單點(diǎn)交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化與碳排放的案例

蘇春敏，潘瑞春，周成軍，周新年，姚世瑞，李森鵬

(1.福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建福州350002；2.福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，福建福州350003)

單點(diǎn)交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化與碳排放的案例

蘇春敏1，潘瑞春2，周成軍1，周新年1，姚世瑞1，李森鵬1

(1.福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建福州350002；2.福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，福建福州350003)

闡釋城市道路單點(diǎn)信號(hào)控制交叉口存在的問(wèn)題及其改善措施.選取福州市馬尾區(qū)羅星西路與青州路十字信號(hào)控制交叉口，調(diào)查分析該交叉口原配時(shí)方案，發(fā)現(xiàn)該交叉口存在早、晚高峰現(xiàn)象，且信號(hào)配時(shí)不優(yōu).運(yùn)用Synchro軟件進(jìn)行交通配時(shí)優(yōu)化，得出信號(hào)配時(shí)方案，再運(yùn)用Vissim軟件進(jìn)行仿真，優(yōu)化后該交叉口各個(gè)進(jìn)口道的平均排隊(duì)長(zhǎng)度和延誤時(shí)間均降低.將信號(hào)管制下交叉口范圍內(nèi)的碳排放作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析，該交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化后早、晚高峰碳排放量分別降低21.47%和18.06%.

交通工程；碳排放；信號(hào)配時(shí)優(yōu)化；十字信號(hào)交叉口；交通仿真

在城市交通路網(wǎng)中，平面交叉口交通環(huán)境通常為機(jī)非混行，造成交通擁堵、行車(chē)速度降低和燃料費(fèi)用增加.機(jī)動(dòng)車(chē)在交叉口范圍內(nèi)低速行駛產(chǎn)生并排放大量有害氣體，導(dǎo)致人們的生活環(huán)境日益惡化.交通信號(hào)燈主要由機(jī)動(dòng)車(chē)、非機(jī)動(dòng)車(chē)和人行橫道信號(hào)燈組成.交通信號(hào)燈通過(guò)控制各向同時(shí)到達(dá)的交通流有秩序地通行，從而提高交叉口的通行能力，保障交叉口的安全和通暢.交通信號(hào)燈的合理配時(shí)至關(guān)重要，進(jìn)行合理的信號(hào)燈配時(shí)才能使各類(lèi)各向的交通流高效有序地在道路交叉口通行.

1 城市單點(diǎn)信號(hào)控制的常見(jiàn)問(wèn)題及改善措施

在城市道路交通信號(hào)的控制中，線控與面控覆蓋的區(qū)域外存在許多獨(dú)立控制的交叉口，解決城市交通問(wèn)題的關(guān)鍵在于如何合理有效地組織單點(diǎn)交叉口的交通.對(duì)于信號(hào)控制的單點(diǎn)平面交叉口來(lái)說(shuō)，信號(hào)配時(shí)優(yōu)化通常在于減少車(chē)流的延誤時(shí)間和平均排隊(duì)長(zhǎng)度，提高交叉口的通行能力和服務(wù)水平[1].

1.1 問(wèn)題

1.1.1 信號(hào)相位不合理 在平面交叉口信號(hào)控制中，信號(hào)相位和相位放行順序?qū)π盘?hào)時(shí)間的利用率、交叉口交通安全和整個(gè)交叉口運(yùn)行效益的發(fā)揮起著決定性的作用[2].信號(hào)相位的數(shù)目、組合與平面交叉口的形狀、交通流組成、交通流方向有關(guān).若沒(méi)有根據(jù)交通、道路的條件進(jìn)行合理的相位相序設(shè)計(jì)，將導(dǎo)致整個(gè)交叉口交通擁堵.

1.1.2 信號(hào)配時(shí)不當(dāng) 信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)是單點(diǎn)信號(hào)控制交通效益的關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)置過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短的信號(hào)周期都會(huì)增加交叉口的延誤時(shí)間.若增加周期時(shí)長(zhǎng)能增大通行能力，但當(dāng)周期時(shí)長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)，通行能力增長(zhǎng)緩慢，車(chē)輛的延誤時(shí)間卻迅速增長(zhǎng)；當(dāng)信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)過(guò)短時(shí)，道路通行權(quán)頻繁交替，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)損失的綠燈時(shí)間與信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)的比例變化大，引起交叉口的服務(wù)水平降低.在信號(hào)周期和相位數(shù)確定的情況下，各相位配時(shí)分配直接影響各進(jìn)口不同方向車(chē)流的通行能力.

