減速帶對工作區(qū)路段污染物排放的影響研究

李啟朗,劉 軍

(安徽建筑大學(xué)數(shù)理學(xué)院,安徽 合肥 230601)

隨著我國車輛保有量的提升,道路上行駛車輛的增加會導(dǎo)致道路堵塞,車輛啟動會因燃料不充分燃燒而產(chǎn)生廢氣,主要表現(xiàn)為細顆粒物和光化學(xué)污染。車輛排放污染物包括CO2、NOx、VOC和PM,減少此類污染物排放量可改善大氣污染問題[1]。

學(xué)者們常以構(gòu)建污染物排放模型和排放建模方案研究和預(yù)測城市路網(wǎng)交通排放[2-3]。文獻[4]研究了不同燃料(液化石油氣、壓縮天然氣、汽油、柴油和生物燃料)、歐洲標(biāo)準(zhǔn)和車輛結(jié)構(gòu)對二氧化碳、氮氧化物和PM2.5排放的影響。文獻[5]研究發(fā)現(xiàn)客車對于CO、HC排放總量影響最大,貨車對于PM、NOx排放量影響最大,可以針對不同車型制定不同的減排方案。由于元胞自動機模型具有運行速度快、空間時間離散等特點,可以模擬微觀下各種復(fù)雜交通現(xiàn)象。文獻[6]研究了在單向通行道路下,兩種典型的慢啟動規(guī)則元胞自動機模型(VDR模型和TT模型),在開放邊界條件和周期邊界條件下的顆粒物排放量。文獻[7]基于NS元胞自動機模型,研究了顆粒物和有機化合物的排放性質(zhì)。通過該模型,研究如何提高道路通行流量以及控制污染物的排放成為學(xué)者們常用方法之一[8-9]。在日常道路上,經(jīng)常會設(shè)置減速帶以保證車輛行駛安全,而車輛在經(jīng)過減速帶時,車輛減速和啟動加速尤為頻繁,不僅會影響道路車流量[10],也會產(chǎn)生一定的污染物。文獻[11]研究了減速帶對交通流的影響,發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)車輛速度可以提高道路安全。但在穩(wěn)定車流量時,減速帶可造成道路上游發(fā)生小規(guī)模堵塞,減速帶的有效性亟待提高。目前,學(xué)者們主要在單向通行道路條件下對道路污染物排放量進行研究。但在實際路網(wǎng)環(huán)境中,道路一般為雙車道行駛,車輛可以通過換道在車道之間移動。

當(dāng)雙車道前方可能因施工、事故或收費站造成某一車道關(guān)閉或者部分車道關(guān)閉時[12],稱此區(qū)域為工作區(qū)。文獻[13]研究了工作區(qū)道路合并區(qū)域的速度-流量關(guān)系。在工作區(qū)前方因發(fā)生車道縮減,車輛會通過一系列換道規(guī)則換道至直行車道并依次駛離工作區(qū),故堵塞現(xiàn)象時常發(fā)生。因此,本文基于工作區(qū)道路,使用元胞自動機模型模擬不同數(shù)量減速帶條件下工作區(qū)的交通流特性,并依據(jù)瞬時排放模型規(guī)則,探究不同減速帶數(shù)量以及不同道路占有率下道路污染物的排放情況,以期為工作區(qū)道路設(shè)計提供借鑒和參考,為道路交通安全保架護航。

1 工作區(qū)及車輛演化、換道規(guī)則

1.1 工作區(qū)道路

如圖1所示,工作區(qū)道路被分為對稱區(qū)、轉(zhuǎn)換區(qū)以及工作區(qū)。在對稱區(qū),車輛通過對稱換道規(guī)則進行換道。當(dāng)工作區(qū)前方道路關(guān)閉時,會在工作區(qū)前設(shè)置一個警示牌,提醒右車道車輛需在轉(zhuǎn)換區(qū)換至左車道。隨后與左車道車輛依次駛出工作區(qū),駛出工作區(qū)后,車輛又行駛至對稱區(qū)左車道。

圖1 工作區(qū)道路基本結(jié)構(gòu)

1.2 演化規(guī)則

本文基于元胞自動機模型對車輛運動行為進行模擬,在模型中道路被劃分為5 115個離散格點,每個格點狀態(tài)是空的或者被車輛占據(jù),格點長度為1.5m。車輛速度更新規(guī)則采用Julio提出的瞬時排放模型[14],在每個離散時步下,每個車輛按照加速、減速、隨機慢化和位置更新四步規(guī)則順序執(zhí)行,一個時步長相當(dāng)于實時1s。具體執(zhí)行如下:

