沿海港口集疏港道路容量可靠度研究

郭子坚， 黄宇鹏， 王文渊， 周 勇（大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 116024）



沿海港口集疏港道路容量可靠度研究

郭子坚， 黄宇鹏， 王文渊， 周 勇
（大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 116024）

摘要：集疏港道路交通随机性强，其运行状态难以表征，本文引入容量可靠度的概念，作为集疏港道路交通运行状态的评价指标。以沿海某集装箱港区实测疏港交通量为例，计算了集疏港道路容量可靠度，并对交通需求变化时该道路的容量可靠度进行对比与分析，以检验采用容量可靠度评价集疏港道路交通运行状态的有效性。研究成果可为港口集疏运道路的规划与设计提供理论依据。

关键词：集疏港道路；容量可靠度；交通评价；随机性

引 言

集疏港道路交通需求尤其是货运交通需求受船舶到港规律、港区送货与提货时间的不确定性以及城市对大型货运车辆的限行等诸多因素的影响，具有很强的随机性。准确地表征集疏港道路的运行状态，是合理规划集疏港道路的前提。当前集疏港道路交通运行状态的评价主要是沿用城市交通中的V/C比、路段平均车速、交叉口平均延误等指标，通过确定道路交通的高峰时段，将该时段内的交通流量、道路通行能力、平均车速等取为定值来计算相应的评价指标。这些评价方法忽略了集疏港道路交通随机性强、道路高峰时段较难确定的特点。

本文结合港口陆路集疏运特点，考虑集疏港道路通行能力与交通需求的随机性，引入容量可靠度概念，探求沿海港口集疏港道路交通运行状态评价方法，为集疏港道路的规划与设计提供理论依据。

1 集疏港道路交通的随机性特征分析

1.1 集疏港道路交通需求的随机性

图 1为北方某集装箱港区疏港路一周内每天7：00-20：00交通流量统计。

图1 某集装箱港区一周七天各时段交通流量

如图1所示，该疏港路交通流量高峰周一～周日分别出现在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时段，难以确定其高峰时段。因此，集疏港道路交通需求具有很强的随机性。

1.2 集疏港道路通行能力的随机性

集疏港道路多为港口与腹地之间货运的专用通道，与高速公路有较大的相似性，本文参考高速公路通行能力的计算公式来计算集疏港道路的通行能力。根据《公路路线设计规范》［1］，高速公路路段的实际通行能力按下式计算：

其中：

式中：CB为基本通行能力，即理想条件下一车道所能通行的最大交通量（pcu/（h·ln））；N为高速公路的车道数；fw为车道宽度和侧向净宽对通行能力的修正系数；fHV为大中型车对通行能力的修正系数；fp为驾驶员条件对通行能力的修正系数；PHVi为第 i种车型交通量占总交通量的百分比；EHVi为第i种车型换算成标准车的车辆换算系数。

式（1）中CB、fw、N由车道宽度、车道侧向净宽、车道数等道路基本属性决定，在给定道路条件下为确定值。fp与fHV分别取决于驾驶员条件与大中型车辆占总交通量的比例，具有随机性。因此，集疏港道路实际通行能力亦具有随机性。

2 集疏港道路容量可靠度定义及计算方法

由于集疏港道路的交通需求与道路实际通行能力均具有随机特征，引入容量可靠度概念来衡量集疏港道路的交通运行状态。将集疏港道路的容量可靠度定义为：在给定的道路条件与正常的港口运营条件下，给定时间段内集疏港道路的实际通行能力能够满足港口集疏运需求的概率。

集疏港道路容量可靠度按下式计算：

式中：R为集疏港道路容量可靠度，取值范围为（0，1），当R=0时，道路实际通行能力完全不能满足交通需求，当R=1时，集疏港道路通过能力几乎不受道路通行能力限制；D为给定时间段内集疏港道路上的交通需求；C为给定时间段内集疏港道路实际通行能力。

交通需求D与道路实际通行能力C的概率分布如图2所示，其中交通需求D与道路实际通行能力C的概率密度函数分别为fd（x）与fc（x），概率分布函数分别为Fd（x）与Fc（x）。则图2中的A区域面积表示集疏港道路路段的失效概率。

