基于TransCAD的物流园区货运交通流分配研究

刘淮源，李慧颖，李 婷，武亚鹏

(中南勘察设计院集团有限公司，武汉 430073)

物流园区作为物流网络的重要基础设施和城市实现物流功能的货物集散中心、组织协调中心及信息交换中心，不仅能完善社会物流体系，规范物流设施建设和货物运输行为，也能为城市乃至国家的工商业发展夯实基础、提供助力。

物流园区的建设初衷是让城市的功能布局更为清晰，将城市的货运集散地聚集到较为合理的区域(这其中涉及交通接驳便利，物流与产业联动等综合因素)，建设成一个为城市经济和相关产业服务的综合型物流节点，有效引导城市内部物流交通流向，进一步提高物流效率。

然而，当前我国物流园区的规划建设研究领域中针对园区交通的规划方法较为缺乏，园区内部道路和外部集疏运道路的交通流未能得到合理分配，造成物流园区运营后期集疏运体系的混乱。

针对物流园区货运交通流分配的研究，在物流园区的规划建设研究领域中具有重要的地位，能为物流园区集疏运网络的规划建设以及园区内外部的交通组织和管理提供参考性的依据。合理分配物流园区的货运交通流，能保证园区交通组织的有效性，提高园区物流效率，降低物流成本。同时，因物流园区货运交通流具有和一般的城市交通流相交织的特点，有效的园区内外部交通组织和管理有利于解决城市道路的拥堵问题，提高城市整体效率和效益。

1 物流园区货运交通流特性分析

1.1 道路混流特性

物流园区货运交通流的显著特性之一，是园区生成的货运交通流与一般的城市交通流交织混合、相互影响。虽然物流园区一般不会位于城市的中心，多选址于城市郊区，但园区集疏运道路往往要与城市主干道等交通便利的道路相衔接。因此，在分配物流园区货运交通流时必然要考虑一般的城市交通流的影响。

为方便讨论，将物流园区集疏运网络中的道路分为以下三类[1]：

(1) 物流园区服务道路。物流园区服务道路是指以满足物流园区货物集疏运交通需求为主的路段，其道路交通流基本不包括一般的城市交通流。

(2) 城市服务道路。城市服务道路是指以满足一般城市出行交通需求为主的路段，其道路交通流基本不包括物流园区的货运交通流。

(3) 混合服务道路。混合服务道路是指物流园区的货运交通流和一般的城市交通流中混流现象比较严重的路段，其道路交通流中一般的城市交通流和物流园区的货运交通流都很大。

1.2 时间分布不均衡性

物流园区的货运交通流受货物到园时间的影响，存在明显的时间分布不均衡特点。以港口物流园区为例，园区的货运交通流与货物到港时间有着直接的影响关系，而货物到港时间较为集中，时间分布不均衡，故港口物流园区的货运交通流同样具备该特性。对普通物流园区来说，货物到园时间同样存在时间分布不均衡性。考虑到物流园区的城市短途配送业务和城市货运车辆通行管理政策，普通物流园区虽然不及港口物流园区货物到园时间分布差异明显，但其货运交通流同样具备时间分布不均衡的特点。

2 物流园区货运交通流分配模型

物流园区外部分布有物流园区服务的产业园区，物流园区与产业园区之间会产生相应的交通发生量和交通吸引量，物流园区内部设置有多个功能区，且每个功能区之间也会产生一定的交通发生量和交通吸引量，故将物流园区外部的产业园区和内部的功能区定为交通小区。物流园区外部的产业园区和内部的功能区存在许多相连的运输道路，即路段，假定任意交通小区之间都存在可达的路径，这就构成了物流园区货物运输的交通网络。

参考精度较高、结构较为简单的用户平衡交通流分配模型，并根据物流园区货运交通流特点重新定义各参数，再假定每位道路使用者都掌握了物流园区的全部交通网络，即每位道路使用者都能选择阻抗最小的路径。下面用数学语言对以上描述进行表达，物流园区货运交通流分配模型的数学式为

(1)

(2)

(3)

需要注意的是，不同于一般的用户平衡交通流分配模型中xa表示路段a的实际交通量，本研究所采用的物流园区货运交通流分配模型中的xa仅表示路段a的货运交通量，相应的路阻函数也应重新设计。

3 路阻函数设计

路阻函数是物流园区货运交通流分配模型中最重要的部分，如何将货运交通流特性进行分析量化，使之转换为数学语言并应用于路阻函数设计中，从而能够在货运交通流分配模型中更好地体现，是设计路阻函数的核心工作。

