厂区道路交通流量仿真研究
2010年第4期分析与研究
宝钢技术35
厂区道路交通流量仿真研究
吉同祥
(宝山钢铁股份有限公司,上海
201900)
摘要:宝钢股份本部随着生产规模的逐步扩大,将成为全球惟一单一工厂年产钢1800万t的钢铁联合企业,厂区机动车交通流量也随之增加。为检验现有的交通路网能否满足未来生产规划需求,需应用交通仿真手段对厂区道路交通进行预测。通过历史数据的挖掘,建立工序产量、单元之间物流量以及交通流量之间的拟合关系,根据公司规划期内的工序规划产量,预测各生产区域之间的物流量以及道路交通流量,再将交通流量分配到相应的道路中进行仿真运行,并统计各个道路区段、交通路口、路径以及路网负荷状况,通过与路网服务能力评价标准进行对比,确认规划期内厂区道路交通服务水平。
关键词:产量运量模型;交通流量;交通仿真
中图分类号:U16文献标志码:B文章编号:1008-0716(2010)04-0035-06
do:i10.3969/.jissn.1008-0716.2010.04.009
SimulationResearchontheTrafficFlowinBaosteelPlantArea
JITongxiang
(BaoshanIron&SteelCo.,Ltd.,Shanghai201900,China)
Abstract:Withthegrowingoftheproductionscale,theheadquarterplantofBaosteelwillbetheonlysinglesteelconglomeratecompanywithanannualcapacityof18milliontonsofstee.lBecauseofthis,
itsmotorvehicletrafficflowalsoincreases.Toverifywhethertheexistingroad
trafficcansatisfythedemandoftheproductionplanningorno,tthereisaneedtoforecastthetraffic
flowinthefutureplantareabymeansofsimulation.Throughminingthehistoricaldata,establishingtheprocessyieldandfittingtherelationshipbetweenvolumeoflogisticsandtrafficflowofeachuni,tthevolumeoflogisticsandthetrafficflowbetweeneachproductionzonecanbepredictedaccordingtothecompany.splannedoutputduringtheplanningperiod.Afterforecastingthevolumeoflogisticsandtrafficflowbetweenvariousunits,thetrafficflowwasassignedtocorrespondingroadstoconductthesimulativerunning.Theloadingsituationateachroadsection,crossroadandnetworkcanbeaddedupandcomparedwiththenetworkserviceabilityevaluationcriterionsoastoconfirmroadtrafficservicelevelintheplanningperiod.
Keywords:productionandtransportationmode;ltrafficflow;trafficsimulation
0前言
随着新一轮战略规划发展,宝钢股份本部将达到全球惟一单一工厂年产钢1800万t规模。
钢产量增加,势必导致道路交通流量增长,现有道
路网能否满足新一轮战略规划的要求,需要进行科学测定。运输部作为公司道路交通主管部门,组织实施了/宝钢股份本部厂区道路交通流量预测及仿真系统0的研究,对公司规划期内的全厂道路交通进行仿真预测,建立交通路网的负荷评价标准,对规划期内道路交通运行状况进行客观真实的评价,并对局部区域道路交通的改善提供