1)加速:vn→min (vn+1,vmax);

3)車輛以概率pslow進行隨機慢化:vn→max(vn-1,0);

4)位置更新:xn→xn+vn。

其中,Dd表示當(dāng)前車車尾與前方最近減速帶之間的空格點數(shù);vn、xn分別表示第n輛車的速度和位置,vn單位為1.5m/s;dn=xn+1-xn-l,表示當(dāng)前車輛與前車之間的空格點數(shù);l為車輛占據(jù)的格點數(shù),取值為5;pslow表示車輛隨機慢化概率;vmax表示車輛最大速度,單位為1.5m/s。車輛以速度 0,1…vmax在道路上行駛。在加速過程中,車輛速度每時步增加1,但不超過最大速度。減速過程中車輛會依據(jù)車輛與減速帶之間的距離來改變車速。車輛在行駛過程中,可能因不確定因素造成車輛隨機減速,且速度不能小于0,最后對車輛進行位置更新。

1.3 換道規(guī)則

在實際道路交通中,駕駛員會依據(jù)動態(tài)可插入間隙判斷在t+1時刻是否能安全換道。左右車道車輛在對稱區(qū)換道條件為:

(1)

(2)

車輛在轉(zhuǎn)換區(qū),右車道車輛換道條件為:

(dn-dn,other)≤1

(3)

(4)

式(1)和式(3)為原因或觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn),表示相鄰車道的行駛條件更好,產(chǎn)生換道意愿。式(2)和式(4)為安全標(biāo)準(zhǔn),保證車輛換道時不會發(fā)生危險。當(dāng)車輛同時滿足上述兩個標(biāo)準(zhǔn)時,車輛可以在當(dāng)前時步進行換道。

2 數(shù)值模擬分析

道路總長度為5 115格點、工作區(qū)長度為115格點、轉(zhuǎn)換區(qū)長度為45格點、每個道路格點長度為1.5m、仿真環(huán)境為周期邊界條件。車輛以初速度為0隨機分布在道路上。已有研究表明,較小的元胞長度可以獲得更真實的加速度,更好地描述交通流結(jié)構(gòu)[15-16]。車輛最大速度vmax=25格點/s,車輛長度l=5格點,慢化概率pslow=0.3。計算機仿真運行5×104時步,統(tǒng)計最后105時步數(shù)據(jù)以消除瞬態(tài)影響。為去除隨機性對結(jié)果影響,對50個樣本取平均值。

2.1 道路基本圖

為研究減速帶對工作區(qū)道路流量以及車輛速度的影響,在道路上均勻分布不同數(shù)量的減速帶,統(tǒng)計左右車道以及工作區(qū)道路流量、車輛速度情況,結(jié)果如圖2所示。

(a)不同減速帶下左車道流量 (b)不同減速帶下右車道流量

由圖2可知,道路交通流明顯呈現(xiàn)3種狀態(tài):當(dāng)占有率較小時(占有率≤0.05),此時工作區(qū)道路車流呈自由流狀態(tài),流量快速上升,保持較高速度。當(dāng)占有率逐漸增大時(0.05<占有率≤0.85),工作區(qū)道路呈現(xiàn)飽和態(tài),如圖2(c)所示,此時車輛速度逐漸降低,左右車道流量差異逐漸減小,工作區(qū)速度與流量基本保持不變。當(dāng)占有率>0.85時,道路發(fā)生堵塞,流量隨著占有率的增加而不斷減小,直至為0,如圖2(a)～(c)所示。對于左右車道而言,當(dāng)左車道減速帶數(shù)量為1、占有率≤0.05時,左右車道流量相差較大,如圖2(d)所示。因工作區(qū)與左車道相連,僅通過左車道就可滿足車輛通行。隨著道路車輛占有率增加,左車道車輛遇到減速帶時會考慮換道至右車道,左右車道流量差值減小,道路呈現(xiàn)飽和態(tài)。當(dāng)占有率>0.85時,道路開始擁擠,左右車道流量幾乎無差別且迅速減小為0,如圖2(a)～(b)可知。對于工作區(qū)而言,減速帶的數(shù)量對工作區(qū)流量的影響不顯著,如圖2(c)所示。

在實際道路中,當(dāng)?shù)缆非胺杰囕v因為減速帶而減速時,后面車輛更傾向于換道至相鄰車道行駛。研究發(fā)現(xiàn),減速帶適量的增加可以緩解車輛流量不平均現(xiàn)象,但不會對工作區(qū)道路產(chǎn)生顯著影響。

