单点交叉口信号配时优化与碳排放的案例

苏春敏，潘瑞春，周成军，周新年，姚世瑞，李森鹏

(1.福建农林大学交通与土木工程学院，福建福州350002；2.福州市规划设计研究院，福建福州350003)

单点交叉口信号配时优化与碳排放的案例

苏春敏1，潘瑞春2，周成军1，周新年1，姚世瑞1，李森鹏1

(1.福建农林大学交通与土木工程学院，福建福州350002；2.福州市规划设计研究院，福建福州350003)

阐释城市道路单点信号控制交叉口存在的问题及其改善措施.选取福州市马尾区罗星西路与青州路十字信号控制交叉口，调查分析该交叉口原配时方案，发现该交叉口存在早、晚高峰现象，且信号配时不优.运用Synchro软件进行交通配时优化，得出信号配时方案，再运用Vissim软件进行仿真，优化后该交叉口各个进口道的平均排队长度和延误时间均降低.将信号管制下交叉口范围内的碳排放作为评价指标进行分析，该交叉口信号配时优化后早、晚高峰碳排放量分别降低21.47%和18.06%.

交通工程；碳排放；信号配时优化；十字信号交叉口；交通仿真

在城市交通路网中，平面交叉口交通环境通常为机非混行，造成交通拥堵、行车速度降低和燃料费用增加.机动车在交叉口范围内低速行驶产生并排放大量有害气体，导致人们的生活环境日益恶化.交通信号灯主要由机动车、非机动车和人行横道信号灯组成.交通信号灯通过控制各向同时到达的交通流有秩序地通行，从而提高交叉口的通行能力，保障交叉口的安全和通畅.交通信号灯的合理配时至关重要，进行合理的信号灯配时才能使各类各向的交通流高效有序地在道路交叉口通行.

1 城市单点信号控制的常见问题及改善措施

在城市道路交通信号的控制中，线控与面控覆盖的区域外存在许多独立控制的交叉口，解决城市交通问题的关键在于如何合理有效地组织单点交叉口的交通.对于信号控制的单点平面交叉口来说，信号配时优化通常在于减少车流的延误时间和平均排队长度，提高交叉口的通行能力和服务水平[1].

1.1 问题

1.1.1 信号相位不合理 在平面交叉口信号控制中，信号相位和相位放行顺序对信号时间的利用率、交叉口交通安全和整个交叉口运行效益的发挥起着决定性的作用[2].信号相位的数目、组合与平面交叉口的形状、交通流组成、交通流方向有关.若没有根据交通、道路的条件进行合理的相位相序设计，将导致整个交叉口交通拥堵.

1.1.2 信号配时不当 信号周期时长是单点信号控制交通效益的关键参数，设置过长或过短的信号周期都会增加交叉口的延误时间.若增加周期时长能增大通行能力，但当周期时长过长时，通行能力增长缓慢，车辆的延误时间却迅速增长；当信号周期时长过短时，道路通行权频繁交替，导致对应损失的绿灯时间与信号周期时长的比例变化大，引起交叉口的服务水平降低.在信号周期和相位数确定的情况下，各相位配时分配直接影响各进口不同方向车流的通行能力.

1.1.3 行人、非机动车信号配时不足 行人相位一般由行人清空时间和绿灯时间两部分组成，但行人相位时间大部分为绿灯时间，行人清空时间一般3 s左右[2].过街信号配时不足，在绿灯末期才开始过街的行人、非机动车与相交方向的机动车相互干扰；清空时间不足，前一个相位绿灯末期进入的车辆还没有通过人行横道，引起交通流相互干扰；左转非机动车信号配时不足，左转非机动车(绿灯末期驶入)与对向直行非机动车(绿灯初期出发)将发生冲突.

1.2 措施

在城市单点信号配时设置时应综合考虑城市生产生活的特点、土地利用布局及交通流向、流量的特征.在设置相位数目时，应提高信号周期内的有效通行时间；在设置信控周期时，应确定最小周期和最佳周期的时间；在相位组合和相序设计时，应综合考虑交通流及其相互干扰的程度，保证行人和非机动车的安全.

2 碳排放与耗能分析

交通运输是温室气体排放的主要领域之一，其主要燃料是汽油和柴油.汽车尾气常含固体悬浮物、氮氧化物、CO、CO2、HC，其中，CO2的排放量最多.机动车在城市道路上行驶时产生的尾气排放主要有两部分:行驶过程中的尾气排放、信号交叉口前停车等待产生的尾气排放[3].

