nèi)涉及的北京路改建、既有澴川路高架橋拆除需要占道施工，二標(biāo)段跨鐵路橋拆除需要中斷交通，三標(biāo)段跨黃孝路高架橋施工需占用部分車道，上述占道施工情況勢(shì)必會(huì)引起交通擁堵。受外部因素影響，施工時(shí)序分為三個(gè)階段：第一階段，北京路改建，占用半幅車道施工，剩余半幅車道改為雙向同行的方式(方案三)；第二階段，中斷澴川路高架橋，與第三標(biāo)段一并施工；第三階段，第二標(biāo)段涉鐵段施工。

在交通疏導(dǎo)方案編制完成后，由于北京路改建施工范圍涉及漢十高鐵，需先進(jìn)行向鐵路局報(bào)批的程序，鑒于審批時(shí)間較長(zhǎng)，將施工計(jì)劃調(diào)整為：先拆除澴川路高架橋(方案一)，如圖1所示。在二標(biāo)段涉鐵部分啟動(dòng)時(shí)，開(kāi)展三標(biāo)段及一標(biāo)段北京路的改建工作(方案二)，如圖2所示。以上占道施工方案是否可行均需要進(jìn)行科學(xué)的論證，報(bào)相關(guān)部門審批后方可進(jìn)行施工。

首先，針對(duì)項(xiàng)目所處地理位置，選取本次研究范圍，對(duì)研究范圍內(nèi)的44個(gè)路段和13個(gè)路口進(jìn)行建模，在輸入相應(yīng)的交通流數(shù)據(jù)后，通過(guò)仿真對(duì)輸出的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分類同時(shí)進(jìn)行各路段及路口的服務(wù)水平評(píng)價(jià)，得出研究范圍內(nèi)的路段、路網(wǎng)等級(jí)統(tǒng)計(jì)表，見(jiàn)表3、表4。

表3 不同道路封閉方案路段等級(jí)統(tǒng)計(jì)表

表4 不同道路封閉方案路口等級(jí)統(tǒng)計(jì)表

從圖3、圖4可以看出，道路半封閉施工對(duì)路網(wǎng)的影響程度最低；全封閉施工后，車輛繞行，對(duì)封閉路段周圍的道路服務(wù)水平均有一定影響。針對(duì)服務(wù)水平為四級(jí)(最差)的路段及路口，采取設(shè)置交通誘導(dǎo)標(biāo)志、派交通疏解員現(xiàn)場(chǎng)指揮交通、限制通過(guò)車速等交通疏解措施進(jìn)行疏解，確保施工期間的人員安全與場(chǎng)外車輛安全。

3 結(jié)語(yǔ)

在EPC項(xiàng)目管理中應(yīng)用交通仿真技術(shù)，不僅可以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，還可以提升項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的管理水平，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理的智能化與數(shù)字化。此外，可將交通仿真技術(shù)應(yīng)用于施工場(chǎng)內(nèi)道路布置、模擬施工機(jī)械運(yùn)行等多個(gè)方面，確保項(xiàng)目安全運(yùn)行，提升項(xiàng)目生產(chǎn)效率。