大規模聚集人員轉移的交通組織仿真與實踐——以沙特Ras Tanura化工新城建設項目為例

丘建棟，Amer Tawfik

（1.深圳市城市交通規劃設計研究中心有限公司，廣東 深圳 518027；2.施偉拔（沙特）有限公司，沙特 利雅得 301285)

0 引言

交通仿真是運用計算機技術模擬現實或構想中的交通系統，是交通規劃、交通設計、多方案比選的重要技術方法[1]。依據描述交通系統的尺度差異，交通仿真可劃分為宏觀仿真模型、中觀仿真模型和微觀仿真模型。其中微觀仿真模型細致地描述了系統中人或車的產生、運動、消失及其之間的相互影響[2－4]，能非常逼真地再現實際交通狀況或構想中的交通方案，已成為多種規劃設計方案比選的有力工具。

本文針對沙特一個化工新城在施工期間大規模聚集人員轉移過程中的交通組織規劃，探索微觀交通仿真技術在項目未開展之前的應用，通過量化的計算評估，優化交通組織方案。

1 項目概況

1.1 總體情況

沙特Ras Tanura化工新城綜合項目（簡稱：RTIP）是沙特阿美石油公司（Saudi Aramco）近年來主推的一個大型項目，占地約15km2，建成后將成為世界上最大的石油化工產業園[5]。該項目位于沙特東部、波斯灣沿岸，距離沙特東部最大城市Dammam約50km。

項目施工期間，RTIP將有7.5萬工人參與項目建設。為了保證工人的生活質量，在項目約20km外集中安排工人居住區，如圖1所示。運送工人的車輛需使用Jubail—Dammam高速公路（雙向六車道）和Juaymah公路（雙向四車道），途經一個公安檢查站和一個信號交叉口。每臺運送大巴車輛標載50人，共需1 500輛運送大巴車輛。

圖1 RTIP項目區位圖

1.2 項目約束條件

項目約束條件如下：

a）在工人居住區安排停放1 500輛大巴的車站，工人步行至車站；

b）進入車站前，工人需要進行打卡安檢；

c）大巴使用居住區北面單向兩車道支路進入Jubail—Dammam高速公路；

d）大巴車輛全程限速60km／h；

e）途經公安檢查站，應低速通過；

f）進入RTIP工地前，需要進行車輛安檢，之后必須低速行駛至相應的施工單元。

1.3 建設方目標需求

為了確保運送車輛在項目施工期間，每天早上在1h內把7.5萬名工人從居住地運送到RTIP，政府建議建設方在途經道路進行擴寬升級，以適應施工期間新增的交通需求。而建設方希望用最小的交通基建投資和運營成本，實現1h內運送工人至RTIP的目標。

經過多輪的技術交流，顧問公司建議采用交通仿真技術，模擬車輛運行中的各種影響因素及其延誤量化指標，測試不同的道路設置對延誤的影響程度，為給施工期間交通組織的優化提出建議。

2 建立微觀仿真模型

建立微觀仿真模型，主要計算運送工人車輛從居住區至RTIP的行程時間，包括車站排隊放行時間、路段行駛時間、公安安檢時間、RTIP口檢查時間，同時需要評估影響這些時間延誤的因素。

2.1 仿真軟件比選

目前比較流行的幾種常用微觀仿真軟件包括：TransModeler（Caliper，2011），CORSIM（FHWA，2003），VISSIM（PTV，2011），PARAMICS（Quadstone，2009）[6－8]，每個仿真軟件都有各自的優缺點，都成功地運用于交通組織、系統運營規劃等。其中TransModeler可以結合宏觀交通模型（TransCAD），進行多車種矩陣的動態交通分配，尤其考慮了背景交通量的相互影響，輸出的Trajectory Data能記錄仿真過程中每臺車輛的行駛軌跡[9]。如同GPS行車記錄儀一般，可以詳細記錄仿真中每臺車輛積累的行程時間、行程距離還有坐標位置等。這些數據基于關系數據庫格式，可非常方便地用于延誤分析。因此仿真軟件采用Caliper公司的TransModeler。

