姚世瑞，郭建鋼，陳黎明，陳金山

（福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院，福建福州 350002）

橋梁兩端交叉口信號協(xié)調(diào)控制與碳排放關(guān)系研究?

姚世瑞，郭建鋼，陳黎明，陳金山

（福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)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(diào)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(diào)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(diào)控制設(shè)計后，碳排放減少11%，交通運行指標(biāo)有所改善；基于單點信號控制優(yōu)化的協(xié)調(diào)控制優(yōu)化設(shè)計后，碳排放減少15%，其他指標(biāo)均有所改善。協(xié)調(diào)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(diào)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(luò)中，復(fù)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(nèi)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(dǎo)致環(huán)境惡化。目前國內(nèi)對交叉口信號協(xié)調(diào)控制與碳排放的研究較少，張寧等通過干道信號協(xié)調(diào)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(jié)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(diào)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(chǔ)資料調(diào)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)特征

該路段的早高峰時間為7：00—9：00。采用人工調(diào)查法，調(diào)查內(nèi)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(diào)控制優(yōu)化

由調(diào)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(shè)1號交叉口為主要交叉口，建立基于原配時方案的協(xié)調(diào)控制。依據(jù)調(diào)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(diào)控制的主要設(shè)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(diào)控制優(yōu)化，在Synchro協(xié)調(diào)優(yōu)化的基礎(chǔ)上進行一定的人工調(diào)整（見圖3～5）。完成周期相位差調(diào)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(diào)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(guān)數(shù)據(jù)報告。

圖3　干線協(xié)調(diào)控制的建立

圖4　干線協(xié)調(diào)周期時長優(yōu)化

圖5　干線協(xié)調(diào)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(chǔ)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(diào)控制設(shè)計后，碳排放量減少11%；基于單點信號控制優(yōu)化的協(xié)調(diào)控制優(yōu)化設(shè)計后，碳排放量減少15%。其他指標(biāo)也均有所下降（見表3、表4）。

表3　交通運行評價指標(biāo)優(yōu)化前后對比

表4　氣體排放及燃料經(jīng)濟性指標(biāo)優(yōu)化前后對比

4　結(jié)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(diào)控制優(yōu)化設(shè)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(dāng)可觀。建議有關(guān)交通部門在進行道路設(shè)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(diào)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(xué)基金資助項目（41201100）；福建農(nóng)林大學(xué)科技創(chuàng)新（培育）團隊資助計劃（pytd12006）

2016-02-26