智能信控系統(tǒng)碳減排效益評估方法與實證研究

李振宇，宋偉男，路 熙，劉 濤

（1.交通運輸部科學研究院 城市公共交通智能化交通運輸行業(yè)重點實驗室，北京 100029；2.保定市公安局交警支隊，河北 保定 071000）

0 引言

我國城市交通碳排放具有規(guī)模大、增速快、減排難等主要特征，是影響交通行業(yè)實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標的關鍵領域。近年來，隨著城鎮(zhèn)化和機動化水平的提升，城市交通取得了快速發(fā)展，極大方便了市民出行，但日益嚴重的城市交叉口擁堵影響了城市交通的運行效率，同時加劇了城市交通的碳排放增長[1]。智能交通技術的快速發(fā)展為解決交叉口擁堵問題及實現(xiàn)城市交通深度碳減排提供了更多可能性。2021 年10 月，中共中央、國務院印發(fā)《關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》，明確提出加大城市交通擁堵治理力度、推廣智能交通技術等重點任務[2]。因此，通過運用智能交通技術，加強開展交叉口緩堵和減排協(xié)同治理，成為近期重點研究方向之一。智能化信號控制系統(tǒng)（以下簡稱“智能信控系統(tǒng)”）作為智能交通技術的其中之一，其推廣應用對城市交叉口擁堵治理及助力實現(xiàn)碳減排目標具有重要作用。

國內(nèi)外學者圍繞信號控制系統(tǒng)優(yōu)化促進道路交叉口擁堵治理和城市交通碳排放評估方面已開展了大量研究。Matthew 等[3]利用車輛運行檢測技術、車輛活動數(shù)據(jù)庫及基于車輛類型設計的排放模型，對緩堵策略、速度管理策略等在碳減排方面的作用進行了評估。Li 等[4]基于電子收費系統(tǒng)和車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，提出一種動態(tài)信控優(yōu)化模型，有效減少了交叉口車輛等待時長、停車次數(shù)，同時實現(xiàn)了碳減排效益。蘇春敏等[5]運用Synchro 軟件進行交通信號配時優(yōu)化，分析得出這種交叉口信號配時優(yōu)化可使早、晚高峰碳排放量分別降低21.47%和18.06%。李賓等[6]根據(jù)城市道路交叉口交通實況調(diào)查數(shù)據(jù)，提出了由于交通擁堵造成的碳排放效應計算方法，計算出交通擁堵時段交叉口交通流的碳排放量。唐旭南[7]結合微觀交通仿真VISSIM 模型，建立基于機動車比功率（Vehicle Specific Power,VSP）分布的污染物排放模型，并搭建了機動車尾氣排放測算平臺，用于計算機動車在城市道路交叉口的環(huán)境排放。姚榮涵等[8]以相位有效綠燈時間為決策變量，構建了以機動車排放總量最小化為目標函數(shù)的干線交叉口群時空資源信號優(yōu)化模型，并通過VISSIM模型標定紅綠燈期間的排放因子，計算獲得優(yōu)化配時方案。

總體而言，現(xiàn)有研究主要圍繞傳統(tǒng)單一或連續(xù)交叉口信號配時方案建立碳排放評估模型，但隨著交通信號控制技術趨勢由“點控”“線控”轉(zhuǎn)向“面控”，即由單一交叉口控制、干線協(xié)調(diào)控制轉(zhuǎn)向多點、聯(lián)測、聯(lián)動控制的區(qū)域智能控制，相應的碳減排效果評估分析研究還較少。因此，利用智能信控系統(tǒng)的交通流、交叉口車輛排隊等數(shù)據(jù)開展碳減排效益評估方法研究，對全面評估智能信控系統(tǒng)應用帶來的減排效益具有重要的現(xiàn)實意義。

為量化智能信控系統(tǒng)的碳減排效益，本文將通過分析交叉口的交通流特征和智能信控系統(tǒng)的技術原理，提出智能信控系統(tǒng)的碳減排原理，并據(jù)此提出“自下而上”的智能信控系統(tǒng)碳減排效益評估方法，通過對各交叉口進口不同車道的分類測算，提高碳減排效益評估的精度。

1 智能信控系統(tǒng)的碳減排原理

交通信號控制系統(tǒng)被用于調(diào)節(jié)交叉口信號燈相位，針對不同方向的交通流給予相應的放行時間，使交通流更加順暢。該系統(tǒng)可分為定時控制和感應式控制，其中定時控制系統(tǒng)主要基于人工檢測和設置配時參數(shù)，不能根據(jù)交通流量自適應地動態(tài)調(diào)節(jié)信號時長，可能造成車輛延誤時間長及不必要的怠速等待等；感應式控制根據(jù)不同的車流狀態(tài)，應用不同的控制模式，隨著自動化檢測技術和人工智能技術的發(fā)展，已能實現(xiàn)對交叉口交通流實時、多點、聯(lián)測、聯(lián)動控制，是近期的重要發(fā)展方向[9]。

