第３７卷 第２期 计算机工程 ２０ｌ １年１月 Ｖ０Ｊ．３７ ＮＯ．２ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｊａｎｕａｒｙ ２０１ １ ・博士论文・ 文章编号：１００ｏ＿＿３４２８（２叭１）０２—０Ｏ１３—０３ 文献标识码ｌ Ａ 中图分类号：ＴＰ３９１．９ 集装箱码头堆场的道路规划仿真研究 秦天保 （上海海事大学交通运输学院，上海２（１０ １ ３５） 摘要：利用Ｆｌｅｘｓｉｍ仿真软件建立规划中的中国某大型集装箱码头堆场３Ｄ虚拟现实仿真模型，结合道路通行能力理论，辅助该码头堆 场的道路规划，确定合理的主干道路宽度。给出模型的体系结构、组成和流程。通过仿真实验，获取高峰期主干道路交通流量数据，与道 路通行能力进行比对，判断道路设计的合理性并提出改进建议。 关健词：道路规划；集装箱码头；仿真；虚拟现实 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ０ｎ Ｒｏａｄ Ｐｌａｎｎｉｎｇ ０ｆ Ｃｏｎｔａｉｎｅｒ Ｔｅｒｍｉｎａｌ Ｙａｒｄ ＱＩＮ Ｔｉａｎ－ｂａｏ ｆＣｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ＆Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｍａｒｉｔｉｍｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００１ ３５，Ｃｈｉｎａ） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｌｅｘｓｉｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ，ａ ３Ｄ ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａ ｌａｒｇｅ ｃｏｎｔａｉｎｅｒ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｙａｒｄ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ｉｓ ｃｒｅａｔｅｄ ｔｏ ａｓｓｉｓｔ ｉｔｓ ｒｏａｄ ｐｌａｎｎｉｎｇ．Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｏａｄ ｃａｐａｃｉｔｙ ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｗｉｄｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏａｄ ｉｎ ｔｈｅ ｙａｒｄ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ Ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ ｐｅａｋ ｔｒａｆｆｉｃ ｆｌｏｗ ｄａｔａ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｄａｔａ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｏａｄ ｔｒａｆｆｉｃ ｃａｐａｃｉｔｙ，ｉｔ ｃａｎ ｊｕｄｇｅ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏａｄ ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ ｍａｋｅ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ｒｏａｄ ｐｌａｎｎｉｎｇ；ｃｏｎｔａｉｎｅｒ ｔｅｒｎｆｉｎａｌ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ ＤＯＩ：１０ ３９６９￣．