基于交通污染的城市道路环形交叉口的信号配时优化研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 2.48MB 101 页 15积分
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摘 要
随着国民经济和城市化建设的高速发展，城市机动化程度越来越高，机动车
拥有量的提高进一步推动了社会进步、方便了居民出行，与此同时也造成了环境
污染，严重影响着城市交通环境质量。城市交通运输环境污染主要包括汽车排放
污染、交通噪声污染和大气污染等，在这几方面中，汽车排放污染越来越引起交
通运输领域的广泛关注。如何掌握汽车排放污染物的生成机理及影响因素，通过
交通管理与控制手段，减少汽车在途中、交叉口的停留时间，使城市交通污染排
放得以控制，是当今世界大城市面临的主要难题之一，城市交通与环境的协调发
展成为亟待研究的课题。
城市道路平面交叉口的功能是把道路相互联结起来构成道路网，是道路网络
中通行能力的“隘路”和交通事故的“多发源”。通过对城市道路交叉口中具有代表性
的环形交叉口的信号控制与污染排放相关联系的科学研究，根据城市道路交通的
环保理念，实现从交通运输规划开始与空气质量控制规划进行关联，将交通污染
排放控制引入城市交通信号管理与控制过程的创新思想，以上海市杨浦区江湾五
角场区域环形交叉口为例进行分析研究，提出基于交通污染的江湾五角场区域环
形交叉口的信号控制建议方案。
在基于交通污染的城市道路环形交叉口的信号控制研究过程中，主要完成了
以下工作内容：
1.环形交叉口数据采集，分析影响道路污染物浓度的因素，得出到机动车污染
物的排放因子。
2.了解汽车排放污染物的生成机理及其影响因素，有效地进行汽车排放污染物
预测。
3.分析机动车污染物排放与环形交叉口信号配时参数之间的相互关系，建立基
于交通污染的城市道路环形交叉口信号配时模型。
4.运用 AIMSUN 交通仿真软件，对上海市杨浦区江湾五角场区域环形交叉口
新的配时建议方案进行仿真，验证提高环形交口通行效率对减少机动车尾气排放
量的有效性结论。
关键词：汽车排放污染 环形交叉口 信号控制 交通仿真
ABSTRACT
With the rapid development of economy and urbanization, the number of motor
vehicles in the large cities is rising steeply. Traffic-induced emissions pose a serious
threat to air quality in many metropolises. Traffic pollution includes vehicle emission
and noise. The experts of transport focus on vehicle emission currently. Master the
principle of the cause and influence factors of vehicle emission and the methods of
transport control for reduce the car’s stop time during the cruise, is the hard question.
The harmony development between urban transport and traffic environment becomes an
urgent problem.
In the dissertation, the relationship between the signal control strategies for
roundabout and traffic emission is analyzed, the pollution control planning is introduced
to the urban transport planning, the signal control and management combine with the
pollution control planning, and the pollution control measure is put forward to
Wujiaochang Circle’s roundabout,basing traffic environment quality.
In the study of the signal control strategies for Wujiaochang Circle’s roundabout,
basing traffic environment quality, Main contents of the dissertation is shown as
follows:
For the very first time, traffic environment data for the roundabout is gotten,
analysis the influence factors to traffic emission to get emission parameter.
Then comprehend the mechanism of the cause of vehicle emission for forecasting
the vehicle pollution.
Thirdly, analysis the relationship of signal parameter and traffic emission, build
signal control model which is basing air quality to meet the travel demand and reduce
the emission.
Finally the control measure is put forward by a case study using the AIMSUN. A
case study is given to illustrate that the emission will be reduced if the Wujiaochang
Circle gets the new signal control plan.
