基于耦合模型的交通组织方案对公交车NOx排放影响分析.pdf
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1、为论证交通组织方案对 NOx减排有明显的效果,根据实际公交线路,分别运用 VISSIM 交通仿真模型和 Webster 信号配时模型优化交通组织方案,再通过尾气排放模型 MOVES 与 VISSIM 进行联合仿真得出排放因子,分析不同类型的交通组织方案对公交车 NOx排放特性的影响。结果表明:交通组织方案提升了公交车在高峰期的服务水平,对缓解交通拥堵有明显的效果,并且在工作日早晚高峰时对 NOx的减排效果尤为显著;在交通设计方案中运用路中式专用道,因其独立性强和不易受社会车辆干扰等优点,在降低交通延误、提升运行速度以及减少 NOx排放等方面对比其他方案最具优越性;信号配时优化对缓解交叉口 NO
2、x的排放起到主要作用,直接降低了怠速工况所占的比例,进而减少恶劣工况所带来的额外排放。关键词 耦合模型;城市公交;NOx排放;公交专用道;交叉口中图法分类号 U467.1;文献标志码 AAnalysis of NOxEmission Impact of Traffic OrganizationScheme Based on Coupled ModelKOU Ye-wei1,2,MA Rong1,3,HE Chao1,2,LIU Xue-yuan1,2,LI Jia-qiang1,2(1.School of Machinery and Transportation,Southwest Fores
3、try University,Kunming 650224,China;2.Key Laboratory of Vehicle Environmental Protection and Safety in Plateau Mountain Area of Yunnan Province Colleges,Kunming 650224,China;3.Key Laboratory of Eco-environmental Evolution and Pollution Control in Mountainous Rural Areas of Yunnan Province,Kunming 65
4、0224,China)Abstract In order to demonstrate the obvious effect of traffic organization optimization on NOxemission reduction,a section of busline was selected.The traffic organization scheme was designed by VISSIM traffic simulation model and Webster signal timing model re-spectively.The emission fa
5、ctors were obtained by joint simulation of MOVES and VISSIM,and the influence of different traffic organiza-tion schemes on NOxemission characteristics of bus was analyzed.The results show that the service level of buses in peak period is im-proved by the traffic organization scheme,has obvious effe
6、ct on relieving traffic congestion,and especially remarkable effect on reducingNOxemission during peak hours in the morning and evening of working day.In the traffic design scheme,the use of middle of road buslane is superior to other schemes in terms of reducing traffic delay,increasing operation s
7、peed and reducing NOxemissions,because of itsindependence and freedom from interference from social vehicles.Signal timing optimization plays a major role in mitigating NOxemis-sions at intersections,directly reducing the proportion of idle conditions,thus reducing additional emissions caused by adv
8、erse conditions.Keywords coupling model;city bus;NOxemission;bus lanes;intersection 近年来,随着城市经济的快速发展,机动车带来的交通排放急剧上升,已成为城市大气污染的重要污染源之一1,其中的 NOx排放因其强致病性受到广泛关注。城市公交的运行区域主要由路段和交叉口组成,在路段内产生的 NOx排放会随着交通流产生扩散,对当地居民造成间接影响2;而交叉口作为交通环境复杂的交织区域聚集效应明显,周围人群暴露在较高浓度 NOx下的概率增高3-4。对此需要立足公交优先理念,把公共交通摆在城市交通发展的首要位置,才能从根本