在仿真3 600 s期间进入交叉口范围内的车辆碳排放主要与车辆油耗量有关，每辆车油耗主要有:刹车减速和起步加速时的油耗、怠速时和正常行驶时的油耗.机动车通过信号控制交叉口有3种可能的方式，即减速通过、不减速通过和停车后通过，不完全停车只发生在排队尾车即将启动且有后续车辆加入排队时，故每周期不完全停车车辆数很少[3].信号交叉口红灯与绿灯期间的交通流运行规律存在明显差异，而机动车起步加速时尾气排放量比怠速、刹车减速时显著增加[4].汽车怠速等候时油耗5 g·min－1，汽车每启动1次的油耗量可以行驶3 000 m，对发动机的磨损相当于行驶50 000 m的磨损量；汽车每紧急制动1次的油耗量可以行驶2 000 m，对轮胎的磨损相当于行驶80 000 m的磨损量[5].因此，比较不同信号管制下车辆油耗量的差异主要与刹车减速、起步加速的次数，怠速油耗和怠速时间有关.为分析因信号管制下交叉口范围内的碳排放，作以下假设:所有车辆在交叉口处都为完全停车情形，即在交叉口信号相位的控制下，直行、左转车辆分别计刹车减速、起步加速一次，右转不计；所有车辆在不同信号控制下交叉口范围内正常行驶时油耗总量一定；每辆车的怠速时间取仿真的平均停车时间；每个进口道通过车辆数取仿真通过的车辆数.

2.1 汽车的油耗

2.1.1 汽车刹车减速和起步加速时的油耗 小轿车质量按m，车轮滚动阻力系数0.015(路面良好)，该路段设计速度为40 km·h－1，交叉口设计速度取60%计算，即交叉口设计速度为24 km·h－1，以小轿车为例计算，刹车停止时损失的动能为:

产生的动能推动车轮行驶距离为:

一次刹车耗费的能量，相当于小轿车行驶151 m消耗的能量，小轿车每百公里油耗按8 L计算，一次刹车的油耗量为:

假设小轿车刹车减速一次的油耗V1和起步加速一次的油耗V2相等[6]，即:

V1＝V2＝0.012 1 L

同理，所有大货车按空载每百公里油耗32 L计算，

大货车刹车减速一次的油耗V3和起步加速一次的油耗V4为:

V3＝V4＝0.048 3 L

2.1.2 汽车怠速时的油耗 市面上主流排量的车型(1.4～2.5 L)的小轿车正常情况怠速油耗2～4 L· h－1，取中间值3 L·h－1，即小轿车怠速时每秒的油耗为:

同理，货车怠速油耗按12 L·h－1计算:

2.1.3 汽车总油耗 (1)直行、左转车的油耗量:

式中:l为总油耗量(L)；l1为小轿车总油耗量(L)；l3为货车总油耗量(L)；N为每个进口道通过的车辆数；∂1为每个进口道小轿车的比例；∂3为每个进口道货车的比例；t为平均停车时间(s)；N1为小轿车车辆数；N3为货车车辆数.

(2)右转车的油耗量:

2.2 碳排放

2.2.1 消耗每升汽油、柴油的碳排放 90＃、93＃和97＃的汽油分别表示含有90%、93%和97%的抗爆震能力强的“异辛烷”[7].以93＃汽油计算，其密度为730 g·L－1，由2C8H18＋25O2＝16CO2＋18H2O的方程式，根据质量守恒定律，得出1 L汽油完全燃烧排放CO2的质量为:730×(44×16)÷(114×2)＝2.254 kg.

柴油按凝点分级，轻柴油有10、5、0、－10、－20、－35和－50等7个牌号，重柴油有10、20和30等3个牌号[8].不同地区因气温的不同而选用不同标号的柴油，0＃柴油适用于8～4℃时使用，福建省一般使用0＃，通常用正庚烷作为替代燃料来模拟柴油的燃烧特性[9－10].以0＃柴油计算，其密度为840 g·L－1，由C7H16＋11O2＝7CO2＋8H2O的方程式得出1 L柴油完全燃烧排放CO2的质量为:840×(44×7)÷(100)＝2.587 kg. 2.2.2 交叉口范围内的碳排放量(kg) G＝2.254×l1＋2.587×l3(13)

3 工程案例分析

3.1 现交叉口及周边环境

福州市马尾区罗星西路与青州路相交处为十字信号交叉口，相交道路均为城市次干道，设计速度为40 km·h－1，双向四车道，现交叉口交通组织平面图如图1所示.该交叉口为四相位信号控制且信号周期为128 s，各进口道右转车流不受信号控制，如图2所示.大量装载集装箱的大型拖挂车、货车从G104国道驶入，经过罗星中路与青州路交叉口开往福州保税区①、正大集团大福公司②、罗星中路北的盛辉物流集团③、罗星中路与青州路东象限区域的海峡水产品交易中心④、青州路与罗星西路南象限区域的在建青年活动中心⑤、城市中心广场⑥、中环广场⑦等(图1).

