一種減少機(jī)動(dòng)車尾氣排放的交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于智能交通控制領(lǐng)域,涉及一種適用于有(無(wú))左轉(zhuǎn)短車道的單點(diǎn)控制 交叉口、減少機(jī)動(dòng)車尾氣排放的信號(hào)配時(shí)優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)如今,環(huán)境友好的可持續(xù)發(fā)展是世界各國(guó)普遍關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)問題,機(jī)動(dòng)車尾 氣排放作為環(huán)境污染的主要來(lái)源之一,需要通過先進(jìn)的節(jié)能減排技術(shù)進(jìn)行有效控制。
[0003] 信號(hào)控制交叉口是城市道路網(wǎng)的重要組成部分,其暢通與否對(duì)整個(gè)路網(wǎng)的運(yùn)行效 率起關(guān)鍵作用。與此同時(shí),交叉口機(jī)動(dòng)車尾氣排放減少也會(huì)使整個(gè)路網(wǎng)的機(jī)動(dòng)車尾氣排放 減少,從而提升城市的環(huán)境水平。那么,如何最大限度地減少交叉口機(jī)動(dòng)車尾氣排放就成了 亟待解決的關(guān)鍵問題。
[0004]目前,關(guān)于機(jī)動(dòng)車尾氣排放的研究主要聚焦于兩個(gè)方面:
[0005] (1)利用車載尾氣檢測(cè)技術(shù)(PEMS)在不同等級(jí)的城市道路上進(jìn)行機(jī)動(dòng)車排放檢 測(cè)試驗(yàn),通過統(tǒng)計(jì)分析探討交通信號(hào)控制與機(jī)動(dòng)車排放之間的相關(guān)關(guān)系,其技術(shù)缺陷在于 集計(jì)的排放因子通常選取不同行駛工況下排放因子的平均值;
[0006] (2)引入大氣擴(kuò)散模型或借助交通仿真軟件,以減少機(jī)動(dòng)車排放為目標(biāo)建立交叉 口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化模型,其技術(shù)缺陷在于采用的排放因子為單一值,未考慮交通流在紅、綠燈 期間運(yùn)行規(guī)律的差異,且忽略了左轉(zhuǎn)短車道對(duì)進(jìn)口道飽和流率的影響。
[0007] 相關(guān)研究表明,機(jī)動(dòng)車加速時(shí)的尾氣排放量比怠速、減速時(shí)顯著增加。根據(jù)交通流 理論,信號(hào)交叉口紅、綠燈期間交通流的運(yùn)行規(guī)律存在明顯差異,處于各種行駛工況的車輛 比例大不相同,因此,紅燈期間各污染物的排放因子與綠燈期間各污染物的排放因子應(yīng)有 所差別。鑒于此,本發(fā)明針對(duì)有(無(wú))左轉(zhuǎn)短車道的單點(diǎn)交叉口,首先基于機(jī)動(dòng)車比功率采 用單車或多車的實(shí)時(shí)排放數(shù)據(jù)標(biāo)定紅、綠燈期間的排放因子(稱為兩類排放因子),然后根 據(jù)標(biāo)定的兩類排放因子以最小化機(jī)動(dòng)車尾氣排放量為目標(biāo)提出新的信號(hào)配時(shí)優(yōu)化方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008] 本發(fā)明提供了一種減少機(jī)動(dòng)車尾氣排放的交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化方法,在同等交通 需求下使交叉口機(jī)動(dòng)車尾氣排放量降至最低,并為考慮交通排放的干道信號(hào)配時(shí)優(yōu)化方法 奠定基礎(chǔ)。
[0009] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案具體流程中涉及的數(shù)學(xué)符號(hào)的含義如下:
[0010]VSP,ζ (t)--時(shí)刻t車道組j上車輛ζ的比功率(kW/t);
[0011] Vhζ (t)--時(shí)刻t車道組j上車輛ζ的速度(m/s);
[0012]ahζ (t)--時(shí)刻t車道組j上車輛ζ的加速度(m/s2);
[0013]θs一一車道組j的坡度;
[0014]E)4(t)--時(shí)刻t車道組j上車輛ζ排放污染物k的質(zhì)量(mg);
[0015] &-一ω類機(jī)動(dòng)車的比功率位于分區(qū)γ時(shí)污染物k的排放因子(mg/s/veh);
[0016] τ一一車輛速度和加速度的采樣時(shí)間間隔的分辨率(s);
