台州市信号灯交叉口碳排放测算及优化策略

李苗苗，吕 欢

（台州市城乡规划设计研究院有限公司，浙江 台州 318000）

0 引言

交通温室气体排放量的核算是衡量各类节能降碳措施效果的基础，是交通领域积极参与碳排放交易的核心。中国已经是世界主要的温室气体排放国，2020年中国道路交通碳排放将可能占到全球道路交通碳排放总量的四分之一[1]。而城市信号灯交叉口则是碳排放中的一大集中地。

台州市区小汽车拥有量高，2016—2020年市区小汽车年均增长率为7.92%，根据2019年开展的居民出行及相关调查可知小汽车出行分担率均在30%左右。高比重的机动化出行导致台州市主要道路交叉口拥堵严重，进而带来环境污染等一系列问题，那么如何定量分析交叉口对环境带来的影响，量化小汽车温室气体排放则显得尤为重要。

1 信号灯交叉口碳排放测算方法介绍

1.1 测算对象

（1）温室气体测算对象

测算车辆在实际运行中温室气体（CO2）排放量。

（2）车型测算对象

由于市府大道-中心大道交叉口为货车限行区，且台州市运行的公交车均为新能源车辆，实际运行中车辆类型95%以上均为小汽车，因此测算车辆类型选取以汽油、柴油为燃料的小汽车。

（3）道路测算对象

以台州市市府大道-中心大道交叉口为道路测算对象。

1.2 碳排放测算方法分析

根据车辆在交叉口的运行特性可知，车辆经过信号灯交叉口过程中的碳排放要根据下面三个方面来计算：车辆在进入交叉口前的路段内减速阶段的排放量、车辆排队状态下的排放量、车辆在红灯结束后驶出交叉口过程中加速阶段的排放量。本次计算时间范围为1小时内车辆排放值。

式中：P为1小时内经过交叉口小汽车的排放量，g；N为1小时内通过交叉口的小汽车车辆数，辆；PA为每辆车在进入交叉口时减速阶段的排放量，g；MP为交叉口进口道单车怠速温室气体排放速率，g/（s·辆）；T为交叉口各进口道车辆平均排队时长，s；PD为每辆车等待红灯结束后驶出交叉口过程中加速阶段的排放量，g。

其中PA、MP、PD利用车载排放测试系统和MOVES模型[2-8]，对小汽车分别在减速行驶至交叉口、排队等候以及加速驶离交叉口过程中的温室气体排放量进行核算，N和T则需要实地调查，各参数相关描述如表1所示。

表1 相关参数描述表Tab.1 Related parameter descriptions

2 台州市市府大道与中心大道交叉口排放量测算

市府大道与中心大道交叉口为典型的十字交叉口，市府大道和中心大道分别为台州市东西向和南北向重要的交通干道，沿途有多条公交线路经过，交通条件较好。该交叉口区位及台州市主要道路见图1。

图1 交叉口区位及台州市主要道路示意图Fig.1 Schematic diagram of intersection location and main roads in Taizhou

2.1 市府大道与中心大道交叉口信号灯及交通特征分析

（1）信号灯配时特性

通过在平峰期和高峰期对市府大道与中心大道交叉口实地调查可得出信号灯相位和信号配时数据如下：

该交叉口共有四个相位，分别为南北直行、南北左转、东西直行和东西左转，右转弯车辆不受信号灯控制。

该交叉口在平峰期和高峰期采用不同的配时方案，高峰期（上午8：00—9：00、下午17：30—18：30）信号灯周期时长为190 s，平峰期（除高峰期以外的其他时段）信号灯周期时长为132 s，各相位信号灯配时时长如表2所示。

表2 市府大道与中心大道交叉口平、高峰期各相位信号周期Tab.2 Signal period of each phase at the intersection of Shifu Avenue and Central Avenue in the flat and peak periods

（2）交通运行特性

通过实地航拍视频得出交叉口交通流量，分别选取平峰期上午10：00—10：15、高峰期下午17：30—17：45进行录制，然后扩大到1个小时得到平峰期和高峰期小时交通量。

