集装箱港区排队缓冲区交通设计研究

白子建，王晓华，段绪斌

（天津市市政工程设计研究院，天津市 300051)

0 引言

车辆进入港区、码头前，因为港口管理需要而设置闸口、卡子门一类设施对车辆做必要的登记检查。为减少因停车检查而引起的延误，设置类似高速公路收费站的多通道，道路断面因此也进行相应的渐变加宽，用“空间”来换“时间”。港口排队缓冲区指车辆在接受必要检查前排队等候的场所，属于港口道路交通用地范畴，主要功能为满足高峰期间港口车辆排队等候检查的临时停车需求，或者在某些特定时刻作为港口车辆临时停车场。不同集装箱港口类型、船舶到离港规律以及集港方式所需要的排队缓冲区形式也不尽相同，排队缓冲区形式的选取以及设计方法不当将会造成进出港车辆在卡子门、闸口等区域长时间拥堵，甚至会使邻近进港道路无法通行。

本文在大量收集国内外典型集装箱港区排队缓冲区形式的基础上，对集装箱港区排队缓冲区分类、功能区组成结构划分、交通设计方法等内容进行深入系统研究，为我国港区排队缓冲区的具体设计实施提供参考价值。

1 缓冲区组成部分及形式分析

1.1 排队缓冲区的组成部分划分

通过分析车辆在缓冲区的驾驶行为、交通特性，港口排队缓冲去可分为减速换道功能区、临时等候功能区和排队检查功能区三部分组成，见图1，图1中：A为减速换道功能区，B为临时等候功能区，C为排队检查功能区。

（1）减速换道功能区：指进港检查车辆在该功能区实现减速换道功能，使得车辆到达B区和C区时按规定行驶速度或车道行驶。A功能区的设计应能保证驶入车辆有足够空间完成减速和换道驾驶行为。

图1 排队缓冲区组成部分示意图

（2）临时等候功能区：指当排队检查功能区不满足进港车辆排队等候空间需求时，这部分车辆首先在B区临时等待，直至C区有富裕排队检查空间。临时等候功能区在集疏港低峰期间可作为港口车辆临时停车场。临时等候功能区设计应根据高峰期间达到检测区接受检查的最大排队车辆确定空间设计尺寸。

（3）排队检查功能区：指车辆进入检测区前实现分道行驶接受服务的排队区域。排队检查功能区的设计应根据检测区通道数确定功能区宽度，功能区长度应能满足大型集卡驾驶员判断、操作等驾驶行为反应时间。

1.2 排队缓冲区形式

根据港口缓冲区存车容量、车辆进入缓冲区行驶路径等因素，排队缓冲区形式可分为直线式、广场式和螺旋式三种。排队缓冲区形式的选择应结合港口、码头高峰期间最大排队车辆、地形条件、用地大小、路网布局等综合因素考虑，灵活设计，降低排队车辆对周围道路影响。可根据港区、码头不同发展时期采用适宜的排队缓冲区形式。

（1）直接式

直接式排队缓冲区指进港检查车辆经过减速换道功能区后，直接进入排队检查功能区。该类缓冲区临时存车容量小，适用于进港车辆达到概率符合均匀函数。占地空间较小。

（2）广场式

广场式排队缓冲区指进港检查车辆经过减速换道功能区，且不需要大于90°调头行驶而直接驶入临时等候功能区，然后达到排队检查功能区排队接受检测。此类缓冲区具有大容量临时存放进港车辆的功能，一般将临时等候功能区设计成停车广场形式。占地空间较大。

（3）螺旋式

螺旋式排队缓冲区指进港检查车辆经过减速换道功能区，需要大于90°调头行驶才能驶入临时等候功能区，然后达到排队检查功能区排队接受检测。此类缓冲区通过延长临时等候功能区来增加临时存车容量，一般将临时等候功能区设计成迂回道路形式。占地空间根据最大临时存车需求确定，一般较广场式排队缓冲区更加节省用地资源。

