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)計研究院，福建福州350003)

單點(diǎn)交叉口信號配時優(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)計研究院，福建福州350003)

闡釋城市道路單點(diǎn)信號控制交叉口存在的問題及其改善措施.選取福州市馬尾區(qū)羅星西路與青州路十字信號控制交叉口，調(diào)查分析該交叉口原配時方案，發(fā)現(xiàn)該交叉口存在早、晚高峰現(xiàn)象，且信號配時不優(yōu).運(yùn)用Synchro軟件進(jìn)行交通配時優(yōu)化，得出信號配時方案，再運(yùn)用Vissim軟件進(jìn)行仿真，優(yōu)化后該交叉口各個進(jìn)口道的平均排隊長度和延誤時間均降低.將信號管制下交叉口范圍內(nèi)的碳排放作為評價指標(biāo)進(jìn)行分析，該交叉口信號配時優(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；信號配時優(yōu)化；十字信號交叉口；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、行車速度降低和燃料費(fèi)用增加.機(jī)動車在交叉口范圍內(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.交通信號燈主要由機(jī)動車、非機(jī)動車和人行橫道信號燈組成.交通信號燈通過控制各向同時到達(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.交通信號燈的合理配時至關(guān)重要，進(jìn)行合理的信號燈配時才能使各類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)信號控制的常見問題及改善措施

在城市道路交通信號的控制中，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.對于信號控制的單點(diǎn)平面交叉口來說，信號配時優(yōu)化通常在于減少車流的延誤時間和平均排隊長度，提高交叉口的通行能力和服務(wù)水平[1].

1.1 問題

1.1.1 信號相位不合理 在平面交叉口信號控制中，信號相位和相位放行順序?qū)π盘枙r間的利用率、交叉口交通安全和整個交叉口運(yùn)行效益的發(fā)揮起著決定性的作用[2].信號相位的數(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).若沒有根據(jù)交通、道路的條件進(jìn)行合理的相位相序設(shè)計，將導(dǎo)致整個交叉口交通擁堵.

1.1.2 信號配時不當(dāng) 信號周期時長是單點(diǎn)信號控制交通效益的關(guān)鍵參數(shù)，設(shè)置過長或過短的信號周期都會增加交叉口的延誤時間.若增加周期時長能增大通行能力，但當(dāng)周期時長過長時，通行能力增長緩慢，車輛的延誤時間卻迅速增長；當(dāng)信號周期時長過短時，道路通行權(quán)頻繁交替，導(dǎo)致對應(yīng)損失的綠燈時間與信號周期時長的比例變化大，引起交叉口的服務(wù)水平降低.在信號周期和相位數(shù)確定的情況下，各相位配時分配直接影響各進(jìn)口不同方向車流的通行能力.

1.1.3 行人、非機(jī)動車信號配時不足 行人相位一般由行人清空時間和綠燈時間兩部分組成，但行人相位時間大部分為綠燈時間，行人清空時間一般3 s左右[2].過街信號配時不足，在綠燈末期才開始過街的行人、非機(jī)動車與相交方向的機(jī)動車相互干擾；清空時間不足，前一個相位綠燈末期進(jìn)入的車輛還沒有通過人行橫道，引起交通流相互干擾；左轉(zhuǎn)非機(jī)動車信號配時不足，左轉(zhuǎn)非機(jī)動車(綠燈末期駛?cè)?與對向直行非機(jī)動車(綠燈初期出發(fā))將發(fā)生沖突.

1.2 措施

在城市單點(diǎn)信號配時設(shè)置時應(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，應(yīng)提高信號周期內(nèi)的有效通行時間；在設(shè)置信控周期時，應(yīng)確定最小周期和最佳周期的時間；在相位組合和相序設(shè)計時，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)動車的安全.

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)動車在城市道路上行駛時產(chǎn)生的尾氣排放主要有兩部分:行駛過程中的尾氣排放、信號交叉口前停車等待產(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)的車輛碳排放主要與車輛油耗量有關(guān)，每輛車油耗主要有:剎車減速和起步加速時的油耗、怠速時和正常行駛時的油耗.機(jī)動車通過信號控制交叉口有3種可能的方式，即減速通過、不減速通過和停車后通過，不完全停車只發(fā)生在排隊尾車即將啟動且有后續(xù)車輛加入排隊時，故每周期不完全停車車輛數(shù)很少[3].信號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)動車起步加速時尾氣排放量比怠速、剎車減速時顯著增加[4].汽車怠速等候時油耗5 g·min－1，汽車每啟動1次的油耗量可以行駛3 000 m，對發(fā)動機(jī)的磨損相當(dāng)于行駛50 000 m的磨損量；汽車每緊急制動1次的油耗量可以行駛2 000 m，對輪胎的磨損相當(dāng)于行駛80 000 m的磨損量[5].因此，比較不同信號管制下車輛油耗量的差異主要與剎車減速、起步加速的次數(shù)，怠速油耗和怠速時間有關(guān).為分析因信號管制下交叉口范圍內(nèi)的碳排放，作以下假設(shè):所有車輛在交叉口處都為完全停車情形，即在交叉口信號相位的控制下，直行、左轉(zhuǎn)車輛分別計剎車減速、起步加速一次，右轉(zhuǎn)不計；所有車輛在不同信號控制下交叉口范圍內(nèi)正常行駛時油耗總量一定；每輛車的怠速時間取仿真的平均停車時間；每個進(jìn)口道通過車輛數(shù)取仿真通過的車輛數(shù).