Trajectory Data的數據格式如圖2所示。這是一個帶坐標的數據表，跟Garmin GPS輸出格式基本一致。其中，Time列為積累的時間；Distance列為積累的行程距離；Speed為瞬時速度，除此之外還可以得到車輛的加速度和所處的地理位置等。

圖2 行駛軌跡數據格式

2.2 仿真系統及參數標定

2.2.1 出行需求預測

未來年道路實際的交通出行需求，主要由背景交通量和運送工人的大巴車輛構成。根據區位特點，背景交通量以私人小汽車為主。通過宏觀模型獲得現狀機動車出行OD，結合未來年各交通小區產生量與吸引量的增長，運用Fratar雙約束增長模型，預測未來年背景的機動車出行OD。而運送工人大巴的OD則從居住區至RTIP，共有1 500輛大巴出行。出行需求為早高峰出行OD，且場景唯一。

2.2.2 駕駛行為

運送大巴的駕駛行為與背景小汽車駕駛行為有所差別。為保證安全，要求運送大巴限速60km／h，并設定加速度不超過1.5m／s2。在行駛過程中，限制大巴超車，并降低其換車道的概率。而背景小汽車則根據道路的實際限制條件行駛，駕駛行為采用仿真軟件的默認值。駕駛行為的場景唯一。

2.2.3 居住區車站

車站距離居住區中的任一住宅應小于500m。假設停車道寬為4m，共15條停車道，停車道間隔為4m，作為上下車人行道。為滿足1 500輛大巴的停放，車站用地面積應為1500m×124m＝186000m2，如圖3所示。由于道路系統不可能滿足15條車道的車輛同時放行，因此需要車輛排隊放行，在出入口處適當增加渠化，加寬加長車道轉換交織區。

圖3 工人居住區車站平面圖

同時，放行車道數場景設定為：場景①2條車道；場景②3條車道；場景③4條車道；場景④5條車道（構想方案）。

2.2.4 道路系統

首先標定各等級道路的通行能力和限速條件，其次標定路網內主要瓶頸點處（如匝道、信號交叉口、坡度等）路段的通行能力。為了在動態分配過程中，運送大巴偏離指定路徑，需要設定路徑系統（Bus Route），以確保動態交通分配后運送大巴按既定線路行駛。

Juaymah公路單向車道數場景設定：場景①2車道（現狀）；場景②3車道（構想方案）；場景③4車道。

2.2.5 公安檢查站

公安檢查站是沙特政府為了防止恐怖分子襲擊，在重要節點處設置的檢查站，以對過往車輛進行抽查。正常的車輛不需要停駐，但必須低速通過。在TransModeler仿真系統中，使用Speed Hump來模擬減速和加速的全過程。

公安檢查站通過車速場景設定：場景①5km／h（現狀）；場景②10km／h；場景③20km／h；場景④30km／h。

2.2.6 RTIP安檢口

進入RTIP工地之前，所有車輛必須通過安檢口，為了運送大巴車輛能較為平順地到達安檢口，需要分段地每隔50m各增加1個車道，分段總數由安檢口數量決定，如圖4所示。

圖4 RTIP安檢口平面圖

RTIP安檢口個數場景設定：場景①5個（構想方案）；場景②7個；場景③10個；場景④12個。

2.3 延誤計算方法

在每個場景仿真之后，根據Trajectory Data車輛行駛軌跡記錄，繪制車輛序列的延誤圖。例如，運送大巴分別以5km／h和30km／h的速度經過公安檢查站，對前300輛大巴，兩種延誤時間區別不明顯，但隨著到達檢查站車輛的增加，延誤就有顯著區別。如圖5所示，當大巴以5km／h速度通過檢查站，累積的車輛會顯著影響后續車輛的通過，最大車輛延誤在13min以上；而如圖6所示，由于車輛離散地到達，基本抵消了30km／h通過檢查站所帶來的延誤，最大車輛延誤不超過2min。

圖5 以5km/h的速度通過公安檢查站時車輛延誤時間

圖6 以30km/h的速度通過公安檢查站時車輛延誤時間

3 仿真結果與建議

3.1 結果分析

針對以上仿真系統的場景設定，總共有192個組合場景需要建立對比評估。在實際操作過程中，需要將宏觀判斷與實際建模相結合，適當地排除不合理的假設場景或者可以推算出結果的場景，以減少建模工作量。最終需要建立32個組合場景的仿真系統。