2 排队缓冲区交通设计依据

2.1 设计对象

我国公路设计对象分为小客车、载重汽车和鞍式列车，其车辆设计外廓尺寸根据《公路路线设计规范》（JTG D20-2006）规定，见表 1。

表1 机动车设计车辆外廓尺寸

集装箱港区道路交通以大型集装箱卡车构成比例为主，因此缓冲区设计对象应选择大型装箱卡车。结合我国港口道路交通构成特征，考虑节约用地原则，结合我国港口道路交通构成特征，考虑节约用地原则，缓冲区线形设计对象标准集装箱车长度为16.5 m。

2.2 大型车辆转弯半径

根据相关文献资料，车辆转弯半径与交叉口角度、转角半径、车辆轴距、前悬等因素有关，基于此本文对集装箱卡车转弯半径进行分析，提出以下推荐数值见表2。

表2 大型车辆转弯半径（单位：m）

3 排队缓冲区设计主要内容

3.1 减速换道功能区设计

减速换道功能区主要实现集港车辆从港区集散道路减速换道进入排队缓冲区，因此该功能区的设计要求应能满足大型集装箱卡车减速换道等驾驶行为的道路空间需求。

3.1.1 排队缓冲区目标设计车速

进港检测车辆从集港道路进入排队缓冲区前应将车速降低一定的范围内，确保车辆跟驰、换道的安全。结合不用缓冲区形式，进港检测车辆经减速换道功能区减速后的目标车速推荐值见表3。

表3 缓冲区设计车速

3.1.2 减速车道长度计算

减速车道长，是以下三个要素为基础确定的：汽车进入减速车道时的车速；汽车驶离减速车道时的车速；减速方法或减速度。减速的方法是先用发动机制动减速，然后再踏制动器减速，一直减到匝道的行驶速度。

以大型集装箱卡车为对象，将按下述假设计算的结果作为确定减速车道长的基础。

（1）将要驶出港区集散道路的车辆以该道路上的平均行驶速度通过减速车道的前端；

（2）进入减速车道后立即用发动机制动减速，并持续3 s；

（3）再以对驾驶员没有不舒适感的减速度，用制动器减速。在减速车道的尽头，达到匝道平均行驶速度。

减速车道长度示意见图2。

图2 减速车道长度

图2中：v0－港区集散车道平均行驶速度；v1－用发动机制动减速后的行驶速度；v2－减速换道功能区终点的平均行驶速度。

式中：v0——初速度(m/s)；t——发动机制动器作用时间(s)取3 s。

式中:S2—减速车道长度；α2—减速度；v1－初速度，km/h；v2－排队缓冲区目标设计车速，km/h。

3.1.3 宽度缓和段长度

宽度缓和段长度的设计准则有：按车辆横移一个车道所需时间(3～4 s)的计算方法；将S形行驶轨迹作为反向曲线计算的方法；如能满足方法a和b的条件，即认为符合要求。

（1）横移一个车道所需时间的计算方法

式中：T—宽度缓和段长（m）；Va—平均行驶速度(km/h)；t取值 3.0～4.0(s)。

（2）将S形行驶轮迹作为反向曲线的计算方法：

式中：T—宽度缓和段长（m）；Va—平均行驶速度(km/h)；i—超高；f—横向滑动横向力系数(0.16)；W—变速车道宽(m)；R—反向曲线半径(m)。

宽度缓和段设计形式示意见图3。

图3 宽度缓和段设计形式示意图

（4）环形车道加宽

在螺旋式排队缓冲区设计过程中，集港车辆需要在减速换道功能区完成大于90°的调头行驶过程，因此，应根据大型集装箱车辆在减速换道功能区的平均行驶车速设计合理的环岛半径及车道加宽值，见表4、表5。

表4 不同设计车速下的环岛最小半径

表5 不同环岛半径下大型车车道加宽值

3.2 临时等候功能区设计

临时等候功能区是为了停放排队集卡，其最大停车位数应能满足高峰期间集卡排队停放需求。临时等候功能区的形式可分为广场式和螺旋式。

（1）最大排队集卡数计算

集卡排队类似于排队服务问题。当集卡到达强度大于检查区所有通道服务水平的总和，且每个通道排队等候检测的车辆数大于排队检查功能区的临时存车容量，此时需要将剩余的车辆有序停放在临时等候功能区。

