集装箱港区集疏港货运交通随机时变特性仿真研究郭子坚，方泽兴，王文渊，周 勇 （大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 116024） 摘要：为了在预测集装箱港区货运交通量和规划港口集疏运系统时，能够更加合理地分析集疏港货运交通随机时变特性，利用计算机仿真技术，以集装箱港区水、陆作业流程为基础，综合考虑影响集疏港货运交通的主要因素，模拟港口运营作业情况，建立集装箱港区集疏港货运仿真模型。采用高峰小时交通量和高峰小时系数对集装箱港区货运随机时变特性进行分析，通过大量仿真实验，得出不同港区规模条件下，集装箱港区货运交通的随机时变特性，为集疏港货运交通规划提供参考。 关键词：集疏运；高峰小时交通量；高峰小时系数；港口仿真；港口 引 言经济和国内外贸易的发展促使沿海港口规模不断扩大，集疏港货运交通需求逐渐上升，交通压力明显增大，许多港区都需要对集疏港道路进行更加合理规划和建设。在既满足运输需要，又节约利用土地资源的要求下，对港口集疏运系统进行合理预测和规划，对于提升港口运输效率、节约运输成本有重要意义。 近年来，学者们围绕港口集疏运开展了很多研究。在定性研究方面，俞晓晶[1]、唐颖[2]、叶培坚[3]在分析港口集疏运的概念、组成结构、影响因素和发展策略做出了许多贡献。而在定量研究方面，主要围绕交通量预测和配流问题，利用数学规划、仿真等方法展开讨论。如丁文涛[4]和Yang等[5]分别通过航道仿真模型和数学模型预测港口集疏运交通需求。董洁霜[6]以系统最优为目标，建立港口集疏运网络综合平衡优化模型。陈丽芬[7]和董岗[8]分别用负指数网络配流模型和 Logit博弈模型研究集疏运配流问题。Chen[9]等通过调度港外集卡控制港口集疏运交通。江建宇[10]则考虑港口集疏运的复杂性和随机性，建立共享腹地港口群集疏运系统智能体仿真模型。 大多数学者的文献中都意识到港口集疏运是一个随机性很强的作业过程，但目前关于港口集疏运的随机性特点仍缺少有针对性的研究。大部分工程规划人员在处理港口集疏运随机性问题时，都是以时间变化规律为切入点，利用周边已建港区或国内大型港区交通量统计数据，分析得到规划港区交通量的时间分布规律,即不均匀系数[11-14]。在此类不均匀系数法中，不同港区运营状况和交通量的时间分布规律不同，利用已有港区所得统计数据往往无法准确反映规划港区水平年的交通情况；同时，当统计得到的时间不均匀系数确定时，这种静态数学推算的方式得到的高峰小时交通量与预测水平年港区货运量成正比，实际上忽视了货运随机性对于交通量峰值的影响。 本文利用高峰小时交通量和高峰小时系数来描述一天中交通量的随机时变特性[15]，通过离散系统仿真的方法，基于船舶到离港规律和集装箱堆存规律，建立船舶到离港、货物堆存和外部卡车集疏运之间的关系，探讨了基于仿真技术的集装箱港区货运交通随机时变特性分析方法，得到集装箱港区的货运交通随机时变特性与港区规模之间的关系，为集装箱港区集疏港货运交通预测和集疏运道路规划建设提供指导。 1 集装箱港区货运交通分析1.1 集装箱港区货运交通流的特点集装箱港区集疏港货运交通受港口运营影响，其主要表现出以下特点： 1）派生性 集装箱港区集疏港货运交通量主要由港区吞吐量派生而来，集装箱通过集卡运输产生货运交通量，吞吐量大小直接影响货运总量。 2）系统性 集装箱港区货物集疏港过程是港区陆上作业系统的一部分。港区陆上作业系统从出口货物由集卡运送到港区堆存开始，在船舶到港装卸货物之后，进口货物再由集卡运送出港。船舶到、离港和港区作业系统的变化会引起集疏港交通特征的变化。 3）随机性 由于受船舶到离港、港区内部作业系统的各个子过程都具有很强的随机特性。因此，集装箱港区集疏港货运交通也具有随机性。而城市地区交通量的产生主要因客货运的需要，其交通量有明显的高峰期[16]。 4）集中性 大多集装箱港区对在港的集装箱货物都设有免费的堆存时间，货主为了成本控制需要，出口的集装箱多是集中在船舶离港之前，进口的集装箱多在免费堆存期内提箱。因此，集中性而引发的货运高峰时间并不固定，而是与船舶到离港的时间，以及港区免费堆存时间相关。 5）大型性 承担集装箱港区的集疏港货运交通的主要方式是大型车，以集装箱卡车为主。 