基于環境影響的交叉口控制方式綜合評估研究*

劉永紅，廖瀚博，余 志，蔡 銘

(中山大學工學院//廣東省智能交通系統重點實驗室，廣東廣州510275)

城市交叉口是道路網絡的關鍵點，通過交叉口使不同道路相互連接，從而實現路網中車流的正常移動。由于車流之間的相互交匯和沖突，交叉口成為城市路網中的交通瓶頸。同時，車輛間相互干擾和交通信號控制使得車輛在通過交叉口的過程中速度和加速度頻繁波動，導致車輛燃油消耗水平升高，尾氣排放加重，在能源緊缺、城市空氣質量惡化的情況下，已經成為了一個不可忽視的問題。

城市交叉口的運行效率評價一直是國內外專家學者研究的熱點問題。國內外相關專家選取了交通運行效率、交叉口安全性等不同方面的指標，對城市交叉口的運行情況進行評價［1－5］。在綜合評價體系構建中，評價指標權重的選取對評價效果具有重要的影響。湖南大學的李嘉［6］利用灰色聚類的方法評價混合交通流狀況下信號交叉口的綜合質量。北京交通大學的余柳［7］采用專家打分法對交叉口綜合評價體系中的指標權重進行標定。重慶交通大學的劉燕［8］從運行效率和安全角度出發，采用層次分析法對城市平面交叉口進行綜合評價。微觀交通仿真與排放模型的結合一直是相關領域的研究熱點之一。維吉尼亞理工大學的Ahn使用了多元回歸模型和神經網絡模型建立了基于瞬時速度和加速度的機動車微觀排放和油耗模型［9］。科隆大學的Stephan通過微觀仿真研究了交通分配、車輛行駛狀態與機動車排放之間的關系［10］。

由于交叉口運行過程中存在多種問題，因此僅僅從單一角度進行分析，往往無法綜合反映交叉口的實際運行情況。以往的交叉口評價模型主要從交通角度出發，較少從節能環保角度進行考慮。由于交叉口地形結構的特殊性，機動車速度變化頻繁，導致油耗性能和排放性能惡化，交叉口成為了機動車尾氣污染的重災區。在優化交通運行性能的基礎上，綜合分析環境影響，對于節能減排具有重要的意義。本文從交通運行效益、能源消耗效益以及環境成本效益等角度出發，建立交叉口綜合指標評價體系，采用微觀交通仿真的方式對不同的交叉口控制方式進行評估研究。

1 交叉口綜合指標評價模型

為了反映城市交叉口的綜合成本效益，本文選取了多個方面的指標進行綜合評價模型構建。在評價體系構建過程中主要包括評價指標選取和指標權重標定兩個方面。

1.1 評價指標的選取

城市交叉口的車輛延誤，即車輛實際通過交叉口所需的時間與正常通過交叉口所需時間之差，是評價交叉口交通運行效率的重要指標。在HCM2000中，車輛平均延誤是進行交叉口服務水平選擇和控制方案評價的主要依據［11］，因此本文選取車輛通過交叉口的平均延誤作為交叉口交通成本效益指標的代表。

由于車流的相互干擾和沖突，大部分機動車在通過城市交叉口的過程需要經歷減速、勻速、加速的過程。車輛運行狀態的變化，對車輛油耗性能和排放性能具有重要的影響。頻繁的變速將導致車輛燃油經濟性下降，燃油消耗升高。本文選取通過交叉口的車輛燃油消耗總量作為交叉口能耗成本效益指標的代表。

機動車尾氣排放已經成為了城市大氣的一個重要污染源。與普通路段相比，交叉口是城市路網中尾氣排放水平較高的區域。通過合理的控制方案，減少交叉口的機動車尾氣排放，對于降低環境成本具有重要的意義。因此選擇機動車尾氣排放量作為交叉口環境成本效益指標的代表。機動車尾氣中包括了多種污染物成分，其中CO、NOX、HC和PM是發動機燃燒過程中產生的主要污染物［12］，因此本文選擇這四種污染物作為機動車尾氣的代表。

1.2 指標權重的確定

在綜合指標評價體系中，不同的指標的計量單位不同，因此需要將不同單位的指標統一為相同的單位。本文采用經濟指標作為統一化指標，將其他類型指標統一轉換為經濟成本指標。

對于交通成本效益指標，首先根據城市交叉口車流的特點，將機動車類型分為輕型車和重型車兩個類型。其中選擇輕型小客車作為輕型車的代表，選擇公交車作為重型車的代表。采用這兩種車型最大載客數的半數作為車輛通過交叉口過程中的載客人數。因此可以得到通過交叉口的所有乘客延誤總量，如式1所示:

