马红伟，段绪斌，李明剑

（天津市市政工程设计研究院，天津市 300051）

0 引言

随着我国经济的持续发展,港口规模和货物吞吐量不断扩大,进出港口的货运交通量也日益增加。闸口是港区集疏运交通的咽喉，闸口交通运行状况的好坏直接影响着港区出入口交通的运行效率,进而影响整个港口货物的运送时间。由于车辆性能的差异以及超载等原因，大货车的启动时间(即车辆从静止状态达到正常速度行驶所花费的时间)相比小汽车一般长5～10 s。这种启动时间上的差异往往导致排在大货车后面的小汽车启动时间损失严重，从而形成闸口交通流的“启动瓶颈”。因此，在一定条件下，闸口采用客货混行的设计和管理形式会带来闸口通行效率的下降。

基于这一考虑，目前我国部分港口采用大货车专用闸口或者小汽车专用闸口的形式来分离客货车辆，提高闸口的通行效率。然而，客货专用闸口的优化设计和管理方法缺乏，在实践中往往简单地把靠最右侧或者最左侧一个闸口设置为专用闸口，而没有考虑闸口上游不同车种到达的规律。例如，天津港部分闸口在最左侧的闸口设置集装箱卡车专用通道，禁止小汽车通行。集装箱卡车具有加速性能差和车身长（约16 m）的特点，相对于小汽车，变换车道比较困难。如果把集装箱专用闸口设置在最左侧，往往会导致从闸口上游的右侧车道或者中间车道进入的集装箱卡车需要变换很多次车道才能到达目标闸口，这种变换车道的驾驶行为会在闸口上游形成大量的交织，产生巨大的交通安全隐患。

因此本文的着力点在于以数据采集为基础，以虚拟现实技术为指导，通过对成熟的交通仿真模型的构建测试，在交通仿真软件的场景中研究客货专用闸口优化设计与动态运行管理问题。

1 仿真模型与实验

1.1 指标选取

本文根据闸口上游车流量和交通组成历史数据以及实时检测数据，以研究通行效率与交通安全为目标，对港区闸口的布置形式进行优化设计和动态管理的研究，因此选取港区闸口的延误作为指标表征交通效率水平，延误值越小表示此项闸口布置形式及动态管理水平越高；选择港区闸口交通冲突次数作为指标表征交通安全水平，并选择VISSIM与SSAM结合运行处理得到交通冲突次数，其中VISSIM是由德国PTV公司开发的微观交通仿真系统模拟工具，SSAM是美国FHWA开发的交通冲突分析软件，其中SSAM可以基于VISSIM输出的统计数据计算获得评价交通安全指标交通冲突数目。

1.2 仿真模型

1.2.1 仿真参数

VISSIM的仿真模型参数分为车辆参数与路段参数，车辆参数是通过观测统计相应闸口各车型数据确定，本文的车辆与路段参数是选择天津港部分闸口实测数据。在确定仿真模型的基础上运行VISSIM进行效率与安全的评价。

（1）车辆类型分为大货车与小客车两类，车辆大小根据我国的车辆设计参数所确定。车型组成大货车占比分别从20%开始，按10%的幅度递增至80%,车型分类图示见图1、图2。

（2）大货车与小客车速度以天津港实测数据为准，选取港口闸口附近长直线道路段80 m测数据，大货车与小客车的速度分别见图3、图4，其中仿真模型以该速度设置。

图1 港区小客车

图2 港区大货车

图3 小客车三个路段实测速度

图4 大货车三个路段实测速度

（3）闸口模型根据天津港实际闸口设计方案确定为该港口上游车道为4车道，出入口扩宽为6个闸口，并按仿真需要分别构建两个闸口交通模型，一个为普通现行的客货混行港区出入口闸口模型，另一个为优化设计后的客货专用闸口模型，分别见图5、图6，其中仿真模型以该图形设置。