Key Word：vehicular emission , roundabout ，signal control ，
simulation
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ........................................................................................................1
§1.1 概述 ....................................................................................................................... 1
§1.1.1 环形交叉口.....................................................................................................1
§1.1.2 环形交叉口信号控制.....................................................................................1
§1.1.3 环境质量与环形交叉口信号控制关系.........................................................1
§1.2 国内外研究现状 ................................................................................................... 2
§1.2.1 国外研究现状................................................................................................ 3
§1.2.2 国内研究现状.................................................................................................4
§1.2.3 评价与启示.....................................................................................................5
§1.3 研究的内容与技术路线 ....................................................................................... 6
§1.3.1 研究内容.........................................................................................................6
§1.3.2 技术路线.........................................................................................................7
§1.4 研究拟解决的关键问题 ....................................................................................... 8
§1.5 本章小节 ............................................................................................................... 8
第二章 环形交叉口交通控制理论 ......................................................................... 9
§2.1 环形交叉口交通特征与交通问题 ....................................................................... 9
§2.1.1 环形交叉口交通特征.....................................................................................9
§2.1.2 环形交叉口交通问题.....................................................................................9
§2.2 实施信息控制的环形交叉口类型 ..................................................................... 10
§2.3 环形交叉口交通控制基本方法 ......................................................................... 10
§2.3.1 左转两步控制的环交...................................................................................10
§2.3.2 左转一步控制（不绕环岛）的环交...........................................................14
§2.3.3 一般控制的环交...........................................................................................15
§2.4 各控制方法的使用条件 ..................................................................................... 16
§2.4.1 流量条件.......................................................................................................16
§2.4.2 交叉口几何条件...........................................................................................17
§2.5 信号控制的环形交叉口通行能力 ..................................................................... 17