ｉｓｓｎ．１０００—３４２８．２０１ １．０２．００５ １概述 规划。采用的仿真软件平台是纯３Ｄ的虚拟现实仿真软件 集装箱码头仿真研究的问题可以分为战略层、战术层、 Ｆｌｅｘｓｉｍ。 运营层３个层面。其中，对运营层面和战术层面的研究较多， 该规划中的集装箱码头堆场平面布局示意图如图１所 如文献［１］针对内缩式泊位分配问题建立整数规划模型，用遗 示。可以看出，该码头堆场设计了２条主干道，即纬一路和 传算法求解，并通过仿真进行验证。文献［２】将离散泊位分配 纬二路，这２条干道的交通流量是最大的，因此，是规划的 问题抽象为不相关并行机动态调度问题，开发拉格朗日启发 重点。按照初始设计规范，初步设计如下：纬一路双向６车 式算法进行求解，并通过仿真验证。文献【３】针对岸桥调度问 道，每车道宽４ ｍ，其中，海侧为东向西的４车道，陆侧为 题开发了禁忌搜索算法。 西向东的２车道。纬二路为双向８车道，每个方向４车道， 战略层面的问题包括码头布局、资源配备等对码头运营 每车道宽４ｍ，中间有１ ｍ的中央隔离带。 具有长期影响的问题。战略层面的问题研究文献不如运营层 面多，文献［４】通过仿真研究自动导引车系统、线性马达输送 系统、高架梁轨道系统、自动存取系统四类自动化集装箱码 头工艺系统的优劣。文献［５］应用仿真优化方法研究集装箱码 头前沿布局中泊位数、岸桥及集卡配备数量等因素对作业过 程及码头通过能力影响。文献【６】通过仿真研究集装箱堆场大 门规划问题。文献【７１通过仿真研究集装箱堆场资源配置的优 化问题。码头堆场道路规划也是一个战略层面的问题，是码 头总体规划的一个萤要组成部分。随着近年来码头集卡交通 图１某港集装箱码头堆场平面布局示意图 流量急剧增加，码头堆场的道路拥堵日益严重，加之十地成 本大幅上升，如何科学规划码头堆场道路也得到越来越多的 现在，港方想知道这个初步设计方案能否满足未来车流 重视。应用仿真研究堆场道路规划的文献并不多见，目前， 需求。为此，利用Ｆｌｅｘｓｉｍ开发针对该码头的集装箱堆场运 集装箱码头堆场道路规划主要依据交通部 海港总平面设计 作仿真系统，通过仿真研究初始设计的合理性。 规范 提出的指导意见进行设计，无法细致考查堆场内不 基金项目：上海海事大学校基金资助项目“结合微观交通仿真与离 同路段、不同交叉口处的交通流状况，规划设计比较粗放。 散事件仿真辅助集装箱堆场道路规划”（２００８４４６）；上海市重点学科 而采用计算机仿真技术，能够细致展现流量状况，从而为道 建设基金项目资助（Ｓ３０６０１） 路规划提供更多数据支持。 作者筒介：秦天保（１９７１一），男，副教授、博士，主研方向：复杂系 本文以中国某大港设计中的集装箱码头堆场道路规划为 统建模与仿真，管理信息系统 例，说明如何运用计算机仿真技术辅助集装箱码头堆场道路 收稿日期：２０１０—０６—０２ Ｅ—ｍａｉｌ：ｑｔｂｈａｐｐｙ＠１６３．ｃｏｍ ｌ４ 计算机工程 Ｎ＝３ ６００／ｈ， ２０１１年１月２Ｏ日 【１） ２系统体系结构 利用Ｆｌｅｘｓｉｍ软件开发的集装箱码头仿真系统的体系结 构如图２所示，系统由用户界面、存储系统以及模型３个部分 组成。 