式中：Q—临时等候功能区需停放的最大车辆数；F—高峰期间达到排队缓冲区最大车辆数；q—检测区最大排队等待车辆数。

a.高峰期间达到排队缓冲区最大车辆数计算：高峰期间达到排队缓冲区最大车辆数与港区集港模式、船舶到达规律有关。可根据长期统计数据求得。

b.检测区最大排队等待车辆数计算：检测区最大排队等待车辆数是一个排队服务问题。

a:平均来车间隔（s）；b:平均服务时间（s）；S:服务通道数（闸口通道数）。

则来车间隔与服务时间的关系可以表达为：p=b/a(交通强度)；服务通道每1车道为：u=b/sa(1车道交通强度)。根据闸口来车时间和服务时间统计规律分析，来车时间按照泊松分布，服务时间符合指数分布。

每1车道平均等待车辆数（排队长度）

一般排队服务求解问题为u小于1，即到达的车辆以平均等待时间等待后就通过闸口通道，该系统才是相对稳定的排队系统。当港口集港时间过于集中，服务时间大于每一车道来车时间间隔事，此时u大于1，因此会造成集港高峰时段内大量集港车辆滞留在排队缓冲区。

（2）广场式

a.车位尺寸

集卡在广场式临时等候功能区停放方式可采用平行式、斜列式（有倾角 30°、45°、60°）和垂直式，或混合采用此三种停车方式，见图4。

图4中：Wu——停车带宽度；Lg——汽车长度；We——垂直于通车道的停车位尺寸；Si——汽车间净距；Wd——通车道宽度；Qt——汽车倾斜角度；Lt——平行于通车道的停车位尺寸。

广场式临时等候功能区停车位尺寸设计见表6。

b.通道设计

图4 停车位布置形式

表6 广场式临时等候功能区停车位尺寸设计（单位：m）

汽车单向行驶最小宽度：

汽车单向行驶宽度为汽车宽度与汽车距两侧路缘的净距之和，净距可按照设计取速度在10 km/h时的取值，可得车单向单车道行驶通车道宽度，见表7。

表7 单向单车道通车道宽度

双向双车道行驶通车道宽度：

双向行驶通车道宽度应满足双向行驶的汽车宽度、汽车与车道边缘间距、汽车与汽车之间的间距要求，见表8。

表8 双向双车道行驶通车道宽度

（3）螺旋式

螺旋式排队缓冲区通过设置迂回型通道停发临时等候车辆，车辆进入临时等候功能区后跟驰前行。螺旋式临时等候功能区设计应根据临时等候功能区需停放的最大车辆数，在满足大型车辆跟驰行驶安全间距的情况下，设置充足的迂回型通道数。螺旋式排队缓冲区设计应具体结合用地条件，远期可与广场式排队缓冲区统筹考虑。

3.4 排队检查功能区设计

排队检查功能区是集卡进入检测区之前实现分道行驶的区域，应满足驾驶员对前方情况辨别、判断、操作等驾驶行为需要的时间要求。排队检查功能区设计范围为检测区中心线到临时等候功能区边界之间，结合大型车辆驾驶员驾驶行为特性，排队检查功能区应至少能提供驾驶员3～5 s反应时间，即排队检查功能区长度至少为75 m。

4 结语

由于进出港车辆需要接受必要的检查服务，集装箱港区卡子门、闸口排队缓冲区极易发生拥堵，其形式设计的不当将直接影响卡子门、闸口通过效率，且对进出港道路通行能力产生负面影响。排队缓冲区形式设计与港口类型、船舶到离港规律、货物集港模型等因素有关，本文首次对排队缓冲区的具体交通设计内容及方法展开研究。本文在集装箱车辆驾驶特性、停车位尺寸、换道行为研究的基础上，通过广泛收集国内外典型集装箱港区卡子门、闸口附近排队缓冲区相关设计参数，提出了缓冲区分类方法、功能区组成结构划分，以及各功能区交通设计方法，为我国集装箱港区排队缓冲区设计提供借鉴意义。

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