§2.6 本章小节 ............................................................................................................. 19
第三章 机动车排放污染物生成机理与影响因素 ................................................. 21
§3.1 车用汽油机排放污染物生成机理与影响因素 ................................................. 21
§3.1.1 汽油机燃烧过程...........................................................................................21
§3.1.2 汽油机污染物生成机理...............................................................................21
§3.1.3 影响汽油机排放污染物生成因素...............................................................22
§3.2 车用柴油机排放污染物生成机理与影响因素 ................................................. 26
§3.2.1 直喷式柴油机分区燃烧模型.......................................................................26
§3.2.2 柴油机有害排放物生成机理.......................................................................28
§3.2.3 影响柴油机气态排放物生成主要因素.......................................................29
§3.2.4 柴油机微粒、炭烟生成机理及其影响因素...............................................30
§3.3 本章小结 ............................................................................................................. 32
第四章 机动车污染排放分析 ............................................................................... 33
§4.1 机动车污染的特征 ............................................................................................. 33
§4.1.1 机动车主要污染物的产生..........................................................................33
§4.1.2 机动车污染的特点.......................................................................................35
§4.2 污染物环境浓度及城市交通的观测实验 ........................................................ 36
§4.2.1 机动车污染物的测量与分析方法...............................................................36
§4.2.2 采样地点和时间..........................................................................................36
§4.2.3 气象参数调查..............................................................................................37
§4.2.4 交通流性态调查..........................................................................................37
§4.3 污染物浓度与影响因素的关系 ........................................................................ 38
§4.3.1 污染物浓度与交通流量、进口道延误之间的关系...................................38
§4.3.2 各进口道的污染物排放之间的关系...........................................................39
§4.4 机动车等效排放系数 ........................................................................................ 40
§4.5 本章小节 ............................................................................................................. 42
第五章 交通污染排放因子分析 ........................................................................... 43
§5.1 排放因子及其获取方法 ..................................................................................... 43
§5.1.1 排放因子的定义...........................................................................................43
§5.1.2 机动车排放因子的确定...............................................................................43
§5.2 大气扩散模型简介 ............................................................................................. 44
§5.2.1 经典大气扩散模式（连续点源的高斯模型）...........................................44