图2 交通需求与实际通行能力概率分布

设x0处满足fd（x0）=fc（x0），则集疏港道路的可靠度表达式可按下式计算：

由式（4）可知，当获得某港区集疏运道路上某一时段的交通调查数据后，可根据该时段内交通需求与实际通行能力的概率分布推算出该时段内的容量可靠度，以评价集疏港道路的运行状态。

3 算例分析

本研究采用摄像法，调查了北方某集装箱港区主要疏港路上连续一周的交通量数据，计算道路容量可靠度。

3.1 道路参数

该集疏港道路为有中央分隔带的双向8车道公路，车道宽度3.75 m，侧向净宽≥1.75 m，道路两侧有障碍物，设计车速60 km/h。不考虑驾驶员条件不确定性影响。

3.2 容量可靠度

分析交通流数据，得到其疏港交通需求D的频率分布，如图3（a）所示。根据各时段的车辆构成由式（2）求得各时段大型车修正系数 fw，从而由式（4）可得该道路疏港方向上的实际通行能力的概率分布，如图3（b）所示。

图3 交通需求与道路实际通行能力频率分布

对疏港交通需求与实际通行能力进行概率分布曲线拟合，得出该集疏港道路上的疏港交通需求D 服从 正态分布 N（492，1872）（K-S 检验P=0.666＞0.05，按α=0.05显著性水平，服从正态分布），疏港方向的实际通行能力C服从韦布尔分布W（441，1.79，4530）（将观测值分为10个区间进行卡方检验，未知参数为 3，则自由度为 6，卡方统计量，按α=0.05显著性水平，服从韦布尔分布）。该港区集疏港道路疏港方向上的交通需求与实际通行能力的概率分布曲线如图 4所示。此时二者概率分布曲线没有交集，即集疏港道路的失效概率为0，由式（4）可得其可靠度R=1。这与该港区尚在建设中，仅部分泊位投产，集疏港道路交通供给远大于交通需求的现状相符。

图4 交通需求与实际通行能力的概率密度曲线

3.3 交通需求变化下的容量可靠度

考虑该港区所有泊位建成投产后，随着货物吞吐量的增加，该集疏港道路的交通需求将迅速增加。分析交通需求增长至现在的2～7倍时，集疏港道路的运行状态。假设交通需求增加时交通需求与实际通行能力的随机特征不发生变化。得到交通需求与实际通行能力概率分布如图5所示。

图5 交通需求增长后的概率密度曲线

由图5可知，当疏港方向交通需求为现状的2～4倍时，交通需求与实际通行能力的概率密度曲线都无重合部分，容量可靠度R始终为1。当疏港方向交通需求增至现状5倍时，交通需求与实际通行能力的概率分布曲线出现交叉，即集疏港道路存在失效概率。此时，交通需求概率分布曲线与实际通行能力概率分布曲线的交点X0=4 532 pcu/h，由式（4）得R=0.987，即道路存在1.3 %的失效概率。当交通需求为现状6倍时，R=0.920，即道路有8 %的失效概率；交通需求为现状7倍时，R=0.787，即道路有21.3 %的失效概率。由此可见，采用道路容量可靠度的概念，可定量地描述道路实际通行能力与交通需求的匹配程度，可作为评价道路运行状态的参考依据。

4 结 论

本文提出了采用道路容量可靠度评价集疏港道路交通运行状态，并确定了容量可靠度的分析与计算方法。该方法能够较好地评价交通供需随机状态下集疏港.道路的交通运行状态，客观反映出交通需求量增长及道路条件变化对集疏港道路交通的影响程度，可为集疏港道路的合理规划与设计提供参考。

参考文献：

［1］ JTG D20-200 公路路线设计规范［S］.

［2］ 王炜， 过秀成.交通工程学［M］.南京： 东南大学出版社， 2011.

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［6］ 许良， 高自友.基于路段能力可靠性的城市交通网络设计［J］.中国公路学报， 2006， 19（2）： 86-90.

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［8］ 陈艳艳， 梁颖， 杜华兵.可靠度在路网运营状态评价中的应用［J］.土木工程学报， 2003， 36（1）： 36-40.

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

中图分类号：U651+.5

文献标识码：A

文章编号：1004-9592（2016）02-0017-03

DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20160204

收稿日期：2015-02-09

基金项目：国家自然科学基金项目（51309049，51279026）

作者简介：郭子坚（1965-），男，教授，主要从事港口规划与港口物流研究。