沿海港口集疏港道路容量可靠度研究

郭子堅(jiān)， 黃宇鵬， 王文淵， 周 勇（大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024）

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沿海港口集疏港道路容量可靠度研究

郭子堅(jiān)， 黃宇鵬， 王文淵， 周 勇
（大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024）

摘要：集疏港道路交通隨機(jī)性強(qiáng)，其運(yùn)行狀態(tài)難以表征，本文引入容量可靠度的概念，作為集疏港道路交通運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。以沿海某集裝箱港區(qū)實(shí)測(cè)疏港交通量為例，計(jì)算了集疏港道路容量可靠度，并對(duì)交通需求變化時(shí)該道路的容量可靠度進(jìn)行對(duì)比與分析，以檢驗(yàn)采用容量可靠度評(píng)價(jià)集疏港道路交通運(yùn)行狀態(tài)的有效性。研究成果可為港口集疏運(yùn)道路的規(guī)劃與設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：集疏港道路；容量可靠度；交通評(píng)價(jià)；隨機(jī)性

引 言

集疏港道路交通需求尤其是貨運(yùn)交通需求受船舶到港規(guī)律、港區(qū)送貨與提貨時(shí)間的不確定性以及城市對(duì)大型貨運(yùn)車(chē)輛的限行等諸多因素的影響，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。準(zhǔn)確地表征集疏港道路的運(yùn)行狀態(tài)，是合理規(guī)劃集疏港道路的前提。當(dāng)前集疏港道路交通運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)價(jià)主要是沿用城市交通中的V/C比、路段平均車(chē)速、交叉口平均延誤等指標(biāo)，通過(guò)確定道路交通的高峰時(shí)段，將該時(shí)段內(nèi)的交通流量、道路通行能力、平均車(chē)速等取為定值來(lái)計(jì)算相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。這些評(píng)價(jià)方法忽略了集疏港道路交通隨機(jī)性強(qiáng)、道路高峰時(shí)段較難確定的特點(diǎn)。

本文結(jié)合港口陸路集疏運(yùn)特點(diǎn)，考慮集疏港道路通行能力與交通需求的隨機(jī)性，引入容量可靠度概念，探求沿海港口集疏港道路交通運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)方法，為集疏港道路的規(guī)劃與設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 集疏港道路交通的隨機(jī)性特征分析

1.1 集疏港道路交通需求的隨機(jī)性

圖 1為北方某集裝箱港區(qū)疏港路一周內(nèi)每天7：00-20：00交通流量統(tǒng)計(jì)。

圖1 某集裝箱港區(qū)一周七天各時(shí)段交通流量

如圖1所示，該疏港路交通流量高峰周一～周日分別出現(xiàn)在14：00～14：15、17：15～17：30、16：45～17：00、11：30～11：45、17：15～17：30、15：00～15：15、15：15～15：30時(shí)段，難以確定其高峰時(shí)段。因此，集疏港道路交通需求具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。

1.2 集疏港道路通行能力的隨機(jī)性

集疏港道路多為港口與腹地之間貨運(yùn)的專(zhuān)用通道，與高速公路有較大的相似性，本文參考高速公路通行能力的計(jì)算公式來(lái)計(jì)算集疏港道路的通行能力。根據(jù)《公路路線(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］，高速公路路段的實(shí)際通行能力按下式計(jì)算：

其中：

式中：CB為基本通行能力，即理想條件下一車(chē)道所能通行的最大交通量（pcu/（h·ln））；N為高速公路的車(chē)道數(shù)；fw為車(chē)道寬度和側(cè)向凈寬對(duì)通行能力的修正系數(shù)；fHV為大中型車(chē)對(duì)通行能力的修正系數(shù)；fp為駕駛員條件對(duì)通行能力的修正系數(shù)；PHVi為第 i種車(chē)型交通量占總交通量的百分比；EHVi為第i種車(chē)型換算成標(biāo)準(zhǔn)車(chē)的車(chē)輛換算系數(shù)。