[0017] LVSPMiY一一ω類機(jī)動(dòng)車比功率分區(qū)γ的下限值(kw/t);
[0018] UVSPMiY一一ω類機(jī)動(dòng)車比功率分區(qū)γ的上限值(kW/t);
[0019] Α,ζ (t)--時(shí)刻t車道組j上車輛ζ的類別屬性;
[0020] EFGl,一一車道組j上ω類機(jī)動(dòng)車在綠燈期間排放污染物k的因子(mg/s/ veh);
[0021] NG,,M(t) 一一車道組j上綠燈期間駛離停車線的ω類機(jī)動(dòng)車數(shù);
[0022] EFR'l,一一車道組j上ω類機(jī)動(dòng)車在紅燈期間排放污染物k的因子(mg/s/veh);
[0023] NRjjM(t) 一一車道組j上紅燈期間駛離停車線的ω類機(jī)動(dòng)車數(shù);
[0024] C一一信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)(s);
[0025] GSj--車道組j的綠燈起亮?xí)r刻(s);
[0026] GEj--車道組j的綠燈結(jié)束時(shí)刻(s);
[0027] ls 相位啟動(dòng)損失時(shí)間(s);
[0028] t〇一一車輛速度和加速度的采樣開始時(shí)刻(s);
[0029] T一一分析期持續(xù)時(shí)間(h);
[0030] mod(t,C)t除以C的余數(shù);
[0031] e--屬于;
[0032] (6:--不屬于;
[0033] Qj--車道組j的通行能力(pcu/h);
[0034] SFj--車道組j的完整車道飽和流率(pcu/h);
[0035] SSj--車道組j的短車道飽和流率(pcu/h);
[0036] gj--車道組j的有效綠燈時(shí)間(s);
[0037] I--平均飽和車頭時(shí)距(s);
[0038] .W--平均停車間距(m);
[0039] Ψ}一一標(biāo)識(shí)車道組j是否含有短車道的二元變量,如果是,% = 1,否則,% ;
[0040] Dj一一車道組j的短車道長(zhǎng)度(m);
[0041] TQ--交叉口通行能力(pcu/h);
[0042] m--車道組數(shù);
[0043] dj--當(dāng)量小汽車在車道組j上的車均延誤(s/pcu);
[0044] Uj--車道組j的綠信比;
[0045] Xj--車道組j的飽和度;
[0046] PF一一信號(hào)聯(lián)動(dòng)修正系數(shù);
[0047] K一一信號(hào)控制類型的延誤修正系數(shù);
[0048] I一一上游調(diào)節(jié)增量延誤修正系數(shù);
[0049] Qb--分析期開始時(shí)的初始排隊(duì)車輛數(shù)(pcu);
[0050] μ 延誤參數(shù);
[0051] tr--分析期內(nèi)過飽和狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間(h);
[0052]TD--分析期內(nèi)交叉口的車輛總延誤(s);
[0053]AD--分析期內(nèi)交叉口的車均延誤(s/pcu);
[0054]m--機(jī)動(dòng)車類別數(shù);
[0055] βω一一ω類機(jī)動(dòng)車折算為當(dāng)量小汽車的換算系數(shù);
[0056] Ρ,,ω一一車道組j上ω類機(jī)動(dòng)車所占比例;
[0057] q.j--車道組j的需求流率(veh/h);
[0058] 一一一輛ω類機(jī)動(dòng)車在車道組j上的平均停留時(shí)間(s);
[0059] Sj--車道組j的進(jìn)口道長(zhǎng)度(m);
[0060] -一ω類機(jī)動(dòng)車在車道組j上的平均行駛速度(m/s);
[0061]Ek]M一一分析期內(nèi)車道組j上ω類機(jī)動(dòng)車排放污染物k的質(zhì)量(mg);
[0062]TE--分析期內(nèi)交叉口機(jī)動(dòng)車總排放量(mg);
[0063]AE--分析期內(nèi)交叉口車均排放量(mg/pcu);
[0064]δ--污染物種類數(shù);
[0065] η--相位數(shù);
[0066]Φ??--標(biāo)識(shí)車道組j上的車流是否可在相位i內(nèi)通行的二元變量,如果是,Φi_j =1,
[0067] 否貝 1|,(^=〇;
[0068]gf一一相位i的有效綠燈時(shí)間(s);
[0069]gmin--最小有效綠燈時(shí)間(s);
[0070]Cmin--最小周期時(shí)長(zhǎng)(s);
[0071]Cmax 最大周期時(shí)長(zhǎng)(s);
[0072]nd--分別獨(dú)立的相位數(shù);