2.2 速度時空演化圖

為研究減速帶對道路車輛速度的影響,本文在道路占有率為0.1的條件下統(tǒng)計車輛在經(jīng)過不同減速帶時的速度變化,統(tǒng)計位置為1 000～5 000格點,統(tǒng)計時間為10 000～12 000s,結(jié)果如圖3所示。

(a)減速帶為1條左車道熱力圖 (b)減速帶為1條右車道熱力圖

圖3(a)～(b)為道路存在1條減速帶時左右車道車輛速度的時空演化圖,減速帶位于道路中間。在道路車輛密度較低時,減速帶以外的道路車輛均以最大速度行駛(紅色區(qū)域)。遇到減速帶后,車輛速度降至低速(藍色部分),安全通過減速帶之后,車輛開始加速至最大速度。因道路車輛較少,故在轉(zhuǎn)換區(qū)并未發(fā)生明顯堵塞。圖3(c)～(d)為30條減速帶時車輛速度演化圖,車輛駛離減速帶后還未加速又遭遇減速帶,導(dǎo)致該路段車輛整體速度較低,呈現(xiàn)柵狀速度演化特征。在轉(zhuǎn)換區(qū)域,因前方為道路縮減路段,車輛以較低速度行駛。由此可知,道路中存在較少減速帶時,車輛能很快恢復(fù)到最大速度。減速帶較多時,車輛行駛速度較低,在實際生活中可以設(shè)置適當(dāng)減速帶以限制車輛速度。

2.3 減速帶對瞬時排放的影響

車輛在道路行駛時會產(chǎn)生不同類型的污染物,現(xiàn)對不同減速帶以及不同道路占有率下車輛污染物排放量情況進行研究。文獻[17]依據(jù)車輛速度以及加速度對排放污染物進行測量,提出了基于微觀交通模擬模型的瞬時排放模型,所有污染物的排放量公式為

En(t)=max[E0,f1+f2vn(t)+f3vn(t)2+f4an(t)+f5an(t)2+f6vn(t)an(t)

(5)

式中,En(t)表示當(dāng)前時步下,車輛污染物的瞬時排放量,g/s;vn(t)表示車輛的速度,m/s;an(t)表示車輛瞬時加速度,m/s2;E0為不同污染物類型規(guī)定的排放量下限,g/s,該值設(shè)置為0。表1給出了不同污染物的排放系數(shù),f1～f6為通過線性回歸分析確定的污染物類型的特定排放量常數(shù)。對于NOx、VOC兩種污染物來說,污染物排放量公式依據(jù)車輛加速或減速條件有兩種計算形式。計算機仿真模擬5×104時步并統(tǒng)計最后1×104時步下不同污染物排放總量取平均值,以消除瞬態(tài)誤差影響,最終得出每時步下污染物排放量。

表1 不同類型污染物排放參數(shù)

1)減速帶對CO2排放量的影響 依據(jù)表1中排放參數(shù)以及式(5)可以得出減速帶對CO2排放量的影響,如圖4所示。圖4(a)表示在不同數(shù)量的減速帶條件下道路車輛占有率與CO2排放量的關(guān)系。當(dāng)占有率較低(占有率≤0.05)時,減速帶數(shù)量對于CO2排放量影響較大,高速行駛的車輛造成的CO2排放量也相對較高。當(dāng)減速帶數(shù)量小于10條時,減速帶增多會導(dǎo)致CO2排放量增加;數(shù)量大于10條后,道路車輛不能以高速行駛,較低的車速是車輛CO2排放量減少的原因。隨著占有率的不斷增加(占有率>0.05),道路開始形成堵塞,CO2排放量逐漸降低。減速帶對于CO2排放量的影響逐漸減弱,不同減速帶之間差值逐漸減小。占有率持續(xù)增加時,車輛基本停滯不前,排放量也達到最低,不同減速帶數(shù)量下的CO2排放量基本保持不變。

(a)不同減速帶數(shù)目下CO2排放 (b)不同道路占有率下CO2排放

圖4(b)為不同占有率下減速帶與CO2排放量的關(guān)系。在低密度下(占有率=0.1),起初CO2排放量隨減速帶的增多而提高,之后保持穩(wěn)定。當(dāng)占有率等于0.3時,因車輛減速,CO2排放量減少。高密度下(占有率等于0.8)CO2排放量基本不隨著減速帶數(shù)量的變化而變化。這說明道路處于高度擁擠狀態(tài)時,減速帶對于CO2排放量的影響可忽略不記。而占有率偏小時,減速帶是導(dǎo)致道路CO2增多的可能因素。