§5.2.2 应用高斯模型进行估算...............................................................................46
§5.2.3 对经典大气扩散理论的推广.......................................................................50
§5.2.4 城市街道峡谷扩散模式----OSPM ............................................................. 53
§5.3 利用大气扩散模型逆向反演模式理论推算污染物排放源强 ......................... 59
§5.4 计算机动车综合排放因子 ................................................................................. 61
§5.5 本章小节 ............................................................................................................. 62
第六章 基于交通污染的信号交叉口配时优化模型 ............................................. 63
§6.1 信号控制的基本参数及评价指标 ..................................................................... 63
§6.1.1 交通信号的基本参数...................................................................................63
§6.1.2 信号控制的评价指标...................................................................................64
§6.1.3 定时信号交叉口车辆延误时间...................................................................65
§6.2 交叉口机动车尾气排放模型 ............................................................................. 66
§6.3 基于交通污染的交叉口信号配时优化模型 ..................................................... 68
§6.3.1 基于交通污染的环形交叉口信号配时模型...............................................69
§6.3.2 交叉口绿灯时间的确定...............................................................................71
§6.3.3 最佳信号周期 T的求解 ...............................................................................71
§6.3.4 相位差的确定...............................................................................................72
§6.4 本章小结 ............................................................................................................. 72
第七章 环形交叉口信号控制与配时优化仿真 .....................................................74
§7.1 微观仿真平台的建立 ......................................................................................... 74
§7.2 微观仿真平台的标定 ......................................................................................... 77
§7.3 基于交通污染的信号配时优化方案 ................................................................ 78
§7.3.1 仿真输出结果分析......................................................................................79
§7.3.2 环形交叉口非对称性分析..........................................................................81
§7.4 不同交通管理控制策略对尾气排放的影响 ..................................................... 83
§7.4.1 交叉口道路改扩建对尾气排放的影响.......................................................83
§7.4.2 公交车交通管理措施对尾气排放的影响...................................................84
§7.4.3 交叉口信号控制方式对尾气排放的影响...................................................84
§7.5 环形交叉口改善策略与建议 ............................................................................. 86
§7.5.1 环形交叉口改善宏观指导策略...................................................................86
§7.5.2 环形交叉口改善具体措施...........................................................................86
§7.6 本章小结 ............................................................................................................. 87