选用结构简单、易于求解的BPR函数作为基础函数，就道路等级、道路混流特性和交通流时间分布不均衡性3个因素对路阻函数进行改进研究[2-7]。

3.1 道路等级因素

BPR函数是1964年美国公路局根据交通实测数据回归分析得到的路阻函数，属于经验函数。不同等级的道路对交通流的吸引作用不同，对不同等级的道路采用相同的参数是不合理的，因此，应针对不同等级道路的BPR函数中的α值和β值进行重新标定。改进后的BPR函数式为

(4)

式中，ta(xa)为路段a以货运交通量为自变量的路阻函数；αxa为路段a的α值；βxa为路段a的β值；C为道路设计通行能力。α值和β值为推荐参数，取值分别为0.15和4。

目前，城市道路按道路等级可划分为快速路、主干路、次干路和支路4种道路，其道路功能和设计行车速度如下：

(1) 快速路：一般具有四条以上机动车道，可供机动车以较高速度行驶，设计行车速度为60～80 km/h。

(2) 主干路：连接城市各交通小区的干路，设计行车速度为40～60 km/h。

(3) 次干路：连接主干路和交通小区的干路，设计行车速度为40 km/h。

(4) 支路：次干路与次干路的连接道路，设计行车速度为30 km/h。

在实际参数标定过程中，可对研究路网中各等级道路交通量数据进行采集，通过统计分析确定参数的具体值。根据《城市道路阻抗函数模型研究——以大连市为例》中的实测数据分析，各等级道路参数建议值如表1所示：

表1 各等级道路参数建议值

3.2 道路混流特性因素

在一般的用户平衡交通流分配模型中，xa代表路段a的交通量，包括货运交通量和一般的城市交通量。但在物流园区货运交通流分配模型中，考虑到货运交通量的数据源自物流园区货运量的推算，而不是物流园区内部和周边路网的实际交通调查，即xa仅代表货运交通量，不符合传统BPR函数的变量定义，且按原BPR函数计算出的阻抗值偏小，故对BPR函数做放大改进处理，改进后的BPR函数式为

(5)

式中，e为放大系数。

考虑到物流园区交通流的道路混流特性，设物流园区交通流中某路段货运交通流的占有率为o，令

(6)

式中，FTF(freight traffic flow)为货运交通量，由物流园区集疏运需求产生；UTF(urban traffic flow)为一般的城市交通量，由城市日常客货出行需求产生。

对园区内部道路，路段货运交通流的占有率o为1；对园区外道路，路段货运交通流的占有率o的取值应根据路段周边的用地性质、路段与园区的距离等相关因素确定。放大系数e应和路段货运交通流的占有率o呈负相关的关系，即货运交通流的占有率o越小，放大系数e越大。

3.3 交通流时间分布不均衡性因素

由于物流园区货运交通流分配采用静态交通流分配模型，道路通行能力和交通量均为一段时间(以d或h为单位)内的数据，受交通流时间分布不均衡性的影响会存在一定的误差，即在最终交通流分配的结果中，有可能出现道路的通行能力满足模型所分配的交通量，但在某一时间断面上，道路的通行能力却无法满足该时间断面的交通量这一问题。

这在一般的交通流分配中是一个普遍存在的现象，因为交通流分配模型会优先考虑最优路径，充分利用后才会考虑次优路径，从而出现道路通行能力难以满足交通流的情况，但这跟实际情况中交通路径的选择是不相符的。

由于现阶段还不能将交通流时间分布不均衡性抽象表达为数学模型，本文考虑在路阻函数中增加道路通行能力利用率对道路阻抗的影响，改进后的函数式为

(7)

(8)

(9)

式中，e(r)为实际道路通行能力利用率r的放大函数；r为实际道路通行能力利用率；o为道路货运交通流的占有率，0a时的放大函数。

综合以上3种因素对BPR函数进行改进，为保证改进后的函数容易计算，且满足物流园区货运交通流特性，令函数f1(r)和f2(r)分别为o和o×a的倒数，改进后的函数式为

(10)

下面对函数模型关于道路混流特性和交通流时间分布不均衡性进行验证。

首先分析路段货运交通流的占有率o。道路受到一般的城市交通流干扰越小，o值越大，阻抗放大函数e(r)越小，道路阻抗也相对越小，道路对车辆的吸引力越大。当路段为物流园区内道路时，货运交通流几乎不受一般的城市交通流影响，可认为o=1；当道路段为物流园区周边道路时，随着货运交通流的占有率o的增加，放大函数e(r)变小，路阻减小。放大函数e(r)符合道路混流特性对道路阻抗的影响。