9、上缓解交通拥堵、尾气污染等矛盾5-7。积极推进公交优先理念以减轻 NOx的污染排投稿网址:放。以路段排放为研究目标,具体表现在设置公交专用道以保障公交运营的主体地位,从而带来可观的节 能 减 排 效 益。成 宇 飞8将 交 通 仿 真 模 型VISSIM与尾气排放模型 MOVES 搭建仿真平台,比较分析不同的公交专用道设置方案的污染物排放量,得出以路中式专用道为主体的设置方案减排效果最好。Shan 等9将全球定位系统(global positio-ning system,GPS)与 MOVES 结合,搭建基于车辆比功率(vehicle specific power,VSP)的快速公交系统(bu
10、s rapid transit,BRT)线路排放速率模型,发现在公交专用道运行时随着平均速度的增加,空转运行的比例降低,排放因子缓慢下降到最小值,可见公交专用道的设置缓解了交通拥堵区域内高浓度的尾气污染;以交叉口排放为研究目标,主要通过交通信号配时优化来减少公交车延误,缓解因恶劣工况所带来的额外排放。巴兴强等10将 VISSIM 和MOVES 进行联合仿真,选取信号控制交叉口对其组织优化后的污染物特征进行分析,得出每种组织措施对排放的影响。蒋诚等11在设有公交专用道的交叉口提出借道系统,并基于 Lingo 软件分析公交优先策略下借道系统的综合效益。基于此,将现有模型进行耦合,综合考虑公交专用道
11、和交叉口信号配时,对其进行组合来设计不同的交通组织方案,从微观层面精确量化不同的交通组织方案对公交车 NOx的排放影响,以此揭示公交车 NOx减排效益与交通组织方案存在直接联系,同时也为交通管理者优化交通状况提供理论上的参考依据。1 研究方法与模型为探究对路段进行交通组织优化后公交车的NOx排放特性,以昆明市双龙广场站至华昌路口站的公交线路为研究对象,该线路途经市中心这类交通密集区域,有利于对交通流量大的路段进行公交专用道设置,并对涉及的交叉口进行信号配时优化设计,比较不同组合方案的排放数据,从而得到最优的交通组织方案,以减少城市公交车 NOx的排放。该路段所涉及的公交车参数如表 1 所示。表
12、 1 公交车辆参数Table 1 Bus vehicle parameters公交车总里程/km额定功率/kW燃油种类站台数44 路12.1178柴油1958 路12.3186柴油2475 路16.8166柴油2980 路10.8170柴油1789 路12.4182柴油22111 路21.4218柴油401.1 研究思路实施公交优先战略,以缓解交通拥堵、提高出行质量以及降低 NOx排放,主要考虑两个方面:路权保障,即通过设置公交专用道保障公交的路权与社会车辆区分开来;交叉口信号控制,即针对公交运行特点进行信号配时优化,提高道路交叉口的使用效率,减少交叉口延误,保证公交车在交叉口的通行能力。1.
13、1.1 公交专用道介绍公交专用道是城市普通公共交通向轨道交通过渡的重要方式。根据专用道在道路断面中可能设置的方位可将其分为以下 3 类:路中式、路侧式以及次路侧式,路侧式和路中式公交专用道如图 1、图 2所示。但由于设置不当等原因,出现了交叉口运行冲突,路段中易受社会车辆干扰,被社会车辆违规占用,公交专用道使用率不高等问题,考虑到公交专用道对交通状况带来的影响,在设置时需要满足以下的多数条件方可考虑设置公交专用道:道路必须具有双向四车道及以上的条件,但最好在双向六车道及以上的道路上设置公交专用道;公交专用道的实施应优先考虑客流量大的地段;道路高峰小时单向公交车辆数达到 90 100 辆;社会车
14、辆占总车流量的比例不会因车道不足而导致社会车辆出现饱和度过大甚至堵车的现象;路段公交车的行驶速度低于 18 km/h。图 1 路侧式公交专用道Fig.1 Side-by-side bus lanes图 2 路中式公交专用道Fig.2 Middle of road bus lane22501科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(24)投稿网址:1.1.2 交叉口信号控制交叉口信号控制是指以交通信号模型为基础,通过合理利用交通信号灯控制路口信号灯的灯色变化,对道路上运行的车辆和行人的通行权进行时空分配,以达到减少交通拥挤、保证
15、道路交通通畅有序和减少发生交通事故等目的。交叉口信号配时参数包括信号周期时长、绿信比、有效绿灯时间以及相位差等12。1.2 模型介绍设计的交通组织方案共涉及 3 个模型:一是对道路实际运行情况进行仿真的 VISSIM 模型;二是量化尾气排放特征的 MOVES 模型;三是对交叉口信号配时进行优化的 Webster 模型。1.2.1 VISSIM 仿真模型VISSIM 模型能分析车道类型、交通组成以及交通信号控制等条件下的路网运行状况,具有分析、评价和优化交通网络等功能,是分析交通问题的有效工具13。为保证 VISSIM 仿真情况与实际交通运行状况能达到较好的拟合度,根据相关仪器收集到的实测数据对