图5 现行的客货混行港区出入口闸口模型

图6 优化设计后的客货混行港区出入口闸口模型

（4）闸口上游交通量根据天津港出入口实测调查数据确定，分别设置为1 000 veh/h、1 200 veh/h。

1.2.2 动态管理设定

应用于交通仿真软件VISSIM和安全分析软件SSAM的优化设计后客货专用闸口模型，不仅是对其闸口断面型式进行调整，并且基于不同流量和交通组成组合条件，对每个周期采用动态管理方法：通过实时检测得到的闸口上游各个车道的交通量和交通组成，判断上游车道所对应的闸口是否达到采用客货分离的阀值，如没达到阀值则继续保持客货混行的方式；如果达到阀值，则启用客车或者货车专用闸口形式。

动态管理方法步骤进一步细化为：

（1）上一周期车道流量Qm和交通组成货车占比Pm的检测：在闸口上游布设双线圈检测器，根据两个线圈振荡电路的频率变化、线圈长度以及车辆经过线圈的时长来估计车长和车速，从而对通过车型进行判别，最终获得各个车道周期时间内的流量值和交通组成货车占比；

计算公式如下：

式中：v为车速；Lv为车长；L为两个线圈之间间隔距离；t1、t2分别为车辆进入第一个和第二个线圈的时刻；T1为车辆通过某一个线圈 (例如第一个线圈)的时间；L1为第一个线圈的长度。

（2）根据上一周期各个车道的交通流量和货车比例，计算相邻两车道的交通流量和货车比例，式中x,y为相邻车道号。

在每一个周期，重复以上步骤。具体流程见图7。

图7 客货分离闸口动态管理流程图

1.3 仿真实验

利用仿真模型在VISSIM和SSAM分析车辆在港区闸口附近的运行特征及交通运行效率和交通运行安全，下面仅以客货混行闸口为例分析交通延误和冲突。

对于驶入闸口的大货车，驾驶员首先将车辆切换至各个闸口通道，对于4个进口道拓宽为6个闸口的天津港闸口而言，一些车辆需切换至外侧闸口；然后减速到闸口测速收费区域进行测重收费通关等各种操作；接着控制车辆启动加速驶出港区闸口；最后从闸口通道驶入正常道路。

大货车在闸口处可能发生的延误包括闸口排队等待，收费通关等；可能发生的碰撞冲突包括换道时候可能发生的侧向碰撞、减速和加速时候可能发生的追尾碰撞、合流时候可能发生的侧向或追尾碰撞，此外也有可能发生单车驶离车道、单车碰撞闸口设施等事故。

对于驶入闸口的小客车，则在闸口处不存在测重收费通关等行为，故驾驶员的驾驶行为是首先将车辆切换至各个闸口通道，；然后根据前车及排队行为减速到闸口测速收费区域；接着控制车辆加速驶出港区闸口；最后从闸口通道驶入正常道路。

小客车可能发生的延误包括闸口排队等待等；可能发生的碰撞冲突包括换道时候可能发生的侧向碰撞、减速和加速时候可能发生的追尾碰撞、合流时候可能发生的侧向或追尾碰撞，此外也有可能发生单车驶离车道、单车碰撞闸口设施等事故。

从上述特征来看，影响港区闸口出入交通效率及安全的因素包括了闸口的渠化设计及交通运行管理等方面。其中闸口渠化设计要素包括进口道宽度、数量；闸口数量；连接处长度、角度等；交通运行管理包括客货分离，速度、流量分离等。

2 数据分析

2.1 基础数据设置

本文以现行客货混行港区闸口仿真模型与优化渠化设计的客货分离闸口为对比重点，在一定的流量与速度范围中研究不同闸口的交通延误及冲突数量，每次仿真实验使用不同的随机种子实验10次，以平均值作为实验结果。SSAM软件中，需设置参数阈值：维持当前的速度和行驶方向，2车到达冲突点的预期时间差值，即距离碰撞时间（time to collision，TTC）=1.5 s；直行车辆实际到达潜在碰撞点的时间和转向车辆侵占结束时间之间的时间差，即后侵占时间（post-encroachment time）PET=5.0 s。

