城市道路信号交叉口车辆能耗影响因素及对策

□ 刘雪莲 胡 洁 胡筱渊 焦新龙 张艺凡 胡永娇

一、城市交通动态流特性分析

1.交通流特性

（1）多态性。城市道路交通流的构成状况是极其复杂的，主要组成成分有机动车流、非机动车流等，并且始终处于不断变化的状态。道路网上的交通流受到各种要素的影响，如驾驶员的驾驶特性、交通流的组成情况、交叉口的信号控制等。在时间上和空间上都有非平衡性的统计分布形式，具有复杂的多态特性。

（2）自组织性。近年来，自组织理论发展势头良好，该理论描述了道路网络上各组成单元会进行自发组织的一种有序结构。通过对路网中人流、车流及信息流的分析，发现他们共同组成交通流的过程是一个明显的自组织现象，这种现象在城市道路网络上十分常见，驾驶员为了能够快速、安全、方便地到达目的地，在使用道路时会出现相互制约的情况，但期望这种相互干扰的程度尽量保持在较小的范围内。另外，在选择驾驶路线时，熟练度较高的驾驶员会优先选择路线，这些道路网上的驾驶员使得交通流更加有规律，称之为自组织现象。

2.交通流状态分析

在进行交通流的状态分析时，首先需要选定一些评价指标，用来评估交通流的状态。城市主要道路车辆的平均速度和饱和度用于评估不同情况下的交通状况，如平稳、拥挤和阻塞。因此，可以用这些标准来评判分析交通流的特性及道路交通情况。

（1）非拥堵交通流特性。非拥堵交通流是指车辆在城市道路上行驶的过程中，车辆相互之间能够保持比较稳定的状态。当交通流处于这种状态下时，车辆在一定时间段内随机通过路段，交通密度的改变会导致交通流分布形态的变化，两者间存在较强的干扰，是一个非线性的关系。

非拥堵的交通流可以分为两类，一类是低密度交通流，表现为道路上的交通流的交通密度较小，车辆可以在道路上自由行驶，不会产生拥挤与碰撞；另一类是高密度交通流，指的是道路上的交通流量已经接近或者超出道路既有的负荷，此条道路上的车辆已经处于跟随与被跟随的状态，车辆无法自由变换车道。此种情况绝大多数发生在高峰期或者交通事故发生时，维持的时间较短。

（2）拥堵交通流特性。在拥挤的交通流下，道路网络上的车辆一直处于间歇性地行驶或者排队等待通行的状态，车辆速度较慢或近似于0。当前的交通流流量大于道路最大承载量时，车辆会因为外部环境的干扰而降低行驶速度，无形中增加了通行时间，导致出现交通流拥堵的状况。拥堵交通流也可以分为常发性交通拥堵及偶发性交通拥堵。①常发性交通拥堵。常发性交通拥堵是有规律的，通常出现在道路车流高峰期和瓶颈路段，有一定的客观特征，一般发生时的道路交通量已经超出了道路的通行能力。当此种拥堵情况发生时，随着道路上排队车辆数量的逐步增加，该路段的交通拥堵状态逐步向上游扩散。随着交通流参数（如速度、交通量、占有率）的改变，常发性交通拥堵也随之产生。因此，若要提高车辆的通行效率，可以通过研究以往的交通流数据的变化趋势，对某一路段的某一时刻的交通拥堵状况进行预测，如若产生拥堵则可以预先采取措施，提高通行效率。②偶发性交通拥堵。偶发性交通拥堵的发生是有很大随机性的，一般情况下无法预知该类交通拥堵发生的具体时间和具体地点。当该类交通拥堵发生后，发生该类拥堵的路段的通行能力将突然下降，而后续车辆无法预知该路段目前的交通状况，车辆队伍将不断扩大，导致交通流量突然增加时通行能力下降的横截面会向上游移动。偶发性交通拥堵的发生时间和地点是随机的，并且形成的原因是不确定的。偶发性交通拥堵产生时，下游路段的该部分横截面将沿行驶方向向后传播。此时，交通流参数的变化呈台阶式特征，上游道路车辆的密度随着时间的累积逐渐增加，下游道路的车辆密度将降低。堵塞车道数、拥堵的持续时长和交通量都影响偶发性交通拥堵的交通状况。因此，研究偶发性交通拥堵的特征也略显复杂。

