一种减少机动车尾气排放的交叉口信号配时优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于智能交通控制领域，涉及一种适用于有（无）左转短车道的单点控制 交叉口、减少机动车尾气排放的信号配时优化方法。
【背景技术】
[0002] 现如今，环境友好的可持续发展是世界各国普遍关注的一个焦点问题，机动车尾 气排放作为环境污染的主要来源之一，需要通过先进的节能减排技术进行有效控制。
[0003] 信号控制交叉口是城市道路网的重要组成部分，其畅通与否对整个路网的运行效 率起关键作用。与此同时，交叉口机动车尾气排放减少也会使整个路网的机动车尾气排放 减少，从而提升城市的环境水平。那么，如何最大限度地减少交叉口机动车尾气排放就成了 亟待解决的关键问题。
[0004]目前，关于机动车尾气排放的研究主要聚焦于两个方面：
[0005] (1)利用车载尾气检测技术（PEMS)在不同等级的城市道路上进行机动车排放检 测试验，通过统计分析探讨交通信号控制与机动车排放之间的相关关系，其技术缺陷在于 集计的排放因子通常选取不同行驶工况下排放因子的平均值；
[0006] (2)引入大气扩散模型或借助交通仿真软件，以减少机动车排放为目标建立交叉 口信号配时优化模型，其技术缺陷在于采用的排放因子为单一值，未考虑交通流在红、绿灯 期间运行规律的差异，且忽略了左转短车道对进口道饱和流率的影响。
[0007] 相关研究表明，机动车加速时的尾气排放量比怠速、减速时显著增加。根据交通流 理论，信号交叉口红、绿灯期间交通流的运行规律存在明显差异，处于各种行驶工况的车辆 比例大不相同，因此，红灯期间各污染物的排放因子与绿灯期间各污染物的排放因子应有 所差别。鉴于此，本发明针对有（无）左转短车道的单点交叉口，首先基于机动车比功率采 用单车或多车的实时排放数据标定红、绿灯期间的排放因子（称为两类排放因子），然后根 据标定的两类排放因子以最小化机动车尾气排放量为目标提出新的信号配时优化方法。
【发明内容】
[0008] 本发明提供了一种减少机动车尾气排放的交叉口信号配时优化方法，在同等交通 需求下使交叉口机动车尾气排放量降至最低，并为考虑交通排放的干道信号配时优化方法 奠定基础。
[0009] 本发明采用的技术方案具体流程中涉及的数学符号的含义如下：
[0010]VSP,ζ (t)--时刻t车道组j上车辆ζ的比功率（kW/t);
[0011] Vhζ (t)--时刻t车道组j上车辆ζ的速度（m/s);
[0012]ahζ (t)--时刻t车道组j上车辆ζ的加速度（m/s2);
[0013]θs一一车道组j的坡度;
[0014]E)4(t)--时刻t车道组j上车辆ζ排放污染物k的质量（mg);
[0015] &-一ω类机动车的比功率位于分区γ时污染物k的排放因子（mg/s/veh);
[0016] τ一一车辆速度和加速度的采样时间间隔的分辨率（s);
[0017] LVSPMiY一一ω类机动车比功率分区γ的下限值（kw/t);
[0018] UVSPMiY一一ω类机动车比功率分区γ的上限值（kW/t);
[0019] Α,ζ (t)--时刻t车道组j上车辆ζ的类别属性；
[0020] EFGl,一一车道组j上ω类机动车在绿灯期间排放污染物k的因子（mg/s/ veh)；
[0021] NG,,M(t) 一一车道组j上绿灯期间驶离停车线的ω类机动车数；
[0022] EFR'l，一一车道组j上ω类机动车在红灯期间排放污染物k的因子（mg/s/veh);
[0023] NRjjM(t) 一一车道组j上红灯期间驶离停车线的ω类机动车数；
[0024] C一一信号周期时长（s);
[0025] GSj--车道组j的绿灯起亮时刻（s);
[0026] GEj--车道组j的绿灯结束时刻（s);
[0027] ls 相位启动损失时间（s);
[0028] t〇一一车辆速度和加速度的采样开始时刻（s);
[0029] T一一分析期持续时间（h);
[0030] mod(t,C)t除以C的余数；
[0031] e--属于；
[0032] (6:--不属于；
[0033] Qj--车道组j的通行能力（pcu/h);
[0034] SFj--车道组j的完整车道饱和流率（pcu/h);
[0035] SSj--车道组j的短车道饱和流率（pcu/h);
[0036] gj--车道组j的有效绿灯时间（s);
[0037] I--平均饱和车头时距（s);
[0038] .W--平均停车间距（m);
[0039] Ψ}一一标识车道组j是否含有短车道的二元变量，如果是，％ = 1，否则，％ ;
[0040] Dj一一车道组j的短车道长度（m);
[0041] TQ--交叉口通行能力（pcu/h);
[0042] m--车道组数；
[0043] dj--当量小汽车在车道组j上的车均延误（s/pcu);
[0044] Uj--车道组j的绿信比；
[0045] Xj--车道组j的饱和度；