隨著智能技術的快速發(fā)展，智能信控系統(tǒng)借助自動化檢測設備可實現(xiàn)全天候交通流觀測，運用交通工程學、應用數(shù)學、自動控制以及系統(tǒng)工程學等理論，自動生成信號配時方案，合理分配路權，保障車輛有序、高效地通行。智能信控系統(tǒng)能根據(jù)實際交通流狀態(tài)實行動態(tài)調(diào)節(jié)，即根據(jù)實際交通狀況、擁堵程度自動調(diào)節(jié)紅綠燈時長，實現(xiàn)交通信號控制的智能化升級，使車輛行駛更加暢通高效，減少交叉口交通擁堵[10]。

基于上述技術原理，確定智能信控系統(tǒng)的碳減排原理為：智能信控系統(tǒng)可實現(xiàn)城市交叉口實時、多點、聯(lián)測、聯(lián)動控制，促進人、車、道路、交叉口的和諧、密切配合，使更多車輛在行駛至交叉口時能勻速通過，顯著減少車輛在交叉口的停駛等待、加速行駛和低速行駛（車速≤10 km/h）等高碳排放狀態(tài)，在提升交叉口車輛通行能力和通行效率的同時，產(chǎn)生碳減排效益。

2 智能信控系統(tǒng)的碳減排核算方法

為核算因智能信控系統(tǒng)的應用產(chǎn)生的碳減排量，首先要基于系統(tǒng)應用后產(chǎn)生的影響范圍來確定核算范圍，然后計算此范圍內(nèi)因信號燈相位調(diào)節(jié)而新增的交通流量，最后基于智能信控系統(tǒng)的碳減排原理，提出碳減排效益的評估方法。

（1）確定交叉口核算范圍

交叉口在各個方向上的碳排放核算范圍以行駛車輛從到達交叉口之前的減速點（如：交叉口前20m）開始，到車輛通過交叉口后加速至平穩(wěn)行駛的行駛點（如：通過交叉口后繼續(xù)行駛20m）結束，而各個方向的范圍疊加即為交叉口碳排放量核算范圍，見圖1。

圖1 單個交叉口核算范圍示意圖

（2）計算實際交通流增量

基于視頻數(shù)據(jù)、車輛排隊數(shù)據(jù)等，借鑒交叉口通行能力和通行效率計算方法[11-12]，分析各交叉口的通行能力變化情況，收集智能信控系統(tǒng)應用前后的交通流量數(shù)據(jù)，計算各交叉口的交通流變化量，見式（1），并按照不同時間、進入口、車道方向進行細分。

式（1）中：ΔVTi為智能信控系統(tǒng)應用前后交叉口第i車道的交通流單日變化量（輛/d）；ΔVTh,i,t為應用智能信控系統(tǒng)后第i車道第t小時的交通流量（輛/h）；ΔVTq,i,t為應用智能信控系統(tǒng)前第i車道第t小時的交通流量（輛/h）；T是智能信控系統(tǒng)的單日運行時間（h）。

（3）確定碳排放強度

本文以小汽車為重點研究對象，公交車、物流車輛等其他車型暫不考慮?；诂F(xiàn)有的城市交通碳排放因子，利用排放測試設備開展車輛行駛工況補充測試，考慮車輛的速度工況、道路類型等相關因素，計算發(fā)動機功率、速度及能耗與碳排放的相互關系，建立各種車型對應的發(fā)動機圖譜，最后得出典型工況對應的排放強度?？紤]到缺少較詳細的車型分類數(shù)據(jù)，本文對車型因素作簡化處理，以1.6L 排量小汽車為代表車型，繪制該類車型的單車車速與碳排放強度關系曲線，見圖2。

圖2 1.6L排量小汽車行駛車速和CO2排放強度關系曲線

基于上述單車車速-碳排放強度關系曲線，參考聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC）發(fā)布的《2006 IPCC 國家溫室氣體清單指南》[13]和中國道路交通運輸排放模型中的排放因子研究[14]等，綜合確定1.6L 排量小汽車車型基于不同行駛速度的碳排放強度：以30km/h,40km/h 勻速行駛時，碳排放強度分別為280g/km,210g/km；怠速時，碳排放強度為250g/s；制動減速、起步啟動、低速慢行和加速通行時，碳排放強度分別為200g/km,380g/km,342g/km,305g/km。

