交通仿真技术在EPC项目管理中的应用

许炜阳 王艳华 张晗嘉 夏赛 李潇葆

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010)

0 引言

EPC模式是国家大力推行的总承包方式之一，现已成为政府投资项目的主流建设方式。业绩较好的EPC总承包方在工程材料集中采购方面具有较大优势，有利于控制投资和节约成本，其承担的责任也日益加大。大多数市政项目涉及占道施工，如何合理组织施工期间的交通通行、缓解交通拥堵、确保施工期间的施工人员安全与场外人员安全成为EPC总承包方亟待解决的问题，而交通疏导方案的合理性与施工安全也密切相关。因此，有必要在EPC项目管理过程中运用交通仿真技术进行模拟，制订合理可行的交通疏导方案，确保工程安全顺利推进。

1 交通仿真技术简介

使用交通仿真技术对交通系统进行仿真，可以得到交通流在时间和空间范围内的分布规律。在进行实际道路测试时需要耗费大量的人力和财力，且风险性较高。而仿真技术能够反映交通流的各种因素，并根据条件边界参数要求再现交通状况，已成为分析各种交通环境和优化交通的有力研究工具。因此，在涉及占道施工的EPC项目管理过程中应用交通仿真技术具有重要作用。

交通仿真模型结合交通流模型的需求分析、通行能力分析和排队论等其他交通分析技术，可用于分析和评价多因素相互作用的交通设施或交通系统。与其他交通分析技术相比，交通系统仿真具有许多优势：①不需要实际系统的参与，经济方便；②特别适用于研究规划设计阶段的交通系统行为；③可以在相同交通环境下，通过改变边界参数比较不同的设计方案；④通过系统仿真，可以清楚地了解哪些是交通流中的主要变量，以及它们之间是如何相互作用的。

依据仿真模型对交通系统描述的细节的程度，交通仿真模型可以划分为宏观(Macroscopic)、中观(Mesoscopic)、微观(Microscopic)三种类型[2]。由于宏观、中观仿真模型对交通系统的描述相对比较粗略，应用计算机技术可确保在微机上也能实现较大规模的微观仿真，微观交通仿真模型已经成为交通仿真的主流模型。目前，Vissim软件是我国仿真平台首选的仿真核心软件。

1.1 数据采集

为使交通仿真情况更接近现场实际，在进行交通仿真前需获取精确的交通流数据。开发视频车流量自动采集系统主要有两个目的：①获取市政工程占道施工区各个区域和路段的交通数据，以及相关的路网的框架结构(路口各个方向的车道数等)，作为仿真的建模的相关参数。②通过获得未占道施工时的交通数据，可以先定性定量地分析施工前道路的交通流动特性以及车辆运行状态，以便分析哪些时段、哪些路段已接近饱和，并在施工占道时候多加注意；哪些时段、哪些路段还有富余的通行能力，可在施工占道时用来分担交通压力；为后期进行交通分流交通疏解提供原始数据支撑。通过开展高效准确的交通数据统计，可以对道路交通进行有目的的监控、分析、决策和疏导调度，为施工围挡的布置形式提供数据支撑，为后期交通疏解提供依据。

1.2 建模与仿真

模型建立是交通仿真技术的核心步骤，通过有效利用建模前期采集的数据，运用科学系统的方法建立仿真模型。仿真模型的建立代表用户已经把建模所需的数据都编入了仿真模型，且模型能够以比较合理的规则运行。但并不表示模型已能表达实际交通运行情况或者用于方案分析，必须进行错误检查，形成可校正的模型后再进行模型校正，只有使之转化为具有高可信度的仿真模型才能应用于工程和研究。

围挡模型作为模型建立的核心内容，直接影响仿真结果的准确性。围挡模型的建立主要有两种方法：①将两段不同车道数的路段相连接，一段作为正常通行的道路，另一段作为施工占道后可以通行的道路，二者利用连接器模型相连接。同时，在上游过渡区域设置冲突区域或让行规则(当冲突区域较为复杂时，可以采用预先设置交叉口节点的方法激活冲突区域集并显示节点内所有可能冲突区域。该方法非常适合冲突区域相互叠加难以选中的情况，可以快速有效地对所有冲突区域进行编辑。该方法有明确的优先权通行规则，可避免在模拟过程中车辆发生碰撞。②利用仿真过程中的路径决策，提前设置车辆的运行路线，使车辆通行路线避开施工占道区域。由于方法一更接近现场方案布置形式，本文选取方法一建立占道模型。