1.1.3 行人、非機(jī)動(dòng)車(chē)信號(hào)配時(shí)不足 行人相位一般由行人清空時(shí)間和綠燈時(shí)間兩部分組成，但行人相位時(shí)間大部分為綠燈時(shí)間，行人清空時(shí)間一般3 s左右[2].過(guò)街信號(hào)配時(shí)不足，在綠燈末期才開(kāi)始過(guò)街的行人、非機(jī)動(dòng)車(chē)與相交方向的機(jī)動(dòng)車(chē)相互干擾；清空時(shí)間不足，前一個(gè)相位綠燈末期進(jìn)入的車(chē)輛還沒(méi)有通過(guò)人行橫道，引起交通流相互干擾；左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)信號(hào)配時(shí)不足，左轉(zhuǎn)非機(jī)動(dòng)車(chē)(綠燈末期駛?cè)?與對(duì)向直行非機(jī)動(dòng)車(chē)(綠燈初期出發(fā))將發(fā)生沖突.

1.2 措施

在城市單點(diǎn)信號(hào)配時(shí)設(shè)置時(shí)應(yīng)綜合考慮城市生產(chǎn)生活的特點(diǎn)、土地利用布局及交通流向、流量的特征.在設(shè)置相位數(shù)目時(shí)，應(yīng)提高信號(hào)周期內(nèi)的有效通行時(shí)間；在設(shè)置信控周期時(shí)，應(yīng)確定最小周期和最佳周期的時(shí)間；在相位組合和相序設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮交通流及其相互干擾的程度，保證行人和非機(jī)動(dòng)車(chē)的安全.

2 碳排放與耗能分析

交通運(yùn)輸是溫室氣體排放的主要領(lǐng)域之一，其主要燃料是汽油和柴油.汽車(chē)尾氣常含固體懸浮物、氮氧化物、CO、CO2、HC，其中，CO2的排放量最多.機(jī)動(dòng)車(chē)在城市道路上行駛時(shí)產(chǎn)生的尾氣排放主要有兩部分:行駛過(guò)程中的尾氣排放、信號(hào)交叉口前停車(chē)等待產(chǎn)生的尾氣排放[3].

在仿真3 600 s期間進(jìn)入交叉口范圍內(nèi)的車(chē)輛碳排放主要與車(chē)輛油耗量有關(guān)，每輛車(chē)油耗主要有:剎車(chē)減速和起步加速時(shí)的油耗、怠速時(shí)和正常行駛時(shí)的油耗.機(jī)動(dòng)車(chē)通過(guò)信號(hào)控制交叉口有3種可能的方式，即減速通過(guò)、不減速通過(guò)和停車(chē)后通過(guò)，不完全停車(chē)只發(fā)生在排隊(duì)尾車(chē)即將啟動(dòng)且有后續(xù)車(chē)輛加入排隊(duì)時(shí)，故每周期不完全停車(chē)車(chē)輛數(shù)很少[3].信號(hào)交叉口紅燈與綠燈期間的交通流運(yùn)行規(guī)律存在明顯差異，而機(jī)動(dòng)車(chē)起步加速時(shí)尾氣排放量比怠速、剎車(chē)減速時(shí)顯著增加[4].汽車(chē)怠速等候時(shí)油耗5 g·min－1，汽車(chē)每啟動(dòng)1次的油耗量可以行駛3 000 m，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損相當(dāng)于行駛50 000 m的磨損量；汽車(chē)每緊急制動(dòng)1次的油耗量可以行駛2 000 m，對(duì)輪胎的磨損相當(dāng)于行駛80 000 m的磨損量[5].因此，比較不同信號(hào)管制下車(chē)輛油耗量的差異主要與剎車(chē)減速、起步加速的次數(shù)，怠速油耗和怠速時(shí)間有關(guān).為分析因信號(hào)管制下交叉口范圍內(nèi)的碳排放，作以下假設(shè):所有車(chē)輛在交叉口處都為完全停車(chē)情形，即在交叉口信號(hào)相位的控制下，直行、左轉(zhuǎn)車(chē)輛分別計(jì)剎車(chē)減速、起步加速一次，右轉(zhuǎn)不計(jì)；所有車(chē)輛在不同信號(hào)控制下交叉口范圍內(nèi)正常行駛時(shí)油耗總量一定；每輛車(chē)的怠速時(shí)間取仿真的平均停車(chē)時(shí)間；每個(gè)進(jìn)口道通過(guò)車(chē)輛數(shù)取仿真通過(guò)的車(chē)輛數(shù).

