减速带对工作区路段污染物排放的影响研究

李启朗,刘 军

(安徽建筑大学数理学院,安徽 合肥 230601)

随着我国车辆保有量的提升,道路上行驶车辆的增加会导致道路堵塞,车辆启动会因燃料不充分燃烧而产生废气,主要表现为细颗粒物和光化学污染。车辆排放污染物包括CO2、NOx、VOC和PM,减少此类污染物排放量可改善大气污染问题[1]。

学者们常以构建污染物排放模型和排放建模方案研究和预测城市路网交通排放[2-3]。文献[4]研究了不同燃料(液化石油气、压缩天然气、汽油、柴油和生物燃料)、欧洲标准和车辆结构对二氧化碳、氮氧化物和PM2.5排放的影响。文献[5]研究发现客车对于CO、HC排放总量影响最大,货车对于PM、NOx排放量影响最大,可以针对不同车型制定不同的减排方案。由于元胞自动机模型具有运行速度快、空间时间离散等特点,可以模拟微观下各种复杂交通现象。文献[6]研究了在单向通行道路下,两种典型的慢启动规则元胞自动机模型(VDR模型和TT模型),在开放边界条件和周期边界条件下的颗粒物排放量。文献[7]基于NS元胞自动机模型,研究了颗粒物和有机化合物的排放性质。通过该模型,研究如何提高道路通行流量以及控制污染物的排放成为学者们常用方法之一[8-9]。在日常道路上,经常会设置减速带以保证车辆行驶安全,而车辆在经过减速带时,车辆减速和启动加速尤为频繁,不仅会影响道路车流量[10],也会产生一定的污染物。文献[11]研究了减速带对交通流的影响,发现调节车辆速度可以提高道路安全。但在稳定车流量时,减速带可造成道路上游发生小规模堵塞,减速带的有效性亟待提高。目前,学者们主要在单向通行道路条件下对道路污染物排放量进行研究。但在实际路网环境中,道路一般为双车道行驶,车辆可以通过换道在车道之间移动。

当双车道前方可能因施工、事故或收费站造成某一车道关闭或者部分车道关闭时[12],称此区域为工作区。文献[13]研究了工作区道路合并区域的速度-流量关系。在工作区前方因发生车道缩减,车辆会通过一系列换道规则换道至直行车道并依次驶离工作区,故堵塞现象时常发生。因此,本文基于工作区道路,使用元胞自动机模型模拟不同数量减速带条件下工作区的交通流特性,并依据瞬时排放模型规则,探究不同减速带数量以及不同道路占有率下道路污染物的排放情况,以期为工作区道路设计提供借鉴和参考,为道路交通安全保架护航。

1 工作区及车辆演化、换道规则

1.1 工作区道路

如图1所示,工作区道路被分为对称区、转换区以及工作区。在对称区,车辆通过对称换道规则进行换道。当工作区前方道路关闭时,会在工作区前设置一个警示牌,提醒右车道车辆需在转换区换至左车道。随后与左车道车辆依次驶出工作区,驶出工作区后,车辆又行驶至对称区左车道。

图1 工作区道路基本结构

1.2 演化规则

本文基于元胞自动机模型对车辆运动行为进行模拟,在模型中道路被划分为5 115个离散格点,每个格点状态是空的或者被车辆占据,格点长度为1.5m。车辆速度更新规则采用Julio提出的瞬时排放模型[14],在每个离散时步下,每个车辆按照加速、减速、随机慢化和位置更新四步规则顺序执行,一个时步长相当于实时1s。具体执行如下:

1)加速:vn→min (vn+1,vmax);

3)车辆以概率pslow进行随机慢化:vn→max(vn-1,0);

4)位置更新:xn→xn+vn。

其中,Dd表示当前车车尾与前方最近减速带之间的空格点数;vn、xn分别表示第n辆车的速度和位置,vn单位为1.5m/s;dn=xn+1-xn-l,表示当前车辆与前车之间的空格点数;l为车辆占据的格点数,取值为5;pslow表示车辆随机慢化概率;vmax表示车辆最大速度,单位为1.5m/s。车辆以速度 0,1…vmax在道路上行驶。在加速过程中,车辆速度每时步增加1,但不超过最大速度。减速过程中车辆会依据车辆与减速带之间的距离来改变车速。车辆在行驶过程中,可能因不确定因素造成车辆随机减速,且速度不能小于0,最后对车辆进行位置更新。

1.3 换道规则

在实际道路交通中,驾驶员会依据动态可插入间隙判断在t+1时刻是否能安全换道。左右车道车辆在对称区换道条件为:

(1)

(2)

车辆在转换区,右车道车辆换道条件为:

(dn-dn,other)≤1

(3)

(4)

式(1)和式(3)为原因或触发标准,表示相邻车道的行驶条件更好,产生换道意愿。式(2)和式(4)为安全标准,保证车辆换道时不会发生危险。当车辆同时满足上述两个标准时,车辆可以在当前时步进行换道。

