交通仿真技術在EPC項目管理中的應用

許煒陽 王艷華 張晗嘉 夏賽 李瀟葆

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010)

0 引言

EPC模式是國家大力推行的總承包方式之一，現已成為政府投資項目的主流建設方式。業績較好的EPC總承包方在工程材料集中采購方面具有較大優勢，有利于控制投資和節約成本，其承擔的責任也日益加大。大多數市政項目涉及占道施工，如何合理組織施工期間的交通通行、緩解交通擁堵、確保施工期間的施工人員安全與場外人員安全成為EPC總承包方亟待解決的問題，而交通疏導方案的合理性與施工安全也密切相關。因此，有必要在EPC項目管理過程中運用交通仿真技術進行模擬，制訂合理可行的交通疏導方案，確保工程安全順利推進。

1 交通仿真技術簡介

使用交通仿真技術對交通系統進行仿真，可以得到交通流在時間和空間范圍內的分布規律。在進行實際道路測試時需要耗費大量的人力和財力，且風險性較高。而仿真技術能夠反映交通流的各種因素，并根據條件邊界參數要求再現交通狀況，已成為分析各種交通環境和優化交通的有力研究工具。因此，在涉及占道施工的EPC項目管理過程中應用交通仿真技術具有重要作用。

交通仿真模型結合交通流模型的需求分析、通行能力分析和排隊論等其他交通分析技術，可用于分析和評價多因素相互作用的交通設施或交通系統。與其他交通分析技術相比，交通系統仿真具有許多優勢：①不需要實際系統的參與，經濟方便；②特別適用于研究規劃設計階段的交通系統行為；③可以在相同交通環境下，通過改變邊界參數比較不同的設計方案；④通過系統仿真，可以清楚地了解哪些是交通流中的主要變量，以及它們之間是如何相互作用的。

依據仿真模型對交通系統描述的細節的程度，交通仿真模型可以劃分為宏觀(Macroscopic)、中觀(Mesoscopic)、微觀(Microscopic)三種類型[2]。由于宏觀、中觀仿真模型對交通系統的描述相對比較粗略，應用計算機技術可確保在微機上也能實現較大規模的微觀仿真，微觀交通仿真模型已經成為交通仿真的主流模型。目前，Vissim軟件是我國仿真平臺首選的仿真核心軟件。

1.1 數據采集

為使交通仿真情況更接近現場實際，在進行交通仿真前需獲取精確的交通流數據。開發視頻車流量自動采集系統主要有兩個目的：①獲取市政工程占道施工區各個區域和路段的交通數據，以及相關的路網的框架結構(路口各個方向的車道數等)，作為仿真的建模的相關參數。②通過獲得未占道施工時的交通數據，可以先定性定量地分析施工前道路的交通流動特性以及車輛運行狀態，以便分析哪些時段、哪些路段已接近飽和，并在施工占道時候多加注意；哪些時段、哪些路段還有富余的通行能力，可在施工占道時用來分擔交通壓力；為后期進行交通分流交通疏解提供原始數據支撐。通過開展高效準確的交通數據統計，可以對道路交通進行有目的的監控、分析、決策和疏導調度，為施工圍擋的布置形式提供數據支撐，為后期交通疏解提供依據。

1.2 建模與仿真

模型建立是交通仿真技術的核心步驟，通過有效利用建模前期采集的數據，運用科學系統的方法建立仿真模型。仿真模型的建立代表用戶已經把建模所需的數據都編入了仿真模型，且模型能夠以比較合理的規則運行。但并不表示模型已能表達實際交通運行情況或者用于方案分析，必須進行錯誤檢查，形成可校正的模型后再進行模型校正，只有使之轉化為具有高可信度的仿真模型才能應用于工程和研究。

圍擋模型作為模型建立的核心內容，直接影響仿真結果的準確性。圍擋模型的建立主要有兩種方法：①將兩段不同車道數的路段相連接，一段作為正常通行的道路，另一段作為施工占道后可以通行的道路，二者利用連接器模型相連接。同時，在上游過渡區域設置沖突區域或讓行規則(當沖突區域較為復雜時，可以采用預先設置交叉口節點的方法激活沖突區域集并顯示節點內所有可能沖突區域。該方法非常適合沖突區域相互疊加難以選中的情況，可以快速有效地對所有沖突區域進行編輯。該方法有明確的優先權通行規則，可避免在模擬過程中車輛發生碰撞。②利用仿真過程中的路徑決策，提前設置車輛的運行路線，使車輛通行路線避開施工占道區域。由于方法一更接近現場方案布置形式，本文選取方法一建立占道模型。

