基于尾气排放的信号交叉口综合评价--毕业论文.docx

基于尾气排放的信号交叉口综合评价 作 者 姓 名学 院 名 称 机械与车辆学院指 导 教 师答辩委员会主席申 请 学 位 工学硕士学 科 专 业 交通运输工程学位授予单位 北京理工大学论文答辩日期 2015 年 1 月 摘 要 近年来，随着城市交通系统的不断发展，交通尾气排放带来的大气污染已经严重影响了人民的生活，引起越来越多的关注和研究。因此，将尾气排放作为道路评价的指标，尤其在信号交叉口这一交通节点处，可以更好地解决尾气排放优化问题。 本文在总结前人研究的基础上，以信号交叉口综合评价为研究对象，充分考虑尾气排放指标在交叉口综合评价中的作用，建立基于车辆运行状态的对交叉口的尾气排放计算模型，并采用主成分分析法，实现定量化交叉口综合评价。本论文主要在一下几方面进行了探索和研究： 首先对国内外尾气排放及交叉口评价相关研究进行了梳理总结，分析了使用较为广泛的机动车尾气排放模型和交叉口管理控制技术对机动车尾气排放的影响，重点对交叉口综合评价方法及评价指标进行研究，为交叉口处尾气排放计算和交叉口综合评价指标建立奠定了较好的理论基础。 其次从城市信号交叉口处交通特性入手，引入比功率参数来描述车辆运性工况与污染物排放因子之间的关系，并给出各 VSP 区间内机动车的污染物排放因子，利用交叉口处车辆运行状态将交通微观仿真模型与尾气排放模型相结合，建立基于车辆运行状态的交叉口尾气排放计算模型。 然后针对城市道路平面信号交叉口的特点及评价指标选取原则，建立交叉口综合评价指标体系和主成分分析评价模型。利用主成分分析法将高维度的评价指标变为低维度不相关的主成分指标，确定其权重系数，并得到交叉口处综合评价值。 最后以典型信号交叉口为例，展开模型的应用分析。利用基于车辆运行状态的交叉口尾气排放计算模型对交叉口尾气排放进行计算，验证了该尾气计算模型具有良好的可行性和适用性。同时利用多个交叉口仿真数据对交叉口综合评价模型进行验证，不仅可以科学地计算出各个交叉口的综合评价值，同时还可以实现多交叉口间定量化比较，对交叉口的评价及优化有着重要的意义。 关键词：交叉口；尾气排放；主成分分析法；综合评价 Abstract In recent years, as the urban transport system develops, the air pollution caused by vehicle emission has serious effect on peoples life. In order to solve this problem, the emission factor is usually used as an index in traffic evaluation, especially at the intersection. Comprehensive evaluation of a signalized intersection is studied in this paper based on previous researches. An emission calculation model based on vehicle operation status is established which is only used for intersections. Principal component analysis is used to quantify the weights of each index and get the comprehensive evaluation value of the intersection. This paper focus on the following aspects: First of all, the existing study about emissions and evaluation of intersection has been summarized including emission model which is widely used and the influence between intersection management control technology and emissions. The main research is comprehensive evaluation method and evaluation index of intersections which can provide the theoretical basis for