基于時空分布信息的鋼廠交通流融合分析與應用

□ 宗 涵 蔣朝哲 徐 芳 范新庫 吳文凱

一、引言

中國是世界第一大鋼鐵生產(chǎn)國，據(jù)統(tǒng)計，每生產(chǎn)1 t鋼材，需要6 t貨物的運輸來配套[1]。運輸費用占鋼廠物流費用的比例高達62.9%。基于這種情況，越來越多的鋼廠將運輸尤其是無軌運輸作為廠內(nèi)物流的核心進行考慮[2]。無軌運輸與城市中的交通流理論息息相關，但冶金學與交通流理論結合得較少，同時交通流理論模型很多，但能夠解決實際行業(yè)問題的卻很少[3]。殷瑞鈺在《冶金流程工程學》一書中[4]，首次提出了“流程網(wǎng)絡”的概念，對鋼鐵流集成優(yōu)化進行了闡述；趙業(yè)清等[5]利用網(wǎng)絡問題的圖論方法對高爐、轉爐、連鑄、軋鋼過程進行了建模；蔡九菊等[6]繪制了鐵礦石到鋼鐵產(chǎn)成品生產(chǎn)過程的物質(zhì)流圖，建立了含鐵物料流動過程的鐵流模型。這些學者利用不同學科對冶金學的交叉滲透，對鋼廠內(nèi)部網(wǎng)絡流程分析具有重要的參考意義。基于此，本文將利用交通流理論及“冶金流程網(wǎng)絡”建立鋼鐵廠交通流系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并以此為基礎研究交通特征量的表征方法和表征模型。同時，用2個應用案例證實，對于鋼廠既有系統(tǒng)，利用表征模型可發(fā)現(xiàn)并診斷出道路系統(tǒng)問題；對于鋼廠擬建系統(tǒng)，利用表征模型可開展道路運輸系統(tǒng)能力與需求之間的供需平衡分析，對道路運輸系統(tǒng)方案優(yōu)化提供建議。冶金工業(yè)是典型的流程制造業(yè)，交通理論與冶金學的交叉研究，將直接推動鋼鐵制造流程功能的拓展，并對其他各類流程制造業(yè)具有重要的參考和借鑒意義。

二、鋼廠交通流融合表征

從冶金流程工程學的視角看，鋼鐵制造流程的工程本質(zhì)是物質(zhì)狀態(tài)轉變、物質(zhì)性質(zhì)控制、物質(zhì)流管制在時間、溫度和空間上的融合、貫通、協(xié)調(diào)和控制；是為了適應在開放的流程系統(tǒng)中將“資源流”“節(jié)點”和“連接器”整合在一起的物質(zhì)-能量-時間-空間結構[4]。而交通流理論是運用數(shù)學、物理學和力學的原理描述交通流特性的一門邊緣學科，是研究交通流隨時間和空間變化規(guī)律的模型和方法體系，主要研究機動車輛（主要是汽車）在個別或成列行動中的規(guī)律，探討車流流量、流速和密度之間的關系，以求減少交通時間的延誤、事故的發(fā)生和提高道路交通設施使用效率的理論[7]。根據(jù)交通流理論，可基于時空分布信息將鋼廠流程中“資源流”“節(jié)點”“連接器”對應交通流理論中“運輸組織”“運輸節(jié)點”“運輸設施”進行描述，鋼鐵系統(tǒng)交通流概念和要素示意圖見圖1。

圖1 鋼鐵系統(tǒng)交通流概念和要素

其中“節(jié)點（運輸節(jié)點）”“連接器（運輸設施）”屬性數(shù)據(jù)可以來自于設計數(shù)據(jù)、實測地形圖等數(shù)據(jù)源，“資源流（運輸組織）”可以看成“節(jié)點（運輸節(jié)點）”“連接器（運輸設施）”的優(yōu)化配置及其組成的時空邊界，是通過交通流理論邏輯運算派生出來的新數(shù)據(jù)。其對象及屬性的表征見表1和表2。