2.1 汽車的油耗

2.1.1 汽車剎車減速和起步加速時的油耗 小轎車質(zhì)量按m，車輪滾動阻力系數(shù)0.015(路面良好)，該路段設(shè)計速度為40 km·h－1，交叉口設(shè)計速度取60%計算，即交叉口設(shè)計速度為24 km·h－1，以小轎車為例計算，剎車停止時損失的動能為:

產(chǎn)生的動能推動車輪行駛距離為:

一次剎車耗費(fèi)的能量，相當(dāng)于小轎車行駛151 m消耗的能量，小轎車每百公里油耗按8 L計算，一次剎車的油耗量為:

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

V1＝V2＝0.012 1 L

同理，所有大貨車按空載每百公里油耗32 L計算，

大貨車剎車減速一次的油耗V3和起步加速一次的油耗V4為:

V3＝V4＝0.048 3 L

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

同理，貨車怠速油耗按12 L·h－1計算:

2.1.3 汽車總油耗 (1)直行、左轉(zhuǎn)車的油耗量:

式中:l為總油耗量(L)；l1為小轎車總油耗量(L)；l3為貨車總油耗量(L)；N為每個進(jìn)口道通過的車輛數(shù)；?1為每個進(jìn)口道小轎車的比例；?3為每個進(jìn)口道貨車的比例；t為平均停車時間(s)；N1為小轎車車輛數(shù)；N3為貨車車輛數(shù).

(2)右轉(zhuǎn)車的油耗量:

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，輕柴油有10、5、0、－10、－20、－35和－50等7個牌號，重柴油有10、20和30等3個牌號[8].不同地區(qū)因氣溫的不同而選用不同標(biāo)號的柴油，0＃柴油適用于8～4℃時使用，福建省一般使用0＃，通常用正庚烷作為替代燃料來模擬柴油的燃燒特性[9－10].以0＃柴油計算，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交叉口，相交道路均為城市次干道，設(shè)計速度為40 km·h－1，雙向四車道，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控制且信號周期為128 s，各進(jìn)口道右轉(zhuǎn)車流不受信號控制，如圖2所示.大量裝載集裝箱的大型拖掛車、貨車從G104國道駛?cè)耄?jīng)過羅星中路與青州路交叉口開往福州保稅區(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)域的在建青年活動中心⑤、城市中心廣場⑥、中環(huán)廣場⑦等(圖1).

3.2 進(jìn)口道的交通流量

將2015年9月10日測得的交通流量換算成當(dāng)量小客車流量[11]，得到各進(jìn)口道機(jī)動車高峰小時流量(表1).

由表1可知:早高峰時段，東進(jìn)口交通流主要開往青州路西與羅星西路，開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)貨車占左轉(zhuǎn)交通量的52%；南進(jìn)口交通量主要為小轎車，貨車主要開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)動車高峰小時流量1)Table1 Vehicle flow at peak hour on all approachs

由表1還可知:晚高峰時段，東進(jìn)口交通流主要開往青州路西與羅星西路，開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)相位以貨車為主，交通量占該進(jìn)口總交通量的31%.

原因:早、晚高峰時期，①、②、③吸引大量裝載集裝箱的大型拖掛車、貨車往返于G104國道、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，早晨市民都會從青州路西、羅星西路開往羅星中路、青州路東購物，傍晚市民們從①、④購物完，從原路返回.

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

3.3 仿真分析

Vissim軟件是基于時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)行評估可以避免一些昂貴的費(fèi)用、周期較長的交通調(diào)查和現(xiàn)場試驗(yàn)[12－13].通過Vissim軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)來論證交通組織是否可行，選用車輛延誤時間、平均排隊長度和平均停車時間等作為評價指標(biāo).為了提高仿真精度，仿真時間取0～3 600 s，仿真時間間隔取信號周期，行程時間的起點(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)中采用平均值計算，仿真數(shù)據(jù)按表1中沒有折算的交通量及其比例輸入，得到現(xiàn)交叉口通行效率評價(表2).

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

由表2可知，早、晚高峰時期各進(jìn)口道的延誤時間、平均排隊長度相差大.如南進(jìn)口左轉(zhuǎn)延誤時間相差14.5 s，因此可分時段進(jìn)行信號配時優(yōu)化.

3.4 Synchro軟件配時及仿真分析

單點(diǎn)交叉口信號配時的主要設(shè)計參數(shù)是信號周期和相位時間，Synchro軟件系統(tǒng)信號配時模型是對上述兩個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[15－17].因此，運(yùn)用 Synchro軟件對現(xiàn)交叉口進(jìn)行仿真配時優(yōu)化(圖3).在Synchro軟件配時優(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為周期的信號配時，各進(jìn)口道右轉(zhuǎn)車流不受信號控制，相位配時如圖4所示.配時優(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價(表3).

比較表2、3可知，該交叉口優(yōu)化后各個進(jìn)口道的平均排隊長度和延誤時間均降低，除了早高峰各進(jìn)口道右轉(zhuǎn)車輛延誤時間略微增加外，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價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

對福州市羅星西路與青州路十字信號控制交叉口存在配時不優(yōu)的情況，提出了基于Synchro軟件配時優(yōu)化，再經(jīng)過人工調(diào)整，分別得到早、晚高峰配時方案.運(yùn)用Vissim軟件仿真分析，得出優(yōu)化后各進(jìn)口道的平均排隊長度和延誤時間均降低.在交叉口范圍內(nèi)的碳排放與不同信號管制有關(guān)，本試驗(yàn)將碳排放作為評價指標(biāo)，得出該交叉口信號配時優(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)口道掉頭車輛的影響；在交叉口碳排放的研究中，考慮不完全停車與不同車輛在不同時段油耗的不同，對車流量進(jìn)行分類細(xì)化；考慮鄰近主干道總車流量的因素.

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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

國家自然科學(xué)基金資助項目(30972359)；福建農(nóng)林大學(xué)高水平大學(xué)建設(shè)項目(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)計和工程索道.Email:284649785＠qq.com.