其中:DT為所有乘客通過交叉口的延誤總量，單位:hour;DL為所有輕型車的延誤總量，單位:hour;DH為所有重型車的延誤總量，單位:hour;nL為輕型車的平均載客人數，取2人;nH為重型車的平均載客人數，取20人;

由于時間成本收到多種因素的影響，在衡量選取的過程中存在一定的難度。本文研究中選用最低工資標準作為時間成本衡量的基礎。不同地區之間最低工作標準存在差異，本文采用2010年5月1日推行的廣州市最低工資標準［13］，通過下式2將通過交叉口過程中所有乘客的延誤總量轉換為經濟指標。

其中:ED為交通經濟成本指標，單位:元;W為廣州市最低小時工資，取5.92元/h。

對于能耗成本效益指標，統計通過交叉口過程中的所有機動車的燃油消耗總量，結合2010年10月廣州市93#汽油的單位價格，根據下式3計算出相應的能耗經濟成本指標。

其中:EF為能耗經濟成本指標，單位:元;FT為通過交叉口的所有機動車的燃油消耗總量，單位:L;PF為當前的燃油價格，取6.54元/L。

對于環境成本效益指標，根據不同的污染物類型，統計所有通過交叉口車輛的尾氣排放總量。不同的污染物對人類健康的影響程度不同。因此根據國家頒布的《排污費征收標準管理辦法》，采用下式4將不同類型污染物排放量轉換為統一的當量數［14］。

其中:Ni為污染物排放當量數，單位:kg;Pi為污染物排放總量，單位:kg;Ki為污染當量值;i為不同的污染物類型。

表1分別列出了CO、NOX、HC和PM的排放當量值［14］。將不同污染物排放總量轉換成相應的排放當量數后，根據下式5可以計算得到環境成本效益指標。

其中:EE為環境經濟成本指標，單位:元;PE為污染物當量排放征收單價，取0.6元/kg，m為污染物類型的總數量。

表1 不同污染物類型的污染當量值列表Table 1 Equivalent values of different pollutants

在選定評價指標以及標定相應的權重之后，建立了綜合評價模型，如下式6所示。

其中:PI為交叉口運行過程的綜合經濟成本指標。

在建立了綜合指標評價模型之后，利用微觀交通仿真平臺對不同的交通場景進行仿真實驗，得到相應的車輛平均延誤、燃油消耗總量數據和尾氣排放總量數據，并應用評價模型進行分析，獲得交叉口運行的綜合經濟成本指標。

2 仿真分析

2.1 仿真流程

CMEM是美國加州大學河濱分校開發的一個綜合標準排放模型，能夠計算和預測微觀尺度下機動車的尾氣排放和燃料消耗數據。本文采用的并行微觀仿真器Paramics作為微觀交通仿真平臺，同時使用了兼容的CMEM插件進行機動車微觀排放計算。其中Paramics是由英國Quadstone公司開發的一款建立在成熟仿真引擎基礎上的軟件包，具有實時動態的三維可視化用戶界面，對單一車輛進行微觀處理的能力，以及功能強大的應用程序接口，能夠用于模擬各種交通和運輸問題。

微觀仿真過程的工作流程圖如下圖1所示。首先輸入交叉口結構參數、交通流量等基本數據，選擇交叉口控制方式，建立仿真場景。然后進行微觀交通仿真。在仿真的過程中，Paramics逐秒記錄路網中車輛的基本屬性數據、運行狀態數據和相應的位置數據，并將這些數據輸出至CMEM插件。根據Paramics與CMEM車輛類型之間的關系進行對應匹配，應用上述數據計算得到機動車的逐秒尾氣排放量和燃油消耗量。接著將逐秒計算結果與車輛位置數據相結合，從而計算出相應路段的最終排放和油耗結果。

利用Paramics平臺和CMEM模型對不同流量水平下的交叉口運行情況進行仿真。針對每一種交通量情況，評價不同交通控制方式下交叉口的運行綜合經濟成本。

圖1 微觀交通仿真工作流程圖Fig.1 Flow chart of microscopic traffic simulation

2.2 仿真實驗

本文選擇主次干道相交的城市交叉口作為仿真場景，其中主干道為雙向八車道，次干道為雙向四車道，仿真時長為1h。對交叉口由低至高等比例加載交通流量，表2具體列出相應的交叉口總流量。