（4）計算碳減排量

第一步：計算系統(tǒng)應用后的單日碳排放量。

從宏觀層面看，在應用智能信控系統(tǒng)后，新增交通流量的運行特征是當車輛行駛到交叉口時沒有發(fā)生停車等待，而是直接勻速通過，對應的單日碳排放量計算公式為：

式（2）中：PEy1為智能信控系統(tǒng)應用后的單日碳排放量（折算為CO2排放量，下同）（t）；Di為進口車道i新增交通流量的行駛距離（km）；efys為勻速行駛車輛的碳排放強度（g/km）；I為交叉口所有進口道i的集合；ΔVTi含義同前。

第二步：計算系統(tǒng)應用前的單日碳排放量。

假設在同等交通流量條件下，當車輛行駛至交叉口時正好為紅色相位，需停車等待后再啟動行駛通過交叉口，對應的單日碳排放量按式（3）計算。車輛運行狀況可分為制動減速、怠速等待、起步啟動、低速慢行和加速通行5 個階段，各階段的單日碳排放量計算方法有所不同，其中制動減速、起步啟動、低速慢行和加速通行4 個階段的單日碳排放量按式（4）計算，怠速等待階段的單日碳排放量按式（5）計算。

式（3）～式（5）中：PEy2為系統(tǒng)應用前的單日碳排放量（t）；PEjd為制動減速、起步啟動、低速慢行和加速通行4 個階段的單日碳排放量（t）；PEsj為制動減速階段的單日碳排放量（t）；PEqb為起步啟動階段的單日碳排放量（t）；PEms為低速慢行階段的單日碳排放量（t）；PEjs為加速通行階段的單日碳排放量（t）；j為車輛在交叉口范圍的各行駛階段，即制動減速階段、起步啟動階段、低速慢行階段和加速通行階段；J為各行駛階段j的集合；PEds為怠速等待階段的單日碳排放量（t）；Di,j為車輛在不同行駛階段的行駛距離；efj為各階段車輛的碳排放強度（g/km）；Ti為第i車道累計怠速等待時間（s），具體基于各交叉路口相位圖中紅燈時長、綠燈時長及模型仿真來確定；efds為怠速階段車輛的碳排放強度（g/s）；其他變量含義同前。

第三步：計算全年碳減排量。

通過前后對比，按式（6）計算全年實現(xiàn)的碳減排量：

式（6）中：ERy為系統(tǒng)應用后的全年碳減排量（t）；其他變量含義同前。

3 案例分析

3.1 案例介紹

為緩解交通擁堵，保定市開展了智能交通建設項目，其中智能信控子系統(tǒng)已建成并投入運行。在該項目中分兩期共安裝完成176 個交叉口智能化信號控制設備設施，實現(xiàn)了基于人工智能（Artificial Intelligence,AI）的交通狀態(tài)可視化監(jiān)測、智能優(yōu)化交通信號配時等，經(jīng)評估，取得了如下主要效果：

（1）實現(xiàn)176 個路口自適應控制，縮短了車輛無效等待時間，最大限度減少了各方向的無效等待，使綠燈放行時間與交通流量相匹配。

（2）實現(xiàn)25個子區(qū)綠波通行效果，行駛車輛可連續(xù)通過多個交叉口。協(xié)調(diào)東風路、朝陽大街、七一路及恒祥大街等25個子區(qū)各交叉路口的綠燈啟亮時差，保障車輛連續(xù)通過多個交叉口，減少車輛停車次數(shù)，縮短行程時間，提高行駛速度。七一路（朝陽大街—恒祥大街）子區(qū)西向東行程時間平均縮短1～2min，車速平均提高約11km/h，停車次數(shù)平均減少2次，見圖3。

圖3 保定市七一路（朝陽大街—恒祥大街）西向東平均行程時間變化

（3）實現(xiàn)32個交叉路口的可變車道與信號燈聯(lián)動控制，錯時提高道路通行能力。在有限的道路空間下，根據(jù)路口實際交通需求適時變換行駛方向指示標志，聯(lián)動調(diào)整優(yōu)化信號配時，及時消散左轉(zhuǎn)和直行車輛排隊長度，提高交叉路口的通行效率。完成七一路—恒祥大街、七一路—長城大街、恒祥大街—天鵝路、恒祥大街—復興路等32個交叉路口的可變車道與信號燈聯(lián)動控制[10,15]。