1.2 交通量的随机时变特性本文主要研究集装箱港区集疏港货运交通量的随机时变特性与港区规模之间的关系，交通量的随机时变特性是反映交通流特性的重要组成部分，在一天中的交通量中由高峰小时交通量（Peak Hourly Volume，PHV）和高峰小时系数（Peak Hour Factor，PHF）来描述。高峰小时交通量是指一天中交通量出现峰值的小时交通量，可通过高峰小时流量比（高峰小时交通量与日交通量之比，Peak Hour Flow Ratio，PHFR）来反映一天中交通量的集中程度；高峰小时系数是高峰小时交通量与高峰小时内高峰时段的交通量扩大为1小时的交通量之比，它反映交通量在高峰小时内的均匀程度。本文通过高峰小时流量比和高峰小时系数，分析港区货运交通量在一天时间中分布的不均匀程度，进而讨论不同港区规模情况下的货运交通的随机时变特性。 2 仿真模型的构建2.1 集装箱港区货运交通影响因素分析集装箱港区货运交通量与港区规模有着重要关系。此外，船舶到离港情况、集装箱堆存规律、港外集卡到港规律对其随机特性也有很大影响。 1） 港区规模 集装箱港区规模是影响港区货运交通量的关键因素，港口吞吐量决定了货运交通量的大小。 2） 船舶到离港情况 港区集疏运交通的派生性，使其受船舶到离港情况影响很大。船舶和货物特征决定了集疏运的运量、作业流程以及运送时间。这些特征包括船舶到离港时间及规律、船舶吨级和装卸量、货物的货种和比例等。 3） 集装箱堆存期规律 一般情况下，集装箱港区规定货物的免费堆存时间在很大程度上影响集疏港卡车的运送时间。 4） 港外集卡到港时限 港外集卡到港规律和集装箱港区运营时间有关。24小时运营的无交通管制的集装箱港区，其外卡到港不受时间段限制，可以自由出入港区。 2.2 仿真模型集装箱港区集疏港货运仿真模型包括水上作业子模型和陆上作业子模型。  图1 水上作业子模型流程 水上作业子模型，实体为到港船舶。其具体流程为：首先判断船舶到港时是否有空闲的泊位资源，然后进行装卸作业，最后船舶离港，如图1所示。该子模型用以描述运营期内船舶到离港、辅助作业和装卸作业的情况，得到仿真期内到港船舶参数，包括靠泊时刻、集装箱种类和装卸数量等。 陆上作业子模型以水上作业子模型得到的船期参数为基础，仿真不同类型的集装箱在港内的装卸运输过程，触发港外集卡到港并统计交通量。具体流程如图2所示。  图2 陆上作业子模型流程 图2所示陆上作业子模型以15分钟为时间区间记录进出集装箱港区的外部卡车数量，用以统计日平均小时交通量（Daily Average Hourly Volume，DAHV）、高峰小时交通量，以及计算高峰小时流量比和高峰小时系数。 2.3 模型校验统计分析我国北方某集装箱港区疏港道路实际货运交通情况，与本文分析结果进行比较，用以对模型结果进行校验。 1） 港区概况 该港区建设泊位主要包括2个7万t级泊位和2个10万t级泊位，年吞吐量为4.1×106TEU。 2）校验结果 利用本模型实验结果，可分析得到在该吞吐量情况下，货运高峰小时流量比和高峰小时系数。其与实测值进行对比，如表1。 表1 模型分析值与实测值对比  项目 高峰小时流量比 高峰小时系数模型方法 0.0590.918实测值 0.0620.899误差/% 4.832.11 通过与实测值对比，表明该方法能较为真实的反映货运交通随机时变特性。同时，利用不均匀系数法方法计算，可得到高峰小时流量比为0.088，误差为41.9%，且不均匀系数法只能估算小时交通量，很难计算 15分钟交通量，因而得不到高峰小时系数。 3 仿真实验及结果分析仿真时间取1年，每种吞吐量仿真20次。在不同吞吐量下，首先利用水上作业子模型仿真得到不同的船期参数，然后利用陆上作业子模型得到一年内所产生的 15分钟交通量，进而分析集疏港货运的平均小时交通量、高峰小时交通量以及货运交通的随机特性。 3.1 仿真参数模型中使用的船舶吨级、比例和装卸时所用的岸桥数量见表2。船舶到港规律服从泊松分布[17]。 表2 到港船舶吨级、比例及岸桥个数  船舶吨级/万t 数量比例/% 岸桥个数/个113.32227.53323.23515.041016.14124.85 根据货种的类型，确定集装箱的平均堆存期，其值如表3。在仿真模型中，集装箱的实际堆存时间服从以平均堆存期为均值的泊松分布。 