李振宇，宋偉男，路 熙，劉 濤

（1.交通運輸部科學(xué)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(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的關(guān)鍵領(lǐng)域。近年來，隨著城鎮(zhèn)化和機(jī)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(yán)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(shù)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(wù)院印發(fā)《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)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(shù)等重點任務(wù)[2]。因此，通過運用智能交通技術(shù)，加強(qiáng)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(shù)的其中之一，其推廣應(yīng)用對城市交叉口擁堵治理及助力實現(xiàn)碳減排目標(biāo)具有重要作用。

國內(nèi)外學(xué)者圍繞信號控制系統(tǒng)優(yōu)化促進(jìn)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(shù)、車輛活動數(shù)據(jù)庫及基于車輛類型設(shè)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(jìn)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(jìn)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(yīng)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(jié)合微觀交通仿真VISSIM 模型，建立基于機(jī)動車比功率（Vehicle Specific Power,VSP）分布的污染物排放模型，并搭建了機(jī)動車尾氣排放測算平臺，用于計算機(jī)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(gòu)建了以機(jī)動車排放總量最小化為目標(biāo)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(biāo)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(shù)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(yīng)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(yīng)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(shù)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(jìn)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(yīng)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(yīng)式控制，其中定時控制系統(tǒng)主要基于人工檢測和設(shè)置配時參數(shù)，不能根據(jù)交通流量自適應(yīng)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(yīng)式控制根據(jù)不同的車流狀態(tài)，應(yīng)用不同的控制模式，隨著自動化檢測技術(shù)和人工智能技術(shù)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(shù)的快速發(fā)展，智能信控系統(tǒng)借助自動化檢測設(shè)備可實現(xiàn)全天候交通流觀測，運用交通工程學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、自動控制以及系統(tǒng)工程學(xué)等理論，自動生成信號配時方案，合理分配路權(quán)，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(shù)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(jìn)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(yīng)用產(chǎn)生的碳減排量，首先要基于系統(tǒng)應(yīng)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(dá)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(jié)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(yīng)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(jìn)入口、車道方向進(jìn)行細(xì)分。

式（1）中：ΔVTi為智能信控系統(tǒng)應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(qiáng)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(shè)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(guān)因素，計算發(fā)動機(jī)功率、速度及能耗與碳排放的相互關(guān)系，建立各種車型對應(yīng)的發(fā)動機(jī)圖譜，最后得出典型工況對應(yīng)的排放強(qiáng)度?？紤]到缺少較詳細(xì)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(qiáng)度關(guān)系曲線，見圖2。

圖2 1.6L排量小汽車行駛車速和CO2排放強(qiáng)度關(guān)系曲線

基于上述單車車速-碳排放強(qiáng)度關(guān)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(qiáng)度：以30km/h,40km/h 勻速行駛時，碳排放強(qiáng)度分別為280g/km,210g/km；怠速時，碳排放強(qiáng)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(qiáng)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(yīng)用后的單日碳排放量。

從宏觀層面看，在應(yīng)用智能信控系統(tǒng)后，新增交通流量的運行特征是當(dāng)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(yīng)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(yīng)用后的單日碳排放量（折算為CO2排放量，下同）（t）；Di為進(jìn)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(qiáng)度（g/km）；I為交叉口所有進(jìn)口道i的集合；ΔVTi含義同前。

第二步：計算系統(tǒng)應(yīng)用前的單日碳排放量。

假設(shè)在同等交通流量條件下，當(dāng)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(yīng)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(yīng)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(qiáng)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(qiáng)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(yīng)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(shè)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(shè)備設(shè)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(yīng)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(fēng)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?xí)r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(biāo)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(fù)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(fēng)路—陽光大街交叉口、東風(fēng)路—朝陽大街交叉口、東風(fēng)路—向陽大街交叉口、東二環(huán)—天威路交叉口、東二環(huán)—東風(fēng)路交叉口、東二環(huán)—復(fù)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(guān)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(jìn)左轉(zhuǎn)、東進(jìn)直行、東進(jìn)右轉(zhuǎn)、北進(jìn)左轉(zhuǎn)、北進(jìn)直行、北進(jìn)右轉(zhuǎn)、南進(jìn)左轉(zhuǎn)、南進(jìn)直行、南進(jìn)右轉(zhuǎn)、西進(jìn)左轉(zhuǎn)、西進(jìn)直行、西進(jìn)右轉(zhuǎn)）新增交通流量。通過匯總，東風(fēng)路—陽光大街交叉口、東風(fēng)路—朝陽大街交叉口、東風(fēng)路—向陽大街交叉口、東二環(huán)—天威路交叉口、東二環(huán)—東風(fēng)路交叉口、東二環(huán)—復(fù)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(yīng)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(yīng)用后,東風(fēng)路—陽光大街交叉口、東風(fēng)路—朝陽大街交叉口、東風(fēng)路—向陽大街交叉口、東二環(huán)—天威路交叉口、東二環(huán)—東風(fēng)路交叉口、東二環(huán)—復(fù)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(fēng)路—陽光大街交叉口、東風(fēng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用后東風(fēng)路—陽光大街交叉口、東風(fēng)路—朝陽大街交叉口、東風(fēng)路—向陽大街交叉口、東二環(huán)—天威路交叉口、東二環(huán)—東風(fēng)路交叉口、東二環(huán)—復(fù)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(jié)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(qiáng)度測試技術(shù)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(jìn)行了實證分析，驗證了所提方法的可行性和有效性，進(jìn)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(jī)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(qiáng)的相互作用，后續(xù)研究可對方法進(jìn)行優(yōu)化，基于動態(tài)交通流模型關(guān)聯(lián)相鄰信號交叉口的交通流量，進(jìn)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。