3.2 进口道的交通流量

将2015年9月10日测得的交通流量换算成当量小客车流量[11]，得到各进口道机动车高峰小时流量(表1).

由表1可知:早高峰时段，东进口交通流主要开往青州路西与罗星西路，开往青州路西的交通量占了该进口总交通量的50%；西进口左转交通量占了该进口总交通量的32%.其中，左转货车占左转交通量的52%；南进口交通量主要为小轿车，货车主要开往罗星中路与青州路东；北进口交通量主要以右转货车为主，其中，右转相位的交通量占该进口总交通量的64.2%.

表1 各进口道机动车高峰小时流量1)Table1 Vehicle flow at peak hour on all approachs

由表1还可知:晚高峰时段，东进口交通流主要开往青州路西与罗星西路，开往青州路西的交通量占了该进口总交通量的56.3%；西进口左转的交通量占该进口总交通量的61.7%，其中，左转货车占左转的交通量的57%；南进口的交通量减少到523 pcu·h－1；北进口的交通量增加到1 236 pcu·h－1，其中，右转相位以货车为主，交通量占该进口总交通量的31%.

原因:早、晚高峰时期，①、②、③吸引大量装载集装箱的大型拖挂车、货车往返于G104国道、青州路西和罗星中路，该交叉口是必经之路；罗星中路与青州路东象限区域有④，早晨市民都会从青州路西、罗星西路开往罗星中路、青州路东购物，傍晚市民们从①、④购物完，从原路返回.

综上所述，早高峰时段，货车主要从青州路西进入罗星中路与青州路东，小车主要从罗星西路进入罗星中路与青州东路；晚高峰时段，货车主要从青州路西进入罗星中路与青州路东，小车主要从罗星中路与青州路东开往罗星西路、青州路西.

3.3 仿真分析

Vissim软件是基于时间与驾驶行为的微观仿真软件，可用于建模及分析城市交通的运行状况和城市规划方案的有效工具，利用仿真方法进行评估可以避免一些昂贵的费用、周期较长的交通调查和现场试验[12－13].通过Vissim软件进行仿真试验来论证交通组织是否可行，选用车辆延误时间、平均排队长度和平均停车时间等作为评价指标.为了提高仿真精度，仿真时间取0～3 600 s，仿真时间间隔取信号周期，行程时间的起点、终点按GB 50647－2011[14]的方法设置:平面交叉口范围界限处，在输出的多组数据中采用平均值计算，仿真数据按表1中没有折算的交通量及其比例输入，得到现交叉口通行效率评价(表2).

表2 现交叉口通行效率评价Table 2 Traffic efficiency evaluation at the intersection before optimization

由表2可知，早、晚高峰时期各进口道的延误时间、平均排队长度相差大.如南进口左转延误时间相差14.5 s，因此可分时段进行信号配时优化.

3.4 Synchro软件配时及仿真分析

单点交叉口信号配时的主要设计参数是信号周期和相位时间，Synchro软件系统信号配时模型是对上述两个参数进行优化[15－17].因此，运用 Synchro软件对现交叉口进行仿真配时优化(图3).在Synchro软件配时优化的基础上再进行人工调整，得到早、晚高峰以90 s为周期的信号配时，各进口道右转车流不受信号控制，相位配时如图4所示.配时优化后运用Vissim软件进行仿真(图5)，得到交叉口通行效率评价(表3).

比较表2、3可知，该交叉口优化后各个进口道的平均排队长度和延误时间均降低，除了早高峰各进口道右转车辆延误时间略微增加外，根据碳排放与耗能分析，可以得出该交叉口优化前后的油耗、碳排放(表4).由表4可知:早高峰优化后油耗量为108.41 L(降低21.49%)，碳排放量为262.33 kg(降低21.47%)；晚高峰优化后油耗量为132.30 L(降低18.08%)，碳排放量为322.67 kg(降低18.06%).

表3 优化后交叉口通行效率评价Table 3 Traffic efficiency evaluation at the intersection after optimization

表4 优化前后交叉口的油耗、碳排放Table 4 Comparison on fuel consumption and carbon emission at the intersection before and after optimization

4 结论

对福州市罗星西路与青州路十字信号控制交叉口存在配时不优的情况，提出了基于Synchro软件配时优化，再经过人工调整，分别得到早、晚高峰配时方案.运用Vissim软件仿真分析，得出优化后各进口道的平均排队长度和延误时间均降低.在交叉口范围内的碳排放与不同信号管制有关，本试验将碳排放作为评价指标，得出该交叉口信号配时优化后早、晚高峰碳排放量分别降低21.47%和18.06%.在进一步的研究中，交通仿真要考虑行人和各进口道掉头车辆的影响；在交叉口碳排放的研究中，考虑不完全停车与不同车辆在不同时段油耗的不同，对车流量进行分类细化；考虑邻近主干道总车流量的因素.

