馬紅偉，段緒斌，李明劍

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市 300051）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展,港口規(guī)模和貨物吞吐量不斷擴(kuò)大,進(jìn)出港口的貨運(yùn)交通量也日益增加。閘口是港區(qū)集疏運(yùn)交通的咽喉，閘口交通運(yùn)行狀況的好壞直接影響著港區(qū)出入口交通的運(yùn)行效率,進(jìn)而影響整個(gè)港口貨物的運(yùn)送時(shí)間。由于車輛性能的差異以及超載等原因，大貨車的啟動(dòng)時(shí)間(即車輛從靜止?fàn)顟B(tài)達(dá)到正常速度行駛所花費(fèi)的時(shí)間)相比小汽車一般長(zhǎng)5～10 s。這種啟動(dòng)時(shí)間上的差異往往導(dǎo)致排在大貨車后面的小汽車啟動(dòng)時(shí)間損失嚴(yán)重，從而形成閘口交通流的“啟動(dòng)瓶頸”。因此，在一定條件下，閘口采用客貨混行的設(shè)計(jì)和管理形式會(huì)帶來(lái)閘口通行效率的下降。

基于這一考慮，目前我國(guó)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(lái)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(shè)計(jì)和管理方法缺乏，在實(shí)踐中往往簡(jiǎn)單地把靠最右側(cè)或者最左側(cè)一個(gè)閘口設(shè)置為專用閘口，而沒(méi)有考慮閘口上游不同車種到達(dá)的規(guī)律。例如，天津港部分閘口在最左側(cè)的閘口設(shè)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(zhǎng)（約16 m）的特點(diǎn)，相對(duì)于小汽車，變換車道比較困難。如果把集裝箱專用閘口設(shè)置在最左側(cè)，往往會(huì)導(dǎo)致從閘口上游的右側(cè)車道或者中間車道進(jìn)入的集裝箱卡車需要變換很多次車道才能到達(dá)目標(biāo)閘口，這種變換車道的駕駛行為會(huì)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(diǎn)在于以數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為指導(dǎo)，通過(guò)對(duì)成熟的交通仿真模型的構(gòu)建測(cè)試，在交通仿真軟件的場(chǎng)景中研究客貨專用閘口優(yōu)化設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)運(yùn)行管理問(wèn)題。

1 仿真模型與實(shí)驗(yàn)

1.1 指標(biāo)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(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)，以研究通行效率與交通安全為目標(biāo)，對(duì)港區(qū)閘口的布置形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)管理的研究，因此選取港區(qū)閘口的延誤作為指標(biāo)表征交通效率水平，延誤值越小表示此項(xiàng)閘口布置形式及動(dòng)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(biāo)表征交通安全水平，并選擇VISSIM與SSAM結(jié)合運(yùn)行處理得到交通沖突次數(shù)，其中VISSIM是由德國(guó)PTV公司開(kāi)發(fā)的微觀交通仿真系統(tǒng)模擬工具，SSAM是美國(guó)FHWA開(kāi)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(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得評(píng)價(jià)交通安全指標(biāo)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(guò)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)相應(yīng)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。在確定仿真模型的基礎(chǔ)上運(yùn)行VISSIM進(jìn)行效率與安全的評(píng)價(jià)。

（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(guó)的車輛設(shè)計(jì)參數(shù)所確定。車型組成大貨車占比分別從20%開(kāi)始，按10%的幅度遞增至80%,車型分類圖示見(jiàn)圖1、圖2。

（2）大貨車與小客車速度以天津港實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，選取港口閘口附近長(zhǎng)直線道路段80 m測(cè)數(shù)據(jù)，大貨車與小客車的速度分別見(jiàn)圖3、圖4，其中仿真模型以該速度設(shè)置。