式（1）中CB、fw、N由車(chē)道寬度、車(chē)道側(cè)向凈寬、車(chē)道數(shù)等道路基本屬性決定，在給定道路條件下為確定值。fp與fHV分別取決于駕駛員條件與大中型車(chē)輛占總交通量的比例，具有隨機(jī)性。因此，集疏港道路實(shí)際通行能力亦具有隨機(jī)性。

2 集疏港道路容量可靠度定義及計(jì)算方法

由于集疏港道路的交通需求與道路實(shí)際通行能力均具有隨機(jī)特征，引入容量可靠度概念來(lái)衡量集疏港道路的交通運(yùn)行狀態(tài)。將集疏港道路的容量可靠度定義為：在給定的道路條件與正常的港口運(yùn)營(yíng)條件下，給定時(shí)間段內(nèi)集疏港道路的實(shí)際通行能力能夠滿(mǎn)足港口集疏運(yùn)需求的概率。

集疏港道路容量可靠度按下式計(jì)算：

式中：R為集疏港道路容量可靠度，取值范圍為（0，1），當(dāng)R=0時(shí)，道路實(shí)際通行能力完全不能滿(mǎn)足交通需求，當(dāng)R=1時(shí)，集疏港道路通過(guò)能力幾乎不受道路通行能力限制；D為給定時(shí)間段內(nèi)集疏港道路上的交通需求；C為給定時(shí)間段內(nèi)集疏港道路實(shí)際通行能力。

交通需求D與道路實(shí)際通行能力C的概率分布如圖2所示，其中交通需求D與道路實(shí)際通行能力C的概率密度函數(shù)分別為fd（x）與fc（x），概率分布函數(shù)分別為Fd（x）與Fc（x）。則圖2中的A區(qū)域面積表示集疏港道路路段的失效概率。

圖2 交通需求與實(shí)際通行能力概率分布

設(shè)x0處滿(mǎn)足fd（x0）=fc（x0），則集疏港道路的可靠度表達(dá)式可按下式計(jì)算：

由式（4）可知，當(dāng)獲得某港區(qū)集疏運(yùn)道路上某一時(shí)段的交通調(diào)查數(shù)據(jù)后，可根據(jù)該時(shí)段內(nèi)交通需求與實(shí)際通行能力的概率分布推算出該時(shí)段內(nèi)的容量可靠度，以評(píng)價(jià)集疏港道路的運(yùn)行狀態(tài)。

3 算例分析

本研究采用攝像法，調(diào)查了北方某集裝箱港區(qū)主要疏港路上連續(xù)一周的交通量數(shù)據(jù)，計(jì)算道路容量可靠度。

3.1 道路參數(shù)

該集疏港道路為有中央分隔帶的雙向8車(chē)道公路，車(chē)道寬度3.75 m，側(cè)向凈寬≥1.75 m，道路兩側(cè)有障礙物，設(shè)計(jì)車(chē)速60 km/h。不考慮駕駛員條件不確定性影響。

3.2 容量可靠度

分析交通流數(shù)據(jù)，得到其疏港交通需求D的頻率分布，如圖3（a）所示。根據(jù)各時(shí)段的車(chē)輛構(gòu)成由式（2）求得各時(shí)段大型車(chē)修正系數(shù) fw，從而由式（4）可得該道路疏港方向上的實(shí)際通行能力的概率分布，如圖3（b）所示。

圖3 交通需求與道路實(shí)際通行能力頻率分布

對(duì)疏港交通需求與實(shí)際通行能力進(jìn)行概率分布曲線(xiàn)擬合，得出該集疏港道路上的疏港交通需求D 服從 正態(tài)分布 N（492，1872）（K-S 檢驗(yàn)P=0.666＞0.05，按α=0.05顯著性水平，服從正態(tài)分布），疏港方向的實(shí)際通行能力C服從韋布爾分布W（441，1.79，4530）（將觀(guān)測(cè)值分為10個(gè)區(qū)間進(jìn)行卡方檢驗(yàn)，未知參數(shù)為 3，則自由度為 6，卡方統(tǒng)計(jì)量，按α=0.05顯著性水平，服從韋布爾分布）。該港區(qū)集疏港道路疏港方向上的交通需求與實(shí)際通行能力的概率分布曲線(xiàn)如圖 4所示。此時(shí)二者概率分布曲線(xiàn)沒(méi)有交集，即集疏港道路的失效概率為0，由式（4）可得其可靠度R=1。這與該港區(qū)尚在建設(shè)中，僅部分泊位投產(chǎn)，集疏港道路交通供給遠(yuǎn)大于交通需求的現(xiàn)狀相符。