川ｒ１ 其中，Ｎ表示理论通行能力，单位是辆／ｈ；ｈ，表示平均最小车 头时距，单位是 。 根据在某大港的车头时距调查，得出集装箱车辆的车头 时距为４ ｓ～７ Ｓ，将其带入式（１），可得一条车道的理论通行能 力为５Ｉ４辆／ｈ～９００辆／ｈ。由于要研究最大负荷情况，因此最 ｌ（输入数槲，输出数甜）ｉ．——— ｆ终确定单车道理论通行能力采用值为９００辆／ｈ。 ３．２堆场单车道可能通行能力 计算可能通行能力是以理论通行能力为基础，考虑到实 际的道路和交通状况，确定其修正系数而得到，用公式表示为： Ⅳ Ⅳ 】Ｋ！Ｋ￣Ｋ４Ｋ （２） 图２系统体系结构 （１）用户界面 影响通行能力不同因素的修正系数为：Ｋ ：车行道宽度 用户界面由若十窗体组成，主要负责和用户交互。可进 一步分类为输入界面、输出界面和控制界面。输入界面用于 向系统输入各项输入参数，输入的参数存入系统的存储系统。 控制界面用于控制模型运行，包括启动模型、调节运行速度等。 （２）模型 模型是系统的主体，它运行后产生的输出数据也存于存 储系统中。并可以通过输出界而显示给用户。采 ３Ｄ仿真 软件Ｆｌｅｘｓｉｍ建立了该集装箱码头的模型，该模型模拟的流 程包括外卡集疏运和堆场装卸流程，内卡岸边装卸和堆场装 卸流程。其中，内卡岸边装卸和堆场装卸流程包括内 在岸 边和堆场箱区循环行驶以及在两处分别执行的装卸作业；而 外卡集疏运和堆场装卸流程如图３所示。 进闸ＩＩ处按指数分布 生成外 ｝ 场桥 ，外卜…队 州行驶剖场桥Ｆ进行装 卸操作（ 装筘，ｍ 按比例设置外仁类 卸箱），这ｉ【｝仃－－Ｊ能 匈 或最 螋干¨ＩＬＪ ｈ 川场坼 对霞外卡加载集装箱 板 定策略确定ｍ 外 选样井进入 最髓队列排队 饰 ｆｆ｝指定道 捕行靴剖该ｔ¨ 外 通过检查点柃商 ＩＩ，进入龄 艇的队列 按 定规划确定外 到箱 的目的队列ｌ场 桥处的队硎） 外卡沿指定道路行驶 剑箱 的Ｈ的ｌｆ＾列（场 桥处的队州） 图３外卡集疏运和堆场装卸流程 本文研究的集装箱码头系统的主要建模元素包括：集装 箱，集卡（外卡、内卡）， 桥，场桥，道路，闸口检查点， 队列（包括闸口处、岸桥处、场桥处的集Ｈｔ｝队队列），集装 箱船，堆场箱区等。 （３）存储系统 存储系统由Ｆｌｅｘｓｉｍ内部提供的全局表组成，片】于存放 各种输入输出数据。当然，该存储系统也可以用外部数据库 代替。 ３集装箱堆场道路通行能力 ３．１堆场单车道理论通行能力 为了计算堆场道路的通行能力，首先要算出堆场单车道 的理论通行能力。基于车头时距的港区单车道理论通行能力 计算公式如下： 和侧 净空修正系数；Ｋ２：坡道修正系数；Ｋ３：驾驶员条件 修正系数，根据驾驶员的熟练程度、遵守交通法规的程度一 般在０．９～Ｉ．００范围内取值；Ｋ４：交叉口影响修正系数。该系 数主要取决于交叉Ｉ—Ｊ控制方式及交叉口间距。当交叉口间距 较小时，交义口的停车延误在车辆行驶时间中所占的比例较 大，不利于提高道路路段通行能力及车速。其修正系数计算 方法如下： 当路口间距 ≤２００ＩＩＩ时， 取交叉口的本方向上有效通 行时间比／』。 当路口间距ｓ＞２００ｍ时， Ｋ４＝ （０ ００ ｌ ３ｓ＋Ｏ．７３） （３） ：车道数修正系数。根据国内外的研究成果，车道数 修正系数见表１。 表１车道效修正采用值 墨堕羔丝墼 ： ｉ 车道数修正系数 １ １ ８７ ２．６ ３．２ ３．７ 水文研究的集装箱堆场道路大部分没有设中央隔离带， 而且对车辆出入缺少全面控制。堆场内的道路路段较窄，交 叉口密集，且均为无信号控制交叉口，加之运行车种比较单 一，以集卡为主，所以车速较慢（主干道约为３０ ｋｍ／ｈ），因此， 应该根据堆场道路的这些特点确定修正系数。