港区集疏运道路车辆运行时间可靠度研究

黄安邦，周 强，张利分，陈 可

(武汉理工大学 物流工程学院，湖北 武汉 430063)

港区集疏运道路车辆运行时间可靠度研究

黄安邦，周 强，张利分，陈 可

(武汉理工大学 物流工程学院，湖北 武汉 430063)

首先分析了影响港区集疏运道路可靠性的因素及其作用机理；然后引入运行时间可靠度的概念来评价港区集疏运道路交通运行状态，推导出计算公式并提出了港区集疏运道路可靠度的仿真评价方法；最后结合实际港区在不同方案下的仿真交通量和车辆运行时间，计算其运行时间可靠度并对比分析。结果表明，运行时间可靠度能很好地评价港区集疏运道路的运行状态，并可为港区系统规划提供参考。

港区集疏运；运行时间；可靠度；仿真；状态评价

港区集疏运系统作为港区的重要组成部分之一，如何协调其与港区各码头系统之间的关系显得十分重要。尤其对港区集疏运系统中集疏运道路的研究一直是港区综合管理者与相关学者的关注点，其中，集疏运道路是指各港口与港区外围之间的道路，其交通为该路段上的货运交通[1]。

国内外学者对集疏运系统进行了一系列的研究。如王兵[2]基于区域发展层面分析了前湾港区的战略定位，系统研究了疏港体系问题，进而提出了港区集疏运系统的近期优化与远期设想方案。王寅弘等[3]针对港区交通仿真和港区道路设计间的协同进行研究，分析发现该研究兼具必要性和重要性，并运用理论与实际相结合的方法研究了港区交通流预测、交通流仿真模型与港区道路设计等问题。HOJATI等[4]提出了一种量化交通事故对车辆运行时间可靠度影响的方法。

目前，我国港区集疏运系统中道路交通能力与车流量需求不匹配的问题十分突出。主要是因为：①码头出入闸口通道数目与其吞吐能力不契合，不益于集疏港；②港区场站布局不当，交通流分配不合适；③各码头配置设备效率与交通需求不匹配，造成资源浪费或不足[5]。而作为港区交通基础的集疏港道路，其可靠性的作用更加突显。因为只有可靠的集疏港道路才可能有可靠的交通，这样不仅可以提高港区相关系统的功效，还会降低其间接费用。为此，笔者提出一种新型的港区集疏运道路交通运行状态评价方法，可适用于大多数港区集疏运系统的研究，为其合理评价与规划提供参考。

1 港区集疏运道路可靠性的影响因素及其作用机理

1.1 港区集疏运道路可靠性的影响因素

当港区集疏运道路的畅通能力低于其交通需求时会造成交通阻塞，因此，港区集疏运道路的运行状况是由其交通需求与畅通能力共同作用的。而集疏运道路的可靠性考虑了其中随机性变化因素，可用于其交通运行状况不同程度的表征。通过分析可知，引起集疏运道路可靠性变化的因素很多，总体可以分为道路本身因素与外部因素两大类。道路本身因素主要包括初始的道路建设和现实损耗两方面。其中，初始的道路建设主要是通过车道宽度、车道数和车道侧向净宽等基本属性影响通行能力；现实损耗主要与道路损坏、交通事故和道路施工等因素有关[6]。外部因素除了地质灾害、恶劣气候等不可抗力因素外，还包括各码头的装卸效率、各码头进出闸口容量与数量、港区内码头布置形式及各码头的吞吐量变化等。道路本身因素基本上是从集疏运道路的畅通能力方面影响其可靠性，而外部因素是直接或间接地作用于集疏运道路的交通需求，进而造成其可靠性的变化。

1.2 港区集疏运道路可靠性影响因素的作用机理

通过分析影响集疏运道路可靠性的因素，进而探求其作用机理。路段失效与交叉口失效共同作用于路网失效，其中路网失效是指其部分功能失去效用，即变得不可靠。其一般包括驾驶员没能在预期的时间内通过路段与交叉口、路网拥堵造成路网通行能力降低以及现有集疏运道路容量无法满足交通需求激增造成拥堵等情况。

集疏运道路系统的本身因素与外部因素共同导致道路网络可靠性的变化，由连通可靠度、运行时间可靠度与容量可靠度等外在评估指标表征，其内在机理是更深层次的路网通行能力随机性与交通需求随机性之间的自适应协调响应。集疏运道路可靠性影响因素作用机理[7]如图1所示。