在總體行程時間內，最重要的是考慮最后一輛車能在1h內通過RTIP安檢口，因此在各控制點的分段延誤中，測算最后一輛車有等候時間與無等候時間之差，即為各控制點的分段延誤。當然由于最后一輛車往往受前面車輛延誤傳遞影響，因此需要在仿真系統中跟蹤所有車輛的運行狀態，而這些信息全部可以從Trajectory Data中獲得。

通過對32個組合場景的Trajectory Data分析，得到各分段控制點延誤如表1所示。

表1 各組合場景的最后一輛車延誤時間 單位：/min

3.2 交通組織建議

在各種場景中，途經唯一的信號燈延誤不可避免，由于背景交通量和運送大巴的排隊累積疊加影響，造成后續車輛的巨大延誤，建議設置獨立跨線橋（見圖7），避開信號燈的影響。

圖7 增設跨線橋位置

建議與政府協商，為公安檢查站設置專用車道，允許運送大巴車輛以20km／h的車速通過公安檢查站，比現狀5km／h節省約10min。

綜合考慮各類設施的投資情況，最終推薦場景的組合為：車站同時放行的車道數為3條車道、Juaymah公路車道數保持原有的單向2車道，僅在公安檢查站處拓寬布設專用車道，同時通過車速為20km／h，RTIP安檢口為10個，在途經唯一的信號交叉口處增設跨線橋。

綜上推薦的組合，從工人居住區至RTIP，兩地相距約20km，車輛運行時速為60km／h，第一輛車到達RTIP的時間約20min；最后一輛車總延誤小于40min，到達RTIP總時間小于1h，滿足既定目標。

3.3 實踐效果

通過交通仿真分析，顧問公司得出運送車輛的延誤重點不在Juaymah公路的車道數量，而在于各控制點的排隊延誤，通過多方案比選，優化了最初計劃在Juaymah公路加寬車道數的設想，在達到相同目標的情況下，可為沙特阿美石油公司節省約70%的交通基建投資。

4 結語

大規模聚集人員的轉移或疏散，涉及到出行者的行為、道路設施以及各種瓶頸限制，如檢查站、閘口、坡度等。對于此類復雜的交通行為，通過微觀仿真技術，可以非常詳盡地再現交通行為的運行過程。在不需要經過實際大規模演練的情況下，仍可得到聚集人員轉移或疏散的規律，同時可以測試各種設施的適應性，預判設施可能出現的脆弱點，優化原有設計方案。本文以沙特化工新城施工期間大規模聚集工人的運送為例進行了交通組織仿真與實踐，同樣，此類交通仿真方法在快速發展的中國，也有很好的借鑒意義。

[1]胡明偉，史其信.支持ITS影響評價的交通仿真模型研究[J].ITS通信，2005，（1）：5-9.

[2]Institute of Transportation Engineers—California Border Section.A report on the use of traffic simulation models in the San Diego region[R].Sacramento:Institute of Transportation Engineers—California Border Section,2004.

[3]Qi Yang.A simulation laboratory for evaluation of dynamic traffic management systems[D].Cambridge:Massachusetts Institute of Technology,1997.

[4]臧志剛，陸鋒，李海峰，等.7種微觀交通仿真系統的性能評價與比較研究[J].交通與計算機，2007，（1）：66-70.

[5]Amer Tawfik,Jiandong Qiu.Ras Tanura Integrated Project:Industrial Impact Study[R].Riyadh:Wilbur Smith Associates,2010.

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[7]Park B,J D Schneeberger.Microscopic Simulation Model Calibration and Validation:Case Study of VISSIM for a Coordinated Actuated Signal System[J].Transportation Research Record:Journal of the Transportation Research Board,2003,（1856）：185-192.

[8]Yunlong Zhang,Larry E Owen.Systematic Validation of a Microscopic Traffic Simulation Program[J].Transportation Research Record:Journal of the Transportation Research Board,2004,（1876）：112-120.

[9]Caliper.TransModeler Brochure[EB/OL].（2011-11-01)[2012-08-03].http://www.caliper.com/PDFs/TransModeler Brochure.pdf.