吉同祥总经理助理1957年生
电话
2002年毕业于蒙东那大学26648787
现从事管理工作E2mail
36宝钢决策依据。
1厂区道路交通仿真研究思路
(1)将道路交通运输的车辆分为生产性车辆以及非生产性车辆。对于生产性车辆对交通的影响,通过历史数据的采集分析和挖掘,拟合总体产能与各生产单位产量之间的关系,并建立各工序产量与物流量的关系预测模型;对于非生产性车辆,按照性质分为通勤车、私家车、业务用车等,依据公司进厂证发放额度进行分析,拟合非生产性车辆与人员分布的相关性模型。
(2)按照货物发生量、吸引量将全厂划分为若干小区,小区之间通过路网进行衔接,对全厂路网信息进行数字化处理作为交通仿真的基础数据。路网信息包括生产单位以及道路布局,道路长度、宽度、车道数、信号配时等。
(3)根据公司规划期内的工序规划产量预测小区之间的物流量以及道路交通流量,再将交通流量分配到相应的道路中进行仿真运行,并统计各个道路区段、交通路口、路径以及路网负荷状况,通过与路网服务能力评价标准进行对比,从而确认规划期内厂区道路交通服务水平。
2厂区道路交通仿真研究方案
厂区道路交通仿真系统主要构成要素包括基础数据、仿真模型开发、模型运行数据等内容。道
路交通仿真系统方案见图1。2.1厂区道路路网基本状况2.1.1基础数据调研
建立基础数据库,包括单元划分与编号、道路通行能力、交叉口信号控制方案、车辆类型划分、托运号的发车时间与车辆类型、托运号的物流量等几个方面,根据基础数据建立用户界面开发方案所需要的模型及仿真模型所需要的基础信息。根据基础数据分析并建立/钢产量)工序产量)交通量0关系模型,设计所需要的数据流、建立与仿真模型开发的接口。
结合厂区总图设计及实际,详细采集调研道路长度、道路宽度、车道数量,总图无法识别的路网信息进行实地测量,掌握准确的道路信息;对交叉口的渠化情况、入口车道数量、信号灯配时情况进行调研;对主要的生产厂和重点交叉口进行现场调查和拍照,
以绘制三维底图。
技术2010年第4期
图1道路交通仿真系统方案
Fig.1Aschemefortheroadtrafficsimulationsystem
2.1.2基础数据分析与处理
通过对历史数据的充分调研,对主要的数据
进行处理,包括:单元小区生产数据处理、各单位运量处理、车辆运行路径处理。
(1)生产单元数据的处理。主要是指拟合各生产单位的产能和规划量之间的关系。由于数据量比较大,且类型比较多,首先采用数据库技术将数据进行清理,选择有效的数据。对于清理后的数据,采用Stat统计分析软件进行分析,分别采用线性拟合、多元曲线拟合等方法进行拟合。对比了数据形态后,在产能模拟数据中采用基于秩次的非参数检验计算相关性,进行线性相关与直线回归拟合。
(2)各单位运量数据处理。单元数据包括自有车辆运输记录、外单位车辆的运输记录。在完成数据清理之后,数据采用数据库技术进行统计和分类。将运量按划分单元(69个单元),运输货物类型(129种货物类型名称),运输类型(厂内分送、内驳以及异常物流),车辆类型,班次时间等进行分类统计和筛选。对每个类型分别进行统计和分布拟合,拟合单元运量、货物类型、车辆运量等物流量与各单元的产量之间的关系,以及各班次的通行比例。数据拟合主要采用线性拟合、多
吉同祥厂区道路交通流量仿真研究37
元曲线拟合,并进行对比,经过对比采用线性相关与直线回归拟合。
(3)车辆运行路径处理。车辆运行路径主要指自有生产车辆的指定运输路径、外单位车辆的指定运输路径及通勤班车行驶路径。宝钢生产车辆的指定运输路径主要由于/车辆运输基准库0、/作业指导书)))行驶路线0。外单位车辆指定运输路径、通勤班车行驶路径主要由各单位提供。同时,原始数据的路径包括生产单位、分厂内部道路、主干道路。由于项目主要研究对象为主干道路的交通负荷,需要在不影响分析对象准确性的情况下,对分厂(小区)内部道路部分进行简化。