图1 集疏运道路可靠性影响因素作用机理

2 港区集疏运道路车辆运行时间可靠度

2.1 集疏运道路车辆运行时间可靠度定义与计算

由于港区集疏运道路的交通需求与实际通行能力均具有随机特征，运行时间可靠度作为一种概率性评价指标，其能准确地表示交通流动态特性，故引入运行时间可靠度来描述集疏运道路的交通状况。

依据城市道路运行时间可靠度[8-9]与港区集疏运道路容量可靠度[10]的定义，将港区集疏运道路的车辆运行时间可靠度定义为：在给定的港区集疏运道路条件下，车辆在其路段上的运行时间在规定时间阈值内的概率。其中，时间阈值是指时间的最大值，是对实际状态的一种设定条件，可依据所要达到的研究目的来设置。通常设置时间阈值有两种方法：一种是由出行者设定可接受的运行时间；另一种是由道路管理者规定合理的运行时间。由于后者的阈值为确定量，易于实现，前者的阈值是随机变量，可能与某种概率分布相似，但难以描述。因此笔者运用大多数学者采用的第二种方法计算港区集疏运道路可靠度。

根据上述港区集疏运道路车辆运行时间可靠度的定义，定义OD对车辆运行时间可靠度为在给定的港区集疏运道路条件下，车辆从起点O到达讫点D的运行时间在规定时间阈值内的概率。根据BELL等[11]实证分析交通流的历史数据，发现道路车辆运行时间在相对较长的时期内可近似满足正态分布规律，且其与实际时长的方差置信度在可接受范围内，故笔者沿用这一假设。

在计算OD对车辆运行时间可靠度之前，需得到每条路径车辆运行时间可靠度。路径车辆运行时间可靠度与道路车辆运行时间可靠度的区别只在于对象不同，其表达式为：

r(o,d)=P{Tr≤T}=P{Tr≤αT0}=

(1)

式中：r(o,d)为路径lod的可靠度；α为阈值系数，且α>1，一般取1.2；Tr为从o到d的实际行驶时间；T为道路管理者所规定的合理路径时间阈值；T0为自由流时路径lod的行驶时间；f(t)为从o到d的实际行驶时间概率密度；Tm为从o到d的实际行驶时间均值；σ为从o到d的实际行驶时间标准差。

集疏运道路失效概率图如图2所示，其中阴影区域面积表示集疏运道路的失效概率，该失效概率与集疏运道路可靠度之和为1。

图2 集疏运道路失效概率图

由于实际港区集疏运路网中从o到d有多条路径，而r(o,d)只是其中某条路径的可靠度，为了计算从o到d的路段总可靠度，需将集疏运路网类比为并联系统，按照其思路计算OD点对间的可靠度，可表示为：

(2)

式中：R(o,d)为OD点对间的可靠度；ri(o,d)为OD点对间第i条路径的可靠度；n为节点OD点对间的有效路径总条数。

2.2 集疏运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国城市道路的连通可靠度、容量可靠度及运行时间可靠度等的计算理论。如针对道路网络的运行状态，提出相关可靠度的评价指标，根据得到的指标参数对路网进行优化；或者假定突发事件的发生，测试道路系统所能承受的最大限度，为特定事件的处理提供参考。而对港区集疏运道路可靠度的研究较少，特别是从时间角度对可靠度的研究，现结合已有的相关研究，认为集疏运道路运行时间可靠度可用系统仿真方法研究。

通过仿真模拟得出运行时间，进而求得集疏运道路可靠度。由于道路网络是一个复杂动态系统，结合随机性强的交通流研究会增强一定的难度，而仿真模型能够很好地解决这类离散事件动态系统的问题，故建立仿真模型研究路网可靠度是一大趋势。通过仿真得到集疏运道路可靠度之后，有利于发现系统存在的问题，找出系统瓶颈并为提升道路运行状况提供参考建议，同时也利于港区建设高质量的集疏运系统，便于港区持续高效地发展。

3 港区集疏运系统仿真模型与可靠度计算

由于仿真模型能够很好地解决路网复杂系统中交通流的时变性问题，且数据较易获得。因此笔者采用仿真建模方法获得港区集疏运道路的运行时间及其分布，再利用上述公式计算出各路段的运行时间可靠度。

3.1 港区集疏运系统建模基础

由于笔者主要研究港区公路集疏运系统，只考虑各码头总的装卸效率，根据具体功能区分，港区集疏运系统可分为集疏运道路系统、码头内部系统和运行车辆等。集疏运道路系统包括路段模型、超车模型及冲突区模型等。

(1)路段模型与超车模型。路段模型主要是基本参数的设定，如车道长度、车道容量及车辆行驶速度等。超车模型中将不同车道的速度划分为不同等级，同时一条长路段可分割成许多长度相近的子路段，每条子路段最多只能容纳一定数量的车辆。当相邻路段没车且相邻路段下一段车辆数小于车道容量，车辆就可以由慢车道向快车道换道转换，实现超车。