2)減速帶對NOx排放的影響 圖5為占有率和減速帶對NOx排放量的影響。由圖5(a)可知,在道路未發(fā)生堵塞時(占有率≤0.05),NOx排放量達到峰值,不同減速帶數(shù)量對低密度下NOx排放量影響較大。當(dāng)占有率>0.05時,工作區(qū)前方發(fā)生堵塞,車輛不能高速行駛,導(dǎo)致NOx排放量下降,不同減速帶下NOx排放量逐漸接近。

(a)不同減速帶數(shù)目下NOx排放 (b)不同道路占有率下NOx排放

由圖5(b)可知,不同減速帶下NOx排放量穩(wěn)定在0.000 6～0.001 8g/s,當(dāng)占有率逐漸增加時,車輛速度降低,NOx排放量減少。在占有率=0.8時,不同減速帶下NOx排放量基本保持不變。

3)減速帶對VOC排放的影響 圖6為減速帶和占有率對于VOC排放量的影響。圖6(a)為不同占有率下VOC污染物的排放量。在車輛占有率為0～1.0時,排放量穩(wěn)定在0.004 0～0.004 4g/s之間?？蓪⒌缆贩譃?種狀態(tài):在占有率較低時(占有率≤0.05),道路呈現(xiàn)自由流態(tài),車輛以較高速行駛,VOC排放量較高。占有率在中等區(qū)間時(0.05<占有率≤0.85),道路開始呈現(xiàn)飽和狀態(tài),車輛速度大幅降低,導(dǎo)致VOC排放量減少,并逐漸穩(wěn)定在0.004 1左右。當(dāng)占有率不斷增加(占有率>0.85),道路開始呈現(xiàn)堵塞狀態(tài),車輛停滯不前,VOC污染物排放量開始升高,且不同減速帶下排放量基本保持一致。

(a)不同減速帶數(shù)目下VOC排放 (b)不同道路占有率下VOC排放

圖6(b)為不同減速帶下VOC污染物排放結(jié)果。排放量穩(wěn)定在0.040 5～0.042 5g/s。在低密度下(占有率=0.1)減速帶與VOC排放量成正比。當(dāng)減速帶大于14條時,排放量略有下降。隨著占有率增多,車輛速度降低導(dǎo)致排放量減少。占有率較高時(占有率=0.8)減速帶的數(shù)量與VOC排放量無明顯關(guān)系。

4)減速帶對PM排放量的影響 本文還研究了不同條件下污染物PM的排放量。圖7(a)表示不同道路占有率下污染物PM的排放量,在不同占有率下PM排放污染物穩(wěn)定在0～0.001 1g/s。當(dāng)占有率≤0.05時,較高的車速導(dǎo)致PM排放量增多。當(dāng)占有率逐漸增多(占有率>0.05)時,減速帶數(shù)量為10時PM排放量快速下降,此時減速帶數(shù)量與PM排放量呈正比。圖7(b)表示不同減速帶數(shù)量下PM排放量,不同減速帶數(shù)量下,PM排放量在0～0.000 5g/s。當(dāng)減速帶數(shù)量小于13條時,占有率為0.1比占有率為0.3的PM排放增加速率快;當(dāng)減速帶大于13條時,PM排放量保持穩(wěn)定,高占有率下的PM排放量基本保持不變。

(a)不同道路占有率下PM排放 (b)不同減速帶數(shù)目下PM排放

3 結(jié)論與展望

本文立足于實際工作區(qū)道路,基于元胞自動機模型對道路不同減速帶下污染物排放量進行研究,發(fā)現(xiàn)減速帶數(shù)量對工作區(qū)前方左右車道流量的平衡起到一定作用,能增加道路使用率。當(dāng)?shù)缆奋囕v較少時,減速帶的數(shù)量對排放影響較大。隨著道路車輛數(shù)的增多,車輛因速度降低導(dǎo)致排放量減少,減速帶數(shù)量對污染物排放量影響較小。因此,在實際工作區(qū)道路中,可適當(dāng)增加一定的減速帶數(shù)量使車輛保持安全速度行駛,并平衡左右車道流量。當(dāng)路段頻繁發(fā)生堵車現(xiàn)象時,減速帶的設(shè)置對改善流量和降低污染物排放效果不佳。

本研究對實際工作具有一定參考價值和借鑒意義,但本文只針對道路車輛占有率以及減速帶數(shù)量變化下污染物排放,后期可針對信號交叉口以及三車道下不同類型車輛的排放量進行研究。