[0046] PF一一信号联动修正系数；
[0047] K一一信号控制类型的延误修正系数；
[0048] I一一上游调节增量延误修正系数；
[0049] Qb--分析期开始时的初始排队车辆数（pcu);
[0050] μ 延误参数；
[0051] tr--分析期内过饱和状态的持续时间（h);
[0052]TD--分析期内交叉口的车辆总延误（s);
[0053]AD--分析期内交叉口的车均延误（s/pcu);
[0054]m--机动车类别数；
[0055] βω一一ω类机动车折算为当量小汽车的换算系数；
[0056] Ρ,,ω一一车道组j上ω类机动车所占比例；
[0057] q.j--车道组j的需求流率（veh/h);
[0058] 一一一辆ω类机动车在车道组j上的平均停留时间（s);
[0059] Sj--车道组j的进口道长度（m);
[0060] -一ω类机动车在车道组j上的平均行驶速度（m/s);
[0061]Ek]M一一分析期内车道组j上ω类机动车排放污染物k的质量（mg);
[0062]TE--分析期内交叉口机动车总排放量（mg);
[0063]AE--分析期内交叉口车均排放量（mg/pcu);
[0064]δ--污染物种类数；
[0065] η--相位数；
[0066]Φ??--标识车道组j上的车流是否可在相位i内通行的二元变量，如果是，Φi_j =1，
[0067] 否贝 1|，（^=〇;
[0068]gf一一相位i的有效绿灯时间（s);
[0069]gmin--最小有效绿灯时间（s);
[0070]Cmin--最小周期时长（s);
[0071]Cmax 最大周期时长（s);
[0072]nd--分别独立的相位数；
[0073] 1--平均相位损失时间（s)。
[0074] 以下是具体步骤：
[0075]1、标定两类排放因子
[0076] 时刻t车道组j上车辆ζ的比功率为
[0078]时刻t车道组j上车辆ζ排放污染物k的质量为
[0080] 考虑信号配时方案，通过集计可得车道组j上ω类机动车在绿灯期间排放污染物 k的因子为
[0081]
[0082] 类似地，车道组j上ω类机动车在红灯期间排放污染物k的因子为
[0084] 2、构建信号配时优化模型
[0085] 考虑左转短车道对进口道通行能力的影响，车道组.i的通行能力为
[0087] 将所有车道组的通行能力进行集计可得交叉口通行能力，即
[0089]目前，人们提出了许多估计一条进口车道或车道组的车均延误公式。以美国道路 通行能力手册（HCM2000)为例，当量小汽车在车道组j上的车均延误为
[0091] 将所有车道组的车均延误进行集计，则交叉口所有车辆的总延误为
[0095] 根据行程时间与行驶时间、延误之间的关系，一辆车在车道组j上的平均停留时 间为
[0097] 基于标定的两类排放因子，分析期内车道组j上ω类机动车排放污染物k质量为
[0098]
[0099] 将所有车道组上所有类型机动车排放的所有污染物进行集计，则交叉口机动车总 排放量为
[0101] 进一步，交叉口车均排放量为
[0103] 考虑信号配时设计的特点，车道组j的有效绿灯时间应不小于最小有效绿灯时 间，即
[0105] 信号周期时长等于所有相位有效绿灯时间之和加上总损失时间，其值应介于最小 周期时长与最大周期时长之间，即
[0107] 另外，相位i的有效绿灯时间应为非负数，BP
[0108] <^,p > 0 (16)
[0109] 为减少交叉口机动车污染物的总排放量，以最小化式（12)为目标，以式（14)、 (15)和（16)为约束条件，构建的信号配时优化模型为
[0111] 此外，式（17)中的单目标函数可改为双目标函数，如
[0112]
[0113] 对于式（17)或（18)，机动车总排放量可用车均排放量代替，车辆总延误可用车均 延误代替，即本发明所述减少交叉口机动车排放的信号配时优化模型体系包括6种具体形 式的模型。
【附图说明】
[0114] 图1为交叉口车道设置示意图。
[0115] 图2为交叉口相位设计方案举例。
[0116] 图3(a)为东西向专用左转相位设计方案示意图。
[0117] 图3(b)为东西向进口道直左相位设计方案示意图。
[0118] 图3(c)为东西向前置左转+后置左转相位设计方案示意图。
[0119] 图3(d)为东西向专用左转+前置左转相位设计方案示意图。
[0120] 以图1所示四路交叉口为例，东、西进口道上分别渠划左转短车道、左转专用车 道、直行车道和直右混行车道各1条，南、北进口道上分别渠划左转专用车道、直行车道和 直右混行车道各1条。假设各进口道的右转车流均不受单独的信号控制，自南进口道起，按 顺时针方向对图1中的左转车流使用奇数进行编号，分别设为Ml，M3,M5和M7,与其冲突的 直右车流使用偶数进行编号，分别设为M2,M4,M6和M8。图2为信号相位方案，东西向采用 前置左转+后置左转方式，南北向采用专用左转+前置左转方式。
[0121] 图1