表3 集装箱的平均堆存时间  集装箱种类 平均堆存时间/d进口箱 7出口箱 4中转箱 7空箱 10冷藏箱 3危险品箱 2 3.2 仿真结果及分析通过运行仿真模型得到集疏港道路时实交通量，进而计算平均小时交通量、高峰小时交通量、高峰小时流量比和高峰小时系数。 图3为年吞吐量为300万TEU的港区某一天内的交通流量，可以看出仿真得到集疏港货运交通具有很强的随机性。由此计算该港区一天中的平均小时交通量为 274辆/h，高峰小时交通量为 317辆/h，高峰小时流量比是 0.048，高峰小时系数为0.86。  图3 试验港区某一天15分钟交通量统计 统计不同吞吐量情况下，仿真得到的平均小时交通量和高峰小时交通量，并与不均匀系数法所计算的交通量对比，如图4所示。  图4 日平均小时交通量和高峰小时交通量对比 由图4可知，通过仿真得到的货运交通平均小时交通量和不均匀系数法计算得到的小时交通量参考值都与港区规模近似成正相关例关系。但其变化率明显不同，不均匀系数法比仿真方法有更高的增长率。 计算高峰小时流量比和高峰小时系数见图5和图6。  图5 高峰小时流量比随吞吐量变化  图6 高峰小时系数随吞吐量变化 图5反映了高峰小时流量比随吞吐量的变化趋势。仿真得到的高峰小时流量比随着吞吐量的增加而减少，而通过不均匀系数法计算得到的高峰小时流量比为常值。这表明随着港区规模增大，交通量在一天中的集中程度降低。然而，利用静态数学推算的方式来计算，交通小时流量比为常数，货运交通集中程度与吞吐量关系不大。图6反映了高峰小时系数随港区规模的变化趋势。仿真得到的高峰小时系数随着吞吐量的增加而增加，而通过不均匀系数法计算只能估算小时交通量，很难计算 15分钟交通量，因而得不到高峰小时系数。对不同港区规模下港区货运高峰小时系数的仿真数据点进行曲线拟合，得出拟合度较好的几种函数关系，考虑高峰小时系数值存在上限，故选取Logistic增长函数描述吞吐量（单位：106TEU）与高峰小时流量比之间的关系。分布关系式如式（1）所示，相关参数见表1。  表4 高峰小时系数拟合曲线相关参数  akxc拟合优度R20.9260.777 -2.1080.992 分析产生以上结果的原因，主要是集装箱港区货运交通的随机特性使得其集疏运的高峰小时并不在一天中的固定时段出现。随着吞吐量的增加，与之对应的货运交通量增大，交通错峰现象更加频繁，高峰小时交通量在全天交通量中的占比越来越小。在高峰小时内，交通量的分布也趋于均匀。 4 结 论集疏港道路货运交通量随机时变特性与港区规模有很大关系。本文利用高峰小时流量比和高峰小时系数讨论货运交通随机时变特性，建立集装箱港区集疏港货运仿真模型，探讨了其随着港区规模变化的规律。 通过仿真研究，得出高峰小时流量比随着吞吐量增大而减小，集装箱港区货运高峰小时系数随泊位数的增大而增大。这表明随着吞吐量的增加，货运交通的集中程度会减小。 利用本文所得规律，可以计算不同吞吐量情况下，集装箱港区货运交通的高峰小时交通量，为港区集疏港交通量预测和集疏运道路规划建设提供参考。 参考文献： [1] 俞晓晶.国际航运中心的集疏运体系[J].水运管理,2009,(07)：11-14. [2] 唐颖,谭世琴.港口集装箱集疏运系统现状与分析[J].物流工程与管理,2009,31(03)：34-35. [3] 叶培坚.对上海港集装箱集疏运系统的研究与探讨[J].物流科技,2009,(12)：85-87. [4] 丁文涛.基于船舶到港规律的集装箱港区货运交通需求预测方法[D].大连：大连理工大学,2011. [5] Yang Z Z ,Chen G,Moodie D R.Modeling Road Traffic Demand of Container Consolidation in a Chinese Port Terminal[J].Journal of Transportation Engineering,2010,136(10)：881-886. [6] 董洁霜.港口集疏运系统优化模型[J].上海理工大学学报,2007,29(05)：453-456. [7] 陈丽芬,王蕊,谢新连.基于网络配流的环渤海集装箱运输方式[J].上海海事大学学报,2010,31(02)：66-69. [8] 董岗.外部成本下成都—洋山港区集装箱集疏运体系的均衡研究[J].