由于该堆场车 道宽度均为４米，因此取车道宽度修正系数值Ｋ ＝１。堆场 内地势、Ｆ坦，道路上行人和自行车极少，在计算通行能力时 不用考虑坡度和沿途条件的修正，所以，取Ｋ２＝ｌ。堆场内司 机的水平都比较熟练，但由于堆场道路没有信号控制，因此 他们遵守交通规则的意识比较差，所以，取Ｋｓ ０ ９０。该堆 场道路交叉口采用无信号控制方式，交叉口问距约为３００ｍ。 并且纬一路和纬二路都是港区主干道，受与之相交道路的干 扰较小，故∥取（）．８。所以： Ｋ４＝ｒｉｃｏ Ｏ０Ｉ ３ｓ＋Ｏ ７３）： ０．８ｘ（Ｏ Ｏ０ Ｉ ３ｘ３００＋０ ７３）＝０ ８９６ （４） 将以上修正系数带入式（２）即可求得一条车道的可能通 行能力约为７２０辆／ｈ（注：这里 取１）。 ３．３堆场多车道可能通行能力 本文只分析纬一路，该道路基本没有交叉１３，因此，只 需考虑路段的通行能力。而纬二路主要受到交叉口通行能力 的约束，会在另文探讨。纬一・路设计６车道，其中东向西 ４车道，两向东２车道，设计速度都是３０ ｋｍ／ｈ。东向西道路 的可能通行能力用单车道可能通行能力７２０辆，ｈ，乘以车道 数修正系数Ｋ －３．２（查表１），得到东向西４车道路段的可能通 行能力约２ ３００辆／ｈ。 两向东２车道比较特殊，它是紧邻箱区的。当箱区海侧 有集卡装卸作业时，会占用一条车道，因此要Ⅸ分箱区海侧 第３７卷第２期 秦天保：集装箱码头堆场的道路规划仿真研究 １５ 是否有作业分别计算其通行能力。 当箱区海侧有作业时，此时比单车道通行能力大，但比 ２车道通行能力小，故通行能力取７５０辆／ｈ。 当箱区海侧无作业时，除考虑一般车道折减外（车道数修 正系数Ｋｓ＝１．８７），还要考虑由于靠近箱区，内侧净空小，受 干扰大，进一步降低通行能力，因此取１ ２００辆／ｈ。 ４仿真方案设计 仿真研究的目的是通过对高峰期纬一路交通流量最大的 路段进行交通流仿真，得出其交通流数据，然后与纬一路可 能通行能力进行比较，确定共在高峰期的道路服务水平，判 断纬一路目前的道路设计方案是否能够满足高峰期车流需求。 纬一路车流主要由内卡形成，本文只模拟装船作业过程， 因为集卡装船时在出口箱区提箱，而出口箱区最靠近纬一路， 这样集卡能够在纬一路形成最大车流负荷，符合仿真目的的 要求（即研究最大车流负荷下现在的道路设计方案是否能够 承受）。系统的输入参数通过输入界面输入到存储系统中。其 中，仿真时间长度：１ ８ ０００ Ｓ，即５ ｈ，其中，第１小时作为 预热期，属低峰时段，其进闸口集卡到达率设为高峰时段的 ２／３，后４ ｈ是高峰时段，也是数据收集期。仿真运行次数： ｌ０次。重车空车比例：重车占５０％，空车占５０％（其中，拉 重箱占５３％，拉空箱占４７％）。高峰时段进闸口集卡到达率： ３ ４００辆／ｈ，到达时间间隔服从指数分布，其均值根据到达率 计算得出，为１．Ｏ６ ｓ（以上数据是向港方调查确定的）。 其他主要参数包括：进闸口各类车单车检查时间（随机）， 出闸口单车检查时问（随机），堆场轨道吊场桥装卸效率（随 机），集卡在堆场内各条道路的行驶速度，岸桥装卸效率等。 这些数据具体取值不再给出。 设计３个实验方案如下： （１）实验方案１：单泊位车流方案ｆ９台岸桥）即正常靠泊方 案，在此情形下，各泊位集卡都在该泊位后面正对的箱区作 业，所以不会在纬一路上形成多个泊位车流重叠的情况。一 个路段仅有一个泊位的车流。本文选取最长的泊位所对应的 路段作为研究对象，因为其车流负荷最大。为该泊位分配 ９台岸桥。 （２）实验方案２：双泊位车流方案（１５台岸桥）。本方案考 查２个泊位车流通过同一路段时的车流负荷。选取泊位２和 泊位３的车流重合的情形进行仿真，因为这２个泊位最大。 