基于交通污染的城市道路环形交叉口的信号配时优化研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 2.48MB 101 页 15积分
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摘 要
随着国民经济和城市化建设的高速发展，城市机动化程度越来越高，机动车
拥有量的提高进一步推动了社会进步、方便了居民出行，与此同时也造成了环境
污染，严重影响着城市交通环境质量。城市交通运输环境污染主要包括汽车排放
污染、交通噪声污染和大气污染等，在这几方面中，汽车排放污染越来越引起交
通运输领域的广泛关注。如何掌握汽车排放污染物的生成机理及影响因素，通过
交通管理与控制手段，减少汽车在途中、交叉口的停留时间，使城市交通污染排
放得以控制，是当今世界大城市面临的主要难题之一，城市交通与环境的协调发
展成为亟待研究的课题。
城市道路平面交叉口的功能是把道路相互联结起来构成道路网，是道路网络
中通行能力的“隘路”和交通事故的“多发源”。通过对城市道路交叉口中具有代表性
的环形交叉口的信号控制与污染排放相关联系的科学研究，根据城市道路交通的
环保理念，实现从交通运输规划开始与空气质量控制规划进行关联，将交通污染
排放控制引入城市交通信号管理与控制过程的创新思想，以上海市杨浦区江湾五
角场区域环形交叉口为例进行分析研究，提出基于交通污染的江湾五角场区域环
形交叉口的信号控制建议方案。
在基于交通污染的城市道路环形交叉口的信号控制研究过程中，主要完成了
以下工作内容：
1.环形交叉口数据采集，分析影响道路污染物浓度的因素，得出到机动车污染
物的排放因子。
2.了解汽车排放污染物的生成机理及其影响因素，有效地进行汽车排放污染物
预测。
3.分析机动车污染物排放与环形交叉口信号配时参数之间的相互关系，建立基
于交通污染的城市道路环形交叉口信号配时模型。
4.运用 AIMSUN 交通仿真软件，对上海市杨浦区江湾五角场区域环形交叉口
新的配时建议方案进行仿真，验证提高环形交口通行效率对减少机动车尾气排放
量的有效性结论。
关键词：汽车排放污染 环形交叉口 信号控制 交通仿真
ABSTRACT
With the rapid development of economy and urbanization, the number of motor
vehicles in the large cities is rising steeply. Traffic-induced emissions pose a serious
threat to air quality in many metropolises. Traffic pollution includes vehicle emission
and noise. The experts of transport focus on vehicle emission currently. Master the
principle of the cause and influence factors of vehicle emission and the methods of
transport control for reduce the car’s stop time during the cruise, is the hard question.
The harmony development between urban transport and traffic environment becomes an
urgent problem.
In the dissertation, the relationship between the signal control strategies for
roundabout and traffic emission is analyzed, the pollution control planning is introduced
to the urban transport planning, the signal control and management combine with the
pollution control planning, and the pollution control measure is put forward to
Wujiaochang Circle’s roundabout,basing traffic environment quality.
In the study of the signal control strategies for Wujiaochang Circle’s roundabout,
basing traffic environment quality, Main contents of the dissertation is shown as
follows:
For the very first time, traffic environment data for the roundabout is gotten,
analysis the influence factors to traffic emission to get emission parameter.
Then comprehend the mechanism of the cause of vehicle emission for forecasting
the vehicle pollution.
Thirdly, analysis the relationship of signal parameter and traffic emission, build
signal control model which is basing air quality to meet the travel demand and reduce
the emission.
Finally the control measure is put forward by a case study using the AIMSUN. A
case study is given to illustrate that the emission will be reduced if the Wujiaochang
Circle gets the new signal control plan.
