左轉(zhuǎn)車道設(shè)計(jì)對交通排放的影響研究

唐天杰，鄒剛濤，陸 鍵，張 毅，張文丹

（1.江蘇省無錫市公路管理處，江蘇 無錫 214031；2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3.上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；4.上海港航交通科技發(fā)展有限公司，上海 200030）

左轉(zhuǎn)車道設(shè)計(jì)對交通排放的影響研究

唐天杰1，鄒剛濤1，陸 鍵2，張 毅3，張文丹4

（1.江蘇省無錫市公路管理處，江蘇 無錫 214031；2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3.上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；4.上海港航交通科技發(fā)展有限公司，上海 200030）

文章結(jié)合基于VSP（Vehicle Specific Power）的交通排放模型和交通仿真模型VISSIM，對左轉(zhuǎn)車道設(shè)計(jì)對交通運(yùn)行和交通尾氣排放（CO、HC和NOX）的影響進(jìn)行研究。結(jié)果表明，單純的設(shè)計(jì)左轉(zhuǎn)車道雖然提高了左轉(zhuǎn)車流所擁有的通行能力，但是不僅不能降低車均延誤和平均停車次數(shù)，而且還會導(dǎo)致CO、HC和NOX3種氣體的尾氣排放量升高，建議對于左轉(zhuǎn)車道應(yīng)設(shè)置左轉(zhuǎn)專用信號相位或進(jìn)行停車線提前設(shè)計(jì)。

交叉口設(shè)計(jì)；左轉(zhuǎn)車道；交通排放；交通仿真

1 概述

隨著全球環(huán)境問題、能源問題的日益突出，如何進(jìn)行可持續(xù)的、低污染的發(fā)展，越來越受到人們的關(guān)注。交通行業(yè)不僅是城市發(fā)展的重要環(huán)節(jié)之一，也是空氣污染和能源消耗的主要領(lǐng)域之一。截至2014年底，我國公路總里程已達(dá)446.39萬km，如何建設(shè)可持續(xù)、低污染的公路將是未來交通發(fā)展的非常重要的研究課題。

目前，交通仿真模型與排放預(yù)測模型相結(jié)合對道路排放進(jìn)行測算與評價是主流研究方法。通過采用VISSIM與CMEM、PARAMICS等交通仿真軟件，結(jié)合CMEM、MOBILE、PARAMICS等排放模型，國外學(xué)者們對不同類型道路上、不同交通狀況的機(jī)動車排放及油耗進(jìn)行了預(yù)測［1-4］，并分析了不同道路交通特征改變對機(jī)動車排放的影響［5-6］。通過采用VISSIM與CMEM、PERE等仿真軟件，結(jié)合基于VSP變量的尾氣排放模型等的結(jié)合，國內(nèi)學(xué)者分析了線控、公交專用道設(shè)置、信號管控策略等對交通排放的影響［7-11］。張本等建立了包含IVE的城市微觀交通仿真模型，實(shí)現(xiàn)了微觀交通流的模擬和車隊(duì)碳排放的計(jì)算［12］。此外，很多有關(guān)綠色交通的研究涉及到道路設(shè)計(jì)因素，例如平曲線、道路坡度、交叉口和道路材質(zhì)的設(shè)計(jì)等，希望通過改進(jìn)道路設(shè)計(jì)的方法來減少交通排放［13-15］ 。

公路網(wǎng)的結(jié)構(gòu)組成可分為路段和交叉口兩個部分，而交叉口往往是公路網(wǎng)的交通瓶頸所在。車輛在路段上行駛通常處于相對平穩(wěn)的狀態(tài)，臨近交叉口之后，車輛的變道行為、跟馳行為和轉(zhuǎn)向行為等速度波動較大的駕駛行為，均受到交叉口的影響，而速度的變化往往會導(dǎo)致較高的尾氣排放。因此，本文選取公路交叉口進(jìn)口道的左轉(zhuǎn)車道設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，采用交通仿真軟件VISSIM與基于VSP（Vehicle Specific Power）的排放模型相結(jié)合的研究方法，研究左轉(zhuǎn)車道設(shè)計(jì)對交通流運(yùn)行情況和交通尾氣排放的影響。

2 基于VSP的排放計(jì)算方法

VSP（Vehicle Specific Power）即比功率，是衡量汽車動力性能的一個綜合指標(biāo)。比功率VSP的概念最早是由Jiménez-Palacios提出的，它可以在車輛的瞬時行駛情況與其相應(yīng)的尾氣排放情況之間建立有效的聯(lián)系。上海交通大學(xué)交通研究中心利用車載檢測設(shè)備OBEAS-3000進(jìn)行了實(shí)地的交通尾氣排放采集，基于VSP的概念，分別獲得了輕型車和重型車的不同VSP對應(yīng)區(qū)間的CO、HC和NOX3種尾氣的排放率表。本文的排放計(jì)算基于這一研究成果，通過交通仿真軟件VISSIM獲得交通仿真路網(wǎng)中所有機(jī)動車的每秒鐘的速度、加速度以及車重；基于以上數(shù)據(jù)，進(jìn)行基于VSP的排放計(jì)算，進(jìn)而獲得交通仿真過程中各個車輛以及整個路網(wǎng)的交通排放情況。

