基于环境影响因素的城市交通区域拥堵信号控制优化研究

陈乙利

（深圳榕亨实业集团有限公司，广东深圳 518000）

合理的十字路口交通组织形式有利于减少十字路口车辆排队和停车延误，对改善机动车尾气污染有明显作用。平交路口中，交通渠化与信号相位合理设置有利于减少路口冲突点的个数，针对十字路口环境污染改善的问题，交通运行质量和污染空气质量呈正相关，整体突发空置状态须深入研究。标准型十字路口是平交路口的一种特殊形式，也是城市道路十字路口的常见形式，形成冲突分离是当前的研究热点。国外研究表明十字路口改造为标准型十字路口后，机动车排放明显减少，减少机动车尾气排放和燃油消耗的有效性和安全性更高。多数的城市十字路口信号配时和渠化交通的研究都以交通延误、常规交通四步骤法进行优化和评价，未考虑到十字路口排放污染物对周边的严重影响，不能满足具有功能的城市区域对环境质量的要求。本文从十字路口渠化交通、信号设计两方面对国内外研究情况进行概述。十字路口渠化交通、信号设计等交通组织方式属于通行能力分配和路权分配问题，能够改善十字路口周边的环境、减少汽车尾气排放。

1 城市交通环境影响因素特点分析

1.1 污染源交通特性及成因分析

针对机动车污染场景测试的结果统计，测试工作人员可从车辆的行驶状态有关时间、利用率、完成率等维度进行统计，其统计结果在系统界面进行看板展示。根据测试场景结果信息的反馈，对机动车流量大的路段测试场景的各种参数、指标等进行综合分析，对交通污染进行客观统计。大气中污染物的浓度明显高于流量小的路段，路口的污染比路段污染严重。

区域流量分析主要是得到该区域内交通量在时间上的变化情况和空间上的分布情况，计算综合性指标如十字路口平均饱和度、平均高峰小时系数等。描述区域路网流量的时间变化，仍可以采用流量时变图，但纵坐标的流量应改为区域路网交通量，通过路网交通量时变图，可以确定区域路网的高峰时段。

计算路网交通量需要区域内所有十字路口和路段的流量，车载污染监测单元管理模块主要实现对车载监控单元的发放和回收进行登记管理。测试污染主体预约成功后，分配的车载监测单元状态更改为“污染测试预约”，业务操作人员将设备发放至测试车辆并安装完成后，可在管理界面上查看设备上报的工作状态及车载污染测试视频。

1.2 拥堵状态信号控制与排放影响因素分析

信号设计与尾气排放关系研究，发达国家在信号设计方面进行大量研究，逐步向区域交通信号协调控制对环境的影响的研究方向发展。行程车速和十字路口延误是评价城市道路运行质量最重要的指标，也是出行者能够直接感受的交通质量指标。由于不同等级道路的设计车速、承担的功能和应具备的服务水平都有明显差异，车速评价必须根据不同的道路等级进行，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级道路分别代表快速路、主干道和次干道，研究发现CO排放减少29%，NOX减少21%。

瑞士将两个重要信号十字路口改建为标准型十字路口，机动车尾气排放量减少17%。对已完成的测试结果进行查询，并根据测试过程数据、指标、评分生成综合报告。系统支持测试结果综合统计分析展示功能，测试结果报告功能模块包括测试结果查询、测试结果报告、测试结果审核和测试综合统计分析等。比较研究高速公路上平均车速、车道占有率不同情况下，机动车排放污染物CO、NOX、O3等的差异。

2 交通拥堵与信号优化降低交通污染技术路线

2.1 交通拥堵污染扩散监测分析

测试车辆污染源监测系统是对车辆污染源在测试过程的全方位监测，包括车辆污染源位置数据、运行状态、设备工作状态等。车辆污染源运行状态、设备运行状态等出现异常时，系统提供告警功能，系统支持车辆污染源检测历史数据回放、历史数据统计分析等功能。

车辆污染源监测管理功能模块包括监测视频接收通信机程序、车辆污染源状态数据接收通信机程序、接入开放道路测试车辆污染源状态信息、数据订阅、消息转发中间站及服务接口、车辆污染源状态异常报警、报警应对处置流程、车辆污染源监测实时监控界面、车辆污染源监测历史回放界面、历史数据统计分析、业务统计报表、业务数据综合分析以及设备工作状态查询、设备故障告警查询、设备配置运维管理等。

实现中心平台通过4G/5G网络从车辆污染源监测系统（车载）接收实时监测视频数据及车辆污染源实时状态数据，包括车辆污染源行驶速度、车辆污染源行驶方向、车辆污染源位置等实时数据。车载视频由视频应用平台统一接入和存储，提供实时点播和历史回放的功能。