3.2 碳減排效益評估

本研究選取東風路—陽光大街交叉口、東風路—朝陽大街交叉口、東風路—向陽大街交叉口、東二環(huán)—天威路交叉口、東二環(huán)—東風路交叉口、東二環(huán)—復興路交叉口、三豐路—長城大街交叉口、三豐路—蓮池大街交叉口8 個交叉路口，收集了一周的視頻數(shù)據(jù)，分析其交通流量變化情況。因缺少具體的車型分類數(shù)據(jù)，因此仍以1.6L排量的小汽車作為典型車型。

（1）計算新增的交通流量

收集各交叉口的交通流量、車輛排隊、交叉口相位圖等相關數(shù)據(jù)，利用VISSIM中的交通仿真模型綜合分析交叉口的通行能力，計算得出每個交叉口各方向（東進左轉(zhuǎn)、東進直行、東進右轉(zhuǎn)、北進左轉(zhuǎn)、北進直行、北進右轉(zhuǎn)、南進左轉(zhuǎn)、南進直行、南進右轉(zhuǎn)、西進左轉(zhuǎn)、西進直行、西進右轉(zhuǎn)）新增交通流量。通過匯總，東風路—陽光大街交叉口、東風路—朝陽大街交叉口、東風路—向陽大街交叉口、東二環(huán)—天威路交叉口、東二環(huán)—東風路交叉口、東二環(huán)—復興路交叉口、三豐路—長城大街交叉口、三豐路—蓮池大街交叉口的平均每日新增交通流量分別為1 379 輛/d,1 976 輛/d,1 356 輛/d,1 547 輛/d,1 899輛/d,1 273輛/d,1 634輛/d,1 388輛/d，見圖4。

圖4 系統(tǒng)應用后各交叉口不同方向的新增交通流量

（2）計算碳排放量

首先，按照式（2），計算智能信控系統(tǒng)應用后,東風路—陽光大街交叉口、東風路—朝陽大街交叉口、東風路—向陽大街交叉口、東二環(huán)—天威路交叉口、東二環(huán)—東風路交叉口、東二環(huán)—復興路交叉口、三豐路—長城大街交叉口、三豐路—蓮池大街交叉口的碳排放量分別為67.0t,59.2t,33.2t,36.9t,80.2t,69.8t,43.4t,33.2t。

接著，按照式（3）～式（5），基于百度地圖、交叉路口相位圖等確定交叉路口各方向的行駛距離、紅燈時長、綠燈時長等，以確定核算范圍內(nèi)的行駛距離、怠速等待時間等，計算東風路—陽光大街交叉口、東風路—朝陽大街交叉口等8 個交叉口在同等交通流量下，智能信控系統(tǒng)應用前制動減速、怠速等待、起步啟動、低速慢行及加速通行5 個階段的碳排放量分別為232.8t,258.4t,144.8t,118.0t,250.0t,292.3t,192.7t,118.5t，見圖5。

圖5 系統(tǒng)應用前各交叉口的CO2排放量

最后，根據(jù)式（6），計算得出智能信控系統(tǒng)應用后東風路—陽光大街交叉口、東風路—朝陽大街交叉口、東風路—向陽大街交叉口、東二環(huán)—天威路交叉口、東二環(huán)—東風路交叉口、東二環(huán)—復興路交叉口、三豐路—長城大街交叉口、三豐路—蓮池大街交叉口的年碳減排量分別為165.8t/年,199.2t/年,111.6t/年,81.1t/年,169.8t/年,222.5t/年,149.3t/年,85.3t/年，平均每個交叉口的碳減排量為148t/年，碳減排效益顯著。

4 結語

本研究基于城市交叉口交通流理論及車輛運行特征，綜合分析智能信控系統(tǒng)特點、城市交通碳排放評估方法、排放強度測試技術等，提出了宏觀層面的智能信控系統(tǒng)碳減排效益評估方法，并選取保定市智能交通項目信號配時和交通流數(shù)據(jù)進行了實證分析，驗證了所提方法的可行性和有效性，進一步豐富了城市交通碳排放核算方法體系，也為后續(xù)將智能信控系統(tǒng)碳減排效益評估方法納入我國國家核證自愿減排量（Chinese Certified Emission Reduction,CCER）和城市交通碳交易體系提出了探索性思路。由于城市路網(wǎng)交通流具有隨機波動性，路網(wǎng)路段和交叉口的交通流在空間和時間上存在較強的相互作用，后續(xù)研究可對方法進行優(yōu)化，基于動態(tài)交通流模型關聯(lián)相鄰信號交叉口的交通流量，進一步提升智能信控系統(tǒng)碳減排效益評估方法的適用性和評估精度。