基于VSP的排放計(jì)算具體可分為3個步驟：

（1）VSP的計(jì)算

交通仿真軟件VISSIM運(yùn)行之后，會輸出交通仿真路網(wǎng)中所有機(jī)動車的每秒鐘的速度、加速度以及車重。對于輕型車，將車輛每秒鐘的速度和加速度帶入輕型車VSP計(jì)算公式（1）中，可以得到每輛輕型車每秒鐘的VSP值。對于重型車，將車輛每秒鐘的速度、加速度和車重帶入重型車VSP計(jì)算公式（2）中，可以得到每輛重型車每秒鐘的VSP值。

式中：v為行駛速度；a為行駛加速度；m為機(jī)動車的質(zhì)量。

（2）排放率的確定

由于相同的VSP值可能對應(yīng)不同的尾氣排放量，為了更好地對機(jī)動車的排放情況進(jìn)行分析和預(yù)測降低數(shù)據(jù)的離散型，對VSP進(jìn)行BIN區(qū)間劃分，對于每一個BIN區(qū)間，將其內(nèi)的所有VSP值所對應(yīng)的瞬時排放率取平均值，作為該BIN區(qū)間對應(yīng)的排放率。

對各個區(qū)間的頻數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，VSP值落在區(qū)間［-25，25］內(nèi)的數(shù)據(jù)量占總體的90.31%。為了更準(zhǔn)確地量化基于VSP的排放率，結(jié)合實(shí)際排放數(shù)據(jù)情況，本文在區(qū)間［-25，25］內(nèi)，選取1 kW/t為步長進(jìn)行VSP的BIN區(qū)間的劃分，在區(qū)間［-25，25］外，對VSP的BIN區(qū)間進(jìn)行粗略劃分。對每個VSP的BIN區(qū)間的所有數(shù)據(jù)的排放率進(jìn)行處理，求得對應(yīng)的CO、HC和NOX3種氣體的平均排放率，從而得到VSP的各個BIN區(qū)間所對應(yīng)的排放率。排放率乘以時間得到尾氣排放量。

（3）交通排放量的確定

將第2步中已經(jīng)得到的每輛車每秒鐘的尾氣排放量相加，即為每輛車在仿真時間內(nèi)的尾氣排放量；將所有車輛的尾氣排放量相加，即得到仿真時間內(nèi)該路網(wǎng)的總體尾氣排放量。

3 左轉(zhuǎn)車道對排放影響的仿真分析

3.1 場景設(shè)計(jì)

本文選用十字型信號交叉口以及其上游和下游的部分路段，利用VISSIM仿真軟件進(jìn)行交通仿真平臺的搭建。仿真方案的具體設(shè)計(jì)如下：東西方向?yàn)橹饕缆?，雙向6車道，南北方向?yàn)榇我缆罚p向4車道；交叉口的上游和下游各覆蓋500 m的路段區(qū)域，采用最普遍的兩相位信號配時方案，東西向主要道路獲得綠燈時間28 s，南北向次要道路獲得綠燈時間27 s，兩相位分別配有3 s的黃燈時間，無全紅時間；主要道路東西方向的交通流均設(shè)置為800 pcu/h，次要道路南北方向的交通流均設(shè)置為200 pcu/h；對應(yīng)排放計(jì)算的車型，交通流組成分成輕型車和重型車兩類，輕型車占總體的70%，重型車占總體的30%；輕型車的期望自由流車速設(shè)置為70 km/h，重型車的期望自由流車速設(shè)置為60 km/h，期望速度的分布采用仿真軟件中的默認(rèn)分布設(shè)置；東西南北4個方向的進(jìn)口道的交通流轉(zhuǎn)向情況一致，直行車輛占總體的60%，左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)車輛分別占總體的20%；設(shè)置仿真開始的600 s為啟動時間，只輸出600～3 600 s仿真時間的數(shù)據(jù)作為分析使用。

左轉(zhuǎn)車道的設(shè)計(jì)可分為左轉(zhuǎn)專用車道（即不拓寬，將道路最內(nèi)側(cè)的車道設(shè)計(jì)為左轉(zhuǎn)車道）和左轉(zhuǎn)拓寬車道（即在進(jìn)口道處拓寬，將拓寬車道設(shè)計(jì)為左轉(zhuǎn)車道）2類，本文將分別對左轉(zhuǎn)車道的2種情況進(jìn)行分析。為了便于分析，僅對東西方向的主要道路的進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車道設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，各場景中的信號配時、交通流等其他輸入信息均保持一致。具體的場景設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 左轉(zhuǎn)車道仿真場景設(shè)計(jì)