基于以上数据处理的问题,首先根据单元分类和路网,建立一个数据结构,然后将数据通过程序设置进行格式化处理,然后进行路径梳理和道路分配,共完成1552条路径的梳理和确认(包括宝钢运输车辆、外单位车辆、通勤班车等)。2.2道路交通仿真模型的开发
仿真模型开发的任务是利用仿真开发平台按照交通实际需要建立路网并能运行,包括道路网模型建立、磅站设置、铁路道口、汽车运输托运号建立、起终点布设、检测器布设等内容;仿真模型开发方案另一项重要任务是制定与用户界面开发
方案相衔接的输入、输出接口,以便于用户界面模型可以修改仿真模型的底层文件,读取仿真模型生成的结果文件。仿真建模中的核心模型包括:
单元产量与运量的关系模型、各类型车辆的发车频次(随机发车模型)、车辆行驶特性的拟合、道路通行能力与交叉延误计算以及道路服务水平(标准)的建立等。2.2.1单元产量与运量关系模型
根据公司产能规划,分析各生产单元(分厂)的产能和运量的关系。对于某一特定单位,运量与产量存在递增关系。在某一单位正常生产情况下,生产所需物料和产成品比例相对稳定,对于特定的货物,产量与运量存在线性递增关系。对运输记录(来源于/运管机0导出数据)分别采用线性、对数、多项式、乘幂、指数、移动平均等多种方法进行分析。通过统计结果的拟合度分析,并结合生产的总体质量守恒特性,发现线性拟合尽管最简单,却最符合产量与运量的关系,因此,采用线性相关与直线回归的方法对产量)运量关系进行拟合。
对各单元的模拟产量,通过产量)运量关系模拟,分配各流向的运量。运量分配原理如图2
所示。
图2运量分配原理
Fig.2Trafficvolumedistributionprinciple
2.2.2随机发车模型
考虑到交通仿真的关键在于对高峰时段的预测和评价,而交通的高峰时段又是车辆的随机运行通过某一特定路段和路口的叠加,因此,对车辆运行的发车频次进行模拟十分重要。对于某班次的货物运输,实际发车间隔并不均匀,而是一个随机间隔的发车模型。通过对生产车辆、通勤班车、非生产汽车的发车特性进行拟合和分析发现,厂区不同类型车辆的发车频次基本服从正态分布、
指数分布、韦布尔分布状态。
正态分布:生产车辆的发车,由于存在调度分配的平衡基本满足正态分布。
指数分布:表示独立随机事件发生的时间间隔,是惟一不具记忆性的分布函数,符合非生产汽车(主要是进厂小汽车)的特性。
韦布尔分布:主要应用于设备可靠性,其特性与通勤班车指定发车(进厂)时间类型相符。
随机变量的分布分为连续分布和离散分布,
38宝钢随机发车模型符合离散分布模型。所有离散分布都可以通过反变换技术产生,即将随机分布转换为(0,1)均匀分布。
(1)计算平均发车间隔。
若仿真时间段开始时间为a时刻,结束时间为b时刻,对应车辆类型,时间段的高峰小时系数对应时间段为a1~b1;a2~b2;,;an~bn。其中a落在a1~b1中,b落在an~bn中,对应时间段的高峰小时系数分别为c1,c2,,cn。
若(a,b)时间段为早班(或中班、晚班)范围内,则ai~bi的平均车次为:
Ni=ci#早班车次/(8@3600)
(1)
若(a,b)跨时间段,假设a落在早班范围内,b落在中班范围内,其中ai~bi在早班,ai+1~bi+1
在中班。则读取早班车次N1,读取中班车次N2,则ai~bi的平均车次为:
Ni=ci#早班车次/(8@3600)(2)aj~bj的平均车次为(j>i):Ni=cj#中班车次/(8@3600)
(3)
(2)计算发车时间点
对于各时间段a1~b1,a2~b2,,an~bn,平均车次为Ni。
若车辆出行特征符合正态分布,分布参数为Ri(正态分布的分布参数为方差,这里的Ri为方差和均值的比值),则由随机数生成函数计算的发车间隔为:
t=R0.5
iNi(-2lnX1)cos2PX2+Ni
(4)
其中X1和X2是[0,1]的随机分布。当6t>bi时,Ni取Ni+1。
若车辆出行特征符合指数分布,由随机数生成函数计算的发车间隔为:
t=Nilog1eX
(5)其中X是[0,1]的随机分布。
若车辆出行特征符合韦布尔分布,分布参数为Bi(韦布尔分布的参数为形状参数,当参数为正整数时,可采用反函数法生成随机数),由随机数生成函数计算的发车间隔为:
t=NBi
i(Blog1X
(6)
i-1)!