(2)冲突区模型。模型中冲突区表现为十字路口与三岔路口，车辆进出闸口优先与先到先行相结合，实际上是一种车辆安全行驶模型。

(3)码头内部系统模型。由于不考虑码头内部的具体装卸与运输流程，将模型简化为车辆经闸口大门进入堆场后，停留一段时间再离开，车辆停留的时间与实际中车辆进入堆场到离开堆场的整个操作过程的时间分布相一致。

(4)车辆模型。车辆模型是根据港区综合通过能力，并结合公路所占集疏运比例得出的。该模型设置车辆的目的码头属性、启动时间、最大行驶速度等参数。

按照交通流理论，描述交通流特性的基本参数有交通流量、速度和密集度。为计算港区集疏运道路运行时间可靠度，还需统计各路段的运行时间及其分布情况。

3.2 港区集疏运系统仿真试验参数与变化因子

某综合港区由粮食码头、集装箱码头、件杂货码头、钢铁码头、木材码头和散货码头组成，其布局大致如图3所示，初始堆场布置形式为集装箱码头靠近港区大门。

(1)试验基本参数：根据该港区各类码头的规划年吞吐量和公铁集疏运比例，估算外部集疏运车辆进出各码头闸口的高峰量。即粮食码头、集装箱码头、件杂货码头、钢铁码头、木材码头和散货码头的车辆进/出码头闸口的高峰量依次为：1 218辆/日、7 000辆/日、1 000辆/日、320辆/日、1 592辆/日、2 096辆/日。港区一号路以粮食码头进出闸口分界，分为路段A和路段B。港区二号路段从右至左按各码头进出闸口的分布，分为路段1～路段8。设定路段B、路段A、路段1～路段8的时间阈值分别为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。调研和统计资料显示车辆在各码头停留时间接近截断正态Tnormal分布，故设置车辆在粮食码头、集装箱码头、件杂货码头、钢铁码头、木材码头和散货码头的初始停留时间均服从Tnormal(40,5,25,55,1)的截断正态分布。截断正态分布的5个参数依次表示车辆在码头停留时间的均值、标准差、最小值、最大值及伪随机数流。

(2)变化因子：各码头装卸效率、码头靠近与远离港区大门的布局方式。将各码头装卸效率处理成卡车在各码头的停留时间，且其服从截断正态Tnormal分布。由于港区内部不同码头作业形成的车流量不同，而不同码头布置形式会使得港区集疏运道路的车流量分布不同，进而会对道路的可靠性造成一定程度的影响，故选取码头远离与靠近港区大门作为其中的一个变化因子。

图3 某综合港区布局示意图

3.3 试验数据分析与可靠度计算

首先，以各码头装卸效率为变化因子，即车辆在码头停留时间服从Tnormal(40,5,25,55,1)、Tnormal(30,5,15,45,1)、Tnormal(20,5,5,35,1)的分布，分别为方案1、方案2和方案3。进入港区各码头的日车流量和港区各路段的平均车流量分别如表1和表2所示。

表1 进入港区各码头的日车流量 辆

表2 港区各路段的平均车流量 辆/h

由表1可看出，方案1～方案3各码头车流量均未达到预设的车辆进/出码头闸口的高峰量，随着车辆在各码头装卸时间的减小，即随着各码头装卸效率的提高，车辆进入各码头的日车流量均有先增大再减小的趋势。这说明，方案2各码头的装卸效率与港区集疏运道路通行能力更匹配。从表2可看出，各路段平均车流量增长趋势与表1分析大致一样且各路段道路的服务能力不均衡，路段A、路段B和路段1车流量过高，原因在于集装箱货运车流占整个港区货运车流比例大，而这几个路段是其进入港区的必经之路，为缓解道路交通压力，这几个路段宽度、车道数以及容量等还有待增强。

港区各路段的车辆平均运行时间与标准差数据如表3所示，由于路段8是单行道，故没有该路段的上行路据。通过这些数据可以计算出3种方案下港区各路段的运行时间可靠度，如表4所示。

根据表4的运行时间可靠度可知，随着各码头装卸效率的提升，港区各路段的运行时间可靠度也有所提升，但之后当装卸效率再提升时，港区各路段的运行时间可靠度也没有增大，反而有所减小。出现这种情况，是因为各码头装卸效率的提升加快了港区集疏运系统的交通流，而此时系统瓶颈影响了交通流，使得车辆在港区道路缓慢行驶。比如进出闸口通道数不足，车辆在进出闸口前的交叉口等待，即车辆在冲突区的延误，从而影响路段正常行驶的车辆。