接入数据：实时定位（基于高精度地图坐标系的经纬度坐标）；行驶速度；行驶方向（基于高精度地图的坐标系的方向向量）。

车载视频：共3路（驾驶舱主视角、驾驶舱上、驾驶舱下），通过HLS点播；根据日、周、月等周期对车辆污染源测试的历史数据进行统计分析，汇总统计结果数据支持以多种图表的方式进行展示。

对比项目：最近一周/月测试车辆污染源数量趋势（柱状图）；企业测试次数排行（年度Top5，训练和考试）；企业测试评分排行（Top5）；车型测试次数排行（年度Top5，训练和考试）；车型测试评分排行（Top5）；测试车辆污染源种类占比（饼图）；车载设备每日使用率趋势（线图，使用数/总数×100%）。

2.2 设备工作态势统计分析

根据日、周、月等周期对设备异常告警事件的历史数据进行统计分析，汇总统计结果数据支持以多种图表的方式进行展示。包括高发故障设备排行（Top5）、最近一周/月设备告警数量趋势（柱状图）、设备工作时长排行（Top5）、设备故障类型占比（饼图）、最新告警事件列表（Latest10）、健康状态统计（正常和故障）、工作状态统计（工作和空闲）。实现出入口业务记录查询功能，响应用户输入的查询条件，相关查询条件包括车企名称、车辆污染源信息、出入时间等。用户通过查询过滤条件可查询到出入口业务记录，查看业务记录详情。

车辆污染源行驶至出入口检测区时，路侧RFID读取器从车载电子标签读取车辆污染源身份信息并推送消息总线，测试管控模块监听消息总线触发入场/离场事件时，判断当前车辆污染源是否为有效预约车辆污染源，有效则向出入口闸机系统发送开闸指令，无效则向闸机系统发送车辆污染源不合规告警，通过闸机信息屏进行提示。

MEC管理系统实现中心平台对接MEC设备进行数据的接收、推送以及感知融合数据存储等，功能模块包括MEC数据接收通信机程序、MEC数据推送下发程序、感知融合数据存储、MEC数据配置和运维管理、设备工作状态监控界面以及历史数据统计分析报表等。通过有线/无线协议对边缘计算设备进行本地组网，实现边缘侧信息共享，在靠近数据源头的网络边缘侧就近提供边缘智能服务，满足实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。

系统实现了在靠近数据源所在的本地区网内运算，尽可能不将数据回传到云端，减少数据往返云端的等待时间和网络成本，减轻网络带宽压力，提升业务处置能力。对于行人/车辆污染源检测融合数据，系统实现将实时融合数据通过推送至RSU，由RSU转发至车端，为车端提供路侧安全信息，保障测试车辆污染源正常安全行驶。

MEC通信模块将路侧安全信息数据推送至中心平台进行存储，供科研分析使用。针对高精度地图数据，MEC定时从中心平台高精度地图服务器同步路口区域地图，并推送至RSU，由RSU转发至车端，为车端提供地图导航服务，保障测试车辆污染源正常安全行驶。

系统需要对从底层的内核到顶层的运行进程进行全方位的污染子系统检测。平台还需要具有完备的污染子系统管理系统，收集和储存系统关键文件信息，有效地进行系统和漏洞管理，且平台需要具有灵活的扩展性，定制化检测项。

以报告的形式全面分析系统的安全风险并给出修复建议，包括高精地图、仿真、AI算法等前沿技术组件。构建污染子系统车道级高精度的交通流仿真模型，将车辆驾驶行为精细模拟到车道级别的变道和跟车行为。

2.3 污染子系统仿真模型

（1）小区图层构建。

根据现状建筑普查及规划法定图，确定微观模型的交通小区划分。

（2）基础道路构建。

刻画路网几何分布、拓扑关系以及信号灯、检测器、可变信息标识等交通设施，包括高速公路、快速路、主干路、次干路、支路。

（3）交叉口类型标定。

刻画路网节点的不同类型，包括信号灯控制、优先控制、虚节点、交织节点等，突出反映路口交通延误对路网交通流分配的影响。

（4）公交图层构建。

主要由公交线路和车站、公交车辆类型、公交运行时刻表等组成。

（5）交通空间组织。

交通管控措施输入可对依附路网的管控措施进行详细模拟，反映各类交通管理措施的要求。

路口交通管理包括信号控制、让路控制，车道使用管理包括公交专用道，交通组织管理包括货运禁行等，限速动态路径决策，地图匹配，各类交通数据与车道级精细化路网模型的匹配，以便进行路径集构建。利用出租车GPS数据抽取出每个OD对的常用路径集用户均衡模型，构建并利用用户均衡模型可搜索每个OD对中前20条最短路径集。