第八章 结论、创新与展望 ...................................................................................88
§8.1 研究主要成果及结论 ......................................................................................... 88
§8.2 研究的创新点 ..................................................................................................... 89
§8.3 进一步研究的展望 ............................................................................................. 90
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 概述
§1.1.1 环形交叉口
环形交叉口是在交叉口的中央设置中心岛，进入交叉口的车辆绕中心岛作逆
时针单向行驶，到达所要去的出口驶出交叉口。利用环岛组织交通，可以使经过
交叉口的车辆不需停车而连续不断地以右转方式来实现直行、左转。
环形交叉口同一般平面交叉口相比，具有冲突点少、车流连续、行驶安全、
便于管理等优点，因而在许多城市道路交叉口采用。
§1.1.2 环形交叉口信号控制
由于环岛的存在，环形交叉口处进环与出环的车辆需要做交织运行，使得环
形交叉口上无论有多少条车道，真正起作用能用于车辆绕行的车道只有一条，其
通行能力大大受到限制，不适用于流量过大的交叉口。为此，通常在环交口设置
信号灯，对过往车辆进行一定程度的控制与引导，使其通行能力得以增大。
§1.1.3 环境质量与环形交叉口信号控制关系
交叉口作为城市道路交通网络中的重要组成部分，其通常有多向交通流集中，
该交通流又经常被交通信号中断，使交叉口形成交通网络中的瓶颈地点。而且由
于机动车在通过交叉口时都会经历减速(或停车)、加速的过程，由此产生一定的延
误，在这一过程中，一方面延误会使机动车行驶时间延长，另一方面，机动车的
加减速过程会使机动车行驶工况发生变化，这些都会使机动车产生比在一般道路
行驶时更多的尾气排放。相关研究指出交叉口处 CO 排放强度可达距交叉口 80m
以远处的 10 倍[1]。特别是当交通需求远大于供给、城市路网负荷过大，道路交叉
口会经常出现车辆排队等候现象，高峰期间更是拥挤不堪。同时城市道路交叉口
由于交通密度大，机动车低速运行，冲突点、交织点多以及交通设施较为集中而
且车辆的运行工况恶劣,对道路路段、路口的几何设计、信号配置及路面构筑物等
因素缺乏整体的考虑，交通组织不够协调，从而产生了大量的废气排放，造成城
市环境污染的加剧。据估计全世界范围内大约 15％的 CO2、50％的 NOX和90％的
CO 由交通运输产生[2]。许多发达国家道路交通的社会耗费占到国民生产总值的 5％
[3]，这项费用主要用于道路网络上机动车造成的空气及噪声污染和交通事故的治
基于交通污染的城市道路环形交叉口的信号配时优化研究
2
理。Luk Shiu-Fai[4]研究得出，在香港，交通的拥塞引发了空气污染和生产时间的
虚耗，金钱的损失每年约为 230 亿港元。由此可见，传统的交通环境污染管理模
式—“末端治理”已不能适应当今社会和未来的发展要求[5]。
合理的交叉口交通组织形式将有利于减少交叉口车辆排队和停车延误，对改
善机动车尾气污染有明显的作用。平交路口中，交通渠化与信号相位合理设置有
利于减少路口冲突点的个数，控制冲突现象的发生，甚至可以改善交叉口的车辆
行驶状况乃至整个城市的交通运行状况，提高环境空气质量。环形交叉口是平交
路口的一种特殊形式，也是城市道路交叉口的常见形式，以改变冲突形式来进行
冲突分离的，国外研究表明交叉口改造为环形交叉口后，机动车排放明显减少。
国外学者研究指出，环形交叉口在减少机动车尾气排放和燃油消耗更有效和安全
[6~8]。但是，多数的城市交叉口信号配时和渠化交通的研究都是以交通延误，排队
长度等纯交通学的指标来优化和评价，而很少考虑到交叉口排放污染物对于周边
的严重影响，不能满足具有商务、休闲和购物等功能的城市区域对环境质量的要
求。
江湾五角场地区是规划中的上海市副中心，在上海市未来发展中占有重要的
地位，而通达便利的交通和优良的环境质量是该地区经济社会发展的重要条件和
基础保障。建设中的五角场环岛地区是江湾五角场副中心的核心部分，同时也是
杨浦区最重要的交通枢纽。随着杨浦区经济持续繁荣发展，江湾五角场城市副中
心地位的逐渐确立，环岛地区交通量将急剧增加，交通污染日趋严重，机动车排
放的 CO 、NOX等有害物质可能成为该区域大气污染的主要来源，影响区域的环
境质量。
因此，本论文以上海市教委基金项目“基于环境质量目标约束的五角场环岛
地区交通污染控制优化研究”的科研项目而展开，研究五角场环岛地区的交通组
织与环境质量的协调，建立基于交通污染目标约束的信号配时优化模型，提出交
通组织优化方案，对实现城市副中心地区可持续发展，将具有十分重要的意义。
§1.2 国内外研究现状
下面从交叉口渠化交通、信号设计两方面对国内外研究情况进行概述。交叉
口渠化交通、信号设计等交通组织方式是对通行能力分配和路权分配问题，能够
改善交叉口周边的环境、减少汽车尾气排放量，因此逐渐引起国内外交通领域的
关注和兴趣原因是显而易见的。
第一章 绪 论
3
§1.2.1 国外研究现状
早在 70 年代发达国家就开始对交通和尾气排放的关系进行研究，发展至今交
通与尾气排放的研究己成为国外交通领域的一个重要分支。专家学者在开展宏观
方面研究的同时也把注意力集中向路网的局部区域，比如采用交通控制措施的特
殊路段、交叉口等，并通过研究路段的交通特性和机动车的运行状态来分析机动
车的尾气排放。
1) 信号设计与尾气排放关系研究
在信号设计方面发达国家做了大量的研究工作，逐步向区域交通信号协调控
制对环境的影响的研究方向发展。例如 Zietsman 等[9]对车辆各种排放物在交叉口
红信号前的怠速和熄火、重新启动两种策略的排放进行比较分析。
Kamesh Vyethavya Sista[10], M.S.研究了信号配时对机动车 NOX气体排放的影
响，使用 OBS-1300 和MEXA-720-NOX测试系统对一条主要街道上的 15 个信号
交叉口进行了调查，利用统计学方法得出在信号配时调整后，在上午 7-9 点、下午
4-6:30 高峰时段 NOX排放量减少 36.1%，平峰时段减少 28.4%。信号配时对 NOX
排放减少有积极的效果。研究中采用了较为精确的测试系统，充分考虑到多信号
交叉口的影响因素。
Rupangi Prakash Munshi[11]针对信号灯同步对机动车排放的影响进行分析，通
过使用 OBS-1300 便携设备对信号同步前后排放的测量，指出信号同步后对 NOX