2 数值模拟分析

道路总长度为5 115格点、工作区长度为115格点、转换区长度为45格点、每个道路格点长度为1.5m、仿真环境为周期边界条件。车辆以初速度为0随机分布在道路上。已有研究表明,较小的元胞长度可以获得更真实的加速度,更好地描述交通流结构[15-16]。车辆最大速度vmax=25格点/s,车辆长度l=5格点,慢化概率pslow=0.3。计算机仿真运行5×104时步,统计最后105时步数据以消除瞬态影响。为去除随机性对结果影响,对50个样本取平均值。

2.1 道路基本图

为研究减速带对工作区道路流量以及车辆速度的影响,在道路上均匀分布不同数量的减速带,统计左右车道以及工作区道路流量、车辆速度情况,结果如图2所示。

(a)不同减速带下左车道流量 (b)不同减速带下右车道流量

由图2可知,道路交通流明显呈现3种状态:当占有率较小时(占有率≤0.05),此时工作区道路车流呈自由流状态,流量快速上升,保持较高速度。当占有率逐渐增大时(0.05<占有率≤0.85),工作区道路呈现饱和态,如图2(c)所示,此时车辆速度逐渐降低,左右车道流量差异逐渐减小,工作区速度与流量基本保持不变。当占有率>0.85时,道路发生堵塞,流量随着占有率的增加而不断减小,直至为0,如图2(a)～(c)所示。对于左右车道而言,当左车道减速带数量为1、占有率≤0.05时,左右车道流量相差较大,如图2(d)所示。因工作区与左车道相连,仅通过左车道就可满足车辆通行。随着道路车辆占有率增加,左车道车辆遇到减速带时会考虑换道至右车道,左右车道流量差值减小,道路呈现饱和态。当占有率>0.85时,道路开始拥挤,左右车道流量几乎无差别且迅速减小为0,如图2(a)～(b)可知。对于工作区而言,减速带的数量对工作区流量的影响不显著,如图2(c)所示。

在实际道路中,当道路前方车辆因为减速带而减速时,后面车辆更倾向于换道至相邻车道行驶。研究发现,减速带适量的增加可以缓解车辆流量不平均现象,但不会对工作区道路产生显著影响。

2.2 速度时空演化图

为研究减速带对道路车辆速度的影响,本文在道路占有率为0.1的条件下统计车辆在经过不同减速带时的速度变化,统计位置为1 000～5 000格点,统计时间为10 000～12 000s,结果如图3所示。

(a)减速带为1条左车道热力图 (b)减速带为1条右车道热力图

图3(a)～(b)为道路存在1条减速带时左右车道车辆速度的时空演化图,减速带位于道路中间。在道路车辆密度较低时,减速带以外的道路车辆均以最大速度行驶(红色区域)。遇到减速带后,车辆速度降至低速(蓝色部分),安全通过减速带之后,车辆开始加速至最大速度。因道路车辆较少,故在转换区并未发生明显堵塞。图3(c)～(d)为30条减速带时车辆速度演化图,车辆驶离减速带后还未加速又遭遇减速带,导致该路段车辆整体速度较低,呈现栅状速度演化特征。在转换区域,因前方为道路缩减路段,车辆以较低速度行驶。由此可知,道路中存在较少减速带时,车辆能很快恢复到最大速度。减速带较多时,车辆行驶速度较低,在实际生活中可以设置适当减速带以限制车辆速度。

2.3 减速带对瞬时排放的影响

车辆在道路行驶时会产生不同类型的污染物,现对不同减速带以及不同道路占有率下车辆污染物排放量情况进行研究。文献[17]依据车辆速度以及加速度对排放污染物进行测量,提出了基于微观交通模拟模型的瞬时排放模型,所有污染物的排放量公式为

En(t)=max[E0,f1+f2vn(t)+f3vn(t)2+f4an(t)+f5an(t)2+f6vn(t)an(t)

(5)

式中,En(t)表示当前时步下,车辆污染物的瞬时排放量,g/s;vn(t)表示车辆的速度,m/s;an(t)表示车辆瞬时加速度,m/s2;E0为不同污染物类型规定的排放量下限,g/s,该值设置为0。表1给出了不同污染物的排放系数,f1～f6为通过线性回归分析确定的污染物类型的特定排放量常数。对于NOx、VOC两种污染物来说,污染物排放量公式依据车辆加速或减速条件有两种计算形式。计算机仿真模拟5×104时步并统计最后1×104时步下不同污染物排放总量取平均值,以消除瞬态误差影响,最终得出每时步下污染物排放量。