为泊位３分配９台岸桥，为泊位２分配６台岸桥。 （３）实验方案３：三泊位车流方案（２１台岸桥）。本方案考 查３个泊位车流通过同一路段的车流负荷。选取泊位２，３，４ 的车流重合的情形进行仿真。为泊位３分配９台岸桥，为泊 位２、泊位４各分配６台岸桥。 ５仿真结果分析与改进建议 ５．１仿真结果分析 每个方案运行１０次仿真，得出纬一路由东向西方向 ４车道的流量、饱和度以及服务水平，见表２。 表２纬一路东向西方向流量和饱和度仿真计算结果 表２中的饱和度是由流量除以道路可能通行能力（第４节算得 为２ ３００辆／ｈ）得出。道路服务水平和饱和度的关系见表３。设计 方案应使道路服务水平在３级及以下，尽量避免４级服务水平。 表３饱和度和道路服务水平的关系 饱和度 道路服务水平 ＜０ ４ 服务水平为ｌ级 ０ ４￣０ ６ 服务水平为２级 ０ ６￣０ ８ 服务水平为３级 ＞Ｏ ８ 服务水平为４级 由表２可以看出，纬一路在３种方案情况下由东向西流 量分别为３２５辆，ｈ、５４ｌ辆／ｈ和７５９辆／ｈ，在３种方案情况 下由东向西方向的饱和度分别为０．１４、０．２４和Ｏ．３３，这说明 与道路可能通行能力相比，该方向的道路交通流量很小，该 路段道路服务水平为一级，交通流十分顺畅，不会出现道路 拥挤情况。 纬一路由西向东方向２车道的流量和通行能力饱和度 见表４。 表４纬一路西向东方向流量和饱和度仿真计算结果 从表４可以看出，纬一路西向东２车道在３种方案情况 下由西向东流量分别为３２５辆／ｈ、５４１辆／ｈ和７５９辆／ｈ。而 饱和度则根据该２车道紧邻箱区的海侧是否作业分为两种情 况。当海侧无作业时，西向东的饱和度分别为０．２７、０．４５和 Ｏ．６３，这表明３种方案情况下，道路服务水平分别为１级、 ２级和３级，不会出现道路拥挤情况。 当海侧有卡车作业时，其通行能力饱和度在３种方案下 分别为Ｏ．４３３、０．７２１和１．０１１。这表明方案１情况下，道路服 务水平处于２级，交通流通畅。在方案２下，道路服务水平 处于３级，即交通流基本顺畅，也不会出现道路拥挤情况。 而对于方案３，即三泊位车流方案，服务水平为４级，其流 量已经超过其通行能力，道路将发生严重拥挤，将会给堆场 运营带来较大的不良影响，这需要密切关注和尽量避免。 ５．２动脉改进建议 通过上面对纬一路２个方向的车流分析，可以看出，东 向西方向的４车道在３种实验方案下服务水平都为１级，交 通流十分顺畅，不会出现道路拥挤情况。而纬一路由西向东 的２车道在某些情况下会发生车流量超过其通行能力的现 象。为了防止发生拥挤，建议如Ｆ： （１）高峰时，尽量避免在该２车道上进行装卸作业（当然， 这不太现实）。 （２）当多个泊位的车流经过西向东２车道的同一路段时， 可以分流一部分到箱区内部，让卡车从内部水平通道过。 （３）将纬一路由原来的东向西四车道和西向东２车道变为 两个方向均为三车道（双向仍为六车道）。改变后的２个方向 的道路流量和饱和度见表５。 表５双向均变为三车道后的纬一路道路饱和度 （下转第１９页） 第３７卷第２期 石弦松，秦志光：敌手信道模型中的安全消息传输 １９ 率可靠的（即Ｂｏｂ恢复消息失败的概率为 ＞０）；另一方面， 无噪音信道模型Ｆ的协议都可以是完善保密【￡＝０）的，而本 文设计的敌手信道模型下的协议具有￡＞０。当设定￡、 为 应用中可以接受的常数时，可得表中的计算和通信复杂度。 加了一小部分开销。 需要指出的是，本文提出的模型仍离实际应用有段距离， 但相比于传统的ＳＭＴ模型更切合实际环境。在后续研究中将 重点考虑如何在不同连接度情况下获得敌手信道模型中的完 表１不同模型下的ＳＭＴ协议的比较 善保密的ＳＭＴ协议，并进一步降低其计算和通信开销。 参考文献