厂区道路交通流量仿真研究.pdf

2010年第 4期宝钢技术 分析与研究 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 1 800万 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:i 10. 3969/ . j issn . 1008- 0716 . 2010 . 04 . 009 si mulation research on the traffic f low in baosteel p lant area ji tongxiang (baoshan iron ltraffic flo w;traffic si mulation 吉同祥总经理助理5 年生年毕业于蒙东那大学 现从事管理工作电话66 j x 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 1 800万 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 35 19 72002 248787 e2 mailitbaostee. l co m 宝钢技术2010年第 4期 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。 图 1 道路交通仿真系统方案 fig . 1a scheme for the road traffic si mulation syste m 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 36 吉同祥厂区道路交通流量仿真研究 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 1 552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 . 2t raffic volume distribution principle 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, 37 宝钢技术2010年第 4期 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 3 600)(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 3 600)( 2) aj bj的平均车次为 (j i): ni= cj# 中班车次 /( 8 3 600)(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 = rini(- 2ln x1) 0. 5 cos2px2+ ni(4) 其中 x1和 x2是 0 , 1的随机分布。 当 6 t 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 = nilog1 ex (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 = ni (bi-1)! log1 ex bi (6) 因此, 各路径对应的发车时间点为: 0 , t1, t1+ t2, t1+ t2+ t3, , , 直到 6 t 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 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 /s 2, 平 均减速度为 1 . 5 2 . 5m /s 2。 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: $x(t- t)= av 2 n- 1( t-t )+ b1v 2 n( 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 45 km /h , 总共 测了 22个来回。以 0 . 125 s作为一个统计间隔, 总共分析了 3的数据。分析结果表明, 当相 关系数为5时, 得到下面的参数 38 : / 10 s 0 . 7: 吉同祥厂区道路交通流量仿真研究 $x(t- 0. 5)= 0 . 002 8- v 2 n- 1 (t- t )+ v 2 n( t) + 0 . 585vn( t)+ 4 . 1(8) 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: np= 3 600/ti(9) 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 。 表 1厂区道路的服务水平标准 table 1road service levelcriterion in the plant area 服务水平等级交通流描述延误率 /%速度 /( k m# h- 1)v/c 最大服务交通量 / (pcu# h- 1ln- 1) 一自由流30350 . 1590 二稳定流50250 . 40240 三饱和流80150 . 64384 四强制流 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 240 pcu/(h# ln), 服务水平标准取 /二级0。 3厂区交通仿真运行结果 3 . 1 年产 1 600万 t交通高峰仿真分析 年产 1 600万 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 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