e
因此,各路径对应的发车时间点为:0,t1,t1+
t2,t1+t2+t3,,,直到6t\b。2.3厂区车辆行驶特性的拟合及确定
车辆运行参数的设定主要包括:行驶速度分布/加减速特性等,添加适合仿真对象的车种/车
技术2010年第4期
型等,跟车模型参数标定(不同道路)。不同车辆的加减速性能与动力不同,根据车辆的运行参数,制定了车辆运行的特征,包括:最大加速度、期望加速度、最大减速度、期望减速度、重量(含载重)、车辆长度及车辆宽度。通过录像跟踪记录车辆通过某一厂区主干道的速度特性,得到的速度拟合曲线及加速度特征拟合曲线建立模型并修
正模型,得到厂区车辆平均加速度为1.5m/s2
,平均减速度为1.5~2.5m/s2
。
交通仿真系统模型主要研究在不同交通状况下的驾驶员驾驶行为,仿真平台包含一个交通仿真器,交通仿真器集合了仿真控制器、跟车模型、交叉路口冲突模型等模型。
(1)交通仿真控制器。仿真平台内部由两部分组成,它们之间通过接口交换检测器数据和信号状态信息。仿真平台既可以在线生成可视化的交通运行状况,也可以离线输出各种统计数据,如:行程时间、排队长度等。
(2)跟车模型。该模型的基本思路是:一旦后车驾驶员认为他与前车之间的距离小于其心理(安全)距离,后车驾驶员就开始减速。由于后车驾驶员无法准确判断前车车速,后车车速会在一段时间内低于前车车速,直到前后车间的距离达到另一个心理(安全)距离时,后车驾驶员开始缓慢加速,由此周而复始,形成一个加速、减速的迭代过程。在多车道路段上,仿真平台允许驾驶员不仅考虑本车道前面的车辆(默认为2辆),也可以考虑两边邻近车道的车辆。
安全距离模型也称防追尾模型(跟车模型),该模型最基本的关系是寻找一个特定的跟车距离(通过经典牛顿运动定理推导)。如果前车司机做了一个后车司机意想不到的动作,在后车与前车之间的跟车距离小于这个特定的跟车距离时,就采取刹车措施:
$x2
2
(t-T)=Avn-1(t-T)
+B1vn(t)+B
vn(t)+b0(7)
式中,$x为两车安全距离;vn为第n辆车速度;A,
B1,B,b0都是系数;t为某时刻;T为驾驶员反应时间。
标定模型的数据依据现场测试获得,观测路段长约200m,车辆平均速度小于45km/h,总共测了22个来回。以0.125s作为一个统计间隔,总共分析了310s的数据。分析结果表明,当相关系数为0.75时,得到下面的参数:
吉同祥
$x(t-0.5)2
厂区道路交通流量仿真研究
Np=3600/ti
(8)
39(9)
=0.0028[-vn-
2
1(t-T)
+
v.585vn(t)+4.1n(t)]+0
式中,Np为一条机动车车道的路段可能通行能力,pcu/h;ti为连续车流平均车头间隔时间,s/pcu。
考虑到宝钢厂区的特点,厂区道路车辆限速。通过对厂区34条主干路段连续车流平均车头间隔时间的跟踪记录,可计算出相应路段的双向通行能力。2.4.2交叉延误计算
厂区道路仿真中在交叉口设置信号灯,当车辆到达交叉口时,造成交叉口车辆排队。车辆在交叉口处延误时间过长,使生产车辆的运输效率下降。仿真中选择停车延误和排队长度作为对宝钢厂区道路交叉口的评价指标之一。
2.5厂区道路服务水平的建立
道路服务水平是指道路最大服务交通量(V)/道路基本通行能力(C),一般用V/C表示。考虑宝钢厂区的道路不同于公路,与城市道路也有很大的区别,又有铁路与大型特种车辆的影响,为保证生产的顺利进行,厂区道路必须保持较高的服务水平等级。
建议厂区服务水平对应指标标准见表1。
这个模型可以用一些对司机行为一般感性
