桥梁两端交叉口信号协调控制与碳排放关系研究∗

姚世瑞，郭建钢，陈黎明，陈金山

（福建农林大学交通与土木工程学院，福建福州 350002）

桥梁两端交叉口信号协调控制与碳排放关系研究∗

姚世瑞，郭建钢，陈黎明，陈金山

（福建农林大学交通与土木工程学院，福建福州 350002）

在现有道路条件下，为了提高桥梁的通行能力，缓减交通压力，减少碳排放，运用交通信号协调及配时优化软件Synchro对福建南平市政和县南门大桥沿线两交叉口进行干道信号协调控制优化，确定相位差，找到合理的绿波带。通过比较优化前后控制效果，在早高峰阶段，基于原配时方案的协调控制设计后，碳排放减少11%，交通运行指标有所改善；基于单点信号控制优化的协调控制优化设计后，碳排放减少15%，其他指标均有所改善。协调控制系统可在一定程度上降低碳及其他废气排放，改善环境。

城市交通；干道协调控制；交叉口；碳排放；Synchro

随着经济的飞速增长，城镇化、机动化的进一步加快，交通拥堵、交通污染愈演愈烈。在不同城市的监测中，车辆排放量在已发现的环境空气污染物中占较大比例，其中CO、NOx、HC等含量占80%～90%。由于车辆保有量在以15%以上的年增长率递增，上述污染物排放量亦将逐年上升。车辆排放物已成为中国环境空气的主要污染源之一。

在城市交通网络中，复杂的平面交叉口是造成交通延误增大、行车速度降低和燃料费用增加的主要原因，由于车辆在交叉口范围内尤其是多个信号控制交叉口在一条干道上的距离较小时行驶速度低，会产生大量碳排放，直接导致环境恶化。目前国内对交叉口信号协调控制与碳排放的研究较少，张宁等通过干道信号协调控制量化了节能减排效果，但未涉及桥梁。而桥梁和桥梁两端交叉口是交通安全与畅通的瓶颈。为此，该文结合福建南平市政和县的交通管理规划项目，以南门大桥沿线两交叉口为研究对象，运用Synchro建立基于原配时方案的信号协调控制系统，以实现“综合交通、智慧交通、绿色交通、平安交通”。

1　基础资料调查

政和县南门大桥位于政和县县政府正对面，总体呈东西走向，是政和县重要的“南大门”。其中解放街-南大街交叉口和水南西路-南大街交叉口为毗邻交叉口，其几何结构特征见图1。目前，两交叉口之间存在诸多问题：

（1）南门大桥的尽头是解放街，是政和县的政治、文化、经济中心，具有强大的交通吸引力。

（2）解放街-南大街交叉口是T形口，给交通管制带来不少挑战。

（3）信号配时陈旧，无法满足要求。

（4）道路基本成型，已无拓宽余地。

图1　南门大桥上两端交叉口的几何结构特征

该路段的早高峰时间为7：00—9：00。采用人工调查法，调查内容主要包括两交叉口的现状自然交通量（见表1，换算系数见文献［7］）和现状配时方案（见表2、图2）。

2　信号协调控制优化

由调查得知，陈旧的配时方案是造成南大街主线上车辆延误较大的主要原因之一。所以，设1号交叉口为主要交叉口，建立基于原配时方案的协调控制。依据调查数据，借用Synchro中的LaneSetting、VolumeSetting、TimingSetting窗口进行车道、流量、配时方案输入。

表1　两交叉口高峰小时流量　pcu/h

表2　两交叉口现状配时方案s

图2　两交叉口现状配时（单位：s）

干道信号协调控制的主要设计参数是信号周期和相位差，Synchro系统信号控制模型是对这两个主要参数进行优化计算。运用Synchro对两交叉口进行协调控制优化，在Synchro协调优化的基础上进行一定的人工调整（见图3～5）。完成周期相位差调整后，运行Synchro软件中SimTraffic模块实时查看路况模拟效果（见图6）。

为了进一步优化干道协调控制系统，将两交叉口运用Synchro重新进行优化配时，确定干道上每个交叉口的最佳周期及最佳绿信比。通过上述步骤重新建立干道信号控制系统，并生成相关数据报告。

图3　干线协调控制的建立

图4　干线协调周期时长优化

图5　干线协调相位差优化

图6　仿真效果界面

3　碳排放评价分析

Synchro软件计算碳排放是在燃料消耗的基础上进行的，计算公式为：

式中：F为燃料消耗量（gal）；T总为总行程（km）；D总为总延误（h）；S总为总停车时间（h）；v为行驶速度（km/h）；CO为一氧化碳排放量（g/gal）。

根据Synchro软件生成的报告，不同信号控制方案时的碳排放量见图7。

图7　碳排放量对比

由图7可知：在早高峰阶段，基于原配时方案的协调控制设计后，碳排放量减少11%；基于单点信号控制优化的协调控制优化设计后，碳排放量减少15%。其他指标也均有所下降（见表3、表4）。

表3　交通运行评价指标优化前后对比

表4　气体排放及燃料经济性指标优化前后对比

4　结论

该文依托Synchro软件，对政和县南门大桥一线进行干道协调控制优化设计。通过优化前后对比，总行程时间降低19.7%，停车率降低14.7%，平均速度提高27%，路网总延误降低46%，在早高峰时段道路实现“绿波”，大大改善了交叉口的拥堵情况；碳排放降低15%，氮氧化物排放降低20%，燃料消耗降低21%，节能减排效果相当可观。建议有关交通部门在进行道路设计优化时从交通优化效果和节能减排效果两方面对信号协调控制进行测评，以减少交通污染，改善环境，提高道路通行能力，实现“四个交通”（综合交通、智慧交通、绿色交通、平安交通）的发展战略。

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U491.5

A

1671-2668（2016）04-0044-03

∗国家自然科学基金资助项目（41201100）；福建农林大学科技创新（培育）团队资助计划（pytd12006）

2016-02-26