the further study. Then VSP is used to describe the relationship between vehicle travel condition and emission factors of each pollutant and also the emission factor in each VSP interval is given. The emission calculation model based on vehicle operation status is established. It makes traffic micro-simulation model and emissions model working together to get the emissions of the intersection. Moreover, according to the features of urban signalized intersections and the principle of evaluation indexes, comprehensive evaluation system of a signalized intersection is established. PCA is used to reduce the dimensions of the complicated evaluations and make the remaining principal components uncorrelated, then also to quantify the weight of each of principal component and to comprehensive evaluation value of intersection. At last, an example is given to show the function of the evaluation model, both of the evaluation value and the sequence results in several intersections. The calculation of emissions of the intersection through the emission model based on vehicle operation status validates the good feasibility and applicability of the model proposed in this paper. Simultaneous using simulation data of multiple intersections to validate the comprehensive evaluation model can not only calculate the comprehensive value, but also achieve quantitative comparison among multiple intersections. The model proposed in this paper has important significance for the evaluation and optimization of the intersections. Key Words: Intersection; Emission; Principal Component Analysis; Comprehensive Evaluation 目录摘要 . I 第 1 章绪论. 1 1.1 研究背景. 1 1.2 研究目的和意义. 2 1.3 国内外研究现状. 2 1.4 本文主要研究内容和技术路线. 6 1.4.1 主要研究内容 . 6 1.4.2 技术路线 . 7 1.5 本章小结. 8 第 2 章 城市道路信号交叉口交通特性分析 . 10 2.1 城市交叉口系统. 10 2.2 信号交叉口交通特性分析 . 11 2.2.1 交通冲突特性. 11 2.2.2 信号交叉口机动车交通流特性分析. 14 2.3 本章小结 . 15 第 3 章 交叉口综合评价方法及评价指标 . 16 3.1 评价方法 . 16 3.2 交叉口综合评价指标 . 19 3.2.1 交叉口运营指标. 19 3.2.2 交叉口安全指标. 22 2.2.3 交叉口环境指标. 23 3.3 本章小结 . 