[1]李成利，张先贞，陈柯.单点信号交叉口配时优化理论方法与Synchro软件的结合运用[J].公路与汽运，2014，165(6):48－51.

[2]郭彦东，李欢，李夏苗.城市主干路信号配时优化实证研究[J].交通运输系统工程与信息，2011，11(S1):167－174.

[3]高云峰，胡华.基于比功率法的信号控制交叉口排队车辆尾气排放估计[J].中国公路学报，2015，28(4):101－108.

[4]姚荣涵，王筱雨，赵胜川，等.基于机动车比功率的单点信号配时优化模型[J].交通运输系统工程与信息，2015，15(5): 89－95.

[5]唐建强，张建伟，李永辉.车辆低碳运行“七忌”[J].汽车运用，2010(11):40.

[6]余得生，谢英仪，徐玉萍.智能红绿灯交叉路口实时配时研究——以南昌市红谷滩新区为例[J].华东交通大学学报，2015，32(5):35－43.

[7]程正茂.电控汽油车的节油技术[J].湖南农机，2013，40(1):123－124.

[8]王仪新，顾秀红.低凝点柴油的研制[J].石油化工应用，2013，32(9):94－96.

[9]赵伟，舒歌群，张韦，等.柴油机燃烧生成芳香烃、碳烟及NO_x的化学动力学研究[J].内燃机工程，2012，33(5):10－16. [10]姚春德，余海涛，王全刚，等.机车中速柴油机应用柴油/甲醇二元燃料的燃烧特性研究[J].内燃机工程，2015，36(3): 38－43.

[11]中华人民共和国住房和城乡建设部.CJJ37－2012城市道路工程设计规范[S].北京:人民交通出版社，2012.

[12]SHAHDAH U，SACCOMANNO F，PERSAUD B.Application of traffic microsimulation for evaluating safety performance of urban signalized intersections[J].Transportation Research Part C:Emerging Technologies，2015，60:96－104.

[13]TIANZI C，SHAOCHEN J，HONGXU Y.Comparative study of VISSIM and SIDRA on signalized intersection[J].Procedia-Social and Behavioral Sciences，2013，96:2 004－2 010.

[14]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50647－2011城市道路交叉口规划规范[S].北京:中国计划出版社，2011.

[15]郭建钢，林文燔，陈必太，等.基于Synchro的厦门市白鹭洲路信号协调控制的优化设计[J].华东交通大学学报，2013，30(3):50－54.

[16]王秀明，周新年，方万春，等.基于XML技术的交通调查数据存储及应用[J].福建农林大学学报(自然科学版)，2009，38(3):329－332.

[17]顾佳磊，韩印，姚佼.基于Synchro与VISSIM_省略_的单点交叉口信号配时优化方法研究[J].森林工程，2014，30(4): 94－97.

(责任编辑:施晓棠)

Signal timing optimization and carbon emission case analysis of ubran single point intersections

SU Chunmin1，PAN Ruichun2，ZHOU Chengjun1，ZHOU Xinnian1，YAO Shirui1，LI Senpeng1
(1.College of Transportation and Civil Engineering，Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou，Fujian 350002，China；2.Fuzhou Planning and Design＆Research Institute，Fuzhou，Fujian 350003，China)

Intersection at Fuzhou Luoxing West Road and Qingzhou Road was used as example to study signal control at urban single point intersection and solutions.Investigation showed that vehicle peaked at the intersection in the morning and evening，but lacking in effective signal timing control.Therefore，an optimized signal timing scheme was put forward by Synchro software and followed by being stimulated by Vissim software to calculate average queue length and delay of each approach after optimization.As a result，carbon emissions were reduced by 21.47%and 18.06%in the morning and evening peaks，respectively，after optimization.

traffic engineering；carbon emission；signal timing optimization；cross signal intersection；traffic simulation

U491.5＋4

:A

:1671-5470(2016)06-0730-07

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2016.06.020

2016－02－23

:2016－06－05

国家自然科学基金资助项目(30972359)；福建农林大学高水平大学建设项目(113-612014018).

苏春敏(1990－)，男，硕士研究生.研究方向:交通运输规划.Email:710322992＠qq.com.通讯作者周新年(1951－)，男，教授，博士生导师.研究方向:交通运输、规划设计和工程索道.Email:284649785＠qq.com.