1.3 仿真結果評價

交通仿真軟件施工前設計對多種占道施工方案進行模擬，生成大量仿真數據，但單一的數字結果不具有直觀可視性，且無法根據零散數據進行有效決策。作為仿真軟件，其主要功能設計均圍繞仿真進行，雖可生成大量仿真數據，卻缺乏數據評價功能。因此，建立合理的評價體系尤為重要。因此，在眾多指標中挑選出能反映占道施工路段服務水平的指標，構建科學合理的評價指標體系，對最終的評價結果具有十分重要的意義。結合我國城市立交占道工程實際情況，結合《城市道路工程設計規范》(2016)，分路段、信號交叉口兩部分分別進行評價。路段服務水平評價選取交通密度、平均速度、負荷度、最大服務交通量4個評價指標，信號燈交叉口服務水平評價選取排隊長度、負荷度、平均延誤3個指標構成評價指標體系。

1.3.1 路段服務水平評價指標定義

(1)交通密度。交通密度是指單位長度道路上某一時刻的車輛數目。其計算公式為

(1)

式中，K為交通密度(pcu/km)；Q為路段交通量(pcu/h)；vs為路段平均車速(km/h)。

(2)平均車速。平均車速只包括整個施工區在內的路段所通過車輛的速度平均值。其公式具體為

(2)

式中，vs為路段平均車速(km/h)；vi為路段i的平均行程車速(km/h)；qi為路段I的長度(m)；li為路段i的交通量(veh)。

(3)負荷度。負荷度是指某個時間段內，路段實際的交通量與該路段最大通行能力狀態下交通量的比值[5]。用公式表示為

(3)

式中，X為飽和度；V為實際通過的交通量(pcu/h)；C為通行能力(pcu/h)。

(4)最大服務交通量。最大服務交通量是指在通常的道路條件、交通條件和管制條件下，保持規定的服務水平時，道路某一斷面或均勻路段在單位時間內所能通過的最大小時交通量。

1.3.2 信號燈交叉口服務水平評價指標定義

(1)排隊長度。采樣周期內，某一車道從隊尾停車車輛到路口停車線之間的平均距離(m)。

(2)平均延誤。平均延誤是指實際情況下行駛時間與理想狀況下行駛時間之差，計算公式為

dt=d2t-d1t

(4)

(5)

式中，dt為單一車輛的行程延誤；d2t為單位長度內實際行駛時間；d1t為單位長度內的理想行駛時間；D為施工區車輛平均延誤。

(3)負荷度。信號燈交叉口負荷度的定義與路段一致，用公式表示為

(6)

式中，X為飽和度；V為實際通過的交通量(pcu/h)；C為最大通行能力(pcu/h)。

通過動態綜合評價方法，路段服務水平與信號燈交叉口服務水平的定量判定結果見表1、表2。

表1 路段服務水平

表2 信號燈交叉口服務水平

2 工程案例

董永北路立交橋是董永北路—G107、北京路—澴川北路的連通轉換點，布置為區域樞紐型互通立交，項目內容還包括京廣鐵路橋擴建和跨黃孝路高架。過程范圍內涉及道路半封閉施工及全封閉施工，因此需針對不同情況制訂相應的交通疏導方案，具體封閉范圍包括：一標段范圍內涉及的北京路改建、既有澴川路高架橋拆除需要占道施工，二標段跨鐵路橋拆除需要中斷交通，三標段跨黃孝路高架橋施工需占用部分車道，上述占道施工情況勢必會引起交通擁堵。受外部因素影響，施工時序分為三個階段：第一階段，北京路改建，占用半幅車道施工，剩余半幅車道改為雙向同行的方式(方案三)；第二階段，中斷澴川路高架橋，與第三標段一并施工；第三階段，第二標段涉鐵段施工。

在交通疏導方案編制完成后，由于北京路改建施工范圍涉及漢十高鐵，需先進行向鐵路局報批的程序，鑒于審批時間較長，將施工計劃調整為：先拆除澴川路高架橋(方案一)，如圖1所示。在二標段涉鐵部分啟動時，開展三標段及一標段北京路的改建工作(方案二)，如圖2所示。以上占道施工方案是否可行均需要進行科學的論證，報相關部門審批后方可進行施工。

首先，針對項目所處地理位置，選取本次研究范圍，對研究范圍內的44個路段和13個路口進行建模，在輸入相應的交通流數據后，通過仿真對輸出的各項指標進行分類同時進行各路段及路口的服務水平評價，得出研究范圍內的路段、路網等級統計表，見表3、表4。

表3 不同道路封閉方案路段等級統計表

表4 不同道路封閉方案路口等級統計表

從圖3、圖4可以看出，道路半封閉施工對路網的影響程度最低；全封閉施工后，車輛繞行，對封閉路段周圍的道路服務水平均有一定影響。針對服務水平為四級(最差)的路段及路口，采取設置交通誘導標志、派交通疏解員現場指揮交通、限制通過車速等交通疏解措施進行疏解，確保施工期間的人員安全與場外車輛安全。

3 結語

在EPC項目管理中應用交通仿真技術，不僅可以指導現場施工，還可以提升項目現場的管理水平，實現項目管理的智能化與數字化。此外，可將交通仿真技術應用于施工場內道路布置、模擬施工機械運行等多個方面，確保項目安全運行，提升項目生產效率。