表2 交通仿真中交叉口交通總量列表Table 2 Total flows of intersection in traffic simulation輛/h

針對每一種流量條件，分別采用讓路控制、環形交叉口以及信號控制進行仿真。其中環形交叉口中心島的直徑為30 m，信號控制方案中采用經典的韋伯斯特方法進行配時方案設計。

本文分別從交通成本效益角度、能耗成本效益角度、環境成本效益角度以及綜合經濟成本效益角度評價不同控制方案條件下交叉口運行情況，具體如下圖所示。其中圖2－4分別顯示了交叉口總流量與車輛平均延誤、車輛通過交叉口過程中總耗油量以及產生的環境成本之間的關系。采用綜合指標評價模型，將不同指標轉換為經濟成本指標，得到了不同控制方式下交叉口綜合經濟成本與交叉口總流量的關系，具體如圖5所示。

圖2 車均延誤與總流量關系圖Fig.2 Relation of average delay and total flow

圖3 燃油消耗總量與總流量關系圖Fig.3 Relation of total fuel consumption and total flow

從圖2可以看出:從交通成本效益的角度出發，交叉口的車均延誤隨著車流的增加呈現上升的趨勢。在低流量水平下，車輛間相互干擾較小，采用讓路控制的方式效果最好。隨著車流量的增加，車輛間沖突增大，采用環形交叉口的方式能夠減少交叉口的沖突點，車輛的平均延誤低于其他兩種方式。在高流量水平下，根據流量比進行信號控制，能夠更好分配通行權，使車均延誤保持相對較低水平。對比圖3和圖4可以發現:能耗成本效益和環境成本效益的情況相似。從這兩個角度出發，采用信號控制方式的效果最好。影響機動車燃油消耗和尾氣排放總量的主要因素有兩個。一個是車輛的行駛距離，另一個是燃油消耗率。對于環形交叉口，車輛需要經過環道才能經過交叉口，車輛行駛距離的增加是車輛能耗和排放增大的主要原因。車輛行駛的穩定性對于燃油消耗率和排放水平具有重要的影響。讓路控制交叉口的交通不確定性程度高，頻繁的速度波動，導致了車輛通過交叉口過程較高的燃油消耗和尾氣排放。與圖2不同的是:在圖5中，在低流量水平下，讓路控制的效果略優于信號控制;隨著交通量的增加，在中高流量水平下，信號控制的成本低于其他兩種方式。造成這種變化的主要原因是信號控制方式在能耗成本效益和環境成本效益方面的優勢。因此與采用交通效益作為單一指標相比，采用綜合指標進行評價，選擇信號控制方式的流量閾值范圍變大，信號控制方式的經濟成本優勢更加明顯。

圖4 污染物當量總量與總流量關系圖Fig.4 Relation of total equivalent number and total flow

圖5 綜合經濟成本與總流量關系圖Fig.5 Relation of total economic cost and total flow

表3列出了綜合經濟成本中各個方面指標的組成情況。其中能效成本所占的比例最大，其次是交通成本，比例最小的是環境成本。燃油價格高是能耗成本所占比例較大的主要原因。隨著居民工資的提高，由于交通延誤帶來的時間成本將呈現上升的趨勢。另外，由于特殊的地形結構，交叉口的機動車尾氣擴散情況較差，在高峰時段形成濃度累積，加劇了空氣質量的惡化，對交叉口內部及周邊的行人和居民的健康帶來了不利的影響。然而在《排污費征收標準管理辦法》中并沒有考慮到這方面的因素，從而導致了評價中過低的環境成本。

表3 綜合經濟成本結構組成表Table 3 Construction of comprehensive economic cost /元

3 結論

本文從交通、能耗和環境等角度出發，以經濟效益為統一標準，采用綜合指標評價方法對不同流量水平下交叉口交通控制進行評估。應用綜合指標評價方法進行評估，可以根據研究區域的實際情況選擇時間成本和環境成本權重，滿足不同地區和城市的應用需要。本文以廣州為例，通過研究發現:在綜合經濟成本組成中，能耗成本所占比例最大;與采用車輛平均延誤表征交通效益的單指標評價相比，采用綜合指標進行評價，選擇信號控制方式的流量閾值范圍變大，在中高流量情況下，其經濟成本優于讓路控制和環形交叉口這兩種控制方式。

將不同方面的指標轉換為經濟指標進行評價，能夠更好的反映交叉口的實際運行成本。同時還有其他效益指標，包括安全效益指標、交叉口設施維護費用指標以及交通噪聲指標，對于交叉口的實際運行過程也有重要的影響。因此，在日后的研究中，也將進一步完善綜合指標評價體系，使之能夠更加合理和全面的評價交叉口的實際運行情況。

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