Key Word：vehicular emission , roundabout ，signal control ，
simulation
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ........................................................................................................1
§1.1 概述 ....................................................................................................................... 1
§1.1.1 环形交叉口.....................................................................................................1
§1.1.2 环形交叉口信号控制.....................................................................................1
§1.1.3 环境质量与环形交叉口信号控制关系.........................................................1
§1.2 国内外研究现状 ................................................................................................... 2
§1.2.1 国外研究现状................................................................................................ 3
§1.2.2 国内研究现状.................................................................................................4
§1.2.3 评价与启示.....................................................................................................5
§1.3 研究的内容与技术路线 ....................................................................................... 6
§1.3.1 研究内容.........................................................................................................6
§1.3.2 技术路线.........................................................................................................7
§1.4 研究拟解决的关键问题 ....................................................................................... 8
§1.5 本章小节 ............................................................................................................... 8
第二章 环形交叉口交通控制理论 ......................................................................... 9
§2.1 环形交叉口交通特征与交通问题 ....................................................................... 9
§2.1.1 环形交叉口交通特征.....................................................................................9
§2.1.2 环形交叉口交通问题.....................................................................................9
§2.2 实施信息控制的环形交叉口类型 ..................................................................... 10
§2.3 环形交叉口交通控制基本方法 ......................................................................... 10
§2.3.1 左转两步控制的环交...................................................................................10
§2.3.2 左转一步控制（不绕环岛）的环交...........................................................14
§2.3.3 一般控制的环交...........................................................................................15
§2.4 各控制方法的使用条件 ..................................................................................... 16
§2.4.1 流量条件.......................................................................................................16
§2.4.2 交叉口几何条件...........................................................................................17
§2.5 信号控制的环形交叉口通行能力 ..................................................................... 17
§2.6 本章小节 ............................................................................................................. 19
第三章 机动车排放污染物生成机理与影响因素 ................................................. 21
§3.1 车用汽油机排放污染物生成机理与影响因素 ................................................. 21
§3.1.1 汽油机燃烧过程...........................................................................................21
§3.1.2 汽油机污染物生成机理...............................................................................21
§3.1.3 影响汽油机排放污染物生成因素...............................................................22
§3.2 车用柴油机排放污染物生成机理与影响因素 ................................................. 26
§3.2.1 直喷式柴油机分区燃烧模型.......................................................................26
§3.2.2 柴油机有害排放物生成机理.......................................................................28
§3.2.3 影响柴油机气态排放物生成主要因素.......................................................29
§3.2.4 柴油机微粒、炭烟生成机理及其影响因素...............................................30
§3.3 本章小结 ............................................................................................................. 32
第四章 机动车污染排放分析 ............................................................................... 33
§4.1 机动车污染的特征 ............................................................................................. 33
§4.1.1 机动车主要污染物的产生..........................................................................33
§4.1.2 机动车污染的特点.......................................................................................35
§4.2 污染物环境浓度及城市交通的观测实验 ........................................................ 36
§4.2.1 机动车污染物的测量与分析方法...............................................................36
§4.2.2 采样地点和时间..........................................................................................36
§4.2.3 气象参数调查..............................................................................................37
§4.2.4 交通流性态调查..........................................................................................37
§4.3 污染物浓度与影响因素的关系 ........................................................................ 38
§4.3.1 污染物浓度与交通流量、进口道延误之间的关系...................................38
§4.3.2 各进口道的污染物排放之间的关系...........................................................39
§4.4 机动车等效排放系数 ........................................................................................ 40
§4.5 本章小节 ............................................................................................................. 42