[0073] 1--平均相位損失時(shí)間(s)。
[0074] 以下是具體步驟:
[0075]1、標(biāo)定兩類排放因子
[0076] 時(shí)刻t車道組j上車輛ζ的比功率為
[0078]時(shí)刻t車道組j上車輛ζ排放污染物k的質(zhì)量為
[0080] 考慮信號(hào)配時(shí)方案,通過集計(jì)可得車道組j上ω類機(jī)動(dòng)車在綠燈期間排放污染物 k的因子為
[0081]
[0082] 類似地,車道組j上ω類機(jī)動(dòng)車在紅燈期間排放污染物k的因子為
[0084] 2、構(gòu)建信號(hào)配時(shí)優(yōu)化模型
[0085] 考慮左轉(zhuǎn)短車道對(duì)進(jìn)口道通行能力的影響,車道組.i的通行能力為
[0087] 將所有車道組的通行能力進(jìn)行集計(jì)可得交叉口通行能力,即
[0089]目前,人們提出了許多估計(jì)一條進(jìn)口車道或車道組的車均延誤公式。以美國(guó)道路 通行能力手冊(cè)(HCM2000)為例,當(dāng)量小汽車在車道組j上的車均延誤為
[0091] 將所有車道組的車均延誤進(jìn)行集計(jì),則交叉口所有車輛的總延誤為
[0095] 根據(jù)行程時(shí)間與行駛時(shí)間、延誤之間的關(guān)系,一輛車在車道組j上的平均停留時(shí) 間為
[0097] 基于標(biāo)定的兩類排放因子,分析期內(nèi)車道組j上ω類機(jī)動(dòng)車排放污染物k質(zhì)量為
[0098]
[0099] 將所有車道組上所有類型機(jī)動(dòng)車排放的所有污染物進(jìn)行集計(jì),則交叉口機(jī)動(dòng)車總 排放量為
[0101] 進(jìn)一步,交叉口車均排放量為
[0103] 考慮信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)的特點(diǎn),車道組j的有效綠燈時(shí)間應(yīng)不小于最小有效綠燈時(shí) 間,即
[0105] 信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)等于所有相位有效綠燈時(shí)間之和加上總損失時(shí)間,其值應(yīng)介于最小 周期時(shí)長(zhǎng)與最大周期時(shí)長(zhǎng)之間,即
[0107] 另外,相位i的有效綠燈時(shí)間應(yīng)為非負(fù)數(shù),BP
[0108] <^,p > 0 (16)
[0109] 為減少交叉口機(jī)動(dòng)車污染物的總排放量,以最小化式(12)為目標(biāo),以式(14)、 (15)和(16)為約束條件,構(gòu)建的信號(hào)配時(shí)優(yōu)化模型為
[0111] 此外,式(17)中的單目標(biāo)函數(shù)可改為雙目標(biāo)函數(shù),如
[0112]
[0113] 對(duì)于式(17)或(18),機(jī)動(dòng)車總排放量可用車均排放量代替,車輛總延誤可用車均 延誤代替,即本發(fā)明所述減少交叉口機(jī)動(dòng)車排放的信號(hào)配時(shí)優(yōu)化模型體系包括6種具體形 式的模型。
【附圖說(shuō)明】
[0114] 圖1為交叉口車道設(shè)置示意圖。
[0115] 圖2為交叉口相位設(shè)計(jì)方案舉例。
[0116] 圖3(a)為東西向?qū)S米筠D(zhuǎn)相位設(shè)計(jì)方案示意圖。
[0117] 圖3(b)為東西向進(jìn)口道直左相位設(shè)計(jì)方案示意圖。
[0118] 圖3(c)為東西向前置左轉(zhuǎn)+后置左轉(zhuǎn)相位設(shè)計(jì)方案示意圖。
[0119] 圖3(d)為東西向?qū)S米筠D(zhuǎn)+前置左轉(zhuǎn)相位設(shè)計(jì)方案示意圖。
[0120] 以圖1所示四路交叉口為例,東、西進(jìn)口道上分別渠劃左轉(zhuǎn)短車道、左轉(zhuǎn)專用車 道、直行車道和直右混行車道各1條,南、北進(jìn)口道上分別渠劃左轉(zhuǎn)專用車道、直行車道和 直右混行車道各1條。假設(shè)各進(jìn)口道的右轉(zhuǎn)車流均不受單獨(dú)的信號(hào)控制,自南進(jìn)口道起,按 順時(shí)針方向?qū)D1中的左轉(zhuǎn)車流使用奇數(shù)進(jìn)行編號(hào),分別設(shè)為Ml,M3,M5和M7,與其沖突的 直右車流使用偶數(shù)進(jìn)行編號(hào),分別設(shè)為M2,M4,M6和M8。圖2為信號(hào)相位方案,東西向采用 前置左轉(zhuǎn)+后置左轉(zhuǎn)方式,南北向采用專用左轉(zhuǎn)+前置左轉(zhuǎn)方式。
[0121] 圖1