假设来标定模型。大多数情况只需知道司机将采用的最大制动减速度,就能满足整个模型的需要。
(3)交叉口冲突模型。交通仿真模块使用优先规则指定冲突车流的通行权。它应用在不同路段/连接器上的车辆必须互相观望的所有情况。在同一路段/连接器上的车辆自动互相观望,即使路段有多条车道。一个优先规则包括:一条停车线(红线)、一个或多个与该停车线关联的冲突标志。根据冲突标志处的当前路况,由停车线控制车辆通过与否。2.4厂区道路通行能力与交叉延误计算2.4.1道路基本通行能力计算
路段通行能力分为可能通行能力与设计通行能力。
在城市一般道路与一般交通的条件下,并在不受平面交叉口影响时,一条机动车车道的可能通行能力按下式计算:
表1厂区道路的服务水平标准
Table1
服务水平等级
一二三四五
交通流描述自由流稳定流饱和流强制流拥堵流
Roadservicelevelcriterionintheplantarea
延误率/%
[30[50[80
速度/(km#h-\35\25\15\10
1
)V/C0.150.400.641.00>1
最大服务交通量/(pcu#h-[1**********]
1
ln-
1
)
考虑宝钢厂区交叉口与大型车、铁路的影响及
生产需求,取最大服务交通量为240pcu/(h#ln),服务水平标准取/二级0。
路沿线交叉口、经五路)纬五路,如图3所示。图中道路服务水平分级:蓝色为一级、绿色为二级;交叉口服务水平分级:A级,绿色;B级,黄绿色;C级,黄色;D级,橙色。
3.2年产1800万t交通高峰仿真分析
对比1600万t/a的道路交通情况,1800万t/a规模下,部分路段与交叉口出现流量增长。除前述路段情况外,经四路(纬二西路)纬三路)的饱和度增大,服务水平降低,出现了三级的情况。交叉口除1600万t服务水平较低的情况外,纬十一路部分交叉口、四号门的服务水平有所降低,达到C级。路段与交叉口服务水平如图4所示。
3厂区交通仿真运行结果
3.1年产1600万t交通高峰仿真分析
年产1600万t规模下,道路饱和度较大的路段主要出现在经四路、纬五路(经四路以东路
段)、经十四路、纬十一路(经十四路)经四路、经十六路)经六路)、经五路(纬四路)纬五路),服务水平为二级,其余路段为一级,从车辆运行情况来看,运行较好。交叉口服务水平较高的为经四
40宝钢技术2010年第4
期
从仿真软件运行效果来看,钢产量规模从1600万t/a增加到1800万t/a,宝钢厂区道路运输高峰时段,总运行车辆数增加30辆、总运行距离增加260km;总延误时间增加了6h,系统基本能满足物流运输的要求。当然,尽管厂区道路能够满足运量要求,但为保障总体服务水平不降低,实现货运顺畅、降低成本的目标,高峰时段仍需要对部分道路或节点进行改善。
史数据,通过实际数据的迭代对模型进行验证,对
预测出服务水平较高的路口和路段进行实地跟踪记录,发现仿真预测结果与实际情况相似性较高,证明模型的预测精度满足交通管理要求。仿真结果表明,当公司产量规模达到1800万t/a时,高峰时段部分厂区道路的服务水平达到较高的等级。当然可以通过管理手段(如修改信号灯的配时、改变部分车辆的行驶路径以及控制部分生产车辆的发车频次和时机等)对部分服务水平较高的路段进行优化,但这种改善的效果相对有限。从保证公司生产物流顺畅的角度出发,严格控制厂区非生产性车辆进厂仍显得十分重要。
(收稿日期:2010-05-21)
5结语
厂区道路交通仿真开发是一项复杂的系统工程,任何一个环节的模型/失拟0都将导致最终仿真结果的/失真0。为了精确再现和预测厂区路网的实际交通状况,项目团队认真调研每一项历