26 第 4 章 基于行驶状态的交叉口尾气排放计算模型 . 27 4.1 建模思路 . 27 4.2 机动车比功率参数 . 27 4.3 交叉口处车辆运行状态分析 . 30 4.3.1 车辆不同运行工况下的尾气排放特性. 30 4.3.2 交叉口车辆运行状态分析. 32 4.4 基于车辆运行状态的交叉口尾气排放计算模型. 35 4.5 实例计算 . 37 4.5.1 研究对象. 38 4.5.2 数据分析. 38 4.6 本章小结 . 40 第 5 章 交叉口评价方法及评价技术 . 42 5.1 信号交叉口交通特性 . 43 5.2 选择评价指标的原则 . 43 5.3 交叉口综合评价体系建立 . 44 5.4 评价方法. 46 5.4.1 主成分分析法 . 46 5.4.2 主成分分析法交通评价模型 . 47 5.5 本章小结 . 48 第 6 章 实例分析. 49 6.1 评价对象 . 49 6.2 数据分析 . 50 6.3 本章小结 . 53 结论与展望. 54 1 总结 . 54 2 研究创新与展望 . 54 参考文献 . 56 攻读学位期间发表的论文与研究成果清单 . 59 致谢 . 60 第 1 章绪论 随着经济发展、城市化加快，机动车的保有量不断增加，在城市道路交通中，拥堵不仅仅是唯一的问题，机动车尾气排放造成的环境污染也受到越来越多的关注。在这种情况下，在对交通重要节点交叉口进行评价时，更多的考虑机动车尾气排放指标，尤其是交通管理技术对尾气排放的影响，对交叉口的整体评价及优化有着重要的意义。 1.1 研究背景 城市道路是城市的基础设施，是城市的骨架，与城市生活、生产有着密切的关系。随着城市经济的发展和城市规模的日益扩大，城市交通量迅速增长，城市交通出现了日趋紧张的局面。主要问题是道路设施与交通需求相比增长缓慢，道路系统不健全。 例如，从 1978 年到 1997 年的二十年间，我国汽车保有量已从136 万辆猛增到 1219 万辆，年平均增长率为 12.2%，而城市道路的建设速度远远低于需求增长的速度1。这种需求与供给的不均衡突出表现在道路交叉口处，特别是在信号控制交叉口，由于其交通量较大，因而更容易形成堵塞，引起严重的延误、噪声、废气污染、能源浪费等，以至波及路段及整个城市路网系统。 近年来，随着经济的发展和社会的进步，人们对交通的需求越来越大，虽然城市道路的密度和各种配套设施有了很大程度的提高，但是交通负荷还在持续增长，小汽车的保有量逐年快速增大，加重了城市道路的运转能力。信号交叉口作为城市道路网的重要组成部分，具有交通组成复杂且多向的特点，这使得交叉口既是道路网络的关键节点，也往往是城市路网的瓶颈所在。交叉口处信号的控制会造成机动车运行工况的变化，即经历减速、停车和加速的过程，在这一过程中会不可避免的产生一定的延误。另外，由于机动车的排放特性，使得机动车在频繁加减速的过程中会比匀速行驶时排放更多的污染物。研究显示，车辆在一条道路上行驶，在交叉口上产生的延误约占全程行车时间的 31，2005 年我国机动车尾气排放在城市大气污染中的分担率达到 79%左右，城市交通的燃油消耗占到了全国燃油消耗总量的 17.2%。因此将环境因素作为交叉口评价的一项重要指标，研究城市道路交叉口管理控制技术与车辆尾气排放之间的关系，通过信号交叉口进行综合评价来为交叉口的优化提供理论基础，进而使得城市交通网络的达到减少车辆尾气排放和缓解交通拥堵的目的，己成为亟待解决的重要问题。 城市信号交叉口是由多种因素相互作用，相互影响，相互制约下形成的一个复杂的综合交通系统。信号交叉口的综合评价实质上是对影响道路交通状况的有关人、车、路及环境在内的各种交通要素作系统综合效应分析。为了正确衡量交叉口的服务水平，需运用系统工程的理论和方法，选择恰当的评价指标，合理确定信号交叉口分级，在此基础上进行整体评价，找出存在的关键问题，对其运行功能进行改进和完善。 1.2 研究目的和意义 交叉口作为多向交通流的集散点和交通网络的节点，对其功能的需求不仅仅体现在运行效率上，快速、安全、环保与舒适并行已经成为人们对交叉口更高的要求。由于这集中要求之间即属性不同又有着相互关联，因此科学、合理的解决信号交叉口各评价指标之间的关系，对信号交叉口进行定量化综合评价，正是交叉口综合评价的关键。随着空气质量的不断恶化，机动车尾气排放问题引起了广泛的关注。要从交通角度解决尾气排放为题，首先需要明确尾气排放与交通流之间的关系。将交通模型与尾气排放模型连接起来，将尾气排放作为一项重要指标引入到交叉口综合评价中，对于信号交叉口的综合评价和尾气排放的优化，都有着至关重要的意义。 