表1 不同类型污染物排放参数

1)减速带对CO2排放量的影响 依据表1中排放参数以及式(5)可以得出减速带对CO2排放量的影响,如图4所示。图4(a)表示在不同数量的减速带条件下道路车辆占有率与CO2排放量的关系。当占有率较低(占有率≤0.05)时,减速带数量对于CO2排放量影响较大,高速行驶的车辆造成的CO2排放量也相对较高。当减速带数量小于10条时,减速带增多会导致CO2排放量增加;数量大于10条后,道路车辆不能以高速行驶,较低的车速是车辆CO2排放量减少的原因。随着占有率的不断增加(占有率>0.05),道路开始形成堵塞,CO2排放量逐渐降低。减速带对于CO2排放量的影响逐渐减弱,不同减速带之间差值逐渐减小。占有率持续增加时,车辆基本停滞不前,排放量也达到最低,不同减速带数量下的CO2排放量基本保持不变。

(a)不同减速带数目下CO2排放 (b)不同道路占有率下CO2排放

图4(b)为不同占有率下减速带与CO2排放量的关系。在低密度下(占有率=0.1),起初CO2排放量随减速带的增多而提高,之后保持稳定。当占有率等于0.3时,因车辆减速,CO2排放量减少。高密度下(占有率等于0.8)CO2排放量基本不随着减速带数量的变化而变化。这说明道路处于高度拥挤状态时,减速带对于CO2排放量的影响可忽略不记。而占有率偏小时,减速带是导致道路CO2增多的可能因素。

2)减速带对NOx排放的影响 图5为占有率和减速带对NOx排放量的影响。由图5(a)可知,在道路未发生堵塞时(占有率≤0.05),NOx排放量达到峰值,不同减速带数量对低密度下NOx排放量影响较大。当占有率>0.05时,工作区前方发生堵塞,车辆不能高速行驶,导致NOx排放量下降,不同减速带下NOx排放量逐渐接近。

(a)不同减速带数目下NOx排放 (b)不同道路占有率下NOx排放

由图5(b)可知,不同减速带下NOx排放量稳定在0.000 6～0.001 8g/s,当占有率逐渐增加时,车辆速度降低,NOx排放量减少。在占有率=0.8时,不同减速带下NOx排放量基本保持不变。

3)减速带对VOC排放的影响 图6为减速带和占有率对于VOC排放量的影响。图6(a)为不同占有率下VOC污染物的排放量。在车辆占有率为0～1.0时,排放量稳定在0.004 0～0.004 4g/s之间。可将道路分为3种状态:在占有率较低时(占有率≤0.05),道路呈现自由流态,车辆以较高速行驶,VOC排放量较高。占有率在中等区间时(0.05<占有率≤0.85),道路开始呈现饱和状态,车辆速度大幅降低,导致VOC排放量减少,并逐渐稳定在0.004 1左右。当占有率不断增加(占有率>0.85),道路开始呈现堵塞状态,车辆停滞不前,VOC污染物排放量开始升高,且不同减速带下排放量基本保持一致。

(a)不同减速带数目下VOC排放 (b)不同道路占有率下VOC排放

图6(b)为不同减速带下VOC污染物排放结果。排放量稳定在0.040 5～0.042 5g/s。在低密度下(占有率=0.1)减速带与VOC排放量成正比。当减速带大于14条时,排放量略有下降。随着占有率增多,车辆速度降低导致排放量减少。占有率较高时(占有率=0.8)减速带的数量与VOC排放量无明显关系。

4)减速带对PM排放量的影响 本文还研究了不同条件下污染物PM的排放量。图7(a)表示不同道路占有率下污染物PM的排放量,在不同占有率下PM排放污染物稳定在0～0.001 1g/s。当占有率≤0.05时,较高的车速导致PM排放量增多。当占有率逐渐增多(占有率>0.05)时,减速带数量为10时PM排放量快速下降,此时减速带数量与PM排放量呈正比。图7(b)表示不同减速带数量下PM排放量,不同减速带数量下,PM排放量在0～0.000 5g/s。当减速带数量小于13条时,占有率为0.1比占有率为0.3的PM排放增加速率快;当减速带大于13条时,PM排放量保持稳定,高占有率下的PM排放量基本保持不变。

(a)不同道路占有率下PM排放 (b)不同减速带数目下PM排放

3 结论与展望

本文立足于实际工作区道路,基于元胞自动机模型对道路不同减速带下污染物排放量进行研究,发现减速带数量对工作区前方左右车道流量的平衡起到一定作用,能增加道路使用率。当道路车辆较少时,减速带的数量对排放影响较大。随着道路车辆数的增多,车辆因速度降低导致排放量减少,减速带数量对污染物排放量影响较小。因此,在实际工作区道路中,可适当增加一定的减速带数量使车辆保持安全速度行驶,并平衡左右车道流量。当路段频繁发生堵车现象时,减速带的设置对改善流量和降低污染物排放效果不佳。

本研究对实际工作具有一定参考价值和借鉴意义,但本文只针对道路车辆占有率以及减速带数量变化下污染物排放,后期可针对信号交叉口以及三车道下不同类型车辆的排放量进行研究。