第五章 交通污染排放因子分析 ........................................................................... 43
§5.1 排放因子及其获取方法 ..................................................................................... 43
§5.1.1 排放因子的定义...........................................................................................43
§5.1.2 机动车排放因子的确定...............................................................................43
§5.2 大气扩散模型简介 ............................................................................................. 44
§5.2.1 经典大气扩散模式（连续点源的高斯模型）...........................................44
§5.2.2 应用高斯模型进行估算...............................................................................46
§5.2.3 对经典大气扩散理论的推广.......................................................................50
§5.2.4 城市街道峡谷扩散模式----OSPM ............................................................. 53
§5.3 利用大气扩散模型逆向反演模式理论推算污染物排放源强 ......................... 59
§5.4 计算机动车综合排放因子 ................................................................................. 61
§5.5 本章小节 ............................................................................................................. 62
第六章 基于交通污染的信号交叉口配时优化模型 ............................................. 63
§6.1 信号控制的基本参数及评价指标 ..................................................................... 63
§6.1.1 交通信号的基本参数...................................................................................63
§6.1.2 信号控制的评价指标...................................................................................64
§6.1.3 定时信号交叉口车辆延误时间...................................................................65
§6.2 交叉口机动车尾气排放模型 ............................................................................. 66
§6.3 基于交通污染的交叉口信号配时优化模型 ..................................................... 68
§6.3.1 基于交通污染的环形交叉口信号配时模型...............................................69
§6.3.2 交叉口绿灯时间的确定...............................................................................71
§6.3.3 最佳信号周期 T的求解 ...............................................................................71
§6.3.4 相位差的确定...............................................................................................72
§6.4 本章小结 ............................................................................................................. 72
第七章 环形交叉口信号控制与配时优化仿真 .....................................................74
§7.1 微观仿真平台的建立 ......................................................................................... 74
§7.2 微观仿真平台的标定 ......................................................................................... 77
§7.3 基于交通污染的信号配时优化方案 ................................................................ 78
§7.3.1 仿真输出结果分析......................................................................................79
§7.3.2 环形交叉口非对称性分析..........................................................................81
§7.4 不同交通管理控制策略对尾气排放的影响 ..................................................... 83
§7.4.1 交叉口道路改扩建对尾气排放的影响.......................................................83
§7.4.2 公交车交通管理措施对尾气排放的影响...................................................84
§7.4.3 交叉口信号控制方式对尾气排放的影响...................................................84
§7.5 环形交叉口改善策略与建议 ............................................................................. 86
§7.5.1 环形交叉口改善宏观指导策略...................................................................86
§7.5.2 环形交叉口改善具体措施...........................................................................86
§7.6 本章小结 ............................................................................................................. 87
第八章 结论、创新与展望 ...................................................................................88
§8.1 研究主要成果及结论 ......................................................................................... 88
§8.2 研究的创新点 ..................................................................................................... 89
§8.3 进一步研究的展望 ............................................................................................. 90
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 概述
§1.1.1 环形交叉口
环形交叉口是在交叉口的中央设置中心岛，进入交叉口的车辆绕中心岛作逆
时针单向行驶，到达所要去的出口驶出交叉口。利用环岛组织交通，可以使经过
交叉口的车辆不需停车而连续不断地以右转方式来实现直行、左转。
环形交叉口同一般平面交叉口相比，具有冲突点少、车流连续、行驶安全、
便于管理等优点，因而在许多城市道路交叉口采用。
§1.1.2 环形交叉口信号控制
由于环岛的存在，环形交叉口处进环与出环的车辆需要做交织运行，使得环
形交叉口上无论有多少条车道，真正起作用能用于车辆绕行的车道只有一条，其
通行能力大大受到限制，不适用于流量过大的交叉口。为此，通常在环交口设置
信号灯，对过往车辆进行一定程度的控制与引导，使其通行能力得以增大。
§1.1.3 环境质量与环形交叉口信号控制关系
交叉口作为城市道路交通网络中的重要组成部分，其通常有多向交通流集中，
该交通流又经常被交通信号中断，使交叉口形成交通网络中的瓶颈地点。而且由
于机动车在通过交叉口时都会经历减速(或停车)、加速的过程，由此产生一定的延
误，在这一过程中，一方面延误会使机动车行驶时间延长，另一方面，机动车的
加减速过程会使机动车行驶工况发生变化，这些都会使机动车产生比在一般道路
行驶时更多的尾气排放。相关研究指出交叉口处 CO 排放强度可达距交叉口 80m
以远处的 10 倍[1]。特别是当交通需求远大于供给、城市路网负荷过大，道路交叉
口会经常出现车辆排队等候现象，高峰期间更是拥挤不堪。同时城市道路交叉口
由于交通密度大，机动车低速运行，冲突点、交织点多以及交通设施较为集中而
且车辆的运行工况恶劣,对道路路段、路口的几何设计、信号配置及路面构筑物等
因素缺乏整体的考虑，交通组织不够协调，从而产生了大量的废气排放，造成城
市环境污染的加剧。据估计全世界范围内大约 15％的 CO2、50％的 NOX和90％的
CO 由交通运输产生[2]。许多发达国家道路交通的社会耗费占到国民生产总值的 5％
[3]，这项费用主要用于道路网络上机动车造成的空气及噪声污染和交通事故的治
摘要：

摘要随着国民经济和城市化建设的高速发展，城市机动化程度越来越高，机动车拥有量的提高进一步推动了社会进步、方便了居民出行，与此同时也造成了环境污染，严重影响着城市交通环境质量。城市交通运输环境污染主要包括汽车排放污染、交通噪声污染和大气污染等，在这几方面中，汽车排放污染越来越引起交通运输领域的广泛关注。如何掌握汽车排放污染物的生成机理及影响因素，通过交通管理与控制手段，减少汽车在途中、交叉口的停留时间，使城市交通污染排放得以控制，是当今世界大城市面临的主要难题之一，城市交通与环境的协调发展成为亟待研究的课题。城市道路平面交叉口的功能是把道路相互联结起来构成道路网，是道路网络中通行能力的“隘路”和...

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