其次分析道路通行能力可利用率a。e(r)是a的减函数，交通流出行时间分布越密集，道路通行能力可利用率a就越低，随着货运交通量xa的增大，道路阻抗会增大；当r≤a时，e(r)=1/o，即交通流为非饱和状态下，不对道路阻抗进行放大。放大函数e(r)符合交通流时间分布不均衡性对道路阻抗的影响。

最后得到BPR-Logistics Park函数式为

(11)

(12)

4 基于TransCAD的案例应用

以某东部省份城市的公铁物流园区为案例研究对象，该园区位于城市中心的城区西南部，与铁路货运站相连，其定位是服务城市优势传统产业、辐射周边地域的综合性物流园区。物流园区功能区布置如图1所示。

4.1 交通小区及路网模型建立

将该物流园区外部主要的三个产业园区简化为园区周边的三个区域，运用TransCAD软件建立交通小区模型及交通路网模型，交通小区模型如图2所示，交通路网模型如图3所示。

4.2 交通OD

物流园区的交通量主要是由园区的货运业务产生的，可通过建立模型将物流园区的货运量转变为交通量，物流量-交通量转化模型如图4所示[8]。

由图4可知，物流园区不同货类的货物可通过价值-重量模型、时间分布模型和模式分担模型得其物流量即货运量，再利用货物车辆模型将不同种类货物的货运量转换为不同车型的货物运输车辆，最终得到货物运输交通量。货物车辆模型公式为

(13)

式中，qi为货物i转换后的标准交通量；Qi为货物i转换前的货运量；Bi为货物i选用的货运车辆的装载系数，t/辆；Ei为货物i选用的货运车辆换算成标准交通量的换算系数。

4.3 配流参数标定

(1) 道路货运交通流的占有率o。在实际运用中，应通过交通量的实地调查对道路货运交通流的占有率o的取值进行标定。综合考虑道路周边的用地性质、道路与物流园区是否直接相连以及道路距物流园区的距离等相关因素对道路货运交通流的占有率o的影响，定性分析后对其进行参数标定。

(2) 道路通行能力可利用率a。道路通行能力可利用率a即时间分布特性值，通过分析城市的交通时间分布特点和交通政策，再进行实地调研，确定道路通行能力可利用率a为0.5。

(3) 道路设计通行能力。考虑到城市道路等级、车道折减系数以及交叉口间距等相关因素对道路通行能力的影响，道路设计通行能力公式为

C=Npackmδ

(14)

式中，C为道路设计通行能力；Np为道路可能通行能力；ac为不同等级道路的通行能力系数；km为车道折减系数，第一条车道为1.0，第二条为0.85，第三条为0.75，第四条为0.65；δ为交叉口影响通行能力的折减系数。

不同等级道路的通行能力系数如表2所示。

表2 不同等级道路的通行能力系数

4.4 配流结果分析

采用前文建立的物流园区货运交通流分配模型对该物流园区的货运交通流分配进行分析，为体现函数效果，分别采用传统BPR函数和自主设计的BPR-Logistics Park函数进行配流对比。传统BPR函数配流结果如图5所示，BPR-Logistics Park函数配流结果如图6所示。

由图5和图6可知，传统BPR函数在货运交通流分配时，会将货运交通流过多地分配在高新二路、高新三路等道路，但因高新三路、高新二路除了要为物流园区货运交通流服务外，更多是要为周边居住小区服务，过多的货运交通流会导致城市交通拥挤甚至堵塞，影响周边居民的出行，分配比较不合理；而BPR-Logistics Park函数分配结果则相对平均，货运交通流都集中在产业园区周边的主干路，如人民路、同和路和站前路等通行能力较高的路段，结合物流园区周边用地性质，BPR-Logistics Park函数在货运交通流分配时所选的路段周边多为工业用地或绿化用地，不同于传统BPR函数所选路段周边多为居住用地，对城市交通的干扰较少，分配比较合理。

5 结论

以物流园区货运交通流为研究对象，设计出符合物流园区特性的交通流分配模型和路阻函数，运用TransCAD软件验证所建立模型与函数的科学性与合理性。由于货运交通流占有率是由定性分析确定的常数，不能根据实际交通调查调整，存在一定的局限性，因此本模型更适合应用在规划中的物流园区，规划期的物流园区货运交通流尚未形成，周边道路建设也未完善，各类交通流参数仅能通过定性分析获取，与本模型更加适配；而建成运营的物流园区周边道路建设基本完善，货运交通流占有率等参数可通过实际调查获取。未来研究中可将路网中的车型调查增添为货运交通流占有率定量分析的相关因素，扩大模型的适用范围。