沿海港口集疏港道路容量可靠度研究

郭子堅， 黃宇鵬， 王文淵， 周 勇（大連理工大學 建設工程學部，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， 黃宇鵬， 王文淵， 周 勇
（大連理工大學 建設工程學部，遼寧 大連 116024）

摘要：集疏港道路交通隨機性強，其運行狀態難以表征，本文引入容量可靠度的概念，作為集疏港道路交通運行狀態的評價指標。以沿海某集裝箱港區實測疏港交通量為例，計算了集疏港道路容量可靠度，并對交通需求變化時該道路的容量可靠度進行對比與分析，以檢驗采用容量可靠度評價集疏港道路交通運行狀態的有效性。研究成果可為港口集疏運道路的規劃與設計提供理論依據。

關鍵詞：集疏港道路；容量可靠度；交通評價；隨機性

引 言

集疏港道路交通需求尤其是貨運交通需求受船舶到港規律、港區送貨與提貨時間的不確定性以及城市對大型貨運車輛的限行等諸多因素的影響，具有很強的隨機性。準確地表征集疏港道路的運行狀態，是合理規劃集疏港道路的前提。當前集疏港道路交通運行狀態的評價主要是沿用城市交通中的V/C比、路段平均車速、交叉口平均延誤等指標，通過確定道路交通的高峰時段，將該時段內的交通流量、道路通行能力、平均車速等取為定值來計算相應的評價指標。這些評價方法忽略了集疏港道路交通隨機性強、道路高峰時段較難確定的特點。

本文結合港口陸路集疏運特點，考慮集疏港道路通行能力與交通需求的隨機性，引入容量可靠度概念，探求沿海港口集疏港道路交通運行狀態評價方法，為集疏港道路的規劃與設計提供理論依據。

1 集疏港道路交通的隨機性特征分析

1.1 集疏港道路交通需求的隨機性

圖 1為北方某集裝箱港區疏港路一周內每天7：00-20：00交通流量統計。

圖1 某集裝箱港區一周七天各時段交通流量

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時段，難以確定其高峰時段。因此，集疏港道路交通需求具有很強的隨機性。

1.2 集疏港道路通行能力的隨機性

集疏港道路多為港口與腹地之間貨運的專用通道，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算公式來計算集疏港道路的通行能力。根據《公路路線設計規范》［1］，高速公路路段的實際通行能力按下式計算：

其中：

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

式（1）中CB、fw、N由車道寬度、車道側向凈寬、車道數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輛占總交通量的比例，具有隨機性。因此，集疏港道路實際通行能力亦具有隨機性。

2 集疏港道路容量可靠度定義及計算方法

由于集疏港道路的交通需求與道路實際通行能力均具有隨機特征，引入容量可靠度概念來衡量集疏港道路的交通運行狀態。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營條件下，給定時間段內集疏港道路的實際通行能力能夠滿足港口集疏運需求的概率。

集疏港道路容量可靠度按下式計算：

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

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

圖2 交通需求與實際通行能力概率分布

設x0處滿足fd（x0）=fc（x0），則集疏港道路的可靠度表達式可按下式計算：

由式（4）可知，當獲得某港區集疏運道路上某一時段的交通調查數據后，可根據該時段內交通需求與實際通行能力的概率分布推算出該時段內的容量可靠度，以評價集疏港道路的運行狀態。

3 算例分析

本研究采用攝像法，調查了北方某集裝箱港區主要疏港路上連續一周的交通量數據，計算道路容量可靠度。

3.1 道路參數

該集疏港道路為有中央分隔帶的雙向8車道公路，車道寬度3.75 m，側向凈寬≥1.75 m，道路兩側有障礙物，設計車速60 km/h。不考慮駕駛員條件不確定性影響。

3.2 容量可靠度

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

圖3 交通需求與道路實際通行能力頻率分布

對疏港交通需求與實際通行能力進行概率分布曲線擬合，得出該集疏港道路上的疏港交通需求D 服從 正態分布 N（492，1872）（K-S 檢驗P=0.666＞0.05，按α=0.05顯著性水平，服從正態分布），疏港方向的實際通行能力C服從韋布爾分布W（441，1.79，4530）（將觀測值分為10個區間進行卡方檢驗，未知參數為 3，則自由度為 6，卡方統計量，按α=0.05顯著性水平，服從韋布爾分布）。該港區集疏港道路疏港方向上的交通需求與實際通行能力的概率分布曲線如圖 4所示。此時二者概率分布曲線沒有交集，即集疏港道路的失效概率為0，由式（4）可得其可靠度R=1。這與該港區尚在建設中，僅部分泊位投產，集疏港道路交通供給遠大于交通需求的現狀相符。

圖4 交通需求與實際通行能力的概率密度曲線

3.3 交通需求變化下的容量可靠度

考慮該港區所有泊位建成投產后，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。分析交通需求增長至現在的2～7倍時，集疏港道路的運行狀態。假設交通需求增加時交通需求與實際通行能力的隨機特征不發生變化。得到交通需求與實際通行能力概率分布如圖5所示。

圖5 交通需求增長后的概率密度曲線

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

4 結 論

本文提出了采用道路容量可靠度評價集疏港道路交通運行狀態，并確定了容量可靠度的分析與計算方法。該方法能夠較好地評價交通供需隨機狀態下集疏港.道路的交通運行狀態，客觀反映出交通需求量增長及道路條件變化對集疏港道路交通的影響程度，可為集疏港道路的合理規劃與設計提供參考。

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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

中圖分類號：U651+.5

文獻標識碼：A

文章編號：1004-9592（2016）02-0017-03

DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20160204

收稿日期：2015-02-09

基金項目：國家自然科學基金項目（51309049，51279026）

作者簡介：郭子堅（1965-），男，教授，主要從事港口規劃與港口物流研究。