上海海事大学学报,2011,32(03)：38-42. [9] Chen G,Yang Z Z,Kannan G.Managing truck arrivals with time windows to alleviate gate congestion at container terminals[J].International Journal of Production Economics,2013,141(1)：179-188. [10] 江建宇.共享腹地港口群集疏运系统智能体仿真研究[D].广州：华南理工大学,2014. [11] 董毅.日照港疏港公路项目交通量预测[D].天津：天津大学,2010. [12] 王晓坤,陆化普.集装箱深水港交通需求预测方法研究[J].中南公路工程,2005,30(04)：124-128. [13] 王苗苗.港口集疏运系统道路网规划研究[D].西安：长安大学,2014. [14] 黄毅.集装箱码头陆域道路交通优化方案研究[D].大连：大连海事大学,2013. [15] 王炜.交通工程学：2版[M].南京：东南大学出版社,2011. 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Simulation Research on Freightage Changing Randomly with Time in Container Harbor Guo Zijian,Fang Zexing,Wang Wenyuan,Zhou Yong Abstract:In order to properly analyze the freight volume that changes randomly with time in the process of predicting the traffic demand for container terminal and planning the port transportation system,a model is built to simulate the operation of container harbor by using computer simulating techniques and fully taking main factors affecting port transportation into account on the basis of waterborne and landside operation of container harbor.Peak-hour traffic volume and peak-hour factor are used to study the random time-varying property of container freightage.Plenty of simulation experiments lead to the characteristic of freight changing randomly with time under different scales of container terminal.The research results will provide a reference for the planning of container freightage. Key words:transportation; peak-hour traffic volume; peak-hour factor; port simulation; harbor 中图分类号：U169.62 文献标志码：A 文章编号：1004-9592（2017）05-0011-05 DOI：10.16403/j.cnki.ggjs20170503 收稿日期：2016-02-25 基金项目：国家自然科学基金项目——沿海大型枢纽港陆路集疏运多通道空间尺度随机动态规划研究（51309049） 作者简介：郭子坚（1965-），男，博士，教授，主要从事港口规划与港口物流方向研究。 |
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