本文的研究目的针对上述交叉口综合评价及尾气排放优化的要求，研究城市道路交叉口的综合评价指标，将尾气排放作为交叉口评价的重要指标来建立交叉口综合评价体系，实现交叉口定量化评价，为交叉口的优化提供科学依据。主要思路是：通过引入VSP参数将微观交通仿真模型与机动车尾气排放模型结合，建立基于车辆运行状态的交叉口尾气排放计算模型。同时将尾气排放值作为交叉口综合评价的重要指标，利用主成分分析法对交叉口进行综合评价已得到定量化评价值。 1.3 国内外研究现状 1.机动车尾气排放研究现状 为了实现交通系统中机动车尾气排放的量化评价， 目前国内外大量专家学者都对此展开了研究，并开发了多种量化评价尾气排放的模型。按照模型的应用层北京理工大学硕士毕业论文 3 次和开发思路，现有的尾气排放模型可以划分为宏观、中观和微观三个层次。 宏观尾气评价通常以基于平均速度的排放因子作为计算参数来计算和评价广域范围内尾气的排放情况。宏观排放模型主要有美国环保署开发的MOBILE模型2，美国加州空气资源局的EMFAC模型3和欧盟环境署自助开发的COPERT模型4等；中观尾气主要用于对车道、交通小区等区域进行狭域内的尾气排放分析和评价，典型的中观尾气排放模型包括MEASURE、VTMicro等。为了真实细致的反映道路上的尾气排放情况，研究交叉口信号、匝道管理等交通管理措施对尾气排放的影响，微观尾气排放模型得以提出。微观尾气模型能够对特定区域或者交叉口的排放进行分析，评价机动车实时尾气排放量，典型的微观尾气模型有CMEM、ONRORD等。美国环保署从2002年起开发的MOVES模型能够在宏观、中观和微观不同层次上预测各种车型的排放5。在MOVES的排放计算中，首先对车辆进行分类，其分类标准依次为燃油类型、客货类型、生产年份、排放阶段、车龄，然后计算每类车辆在不同运行模式下的排放率，接着，按每类车运行模式的分布情况，对排放率加权平均，计算得到总排放。最后，对各阶段排放进行修正及加和，得到总排放6。 2.信号控制管理技术对尾气排放的影响研究 随着交通拥堵和机动车尾气排放的不断加剧，各位专家学者在开展宏观方面研究的同时也把注意力集中向路网的局部区域，比如采用交通控制措施的特殊路段、交叉口等，并通过研究路段的交通特性和机动车的运行状态来分析机动车的尾气排放。Sugawara and Niemeier7将机动车尾气排放作为最优目标函数值，并贴近实际情况的选取了不同平均车速下的尾气排放情况进行了研究。研究结果显示，如果将单一的考虑排放最优与单一的考虑行程时间最优的UE和SO平衡配流模型相比，尾气排放最优的情况下能够相对的减少排放量，在运行条件拥挤的道路网络中，结果非常的明显，减少量甚至可以达到30%。Ericsson8等通过提取瑞典德隆的交通基础数据，以交通燃油和污染物排放最小化为目标来研究出行者的路径选择行为，通过对实测数据进行统计分析研究，得出了大约46%的机动车驾驶员在自由选择驾驶路径的情况下燃油利用率比较低下，如果通过人为的路径选择优化可以节省8.2%的燃料消耗量。Kyoungho9通过对机动车驾驶员实际选择行为进行分析，发现有些驾驶员为了节省时间或避免拥堵会选择速度快，耗费时间少的出行路径。基于这种情况，通过对选择不同路径的燃油消耗情况和排放情况进行研究分析，发现燃油消耗量和污染物排放量大的路径往往是行程时间小的路径，相反，燃油消耗量和污染物排放量小的路径往往是行程时间和行驶速度较北京理工大学硕士毕业论文 4 低的路径。当出行者选择旅行时间相对较长的路线时能节省旅行中的燃油消耗，节省比例能达到7.63%。Jaeyoung10等利用微观仿真模型TRANSIMS和微观能耗模型VT-Micro模型相结合，设置合理的接口，同时应用遗传算法来研究交通走廊的时间消耗、能耗和排放的问题，研究结果表明对交通走廊所有交叉口的信号进行协调控制可以很好的达到交通控制的目标，对比了信号协调控制前后的结果，发现进行信号协调控制后可以节约近20%的能源消耗，减少8%-20%的污染物排放，节约27%的时间消耗。Coensel11等将交通干线上机动车污染物的排放和噪音污染作为主要指标，构造了一个由微观仿真模型，污染物排放模型和噪音传播模型组成的综合模型，通过场景设置，研究不同交通强度，不同信号控制策略和不同的信号参数对噪音和主要污染物的排放的影响。研究发现，合理的进行干线绿波带协调控制可以降低10%-40%的污染物的排放，同时交叉口处的噪音排放有所缓解，但路段上的噪音排放却有一定的增加。Zito12用流量探测器和污染物排放检测器来研究协调的交通信号控制策略对路边的CO和 的浓度的影响，文章以信号周期和延误时间作为基本的变量，通过不同的场景设计获得了路边的CO和 的浓度随信号周期和延误时间的变化规律。 