1.3 仿真结果评价

交通仿真软件施工前设计对多种占道施工方案进行模拟，生成大量仿真数据，但单一的数字结果不具有直观可视性，且无法根据零散数据进行有效决策。作为仿真软件，其主要功能设计均围绕仿真进行，虽可生成大量仿真数据，却缺乏数据评价功能。因此，建立合理的评价体系尤为重要。因此，在众多指标中挑选出能反映占道施工路段服务水平的指标，构建科学合理的评价指标体系，对最终的评价结果具有十分重要的意义。结合我国城市立交占道工程实际情况，结合《城市道路工程设计规范》(2016)，分路段、信号交叉口两部分分别进行评价。路段服务水平评价选取交通密度、平均速度、负荷度、最大服务交通量4个评价指标，信号灯交叉口服务水平评价选取排队长度、负荷度、平均延误3个指标构成评价指标体系。

1.3.1 路段服务水平评价指标定义

(1)交通密度。交通密度是指单位长度道路上某一时刻的车辆数目。其计算公式为

(1)

式中，K为交通密度(pcu/km)；Q为路段交通量(pcu/h)；vs为路段平均车速(km/h)。

(2)平均车速。平均车速只包括整个施工区在内的路段所通过车辆的速度平均值。其公式具体为

(2)

式中，vs为路段平均车速(km/h)；vi为路段i的平均行程车速(km/h)；qi为路段I的长度(m)；li为路段i的交通量(veh)。

(3)负荷度。负荷度是指某个时间段内，路段实际的交通量与该路段最大通行能力状态下交通量的比值[5]。用公式表示为

(3)

式中，X为饱和度；V为实际通过的交通量(pcu/h)；C为通行能力(pcu/h)。

(4)最大服务交通量。最大服务交通量是指在通常的道路条件、交通条件和管制条件下，保持规定的服务水平时，道路某一断面或均匀路段在单位时间内所能通过的最大小时交通量。

1.3.2 信号灯交叉口服务水平评价指标定义

(1)排队长度。采样周期内，某一车道从队尾停车车辆到路口停车线之间的平均距离(m)。

(2)平均延误。平均延误是指实际情况下行驶时间与理想状况下行驶时间之差，计算公式为

dt=d2t-d1t

(4)

(5)

式中，dt为单一车辆的行程延误；d2t为单位长度内实际行驶时间；d1t为单位长度内的理想行驶时间；D为施工区车辆平均延误。

(3)负荷度。信号灯交叉口负荷度的定义与路段一致，用公式表示为

(6)

式中，X为饱和度；V为实际通过的交通量(pcu/h)；C为最大通行能力(pcu/h)。

通过动态综合评价方法，路段服务水平与信号灯交叉口服务水平的定量判定结果见表1、表2。

表1 路段服务水平

表2 信号灯交叉口服务水平

2 工程案例

董永北路立交桥是董永北路—G107、北京路—澴川北路的连通转换点，布置为区域枢纽型互通立交，项目内容还包括京广铁路桥扩建和跨黄孝路高架。过程范围内涉及道路半封闭施工及全封闭施工，因此需针对不同情况制订相应的交通疏导方案，具体封闭范围包括：一标段范围内涉及的北京路改建、既有澴川路高架桥拆除需要占道施工，二标段跨铁路桥拆除需要中断交通，三标段跨黄孝路高架桥施工需占用部分车道，上述占道施工情况势必会引起交通拥堵。受外部因素影响，施工时序分为三个阶段：第一阶段，北京路改建，占用半幅车道施工，剩余半幅车道改为双向同行的方式(方案三)；第二阶段，中断澴川路高架桥，与第三标段一并施工；第三阶段，第二标段涉铁段施工。

在交通疏导方案编制完成后，由于北京路改建施工范围涉及汉十高铁，需先进行向铁路局报批的程序，鉴于审批时间较长，将施工计划调整为：先拆除澴川路高架桥(方案一)，如图1所示。在二标段涉铁部分启动时，开展三标段及一标段北京路的改建工作(方案二)，如图2所示。以上占道施工方案是否可行均需要进行科学的论证，报相关部门审批后方可进行施工。

首先，针对项目所处地理位置，选取本次研究范围，对研究范围内的44个路段和13个路口进行建模，在输入相应的交通流数据后，通过仿真对输出的各项指标进行分类同时进行各路段及路口的服务水平评价，得出研究范围内的路段、路网等级统计表，见表3、表4。

表3 不同道路封闭方案路段等级统计表

表4 不同道路封闭方案路口等级统计表

从图3、图4可以看出，道路半封闭施工对路网的影响程度最低；全封闭施工后，车辆绕行，对封闭路段周围的道路服务水平均有一定影响。针对服务水平为四级(最差)的路段及路口，采取设置交通诱导标志、派交通疏解员现场指挥交通、限制通过车速等交通疏解措施进行疏解，确保施工期间的人员安全与场外车辆安全。

3 结语

在EPC项目管理中应用交通仿真技术，不仅可以指导现场施工，还可以提升项目现场的管理水平，实现项目管理的智能化与数字化。此外，可将交通仿真技术应用于施工场内道路布置、模拟施工机械运行等多个方面，确保项目安全运行，提升项目生产效率。