根据上述分析可知，各码头装卸效率的提升在一定程度上能够增大集疏运道路的运行时间可靠度，为使集疏运道路车辆运行顺畅，在港区建设或改造时各码头配置设备的效率需与集疏运道路通行能力相匹配。各码头配置设备的效率过低，会使得各码头服务车辆数减少和港区码头外部拥堵；各码头配置设备的效率过高，不仅对集疏运效率的提升影响不大，还会造成资源的浪费。

表3 港区各路段的车辆平均运行时间与标准差 min/min

表4 港区各路段的运行时间可靠度

车流量多的集装箱码头靠近港区大门与否会对港区集疏运道路的交通造成一定的影响。故在上述方案的基础上，进行集装箱码头远离港区大门的试验，即在方案2的基础上将散货码头与集装箱码头位置对调。该方案下的港区各路段车辆平均运行时间与标准差统计数据如表5所示,港区各路段的运行时间可靠度如表6所示。

表5 港区各路段的车辆平均运行时间与标准差 min/min

表6 港区各路段的运行时间可靠度

通过对比表6与表4方案2的数据可知，集装箱码头远离港区大门的布置，可使得港区各路段的运行时间可靠度均有所提高或保持不变。这是因为集装箱码头远离港区大门的布置，使得车流量集中在港区后方众多的集疏运道路，车辆运行顺畅，整体运行时间减少，从而运行时间可靠度也相应得到提高。而路段1与路段2的运行时间可靠度增长最多，这可能是因为路段1与路段2交点处是集装箱码头先前的进港大门，此时为车流量小的散货码头进港大门，码头布置形式变化对该处的车流量减小造成较大的影响。车辆在交叉路口冲突区的等待时间减少，从而车辆在相近路段的运行时间可靠度得到提高。

通过上述分析可知，港区各码头布置形式在一定程度上能够影响车辆在集疏运道路的运行时间可靠度，其能很好地表征港区集疏运道路运行状况。故为使港区集疏运道路上的车流畅通，加快集疏运速率，应合理规划码头布置形式。

4 结论

笔者提出了采用运行时间可靠度评价港区集疏运道路交通运行状态的新方法，并界定了其内涵与计算公式。结合仿真实例进行运行时间可靠度计算与分析，研究表明：①港区各码头装卸效率需与集疏运道路通行能力相匹配，这样港区车流才能稳定有序、快速通行，从而实现港区资源的合理与优化配置。②港区内车流量较多的码头应尽量布置在远离港区大门处，车流量不再集中靠近港区大门处，使车流分散在港区后方众多的集疏运道路，从而港区车辆运行会更加顺畅。③该方法能够较好地评价交通随机变化情况下港区集疏运道路的运行状态，可为提高集疏运系统服务水平提供重要的依据。而运行时间可靠度作为一种新型评价方法，为港区集疏运系统研究提供了一种新思路。

[1] 翟长旭,邓卫,潘艳荣.集装箱港区交通系统规划研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2009,33(1):188-191.

[2] 王兵.青岛市前湾港区疏港道路交通系统优化策略研究[D].青岛:青岛理工大学,2015.

[3] 王寅弘,刘金栋.港区道路交通仿真设计研究综述[C]∥2011城市道桥与防洪全国技术高峰论坛.兰州：[s.n.],2011.

[4] HOJATI A T,FERREIRA L,WASHINGTON S,et al.Reprint of:modelling the impact of traffic incidents on travel time reliability[J].Transportation Research Part C,2016(70):86-97.

[5] 董敏.中国沿海港口公路集疏运体系适应性研究[D].大连：大连理工大学,2012.

[6] 邹志云,宋新生,宋程.城市道路网可靠性影响因素研究[J].物流技术,2009,28(2):1-2.

[7] 胡程.容量限制下道路网运行时间可靠性研究[D].武汉：华中科技大学,2007.

[8] 张勇,白玉,杨晓光.城市道路网络的行程时间可靠性[J].系统工程理论与实践,2009,29(8):171-176.

[9] 陈艳艳,刘小明,梁颖.可靠度在交通系统规划与管理中的应用[M].北京：人民交通出版社,2006:46-47.

[10] 郭子坚,黄宇鹏,王文渊,等.沿海港口集疏港道路容量可靠度研究[J].港工技术,2016,53(2):17-19.

[11] BELL M G H,LIDA Y.Transportation network analysis[M].NewYork： Wiley,1997:72-73.

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.

黄安邦(1994-)，男，江西万年人，武汉理工大学物流工程学院硕士研究生，主要研究方向为物流系统建模与分析.

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