圖1 港區(qū)小客車

圖2 港區(qū)大貨車

圖3 小客車三個(gè)路段實(shí)測(cè)速度

圖4 大貨車三個(gè)路段實(shí)測(cè)速度

（3）閘口模型根據(jù)天津港實(shí)際閘口設(shè)計(jì)方案確定為該港口上游車道為4車道，出入口擴(kuò)寬為6個(gè)閘口，并按仿真需要分別構(gòu)建兩個(gè)閘口交通模型，一個(gè)為普通現(xiàn)行的客貨混行港區(qū)出入口閘口模型，另一個(gè)為優(yōu)化設(shè)計(jì)后的客貨專用閘口模型，分別見(jiàn)圖5、圖6，其中仿真模型以該圖形設(shè)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(shè)計(jì)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(shí)測(cè)調(diào)查數(shù)據(jù)確定，分別設(shè)置為1 000 veh/h、1 200 veh/h。

1.2.2 動(dòng)態(tài)管理設(shè)定

應(yīng)用于交通仿真軟件VISSIM和安全分析軟件SSAM的優(yōu)化設(shè)計(jì)后客貨專用閘口模型，不僅是對(duì)其閘口斷面型式進(jìn)行調(diào)整，并且基于不同流量和交通組成組合條件，對(duì)每個(gè)周期采用動(dòng)態(tài)管理方法：通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)得到的閘口上游各個(gè)車道的交通量和交通組成，判斷上游車道所對(duì)應(yīng)的閘口是否達(dá)到采用客貨分離的閥值，如沒(méi)達(dá)到閥值則繼續(xù)保持客貨混行的方式；如果達(dá)到閥值，則啟用客車或者貨車專用閘口形式。

動(dòng)態(tài)管理方法步驟進(jìn)一步細(xì)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(cè)：在閘口上游布設(shè)雙線圈檢測(cè)器，根據(jù)兩個(gè)線圈振蕩電路的頻率變化、線圈長(zhǎng)度以及車輛經(jīng)過(guò)線圈的時(shí)長(zhǎng)來(lái)估計(jì)車長(zhǎng)和車速，從而對(duì)通過(guò)車型進(jìn)行判別，最終獲得各個(gè)車道周期時(shí)間內(nèi)的流量值和交通組成貨車占比；

計(jì)算公式如下：

式中：v為車速；Lv為車長(zhǎng)；L為兩個(gè)線圈之間間隔距離；t1、t2分別為車輛進(jìn)入第一個(gè)和第二個(gè)線圈的時(shí)刻；T1為車輛通過(guò)某一個(gè)線圈 (例如第一個(gè)線圈)的時(shí)間；L1為第一個(gè)線圈的長(zhǎng)度。

（2）根據(jù)上一周期各個(gè)車道的交通流量和貨車比例，計(jì)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(hào)。

在每一個(gè)周期，重復(fù)以上步驟。具體流程見(jiàn)圖7。

圖7 客貨分離閘口動(dòng)態(tài)管理流程圖

1.3 仿真實(shí)驗(yàn)

利用仿真模型在VISSIM和SSAM分析車輛在港區(qū)閘口附近的運(yùn)行特征及交通運(yùn)行效率和交通運(yùn)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(duì)于駛?cè)腴l口的大貨車，駕駛員首先將車輛切換至各個(gè)閘口通道，對(duì)于4個(gè)進(jìn)口道拓寬為6個(gè)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(cè)速收費(fèi)區(qū)域進(jìn)行測(cè)重收費(fèi)通關(guān)等各種操作；接著控制車輛啟動(dòng)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(duì)等待，收費(fèi)通關(guān)等；可能發(fā)生的碰撞沖突包括換道時(shí)候可能發(fā)生的側(cè)向碰撞、減速和加速時(shí)候可能發(fā)生的追尾碰撞、合流時(shí)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(shè)施等事故。

對(duì)于駛?cè)腴l口的小客車，則在閘口處不存在測(cè)重收費(fèi)通關(guān)等行為，故駕駛員的駕駛行為是首先將車輛切換至各個(gè)閘口通道，；然后根據(jù)前車及排隊(duì)行為減速到閘口測(cè)速收費(fèi)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(duì)等待等；可能發(fā)生的碰撞沖突包括換道時(shí)候可能發(fā)生的側(cè)向碰撞、減速和加速時(shí)候可能發(fā)生的追尾碰撞、合流時(shí)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(shè)施等事故。