2.1 汽車(chē)的油耗

2.1.1 汽車(chē)剎車(chē)減速和起步加速時(shí)的油耗 小轎車(chē)質(zhì)量按m，車(chē)輪滾動(dòng)阻力系數(shù)0.015(路面良好)，該路段設(shè)計(jì)速度為40 km·h－1，交叉口設(shè)計(jì)速度取60%計(jì)算，即交叉口設(shè)計(jì)速度為24 km·h－1，以小轎車(chē)為例計(jì)算，剎車(chē)停止時(shí)損失的動(dòng)能為:

產(chǎn)生的動(dòng)能推動(dòng)車(chē)輪行駛距離為:

一次剎車(chē)耗費(fèi)的能量，相當(dāng)于小轎車(chē)行駛151 m消耗的能量，小轎車(chē)每百公里油耗按8 L計(jì)算，一次剎車(chē)的油耗量為:

假設(shè)小轎車(chē)剎車(chē)減速一次的油耗V1和起步加速一次的油耗V2相等[6]，即:

V1＝V2＝0.012 1 L

同理，所有大貨車(chē)按空載每百公里油耗32 L計(jì)算，

大貨車(chē)剎車(chē)減速一次的油耗V3和起步加速一次的油耗V4為:

V3＝V4＝0.048 3 L

2.1.2 汽車(chē)怠速時(shí)的油耗 市面上主流排量的車(chē)型(1.4～2.5 L)的小轎車(chē)正常情況怠速油耗2～4 L· h－1，取中間值3 L·h－1，即小轎車(chē)怠速時(shí)每秒的油耗為:

同理，貨車(chē)怠速油耗按12 L·h－1計(jì)算:

2.1.3 汽車(chē)總油耗 (1)直行、左轉(zhuǎn)車(chē)的油耗量:

式中:l為總油耗量(L)；l1為小轎車(chē)總油耗量(L)；l3為貨車(chē)總油耗量(L)；N為每個(gè)進(jìn)口道通過(guò)的車(chē)輛數(shù)；?1為每個(gè)進(jìn)口道小轎車(chē)的比例；?3為每個(gè)進(jìn)口道貨車(chē)的比例；t為平均停車(chē)時(shí)間(s)；N1為小轎車(chē)車(chē)輛數(shù)；N3為貨車(chē)車(chē)輛數(shù).

(2)右轉(zhuǎn)車(chē)的油耗量:

2.2 碳排放

2.2.1 消耗每升汽油、柴油的碳排放 90＃、93＃和97＃的汽油分別表示含有90%、93%和97%的抗爆震能力強(qiáng)的“異辛烷”[7].以93＃汽油計(jì)算，其密度為730 g·L－1，由2C8H18＋25O2＝16CO2＋18H2O的方程式，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，得出1 L汽油完全燃燒排放CO2的質(zhì)量為:730×(44×16)÷(114×2)＝2.254 kg.

柴油按凝點(diǎn)分級(jí)，輕柴油有10、5、0、－10、－20、－35和－50等7個(gè)牌號(hào)，重柴油有10、20和30等3個(gè)牌號(hào)[8].不同地區(qū)因氣溫的不同而選用不同標(biāo)號(hào)的柴油，0＃柴油適用于8～4℃時(shí)使用，福建省一般使用0＃，通常用正庚烷作為替代燃料來(lái)模擬柴油的燃燒特性[9－10].以0＃柴油計(jì)算，其密度為840 g·L－1，由C7H16＋11O2＝7CO2＋8H2O的方程式得出1 L柴油完全燃燒排放CO2的質(zhì)量為:840×(44×7)÷(100)＝2.587 kg. 2.2.2 交叉口范圍內(nèi)的碳排放量(kg) G＝2.254×l1＋2.587×l3(13)

3 工程案例分析

3.1 現(xiàn)交叉口及周邊環(huán)境

福州市馬尾區(qū)羅星西路與青州路相交處為十字信號(hào)交叉口，相交道路均為城市次干道，設(shè)計(jì)速度為40 km·h－1，雙向四車(chē)道，現(xiàn)交叉口交通組織平面圖如圖1所示.該交叉口為四相位信號(hào)控制且信號(hào)周期為128 s，各進(jìn)口道右轉(zhuǎn)車(chē)流不受信號(hào)控制，如圖2所示.大量裝載集裝箱的大型拖掛車(chē)、貨車(chē)從G104國(guó)道駛?cè)?，?jīng)過(guò)羅星中路與青州路交叉口開(kāi)往福州保稅區(qū)①、正大集團(tuán)大福公司②、羅星中路北的盛輝物流集團(tuán)③、羅星中路與青州路東象限區(qū)域的海峽水產(chǎn)品交易中心④、青州路與羅星西路南象限區(qū)域的在建青年活動(dòng)中心⑤、城市中心廣場(chǎng)⑥、中環(huán)廣場(chǎng)⑦等(圖1).