3.2 仿真輸出與排放計(jì)算

研究過程中共考量5個指標(biāo)，其中，車均延誤、平均停車次數(shù)用于評價交通運(yùn)行情況，CO、HC和NOX3種尾氣的排放量用于評價交通排放情況。經(jīng)計(jì)算，各個場景中所有車輛的5項(xiàng)指標(biāo)如表2所示。

場景L中將一條直左車道變成一條左轉(zhuǎn)專用車道之后，其各向指標(biāo)均高于基準(zhǔn)場景B，場景LB中增加一條左轉(zhuǎn)拓寬車道之后，其除了平均停車次數(shù)之外的各向指標(biāo)均低于基準(zhǔn)場景B。為了進(jìn)一步探究左轉(zhuǎn)車道對交通運(yùn)行和尾氣排放的影響，對各個場景中的左轉(zhuǎn)車流的車均延誤、平均停車次數(shù)以及CO、HC和NOX3種氣體的尾氣排放量這5項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)一步進(jìn)行分析。

3.3 左轉(zhuǎn)車流的排放影響分析

各個場景中左轉(zhuǎn)車輛的車均延誤、平均停車次數(shù)以及CO、HC和NOX3種尾氣排放的總量如表3所示。

在場景L中，車均延誤升高了5.37%，平均停車次數(shù)升高了9.71%；CO排放量升高了85.55%，HC排放量升高了21.88%，NOX排放量升高了8.12%。

在場景LB中，車均延誤升高了8.75%，平均停車次數(shù)升高了26.72%；CO排放量升高了84.53%，HC排放量升高了21.24%，NOX排放量升高了7.33%。

場景L中的左轉(zhuǎn)專用車道和場景LB中的左轉(zhuǎn)拓寬車道，都升高了左轉(zhuǎn)車道的通行能力。但是，左轉(zhuǎn)車輛的通行效率（對應(yīng)于車均延誤）和行駛平順性（對應(yīng)于平均停車次數(shù)）并沒有因此而提高，尤其是平均停車次數(shù)這個指標(biāo)，在場景L中升高9.71%，在場景LB中升高26.72%。

表2 左轉(zhuǎn)車道場景中所有車輛的5項(xiàng)指標(biāo)

表 3 左轉(zhuǎn)車道場景中左轉(zhuǎn)車輛的5項(xiàng)指標(biāo)

對比場景L和場景LB的5項(xiàng)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，場景LB中的車均延誤和平均停車次數(shù)相對較高，但是其CO、HC和NOX3種尾氣排放的總量卻相對較低。場景LB中的車均延誤和平均停車次數(shù)相較于場景B當(dāng)中更高一些，但是，由于左轉(zhuǎn)車輛處于等待的時間相對較長，速度波動反而相對較小，因此，其CO、HC和 NOX3種尾氣排放的總量反而相對少一些。

左轉(zhuǎn)車輛在交叉口內(nèi)運(yùn)行時主要受到交叉口的信號配時方案和對向的直行車流的影響。由于交叉口的信號配時在本文中始終保持不變，可以推斷，對向的直行車流是導(dǎo)致左轉(zhuǎn)車輛通行效率和行駛平順性下降的主要原因。由于左轉(zhuǎn)專用車道和左轉(zhuǎn)拓寬車道的存在，左轉(zhuǎn)車輛可以在綠燈啟亮之初便通過停車線駛?cè)虢徊婵冢怯捎谵D(zhuǎn)彎車輛需要給直行車輛讓行，左轉(zhuǎn)車輛需要等到對向的直行車輛通過之后才能繼續(xù)通行。而綠燈啟亮之初，對向直行車流車隊(duì)前部的車輛是相對連續(xù)通過的。所以，對于大部分的左轉(zhuǎn)車輛而言，需要在交叉口內(nèi)進(jìn)行二次停車等待給對向直行車輛讓行。在基準(zhǔn)場景B中，當(dāng)左轉(zhuǎn)車輛與直行車輛共用一條直左車道時，由于左轉(zhuǎn)車輛需要與直行車輛排在一條車隊(duì)之中，當(dāng)綠燈啟亮之后，左轉(zhuǎn)車輛排隊(duì)進(jìn)入交叉口時，有可能對向的直行車流已經(jīng)通過或者碰到對向直行車流車隊(duì)后部的空隙，這樣的情況就降低了左轉(zhuǎn)車輛在交叉口內(nèi)二次停車的概率。因此，在場景L和場景LB中，雖然左轉(zhuǎn)車道給以了左轉(zhuǎn)車輛更大的通行能力，但是卻也增加了左轉(zhuǎn)車輛在交叉口內(nèi)二次停車的概率，導(dǎo)致車均延誤和平均停車次數(shù)不僅沒有減小，反而相對提升了。相對應(yīng)的，場景L和場景LB中，左轉(zhuǎn)車輛CO、HC和NOX3種尾氣排放的總量也隨著通行效率和行駛平順性的下降而提升了。