從上述特征來(lái)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(shè)計(jì)及交通運(yùn)行管理等方面。其中閘口渠化設(shè)計(jì)要素包括進(jìn)口道寬度、數(shù)量；閘口數(shù)量；連接處長(zhǎng)度、角度等；交通運(yùn)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(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)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(shè)計(jì)的客貨分離閘口為對(duì)比重點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)使用不同的隨機(jī)種子實(shí)驗(yàn)10次，以平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。SSAM軟件中，需設(shè)置參數(shù)閾值：維持當(dāng)前的速度和行駛方向，2車到達(dá)沖突點(diǎn)的預(yù)期時(shí)間差值，即距離碰撞時(shí)間（time to collision，TTC）=1.5 s；直行車輛實(shí)際到達(dá)潛在碰撞點(diǎn)的時(shí)間和轉(zhuǎn)向車輛侵占結(jié)束時(shí)間之間的時(shí)間差，即后侵占時(shí)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(shè)置2個(gè)客車專用閘口，4個(gè)貨車專用閘口對(duì)比客貨混行閘口的情況下，大貨車比例較大時(shí)，閘口通行效率較高，其中比例為55%左右延誤最小，當(dāng)貨車比例達(dá)到45%時(shí)，延誤值與客貨混合通行情形下接近，小于40%時(shí)，閘口通行效率急劇下降，延誤值極速上升，遠(yuǎn)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(shí)，因占絕大部分的貨車均擁擠在4個(gè)貨車專用閘口，其延誤也將增大，見(jiàn)圖8。

圖8 1000 veh/h時(shí)的兩個(gè)閘口延誤時(shí)間

取交通流量閾值為1 200 veh/h，設(shè)置2個(gè)客車專用閘口，4個(gè)貨車專用閘口對(duì)比客貨混行閘口的情況與設(shè)置為1 000 veh/h的情形相似，見(jiàn)圖9。但是對(duì)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(shè)置客貨專用的閘口延誤相比增長(zhǎng)更為迅速，從而優(yōu)化效果并不明顯。

圖9 1200 veh/h時(shí)的兩個(gè)閘口延誤時(shí)間

說(shuō)明了兩種形式對(duì)于交通延誤有著較大的影響，當(dāng)大貨車占所有車型的比例在50%～70%的時(shí)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(shí)候反而會(huì)嚴(yán)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(shè)置2個(gè)客車專用閘口，4個(gè)貨車專用閘口對(duì)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(shè)置客貨專用閘口的交通沖突次數(shù)在貨車占比小于30%時(shí)較高，在貨車占比大于30%后逐步減低，并在70%取最小值，見(jiàn)圖10。

圖10 1000 veh/h時(shí)的兩個(gè)閘口交通沖突次數(shù)

取交通流量閾值為1 200 veh/h，設(shè)置2個(gè)客車專用閘口，4個(gè)貨車專用閘口對(duì)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(zhǎng)，在貨車占比大于50%之后，設(shè)置客貨專用的閘口交通沖突次數(shù)遠(yuǎn)小于客貨混行的沖突次數(shù)，見(jiàn)圖11。

說(shuō)明了兩種形式對(duì)于交通安全有著較大的影響，當(dāng)大貨車占所有車型的比例在大于50%的時(shí)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(shí)候反而會(huì)嚴(yán)重增加交通沖突次數(shù)。

3 結(jié)論

對(duì)以往研究的歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)對(duì)港區(qū)出入口處的閘口交通研究較少，故本文應(yīng)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(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合VISSIM與SSAM軟件，在采集天津港閘口相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)閘口布設(shè)形式和管理方式進(jìn)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(duì)于交通延誤有著較大的影響，當(dāng)大貨車占所有車型的比例在50%～70%的時(shí)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(shí)候反而會(huì)嚴(yán)重增加延誤值。

（2）在流量相同的情況下，兩種形式對(duì)于交通延誤有著較大的影響，當(dāng)大貨車占所有車型的比例在大于50%的時(shí)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(shí)候反而會(huì)嚴(yán)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(zhǎng)較快；但客貨專用閘口的交通沖突次數(shù)增長(zhǎng)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(shí)候使用客貨專用閘口，同時(shí)實(shí)施動(dòng)態(tài)管理，起到提升交通運(yùn)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.