3.2 進(jìn)口道的交通流量

將2015年9月10日測(cè)得的交通流量換算成當(dāng)量小客車(chē)流量[11]，得到各進(jìn)口道機(jī)動(dòng)車(chē)高峰小時(shí)流量(表1).

由表1可知:早高峰時(shí)段，東進(jìn)口交通流主要開(kāi)往青州路西與羅星西路，開(kāi)往青州路西的交通量占了該進(jìn)口總交通量的50%；西進(jìn)口左轉(zhuǎn)交通量占了該進(jìn)口總交通量的32%.其中，左轉(zhuǎn)貨車(chē)占左轉(zhuǎn)交通量的52%；南進(jìn)口交通量主要為小轎車(chē)，貨車(chē)主要開(kāi)往羅星中路與青州路東；北進(jìn)口交通量主要以右轉(zhuǎn)貨車(chē)為主，其中，右轉(zhuǎn)相位的交通量占該進(jìn)口總交通量的64.2%.

表1 各進(jìn)口道機(jī)動(dòng)車(chē)高峰小時(shí)流量1)Table1 Vehicle flow at peak hour on all approachs

由表1還可知:晚高峰時(shí)段，東進(jìn)口交通流主要開(kāi)往青州路西與羅星西路，開(kāi)往青州路西的交通量占了該進(jìn)口總交通量的56.3%；西進(jìn)口左轉(zhuǎn)的交通量占該進(jìn)口總交通量的61.7%，其中，左轉(zhuǎn)貨車(chē)占左轉(zhuǎn)的交通量的57%；南進(jìn)口的交通量減少到523 pcu·h－1；北進(jìn)口的交通量增加到1 236 pcu·h－1，其中，右轉(zhuǎn)相位以貨車(chē)為主，交通量占該進(jìn)口總交通量的31%.

原因:早、晚高峰時(shí)期，①、②、③吸引大量裝載集裝箱的大型拖掛車(chē)、貨車(chē)往返于G104國(guó)道、青州路西和羅星中路，該交叉口是必經(jīng)之路；羅星中路與青州路東象限區(qū)域有④，早晨市民都會(huì)從青州路西、羅星西路開(kāi)往羅星中路、青州路東購(gòu)物，傍晚市民們從①、④購(gòu)物完，從原路返回.

綜上所述，早高峰時(shí)段，貨車(chē)主要從青州路西進(jìn)入羅星中路與青州路東，小車(chē)主要從羅星西路進(jìn)入羅星中路與青州東路；晚高峰時(shí)段，貨車(chē)主要從青州路西進(jìn)入羅星中路與青州路東，小車(chē)主要從羅星中路與青州路東開(kāi)往羅星西路、青州路西.

3.3 仿真分析

Vissim軟件是基于時(shí)間與駕駛行為的微觀仿真軟件，可用于建模及分析城市交通的運(yùn)行狀況和城市規(guī)劃方案的有效工具，利用仿真方法進(jìn)行評(píng)估可以避免一些昂貴的費(fèi)用、周期較長(zhǎng)的交通調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[12－13].通過(guò)Vissim軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)來(lái)論證交通組織是否可行，選用車(chē)輛延誤時(shí)間、平均排隊(duì)長(zhǎng)度和平均停車(chē)時(shí)間等作為評(píng)價(jià)指標(biāo).為了提高仿真精度，仿真時(shí)間取0～3 600 s，仿真時(shí)間間隔取信號(hào)周期，行程時(shí)間的起點(diǎn)、終點(diǎn)按GB 50647－2011[14]的方法設(shè)置:平面交叉口范圍界限處，在輸出的多組數(shù)據(jù)中采用平均值計(jì)算，仿真數(shù)據(jù)按表1中沒(méi)有折算的交通量及其比例輸入，得到現(xiàn)交叉口通行效率評(píng)價(jià)(表2).

表2 現(xiàn)交叉口通行效率評(píng)價(jià)Table 2 Traffic efficiency evaluation at the intersection before optimization

由表2可知，早、晚高峰時(shí)期各進(jìn)口道的延誤時(shí)間、平均排隊(duì)長(zhǎng)度相差大.如南進(jìn)口左轉(zhuǎn)延誤時(shí)間相差14.5 s，因此可分時(shí)段進(jìn)行信號(hào)配時(shí)優(yōu)化.