16、 VISSIM 内动态的仿真特性参数进行设置,包括期望速度分布、期望加速度以及发车频率等,再对路网内涉及的静态仿真特性参数,包括最短车距、车道宽度等进行设置,保证路网内不同车型所处的交通环境相同14。相关的仿真特性参数如表2 所示。表 2 VISSIM 仿真参数Table 2 VISSIM Simulation parameters参数数值参数数值期望速度分布/(km h-1)(20.0,30.0)公交发车频率/(辆 min-1)15.0期望加速度/(m s-2)(1.0,3.0)最短车距/m0.5期望减速度/(m s-2)(-0.5,-1.0)车道宽度/m3.51.2.2 MOVES 排放模
17、型MOVES 模型由美国环保局研发,能够在宏观、中观和微观层次上预测各种车型的排放,尤其在微观层面上可以计算特定地点的尾气排放,MOVES 加强车辆行驶模式和尾气排放之间的关联,在微观层面上的仿真拓宽了模型在交通策略评价上的应用,为利用交通手段来改善环境提供有效的评价工具。MOVES 模型具有开放性的数据库管理系统,使其对于不同区域有较强的适应性,因此运用于我国微观排放的研究需要进行本土化设置,即将模型的参数及边界条件进行修正,使其能够正确反映中国车辆的运行工况及排放特征,涉及的参数包括:气象信息、燃油类型、车龄分布、道路类型分布及排放标准等15。1.2.3 Webster 配时模型Webst
18、er 配时法模型是以车辆延误时间最小为目标来计算信号配时的一种方法,其核心内容是对车辆延误和最佳周期时长的计算,而这里的周期时长是建立在车辆延误的计算基础之上。Webster 配时模型原理清晰且适用性广,是目前交通信号控制中较为常用的计算方式。其计算步骤主要是先求得各相位的流量比,再计算相位损失时间,进而计算周期长度,最后得到各相位的绿灯时间。2 实例分析2.1 研究路段的选取和建立所获取的排放数据均来自车辆排气监测平台,该平台可以直接逐秒测量总线的 NOx排放浓度,还可以通过 GPS 系统实时定位来反映公交线路全天的实际运行情况。NOx排放数据的收集时间为6:0022:00,包括工作日和非工
19、作日。现以 80 路公交线路为例,该公交线路全长约为 10.8 km,从昆明站开始到西客运站结束,一共途经 17 个站台。其中该公交线路各时段的排放量如图 3 所示。选取的实际路段以 3 个相邻站台为节点,分别是双龙广场站-双龙桥站-华昌路口站,3 个站点组成的路段为 2 km,其交通情况均符合专用道设置条件,具有较高的研究价值。研究时段分别取最具代表性的早高峰(6:009:00)和晚高峰(17:0020:00),拟定为公交专用道的使用时间。实地调查路段的各项静态数据包括:道路几何条件(车道宽度、车道数和路段长度等)、交通管制措施(信号配时和信号相位)、公交数据(发车频率、站台位置和站台形式等
20、);动态数据包括:公交车的实时车速和NOx排放浓度。其中研究对象内路段和交叉口的NOx排放因子如表 3 所示。图 3 80 路公交全时段的 NOx排放量Fig.3 NOxEmissions during full time of 80-way bus325012023,23(24)寇业威,等:基于耦合模型的交通组织方案对公交车 NOx排放影响分析投稿网址:表 3 路段 NOx排放数据Table 3 NOxemission data for section路段交叉口排放因子/(g km-1)环城南路-南坝路环城南路-海埂路路段排放因子/(g km-1)双龙广场-双龙桥双龙桥-华昌路口早高峰11.
21、5213.6718.6310.23晚高峰13.6315.4621.3214.212.2 VISSIM 与 MOVES 模型联合仿真2.2.1 模型耦合的原理机动车比功率 VSP 相较于传统的速度与加速度,将车辆的瞬时行驶状态与机动车的排放、能耗以及道路坡度间建立起更为密切的联系,已成为机动车尾气量化模型的重要参数16。模型耦合的原理就是运用简化后的重型柴油车 VSP 计算公式为VSP=v(a+0.091 99)+0.169 10-3v3(1)式(1)中:VSP 为车辆比功率,kW/t;a 为机动车的加速度,m/s2;v 为机动车的速度,m/s。首先根据 VISSIM 的评价文件输出仿真路网内机
22、动车逐秒的 a 和 v,根据简化后的 VSP 计算公式得到机动车的瞬时 VSP 值。其次 MOVES 在进行微观层面的排放模拟时,以运行工况数据来代表路段的综合排放过程,可以最精确地还原匀速、加速、怠速和减速等运行工况,为此 MOVES 以排放源 BIN 作为输入数据来表示运行工况分布参数,并通过 VSP 值与其对应的瞬时速度共同定义排放源 BIN 区间,区间分布详情如表 4 所示(制动条件下 BIN 为0;怠速条件下 BIN 为1,速度为0 v800bin11bin210 3bin12bin223 6bin13bin236 9bin14bin249 12bin15bin2512 bin161
23、2 18bin27bin3718 24bin28bin3824 30bin29bin3930 bin30bin406 12bin356bin332.2.2 耦合模型的建立通过上述原理,VISSIM 作为交通仿真模型,以VSP 值作为耦合点将其输出数据进行转化,作为MOVES 的输入数据进行排放计算,具体流程如图 4图 4 联合仿真流程Fig.4 Joint simulation process所示。通过采集实际路网信息和交通流信息建立路网,并对路网进行检查及校验。VISSIM 仿真路网可对车辆的实时数据进行输出,根据车辆运行数据与 MOVES 的运行区间定义对车辆运行数据进行处理,得到 MOV
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