2.2 延误分析

取交通流量阈值为1 000 veh/h，设置2个客车专用闸口，4个货车专用闸口对比客货混行闸口的情况下，大货车比例较大时，闸口通行效率较高，其中比例为55%左右延误最小，当货车比例达到45%时，延误值与客货混合通行情形下接近，小于40%时，闸口通行效率急剧下降，延误值极速上升，远小于在客货混行情形下闸口通行效率，而在货车比例大于70%时，因占绝大部分的货车均拥挤在4个货车专用闸口，其延误也将增大，见图8。

图8 1000 veh/h时的两个闸口延误时间

取交通流量阈值为1 200 veh/h，设置2个客车专用闸口，4个货车专用闸口对比客货混行闸口的情况与设置为1 000 veh/h的情形相似，见图9。但是对比图8、图9,可得，闸口的延误随着港区出入口流量的增加而持续增加，设置客货专用的闸口延误相比增长更为迅速，从而优化效果并不明显。

图9 1200 veh/h时的两个闸口延误时间

说明了两种形式对于交通延误有着较大的影响，当大货车占所有车型的比例在50%～70%的时候，客货专用闸口有着较好的减小延误的作用，但是货车比例偏小或偏大的时候反而会严重增加延误值。

2.3 安全分析

取交通流量阈值为1 000 veh/h，设置2个客车专用闸口，4个货车专用闸口对比客货混行闸口的情况下，客货混行闸口交通冲突次数维持在10～20次，而设置客货专用闸口的交通冲突次数在货车占比小于30%时较高，在货车占比大于30%后逐步减低，并在70%取最小值，见图10。

图10 1000 veh/h时的两个闸口交通冲突次数

取交通流量阈值为1 200 veh/h，设置2个客车专用闸口，4个货车专用闸口对比客货混行闸口的情况下，交通冲突次数均有着较大的增长，在货车占比大于50%之后，设置客货专用的闸口交通冲突次数远小于客货混行的冲突次数，见图11。

说明了两种形式对于交通安全有着较大的影响，当大货车占所有车型的比例在大于50%的时候，客货专用闸口能大幅提高交通安全，但是货车比例偏小时候反而会严重增加交通冲突次数。

3 结论

对以往研究的归纳总结，发现对港区出入口处的闸口交通研究较少，故本文应用交通延误和交通冲突次数作为研究闸口通行效率和安全的评价指标，结合VISSIM与SSAM软件，在采集天津港闸口相关数据的基础上对闸口布设形式和管理方式进行仿真研究。本文得到的主要研究结论如下：

（1）在流量相同的情况下，两种形式对于交通延误有着较大的影响，当大货车占所有车型的比例在50%～70%的时候，采用客货专用闸口有着较好的减小延误的作用，但是货车比例偏小或偏大的时候反而会严重增加延误值。

（2）在流量相同的情况下，两种形式对于交通延误有着较大的影响，当大货车占所有车型的比例在大于50%的时候，客货专用闸口能大幅提高交通安全，但是货车比例偏小时候反而会严重增加交通冲突次数。

（3）随着流量由1 000 veh/h增加到1 200 veh/h直至更高，客货专用闸口延误值增长较快；但客货专用闸口的交通冲突次数增长较客货混行闸口混行慢。

建议在港区出入口上游流量较小且货车占比维持在50%～70%的时候使用客货专用闸口，同时实施动态管理，起到提升交通运行效率，降低交通事故的作用。

[1]Jian Sun,Guangxin Liu,Keping Li,etc.Survival Analysis on Pedestrian's Maximum Waiting Timeat Signalized Intersections[A].The89th Annual Meeting of the Transportation Research Board[C].Washington D.C.:National Academy of Science,2010,1428.