圖4 交通需求與實(shí)際通行能力的概率密度曲線(xiàn)

3.3 交通需求變化下的容量可靠度

考慮該港區(qū)所有泊位建成投產(chǎn)后，隨著貨物吞吐量的增加，該集疏港道路的交通需求將迅速增加。分析交通需求增長(zhǎng)至現(xiàn)在的2～7倍時(shí)，集疏港道路的運(yùn)行狀態(tài)。假設(shè)交通需求增加時(shí)交通需求與實(shí)際通行能力的隨機(jī)特征不發(fā)生變化。得到交通需求與實(shí)際通行能力概率分布如圖5所示。

圖5 交通需求增長(zhǎng)后的概率密度曲線(xiàn)

由圖5可知，當(dāng)疏港方向交通需求為現(xiàn)狀的2～4倍時(shí)，交通需求與實(shí)際通行能力的概率密度曲線(xiàn)都無(wú)重合部分，容量可靠度R始終為1。當(dāng)疏港方向交通需求增至現(xiàn)狀5倍時(shí)，交通需求與實(shí)際通行能力的概率分布曲線(xiàn)出現(xiàn)交叉，即集疏港道路存在失效概率。此時(shí)，交通需求概率分布曲線(xiàn)與實(shí)際通行能力概率分布曲線(xiàn)的交點(diǎn)X0=4 532 pcu/h，由式（4）得R=0.987，即道路存在1.3 %的失效概率。當(dāng)交通需求為現(xiàn)狀6倍時(shí)，R=0.920，即道路有8 %的失效概率；交通需求為現(xiàn)狀7倍時(shí)，R=0.787，即道路有21.3 %的失效概率。由此可見(jiàn)，采用道路容量可靠度的概念，可定量地描述道路實(shí)際通行能力與交通需求的匹配程度，可作為評(píng)價(jià)道路運(yùn)行狀態(tài)的參考依據(jù)。

4 結(jié) 論

本文提出了采用道路容量可靠度評(píng)價(jià)集疏港道路交通運(yùn)行狀態(tài)，并確定了容量可靠度的分析與計(jì)算方法。該方法能夠較好地評(píng)價(jià)交通供需隨機(jī)狀態(tài)下集疏港.道路的交通運(yùn)行狀態(tài)，客觀(guān)反映出交通需求量增長(zhǎng)及道路條件變化對(duì)集疏港道路交通的影響程度，可為集疏港道路的合理規(guī)劃與設(shè)計(jì)提供參考。

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Analysis on Capacity Reliability of Collecting and Distributing Road of Seaport

Guo Zijian， Hoang Yupeng， Wang Wenyuan， Zhou Yong
（The Faculty of Infrastructure Engineering， Dalian University of Technology， Dalian Liaoning 116024， China）

Abstract：The traffic of seaport in/out road always changes at random， which is too hard to summarize.As an index， the concept of capacity reliability is adopted to evaluate the traffic status of seaport in/out road.Based on the measured traffic volume of vehicles leaving one coastal container terminal， the capacity reliability of port in/out road has been calculated.In addition， relevant analysis and contrast are carried out for the road's capacity reliability under different traffic demands in order to check the feasibility of evaluating traffic status of seaport in/out road by using capacity reliability.This research results will provide a theoretic basis for the planning and design of seaport in/out road.

Key words：seaport in/out road； capacity reliability； traffic evaluation； randomness

中圖分類(lèi)號(hào)：U651+.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-9592（2016）02-0017-03

DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20160204

收稿日期：2015-02-09

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51309049，51279026）

作者簡(jiǎn)介：郭子堅(jiān)（1965-），男，教授，主要從事港口規(guī)劃與港口物流研究。