排放没有影响，信号配时、平均速度增加与 NOX排放成比例，同时，像周围温度、
驾驶行为、高峰状态和工作日都显著影响 NOX排放。瞬时排放模型也指出除了瞬
时速度和加速度，发动机参数对 NOX排放影响明显。研究中同样采用了较为精确
的测试系统，并考虑到影响机动车排放的天气因素。
Heung Gweon Sin[12]研究了信号协调配时对一定区域内的平均车速、平均停车
时间、行车安全、尾气排放和燃油消耗产生的效益。在对区域内 21 个信号交叉口
使用 MEXA-720-NOX设备对机动车排放物调查后，指出从统计学上信号协调配时
对HC 排放量完全没有变化，CO 排放量增加，NOX排放量减少程度不大，其值可
以忽略。研究中涉及到研究对象为面分布的信号交叉口，考虑到区域信号控制与
交通尾气污染的影响关系。
2) 渠化交通与尾气排放关系研究
在渠化交通方面发达国家环形交叉口应用广泛，环形交叉口对尾气排放影响
研究也比较多。例如 Srinivas Mandavilli and Eugene R. Russell 等[13]研究了现代环形
交叉口对机动车排放的影响，使用 OBS-1300 便携设备对机动车排放物测量后，指
基于交通污染的城市道路环形交叉口的信号配时优化研究
4
出交叉口改造为环形交叉口后，机动车排放明显减少，使得交叉口更加环境友好。
Zollikofen 在瑞士将两个重要信号交叉口改建为环形交叉口，机动车尾气排放量减
少17%[14]。
Varhelyi 于Sweden 在将信号交叉口改建为环形交叉口后，研究发现 CO
排放减少 29%，NOX减少 21%[15]。
Margarida[16]等对机动车在“环岛”的行驶工况和交通特性进行了分析，使用车
载尾气检测设备 PEMS，并结合 VSP 方法得出了机动车在环岛上的排放模型，通
过计算得出，机动车从静止加速到正常行驶速度过程中排放的 CO 占到 CO 全部排
放的 25%;同时通过实例证明，当机动车从 20 公里/小时增加到 90 公里/小时，CO、
NOX、HC、CO2各自分别增加了 677%、262%、179%和88%，说明 CO 的排放与
机动车从正常速度减速到静止，接着从静止加速到正常速度的驾驶模式有着较大
的相关性。
Mihriban Sogutlugil[17]比较研究了高速公路上平均车速、车道占有率不同情况
下机动车排放污染物 CO、NOX、O3等等的差异。
§1.2.2 国内研究现状
国内近十年来专家学者也已经开始关注利用交通组织来改善机动车尾气排
放。在借鉴国外的研究成果上，结合中国的实际交通状况进行了相关研究。但是
总体来说，我国在这方面的研究还属于刚刚起步阶段。
1) 信号设计与尾气排放关系研究
在信号设计方面，李修刚等[18]针对单点交叉口提出了以“交通、污染、能耗”
为优化目标的信号配时方法，使用车载尾气检测设备 PEMS，并借用美国《通行能
力手册》计算公式以及其它经验公式等确定了信号配时与交通延误、尾气排放、
燃油消耗之间的关系;在此基础上，利用全面枚举法，在保持各相位绿信比不变的
条件下，将信号周期的步长取 1秒，运算得到优化信号配时方案。他们选取南京
市一个交叉口进行分析，经过运算得到优化信号配时方案。将交叉口每辆机动车
的延误从 19 秒减少到 15 秒，HC、CO 及NOX的排放分别从 9054.7g/h、75767.5g/h、
5331.7g/h 减少到 8811.2g/h、75569.8g/h、5275.8g/h。
韩立波[19]对单点信号交叉口配时进行优化仿真，通过使用 OEM-2100 测试系
统对两种有代表性的轻型车在特定交叉口的瞬时排放进行测试，指出早晚高峰期
排放很高，平峰期较低，早晚高峰时期 NOX排放量接近是平峰期的 2.5 倍；早高
峰时期 HC 排放量比晚高峰低 8％左右，是平峰期近 2倍之多；晚高峰 CO 排放量
比早高峰高约 15％，却是平峰时段的 2.5 倍左右；NOX对速度的变化最为敏感，
其排放速率随速度的增加明显呈超线性增长趋势。HC 和CO 平均排放率在低速情
第一章 绪 论
5
况下很高，随着速度升高而逐步降低，而且瞬时排放率随着加速度的变化剧烈变
化，且有很强的规律，当加速度增加时，排放率迅速增加，加速度减小时排放率
下降。
张潇[20]对定量评价各种交通信号控制策略对尾气排放的影响的评估手段作了
研究，收集和比较了北京市典型信号协调路段与普通路段的实测尾气数据，利用
构建的 GIS 分析平台对线控和非线控实测排放数据的对比分析，发现线控路段的
HC 和CO 分别比非线控路段降低了 50%、30%，而 NOX和油耗增加了 8%，说明
了对路段进行信号协调控制可以有效的减少 HC、CO 的排放。
2)渠化交通与尾气排放关系研究
在渠化交通方面，周洪昌、李鹏飞[21、22]以典型城市干道交叉口为实例，研究
了交叉口污染物排放与交通流量和停车延误的关系，提出改进交叉口交通组织方
案，改进的方案将每个进口道的路段为两车道,交叉口处设置专用左转短车道。设
计相位为四相位,每个方向都设左转相位。预测改进后 CO 浓度减少 30%。以典型
城市高架道路为实例，分析了城市一般道路上和城市高架道路下机动车排放污染
物CO 浓度差异的原因。
张潇、于雷、宋国华等[23]使用车载尾气检测设备 PEMS 收集了交叉口和路段
的实时尾气排放数据，指出交叉口各种转向排放均高于路段排放,而且高低不同,其
中左转最高,是路段各污染物排放的 1.6-3 倍;直行和右转较低且具有相似特征,是路
段排放的 1.1-1.8 倍。立体交叉口排放比平面交叉口多。CO 在交叉口各转向和路
段排放系数比 HC 高10%-60%,比NOX高50%-85%,机动车在交叉口停车等候会造
成更严重的污染。
§1.2.3 评价与启示
表1-1 国内外相关研究现状对比
序
号
作者
研究对象
仪器设备
考虑因素
1
Kamesh
Vyethavya Sista,
M.S.
一条主要街道上的
15 个信号交叉口
OBS-1300 和
MEXA-720-NOX
信号配时
2
Rupangi Prakash
Munshi
多个信号交叉口
OBS-1300
信号配时
3
Heung Gweon Sin
区域内 21 个信号
交叉口
MEXA-720-NOX
信号配时
摘要：

摘要随着国民经济和城市化建设的高速发展，城市机动化程度越来越高，机动车拥有量的提高进一步推动了社会进步、方便了居民出行，与此同时也造成了环境污染，严重影响着城市交通环境质量。城市交通运输环境污染主要包括汽车排放污染、交通噪声污染和大气污染等，在这几方面中，汽车排放污染越来越引起交通运输领域的广泛关注。如何掌握汽车排放污染物的生成机理及影响因素，通过交通管理与控制手段，减少汽车在途中、交叉口的停留时间，使城市交通污染排放得以控制，是当今世界大城市面临的主要难题之一，城市交通与环境的协调发展成为亟待研究的课题。城市道路平面交叉口的功能是把道路相互联结起来构成道路网，是道路网络中通行能力的“隘路”和...

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