3.4 Synchro軟件配時(shí)及仿真分析

單點(diǎn)交叉口信號(hào)配時(shí)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)是信號(hào)周期和相位時(shí)間，Synchro軟件系統(tǒng)信號(hào)配時(shí)模型是對(duì)上述兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[15－17].因此，運(yùn)用 Synchro軟件對(duì)現(xiàn)交叉口進(jìn)行仿真配時(shí)優(yōu)化(圖3).在Synchro軟件配時(shí)優(yōu)化的基礎(chǔ)上再進(jìn)行人工調(diào)整，得到早、晚高峰以90 s為周期的信號(hào)配時(shí)，各進(jìn)口道右轉(zhuǎn)車(chē)流不受信號(hào)控制，相位配時(shí)如圖4所示.配時(shí)優(yōu)化后運(yùn)用Vissim軟件進(jìn)行仿真(圖5)，得到交叉口通行效率評(píng)價(jià)(表3).

比較表2、3可知，該交叉口優(yōu)化后各個(gè)進(jìn)口道的平均排隊(duì)長(zhǎng)度和延誤時(shí)間均降低，除了早高峰各進(jìn)口道右轉(zhuǎn)車(chē)輛延誤時(shí)間略微增加外，根據(jù)碳排放與耗能分析，可以得出該交叉口優(yōu)化前后的油耗、碳排放(表4).由表4可知:早高峰優(yōu)化后油耗量為108.41 L(降低21.49%)，碳排放量為262.33 kg(降低21.47%)；晚高峰優(yōu)化后油耗量為132.30 L(降低18.08%)，碳排放量為322.67 kg(降低18.06%).

表3 優(yōu)化后交叉口通行效率評(píng)價(jià)Table 3 Traffic efficiency evaluation at the intersection after optimization

表4 優(yōu)化前后交叉口的油耗、碳排放Table 4 Comparison on fuel consumption and carbon emission at the intersection before and after optimization

4 結(jié)論

對(duì)福州市羅星西路與青州路十字信號(hào)控制交叉口存在配時(shí)不優(yōu)的情況，提出了基于Synchro軟件配時(shí)優(yōu)化，再經(jīng)過(guò)人工調(diào)整，分別得到早、晚高峰配時(shí)方案.運(yùn)用Vissim軟件仿真分析，得出優(yōu)化后各進(jìn)口道的平均排隊(duì)長(zhǎng)度和延誤時(shí)間均降低.在交叉口范圍內(nèi)的碳排放與不同信號(hào)管制有關(guān)，本試驗(yàn)將碳排放作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出該交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化后早、晚高峰碳排放量分別降低21.47%和18.06%.在進(jìn)一步的研究中，交通仿真要考慮行人和各進(jìn)口道掉頭車(chē)輛的影響；在交叉口碳排放的研究中，考慮不完全停車(chē)與不同車(chē)輛在不同時(shí)段油耗的不同，對(duì)車(chē)流量進(jìn)行分類(lèi)細(xì)化；考慮鄰近主干道總車(chē)流量的因素.

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(責(zé)任編輯:施曉棠)

Signal timing optimization and carbon emission case analysis of ubran single point intersections

SU Chunmin1，PAN Ruichun2，ZHOU Chengjun1，ZHOU Xinnian1，YAO Shirui1，LI Senpeng1
(1.College of Transportation and Civil Engineering，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350002，China；2.Fuzhou Planning and Design＆Research Institute，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350003，China)

Intersection at Fuzhou Luoxing West Road and Qingzhou Road was used as example to study signal control at urban single point intersection and solutions.Investigation showed that vehicle peaked at the intersection in the morning and evening，but lacking in effective signal timing control.Therefore，an optimized signal timing scheme was put forward by Synchro software and followed by being stimulated by Vissim software to calculate average queue length and delay of each approach after optimization.As a result，carbon emissions were reduced by 21.47%and 18.06%in the morning and evening peaks，respectively，after optimization.

traffic engineering；carbon emission；signal timing optimization；cross signal intersection；traffic simulation

U491.5＋4

:A

:1671-5470(2016)06-0730-07

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2016.06.020

2016－02－23

:2016－06－05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(30972359)；福建農(nóng)林大學(xué)高水平大學(xué)建設(shè)項(xiàng)目(113-612014018).

蘇春敏(1990－)，男，碩士研究生.研究方向:交通運(yùn)輸規(guī)劃.Email:710322992＠qq.com.通訊作者周新年(1951－)，男，教授，博士生導(dǎo)師.研究方向:交通運(yùn)輸、規(guī)劃設(shè)計(jì)和工程索道.Email:284649785＠qq.com.