调查得到交叉口平峰期和高峰期交通量见表3。

表3 市府大道与中心大道交叉口平、高峰期小时流量表Tab.3 Hourly flow meter at the intersection of Shifu Avenue and Central Avenue during the flat and peak periods

2.2 交叉口碳排放测算

根据上述调查数据，通过Webster交叉口进口道延误的计算公式[9-10]为：

式中：d为每辆车的平均延误时长，s；c为信号灯周期时长，s；λ为绿信比，即有效绿灯时间与信号灯周期时长的比率；q为车流量，pcu/h；x为饱和度，观测最大流量与信号交叉口进口道的通行能力之比，q/λ。

计算可得出交叉口高峰期南北直行、东西直行、南北左转、和东西左转平均延误分别为：77.8 s、86.5 s、89.8 s、91.9 s；平峰期南北直行、东西直行、南北左转、和东西左转平均延误分别为：55.9 s、55.9 s、57.6 s、60.8 s。

结合调查和式（2）测算得出的参数，市府大道-中心大道交叉口高峰期和平峰期小时排放量可通过式（1）计算得出，分别为：272 225.084 g和207 413.391 g。

市府大道-中心大道交叉口高峰期与平峰期排放量之比、高峰期与平峰期流量比分别为1.3和1.1，因此信号灯交叉口延误可在一定程度上加重小汽车碳排放量。

3 优化策略

通过2.2计算结果可以看出，降低信号灯交叉口延误可有效降低碳排放量，因此可以从下几个方面对该交叉口降低碳排放提出几点建议：

（1）优化信号配时

根据现有平峰及高峰时段信号配时及流量分析，东西方向比南北方向车流量大，作为本次信控方案的主要相位，东西直行设置相位配时最高，其次是南北方向，为缓解南北方向的交通压力，高峰期间采用降低周期、疏解各进口车流为控制策略，及时疏解各进口车流，降低红灯等待时间，来缓解由于高峰时期信号周期过长造成部分相位时长与流量不匹配，造成交叉口通行效率较低的情况，同时有效减少待行车辆二次启动造成的碳排放量。

因此，优化交叉口信号配时为：平峰期（10：00—11：30）信号灯周期时长为142 s，高峰期（17：00—18：30）信号灯周期时长为142 s，各相位信号灯配时时长见表4。

表4 交叉口平、高峰期各相位信号周期Tab.4 Signal period of each phase at the intersection during the flat and peak periods

（2）信号灯联动控制与感应控制结合

台州大道和市府大道均为台州市主要交通干道，正常情况下，高峰期和平峰期交通量相对稳定，道路条件较好，具备信号灯联动控制条件，可通过信号灯联动控制。在信号灯显示屏显示绿波适宜运行速度，同时增设检测设备对交叉口排队长度进行实时监测，以起到校对信号灯绿灯时长和车辆运行车速的效果，进而保证联动控制运行效果，减少交叉口排队长度和延误。

（3）设置实时动态车道

由表3可以看出，台州大道和市府大道交叉口平峰期东西向左转车辆较少，直行车辆较多，车道利用不充分导致交叉口通行效率低下。可结合感应控制，在左转车道空余而直行车辆较多的情况下将其中一个左转车道用于直行车辆通行，提高直行车辆通行效率。

4 结语

本文针对小汽车在信号灯交叉口运行时的三种不同工况：减速、怠速和加速，构建信号灯交叉口碳排放测算模型。选取台州市典型信号灯交叉口市府大道与中心大道交叉口，通过实地调查分析获取模型中参数，进而得出该交叉口平峰期和高峰期温室气体小时排放量，根据交叉口高峰期与平峰期排放量之比大于高峰期与平峰期流量比，可知信号灯交叉口延误可在一定程度上加重小汽车碳排放量，因此最后提出优化策略通过减少交叉口延误进而降低碳排放。本文计算碳排放结果可为台州市在城市道路温室气体排放量方面提供相对精确的参考值，同时该测算过程可为台州市信号灯控制交叉口温室气体排放量测算提供参考。