4 左轉(zhuǎn)車道的設(shè)計(jì)建議

通過場景B、L和LB的研究發(fā)現(xiàn)，單純的設(shè)計(jì)左轉(zhuǎn)車道雖然提高了左轉(zhuǎn)車流所擁有的通行能力，但是不僅不能降低車均延誤和平均停車次數(shù)，反而還會導(dǎo)致CO、HC和NOX3種氣體的尾氣排放量的升高。左轉(zhuǎn)車流在交叉口內(nèi)部的運(yùn)行情況相對直行和右轉(zhuǎn)車流要復(fù)雜很多，單純地提高通行能力或者降低延誤和停車次數(shù)，均不能保證尾氣排放的降低。

為此本文建議如下：根據(jù)實(shí)際的交通流情況，合理進(jìn)行左轉(zhuǎn)車道的設(shè)計(jì)。如果需要設(shè)計(jì)左轉(zhuǎn)專用車道或左轉(zhuǎn)拓寬車道，則務(wù)必配合設(shè)計(jì)左轉(zhuǎn)專用信號相位，如果不能設(shè)計(jì)左轉(zhuǎn)專用信號相位，則至少要對左轉(zhuǎn)車道進(jìn)行合理的停車線提前的設(shè)計(jì)，保證左轉(zhuǎn)車流在交叉口內(nèi)的運(yùn)行情況盡量簡單，從而達(dá)到減少尾氣排放的效果。如果無法設(shè)計(jì)左轉(zhuǎn)專用信號相位，或者無法對左轉(zhuǎn)車道進(jìn)行停車線提前設(shè)計(jì)，則從交通運(yùn)行和交通減排兩方面考慮，不管道路資源如何充足，均不應(yīng)設(shè)計(jì)左轉(zhuǎn)車道。

5 結(jié)語

本文以交通尾氣排放為切入點(diǎn)，在總結(jié)和分析了國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)之上，以公路設(shè)計(jì)因素中的左轉(zhuǎn)車道設(shè)計(jì)與交通尾氣排放的關(guān)系為主要內(nèi)容進(jìn)行了研究。通過交通仿真模型VISSIM與基于VSP的交通排放模型的結(jié)合應(yīng)用，探究了左轉(zhuǎn)車道的設(shè)計(jì)對交通運(yùn)行和交通排放的影響。研究發(fā)現(xiàn)，單純的設(shè)計(jì)左轉(zhuǎn)車道雖然提高了左轉(zhuǎn)車流所擁有的通行能力，但是不僅不能降低車均延誤和平均停車次數(shù)，而且還會導(dǎo)致CO、HC和NOX3種氣體的尾氣排放量升高。因此，從交通運(yùn)行和排放的角度來講，對于左轉(zhuǎn)車道的設(shè)計(jì)，左轉(zhuǎn)專用信號相位或停車線提前的配合設(shè)計(jì)是十分必要的。

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Effects of Left-Turn Lane Design on Traffic Emissions

Tang Tianjie1, Zou Gangtao1, Lu Jian2, Zhang Yi3, Zhang Wendan4
（1. Wuxi Highway Administration Office, Wuxi 214031, China; 2. Key Laborary of Road and Traffic Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China; 3. The State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 4. Shanghai Transport & Port Research Center, Shanghai 200030, China）

Based on the application of VPS-based traffic emission model and traffic simulation model VISSIM, the effects of leftturn lane design on traffic operation and traffic emissions (CO、HC and NOX) are analyzed. The results find that the left-turn lane setting might enhance the left-turn traffic capacity but resulted in the increase of traffic delay, average number of stops and the emissions of CO, HC and NOX. From the aspect of traffic operation and emissions, this paper emphasizes the necessity of left-turn signal phase or advanced stop line for left-turn lane set.

intersection design; left-turn lane; traffic emissions; traffic simulation

U491.9 U491.2+22

A

1672-9889（2016）05-0064-04

2016-01-17）

國家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號：51078232，51308336）， 江蘇省交通運(yùn)輸科學(xué)計(jì)劃（項(xiàng)目編號：12N11），山西省交通運(yùn)輸廳科學(xué)計(jì)劃（項(xiàng)目編號：2012-1-15）

唐天杰（1984-），男，江蘇無錫人，高級工程師，主要從事智能交通和交通管理工作。