表1 鋼鐵系統(tǒng)交通流對象及屬性

表2 鋼鐵系統(tǒng)交通流對象及表征量

三、表征模型的構建

確定“運輸組織”“運輸節(jié)點”“運輸設施”對鋼廠流程進行表征后，鋼鐵系統(tǒng)交通流可進一步應用交通流可視化方式進行分析，參考交通流理論中的“道路運輸量分布圖”，可將節(jié)點和連接器作為基礎地圖載體，依據(jù)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫收集整理交通特征數(shù)據(jù)，將每種物料的運輸路徑疊加落在路網(wǎng)上，從而最終完成對鋼廠交通流網(wǎng)絡的建模。這個模型可以輸出道路運輸量分布圖，并可以在分布圖上用線條粗細來表征交通流的大小，適當利用顏色填充等方法來表現(xiàn)設施瓶頸。實現(xiàn)圖、模、數(shù)一體，融合分析方法的結構框架如圖2所示。

圖2 鋼鐵系統(tǒng)交通流融合分析方法結構框架

利用表征模型，將鋼鐵系統(tǒng)交通流對象及特征量體現(xiàn)在表征模型上，可針對路網(wǎng)流量分布均衡程度、主要交叉口和出入口負荷度、主要物料運輸路徑順暢程度、倉儲設施和稱量設施設置合理性等方面對路網(wǎng)系統(tǒng)進行評價，尋找現(xiàn)狀或新建（改造）方案存在的問題，為制定改善方案奠定基礎。

下面以尋找道路路網(wǎng)中的瓶頸路段為例，說明表征模型的使用過程。首先，分析全廠道路路網(wǎng)中每條道路交通流分布，結合道路路網(wǎng)調(diào)研、交通量調(diào)研繪制出全廠道路路網(wǎng)車流圖；然后，利用道路通行能力計算出每條道路路面通行能力，并繪制出全廠路網(wǎng)通行能力圖；最后，對比分析路網(wǎng)車流圖和路網(wǎng)通行能力圖，找出路網(wǎng)中的瓶頸路段。其中，在一般道路與一般交通條件下，在不受平面交叉口影響時，道路通行能力按式（1）計算：

其中：Nm為一條機動車車道的設計通行能力，單位為pcu/h；Np為一條機動車車道的路段可能通行能力，單位為pcu/h；ti為連續(xù)車流平均車頭間隔時間，單位為s/pcu；αc為機動車道通行能力的道路分類系數(shù)。

四、應用實例分析

對于鋼廠已建系統(tǒng)，基于時空分布信息的鋼廠交通流融合分析與應用，利用表征模型（見圖3），發(fā)現(xiàn)山東某鋼廠存在既有系統(tǒng)中汽車衡過多（31個）且廠區(qū)西部汽車衡稱量次數(shù)低的情況。通過調(diào)整汽車衡布置，提高了過磅效率，減少了車輛的排隊等待時間。

圖3 山東某鋼廠既有系統(tǒng)交通流表征模型

對于鋼廠擬建系統(tǒng)，利用表征模型（見圖4），發(fā)現(xiàn)新建江蘇某鋼廠總圖布局會造成某一廠門附近路網(wǎng)中形成瓶頸路段。因此，通過調(diào)整總圖布局和廠內(nèi)物資行走路線，重新分配道路車流量，降低了貨物周轉，緩解了交通擁堵。

圖4 江蘇某鋼廠新建系統(tǒng)交通流表征模型

五、結束語

本文融合交通流理論及流程網(wǎng)絡理論提出了鋼廠交通流模型的表征方法和表征模型，證明了模型的信息表征能力。給出了利用該表征模型進行數(shù)據(jù)組織和指標計算的方法，得到以下結論：

（1）鋼廠流程中的“資源流”“節(jié)點”“連接器”可以對應交通流理論中的“運輸組織”“運輸節(jié)點”“運輸設施”進行描述；

（2）“節(jié)點（運輸節(jié)點）”“連接器（運輸設施）”可通過鋼廠既有數(shù)據(jù)進行屬性化數(shù)據(jù)組織；

（3）“資源流（運輸組織）”可以看成“節(jié)點（運輸節(jié)點）”“連接器（運輸設施）”的優(yōu)化配置及其組成的時空邊界，是通過交通流理論邏輯運算派生出來的新數(shù)據(jù)；

（4）參考交通流理論中“道路運輸量分布圖”形式，可形成圖、模、數(shù)一體鋼廠交通流表征模型，其對鋼廠已建系統(tǒng)和擬建系統(tǒng)均有很好的表征能力，能有效輔助道路交通優(yōu)化工作。

進一步，可將此表征模型應用于鋼廠生產(chǎn)管理和信息系統(tǒng)，進行交通理論與冶金學的交叉研究，這將直接推動鋼鐵制造流程功能的拓展，并對其他各類流程制造業(yè)具有重要的參考和借鑒意義。