在全有全无最短路径分配方法的基础上，逐步向路网中加载流量，不断地调整整个污染子系统路网交通量分配的算法和交通流分配，根据不同OD路径的总体流量偏差值分别调整各个路径的流量，得到新的路径流量并重新进行中观动态交通分配OD矩阵调整，动态OD估计可分为动态交通分配和基于真实路径流量的优化调整两个阶段。通过动态交通分配，可得到当前时间段的OD分布、OD路径以及各路段的仿真交通状态。基于真实路径流量的优化调整，可对OD路径的流量根据仿真对比结果进行校核调整。实时在线滚动更新，完成上一个时间段的仿真后，进入下一个时间段时，更新相应预热和预测阶段的时间段信息，并用校正后的OD矩阵更新初始OD矩阵，接收新的检测数据和交通信号数据，重复以上过程。不断进行连续多期的滚动更新，实现污染子系统交通仿真的实时在线功能。

3 十字路口拥堵信号控制污染流量优化研究

根据表达内容的不同，时变图可以分为十字路口总流量时变图、客货车流量时变图、非机动车流量时变图、各进口道流量时变图、不同方向车流时变图等，具体使用应根据需要确定。考察十字路口的运行状况，采用总流量图对十字路口的道路设施或控制系统进行改善，最好以各进口道或不同方向车流时变图为依据。

此外，利用交通量的时变图还可以计算其他参数指标对十字路口、重要断面的运行状况进行评价，常用的为高峰小时流量比。高峰小时交通量占全日交通量的百分比是评价十字路口或道路断面流量最重要的指标。为了保障长期稳定污染测试需要，开发基于资产数据、故障与报警记录的综合运维管理应用。运维管理系统实现资产信息管理、在线监测、故障报警、运维数据查询等主要功能，可以自动故障报警，查看设备运行情况，统计分析各类设备故障报警原因，对运维人员进行报警信息提示。高峰小时交通量与折算交通量之比，即为高峰小时系数：

昼夜变化系数表示交通量昼夜变化特征，一般用夜间12 h的流量与全天流量的比值。与时变类似的描述交通量时间变化的方法还包括周变、月变等，与周边和月变对应的有交通量周变图和月变图以及周变系数、月变系数等。

除时间变化外，还应考察交通量在空间上的变化。针对路网，交通量的空间变化指交通量在路网的分布情况；针对单个的十字路口或道路断面，交通量的空间变化主要指十字路口进口道不同方向车流的分布情况以及道路往返两个方向的流量。

在进行交通量调查时，应将十字路口各方向的流量区分清楚，每个进口道需要分为左、直、右三个方向，由此计算出十字路口各方向车流所占的比例，可用于十字路口改善与设计等。针对道路断面，主要考察往返两个方向流量的不均匀性，特别是高峰小时内的不均匀性，常用方向不均匀系数计算：

一般城市主要干道的KD值为60%，城市主要出入口的KD值为70%，中心商业区交通不均匀性不明显，KD值一般则维持在50%。针对KD值大于50%的断面，即具有交通潮汐现象，存在设置可变车道的可能，但还需综合多方面的考虑，如潮汐现象持续时间、交通安全、设施成本等。

增加交叉路口的测试样本：在城市区域空气质量数据的采集和分析中，样本都在微风、晴朗的良好气象条件下获得，得到能够获得连续或典型的在不同气象条件下的样本。

增加优化信号配时验证参数：本研究中只考虑到机动车污染物排放最小为指标，交通噪声等指标也应考虑，采用专家分析法对多个指标权重机械能分析，建立更综合、更能反映环境因素的信号配时优化方案。

4 结语

通过上述实践的分析可以得出本次研究课题结论，交通污染监测数据中心的核心业务模块为测试交通管理，主要包括高精地图显示、污染源测试运行态势监测、污染源测试运行数据统计、报警提示和通用信息的显示。报警提示、通用信息显示为各大屏页面共有的功能，报警提示以弹出层方式展示，报警内容包括重大突发事件、可能出现紧张的资源、测试训练高峰预警等。通用信息包括标题、当前日期时间和天气，污染测试数据中心展示按照污染源测试实时运行态势与分析、污染源测试实时运行态势与分析、污染源测试运行数据统计分析、污染源测试管理驾驶舱、科研成果数据可视化主题进行展示。基础应用包括提供统一的登录门户，根据用户权限加载对应功能模块；根据不同用户提供个性化的权限设定；提供统一的用户管理，可进行新建、删除、修改灯操作；支持各类业务场景下的审批流程配置；对各类操作进行日志记录并可进行查询审计；系统内建立相关加密解密服务，确保信息安全；接入运营短信服务接口，提供短信通知服务；根据业务场景需求采用不同方式通知消息到指定人员执行交叉口污染测试；合理解决标准型十字路口信号优化配时方案的交通问题。针对不同的规模、不同的十字路口空间，制定不同的控制模式，本研究内容对标准型十字路口的信号控制管理优化的理论研究与实际应用具有重要的参考价值。