二、交通能耗与交通流状态关系分析

1.车辆能耗的影响因素

（1）平均速度。平均速度是影响汽车能耗的因素之一。建立的汽车能耗模型中，交通法规、运行环境以及交通状况等都会对车辆的行驶速度产生制约，汽车的能耗随着车辆的速度变化而改变。初始阶段能耗会随着平均速度的增加而降低，但当平均速度增加到一定程度，再进一步增加时，能耗又会逐渐增加。

（2）加速度。加速度是描述一段时间内速度变化快慢的物理量，与车辆当前行驶的速度有关。车辆的加速度与燃油消耗量的关系是正相关的，车辆的加速度越大，燃油消耗量也越高，且低速时因加速度变化产生的能耗大于高速状态下的能耗。当交通流处于拥堵状况时，车辆在队列中排队或者缓慢前行，车辆加速度频繁变化会导致能耗增加。

（3）行驶工况。车辆的行驶工况对燃油消耗存在影响。车辆在不同的行驶工况下产生的油耗是明显不同的，车辆在加减速过程中造成的能耗高于车辆匀速行驶中的能耗。所以，道路拥堵使行进车辆排队等待时，加速或减速状态比率越高，燃油消耗量也越高。

2.路段能耗影响因素

一个路段的燃油经济性会对道路的整体燃油经济性起到直接的限制作用。车辆的运行状况影响着车辆的燃油经济性，而同时车辆运行状况与当前车辆所处的交通状况也有着紧密的关系。当道路服务水平较高时，车辆之间的相互约束小，车辆能够处于匀速行驶的状态，车辆速度变化可能性小，此时车辆的能耗处于相对低的水平，车辆燃油经济性较高。而当道路服务水平较低时，不稳定的交通流会导致车辆不能够匀速行驶，加减速行为会增加，导致车辆能耗增加。

道路交通流变化是不固定的，随机性强。对交通流的研究显示，当道路的实际交通流流量小于理论道路交通流最大承载量时，此时交通流处于自由流动状态。反之，道路实际交通流流量接近或者超过理论道路交通流最大承载量时，交通流之间多处于制约状态。交通流状态的改变根本上也是道路交通容量和实际交通量之间的博弈过程。通常将道路饱和度和平均车速作为交通供求关系的重要特征。在同一外部条件下，车辆的通行时间由道路的饱和度决定，且车辆的平均行驶速度与车辆行驶时间相关。因此可以得出，在同一外部条件下，道路饱和度和平均车速密切相关，道路饱和度是影响交通状况的主要因素之一。

道路饱和程度将会直接影响道路交通流量状态，而该条道路上的实时交通流量状态又决定了车辆在道路上的行驶时间。若该条道路的交通情况良好，车辆通过这条道路的时间就会比较短；反之，若这条道路处于拥挤或者堵塞的状态，车辆通过这条道路的时间就会比较长。

3.交叉口能耗影响因素

交叉口作为城市道路网络的重要节点，其造成的延误和能量损耗是要大于道路路段的。因此，在对汽车油耗的研究中，考虑交叉口对油耗的影响因素并加以分析，以提升燃油经济性，降低能量损耗。笔者从两方面对交叉口能量损耗的影响因素进行分析。

（1）饱和度。饱和度对车辆能耗的影响会导致交叉口的交通流处于两种状态：①自由流动状态，在该状态下时，交叉口处的车辆基本处于匀速行驶状态，能耗比较低，经济性较高。②强制流状态，此时的车辆由于道路环境的外部影响，会产生频繁的加减速，能耗较高。

国内外学者在对道路饱和度与行驶车辆能耗关系研究中表明道路饱和度是车辆能耗的重要影响因素，并起决定性作用。当道路饱和度较高时，车辆之间约束力增大，自由度减小，由于车辆制约造成的延误怠速使能耗增加，但是此时加减速状况减少，所以能耗减少。当饱和度过高时，车辆间歇性行驶，加速和减速状况增加，延误增多，这直接导致车辆能耗损失的增大。

