橋梁兩端交叉口信號協(xié)調控制與碳排放關系研究?

姚世瑞，郭建鋼，陳黎明，陳金山

（福建農(nóng)林大學交通與土木工程學院，福建福州 350002）

橋梁兩端交叉口信號協(xié)調控制與碳排放關系研究?

姚世瑞，郭建鋼，陳黎明，陳金山

（福建農(nóng)林大學交通與土木工程學院，福建福州 350002）

在現(xiàn)有道路條件下，為了提高橋梁的通行能力，緩減交通壓力，減少碳排放，運用交通信號協(xié)調及配時優(yōu)化軟件Synchro對福建南平市政和縣南門大橋沿線兩交叉口進行干道信號協(xié)調控制優(yōu)化，確定相位差，找到合理的綠波帶。通過比較優(yōu)化前后控制效果，在早高峰階段，基于原配時方案的協(xié)調控制設計后，碳排放減少11%，交通運行指標有所改善；基于單點信號控制優(yōu)化的協(xié)調控制優(yōu)化設計后，碳排放減少15%，其他指標均有所改善。協(xié)調控制系統(tǒng)可在一定程度上降低碳及其他廢氣排放，改善環(huán)境。

城市交通；干道協(xié)調控制；交叉口；碳排放；Synchro

隨著經(jīng)濟的飛速增長，城鎮(zhèn)化、機動化的進一步加快，交通擁堵、交通污染愈演愈烈。在不同城市的監(jiān)測中，車輛排放量在已發(fā)現(xiàn)的環(huán)境空氣污染物中占較大比例，其中CO、NOx、HC等含量占80%～90%。由于車輛保有量在以15%以上的年增長率遞增，上述污染物排放量亦將逐年上升。車輛排放物已成為中國環(huán)境空氣的主要污染源之一。

在城市交通網(wǎng)絡中，復雜的平面交叉口是造成交通延誤增大、行車速度降低和燃料費用增加的主要原因，由于車輛在交叉口范圍內尤其是多個信號控制交叉口在一條干道上的距離較小時行駛速度低，會產(chǎn)生大量碳排放，直接導致環(huán)境惡化。目前國內對交叉口信號協(xié)調控制與碳排放的研究較少，張寧等通過干道信號協(xié)調控制量化了節(jié)能減排效果，但未涉及橋梁。而橋梁和橋梁兩端交叉口是交通安全與暢通的瓶頸。為此，該文結合福建南平市政和縣的交通管理規(guī)劃項目，以南門大橋沿線兩交叉口為研究對象，運用Synchro建立基于原配時方案的信號協(xié)調控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)“綜合交通、智慧交通、綠色交通、平安交通”。

1　基礎資料調查

政和縣南門大橋位于政和縣縣政府正對面，總體呈東西走向，是政和縣重要的“南大門”。其中解放街-南大街交叉口和水南西路-南大街交叉口為毗鄰交叉口，其幾何結構特征見圖1。目前，兩交叉口之間存在諸多問題：

（1）南門大橋的盡頭是解放街，是政和縣的政治、文化、經(jīng)濟中心，具有強大的交通吸引力。

（2）解放街-南大街交叉口是T形口，給交通管制帶來不少挑戰(zhàn)。

（3）信號配時陳舊，無法滿足要求。

（4）道路基本成型，已無拓寬余地。

圖1　南門大橋上兩端交叉口的幾何結構特征

該路段的早高峰時間為7：00—9：00。采用人工調查法，調查內容主要包括兩交叉口的現(xiàn)狀自然交通量（見表1，換算系數(shù)見文獻［7］）和現(xiàn)狀配時方案（見表2、圖2）。

2　信號協(xié)調控制優(yōu)化

由調查得知，陳舊的配時方案是造成南大街主線上車輛延誤較大的主要原因之一。所以，設1號交叉口為主要交叉口，建立基于原配時方案的協(xié)調控制。依據(jù)調查數(shù)據(jù)，借用Synchro中的LaneSetting、VolumeSetting、TimingSetting窗口進行車道、流量、配時方案輸入。

表1　兩交叉口高峰小時流量　pcu/h

表2　兩交叉口現(xiàn)狀配時方案s

圖2　兩交叉口現(xiàn)狀配時（單位：s）

干道信號協(xié)調控制的主要設計參數(shù)是信號周期和相位差，Synchro系統(tǒng)信號控制模型是對這兩個主要參數(shù)進行優(yōu)化計算。運用Synchro對兩交叉口進行協(xié)調控制優(yōu)化，在Synchro協(xié)調優(yōu)化的基礎上進行一定的人工調整（見圖3～5）。完成周期相位差調整后，運行Synchro軟件中SimTraffic模塊實時查看路況模擬效果（見圖6）。

為了進一步優(yōu)化干道協(xié)調控制系統(tǒng)，將兩交叉口運用Synchro重新進行優(yōu)化配時，確定干道上每個交叉口的最佳周期及最佳綠信比。通過上述步驟重新建立干道信號控制系統(tǒng)，并生成相關數(shù)據(jù)報告。

圖3　干線協(xié)調控制的建立

圖4　干線協(xié)調周期時長優(yōu)化

圖5　干線協(xié)調相位差優(yōu)化

圖6　仿真效果界面

3　碳排放評價分析

Synchro軟件計算碳排放是在燃料消耗的基礎上進行的，計算公式為：

式中：F為燃料消耗量（gal）；T總為總行程（km）；D總為總延誤（h）；S總為總停車時間（h）；v為行駛速度（km/h）；CO為一氧化碳排放量（g/gal）。

根據(jù)Synchro軟件生成的報告，不同信號控制方案時的碳排放量見圖7。

圖7　碳排放量對比

由圖7可知：在早高峰階段，基于原配時方案的協(xié)調控制設計后，碳排放量減少11%；基于單點信號控制優(yōu)化的協(xié)調控制優(yōu)化設計后，碳排放量減少15%。其他指標也均有所下降（見表3、表4）。

表3　交通運行評價指標優(yōu)化前后對比

表4　氣體排放及燃料經(jīng)濟性指標優(yōu)化前后對比

4　結論

該文依托Synchro軟件，對政和縣南門大橋一線進行干道協(xié)調控制優(yōu)化設計。通過優(yōu)化前后對比，總行程時間降低19.7%，停車率降低14.7%，平均速度提高27%，路網(wǎng)總延誤降低46%，在早高峰時段道路實現(xiàn)“綠波”，大大改善了交叉口的擁堵情況；碳排放降低15%，氮氧化物排放降低20%，燃料消耗降低21%，節(jié)能減排效果相當可觀。建議有關交通部門在進行道路設計優(yōu)化時從交通優(yōu)化效果和節(jié)能減排效果兩方面對信號協(xié)調控制進行測評，以減少交通污染，改善環(huán)境，提高道路通行能力，實現(xiàn)“四個交通”（綜合交通、智慧交通、綠色交通、平安交通）的發(fā)展戰(zhàn)略。

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U491.5

A

1671-2668（2016）04-0044-03

?國家自然科學基金資助項目（41201100）；福建農(nóng)林大學科技創(chuàng)新（培育）團隊資助計劃（pytd12006）

2016-02-26