（2）绿信比。车辆的平均停车次数受城市道路交叉口绿信比大小的影响，绿信比越小，车辆的平均停车次数越多，此种情况下交叉口处的车辆延误情况会增加，车辆的加减速频率也会增加，最终使得油耗大大增加。

三、信号交叉口处不同状态下车辆能耗分析

道路车辆受交叉口的交通信号灯的影响，分别会处于加速、减速和怠速等待状态。道路区段上的连续交通流将变成间断流，由于车辆的行驶状态不稳定，变化的行驶状态直接导致交叉路口处的车辆燃料消耗比在相同情况下正常行驶的能耗多得多。

1.车辆在怠速状态下的能耗

怠速是汽车的一种工作状况，车辆怠速指的是车辆的发动机在空档的情况下运转，虽然车辆没有在道路上行驶，但也会产生油耗。汽车在通过信号交叉口时如果遇到红灯，会发生停车等待现象，则较容易产生怠速能耗。一般热车情况下工作性能良好的发动机怠速一般为550～800转/分钟。冷车时发动机怠速会比较高，一般在950～1300转/分钟，当发动机温度上升到一定值后，怠速就会降低到正常值。所以，发动机怠速性能对排放、油耗和舒适性有较大影响，怠速转速不宜过高或者过低，过高会使油耗增加，过低会使发动机怠速转速不稳。

2.车辆在加、减速状态下的能耗

汽车在加速和减速状态下的能耗类似，当加减速度一致时，车辆加减速的时间也会相同，计算能源消耗量的方式也相同。加减速度越大，产生的能源消耗也会越大，当信号交叉口处产生交通拥堵时，车辆处于一种很不稳定的行驶状态，有时加速有时减速，产生的燃油消耗量远远大于匀速行驶状态下的燃油消耗量。

四、减少交叉口车辆能耗的对策

1.加强交叉口处设施管理

对交通标志、标线进行严格审查，存在问题的立即进行整改，同时也要对交通标线、标志进行定期的审查、维护以及更新。根据现实需求在道路两侧设置有关公路方向、行车道界限的提示标志，在危险交通环境前方设置警告标志，重复设置重要标志，以及减少不必要的辅助性标志都有助于提高交叉口的通行效率。

2.加强交叉口处的交通管理

通过一些特别的管理，对交叉口处的交通进行干预，从而改善交叉口严峻的交通状况。在安全隐患相对较大的交叉口限制车速，同时在交叉口引入立面设计。在交叉口交通组成复杂路段，可以设置专用的行人过街相位或者专用非机动车道等，减少交通事故的发生，提高车辆通行效率。

3.优化交叉口信号灯设置

在信号交叉口处要合理地设置交通信号灯，这样能够有效减少交叉口车辆的等待时间，也能改善部分交叉口的拥堵状况。同时对交通信号控制的交叉口定期地进行交通流测量调查，确定当前的交通信号周期和绿信比是否满足现阶段交通需求，如不能较好地满足则需作进一步调整。

4.完善交叉口处的渠化交通

完善渠化交通可通过对信号灯的有效使用，从时间上错开存在冲突的交通流，在信号周期内设置不同的相位，通过这种方式有效减少行人、非机动车及机动车之间的相互碰撞，使交叉口处的交通流更加顺畅。对于狭窄的奇数车道，可以施行单向通行措施，这样可有效防止车辆正面相撞，大量减少交叉口冲突点及延误时间，提高交叉口的流通性。

五、结语

城市道路交通的主要交通工具是机动车，机动车的主要能源动力来源于天然气或燃油消耗。当前交通运输系统消耗能源越来越多，占社会总能耗的比例越来越高，且给环境带来了污染，对人体健康造成严重的危害，也会影响我国社会的可持续发展。笔者对城市道路信号交叉口车辆能耗影响因素进行分析，提出相应解决对策，以期为减少道路交通能耗提供思路。