国内学者在交通管理控制的宏观层面也做了大量的工作，并取得了丰硕的成果。陆化普13等人指出，现行的城市规划对于城市道路系统的规划考虑的不周全，同时针对交通对环境的影响和资源的利用情况重视程度不够，没有充分考虑交通的发展与城市发展之间相互制约、演化的作用，针对存在的各种问题，作者从现在存在的问题出发提出了基于环境和能源问题对策的交通规划框架流程。Pandian等人研究了交通特性、道路特征和车辆性能对尾气排放的影响。其中细致分析了加速、减速、平均速度、驾驶模式、车辆行驶里程对交叉口排放的影响，但该分析只做出了定性的分析和比较，没有对交叉口排放状态进行量化评价14。Frey等人将车辆在信号交口处的运行模式分为车辆匀速、减速、怠速、加速四个状态，对应每个状态下车辆赋予不同的排放速率15。Coelho等人研究了环形交叉口的排放特征，基于车辆比功率的计算方法，将交叉口的车辆运行特征分为不停车、1次停车、2次停车三类模式，对每种模式分别计算机动车比功率排放速率16。Midnent等人分析了自适应信号控制交叉口的尾气排放状况，将交叉口的车辆运行特征分为停车和非停车两类模式，各类模式中又分为加速、减速及怠速状态(非停车类运行模式不含怠速)，对各状态分别计算排放因子，通过本实验方法的计算，发现自适应信号控制系统比定时信号能够有效减少交叉口的排放量17。宋国北京理工大学硕士毕业论文 5 华18在其博士论文中对主要的交通能耗和排放的测算方法和预测模型进行了综述分析，从交通管理和交通规划两个层面研究了车辆的能源消耗和污染物的排放情况，在分析了机动车比功率（VSP)与轻型车油耗排放的关系后，VSP被识别为油耗排放建模的解释变量，结合VSP聚类方法，提出了油耗排放的标准化方法。然后建立了面向交通管理策略评价的油耗排放量化模型（FETM)。张滢滢，陈旭梅等19和张潇20利用车载尾气检测技术收集和比较了北京市典型信号协调路段与普通路段的实测尾气排放数据，分析了两种控制策略下的机动车尾气污染水平与分布规律，结合微观交通仿真模型VISSIM和基于VSP变量的尾气排放建模方法，搭建了微观交通尾气仿真平台，通过实例仿真评价了不同信号配时和不同交通流量两种交通控制策略下的尾气排放。余柳21等充分利用了 VISSIM微观仿真软件的功能，将VISSIM仿真软件与遗传算法相结合，设置VISSIM微观仿真软件的自动调用程序来进行交叉口的信号优化过程，在进行优化过程中将交叉口处的车辆的平均延误和主要污染物的排放情况进行加权处理，作为优化过程的评价指标，最后选取典型的实际交叉口作为研究对象，对所得结果进行分析发现，信号优化可以有效的缓解交叉口处车辆的延误，同时可以一定程度的减少交叉口处车辆污染物的排放。 3. 交叉口综合评价研究现状 信号交叉口的交通问题是城市交通系统问题的一个极其重要组成部分，在国内外都有大量的研究。国外对信号交叉口评价的重点在于对信号交叉口服务水平的划分上，如美国通行能力手册(HMC2000)采用延误计算的结果作为评价指标，把交叉口的服务水平分为A- F六级22；日本根据交通量与通行能力之比即饱和度指标将信号交叉口的服务水平划分为三个等级23；前苏联根据实际行驶速度与自由行驶速度之比即速度系数将信号交叉口服务水平分为四个等级。 国内针对交叉口综合评价的研究主要从综合评价指标体系、综合评价方法、系统设计等方面着手展开。吴海燕等24在对城市道路交叉口的交通特性进行分析的基础上，从技术、经济、环境等层面选择指标，通过层次分析法建立交叉口综合评价指标体系，并将指标进行综合量化，得到了交叉口的综合评价值。这种方法较全面的考虑了交叉口涉及的多方面因素，对研究交叉口的性能和辅助决策具有其可行性，但是涉及的指标较多，指标间的相关性较强，对调查和收集基础数据带来了较大的困难。同济大学江欣国25等将城市道路交叉口评价系统分为4个子系统，包括交叉口布局指标、营运指标、管理指标和环境指标，并分别给出了北京理工大学硕士毕业论文 6 各个子系统的相关指标及其评价指标等级的建议值，采用系统工程中的矩阵综合评分法和特尔斐法(Delphi)进行综合评价。湖南大学李嘉等26对我国混合交通交叉口的综合质量评价进行了尝试并提供了有益的思路。针对我国机动车、非机动车和行人在交叉口混行严重的特点，采用五个指标全面反映混合交通状况下交叉口的综合性能，运用灰色聚类综合评价的方法对交叉口综合质量进行灰色评价。北京工业大学的杨峰27从分析信号交叉口的系统特性入手，探讨与交叉口相关的各种因素，从效率、安全和环境三个方面出发，建立了评价指标层次结构体系。然后，参考以往的研究并结合一些实测数据的分析，采用定量与定性结合的方法确定了各项评价指标及其分级标准。并用层次分析法确定各评价指标的权重，建立综合评价模型。江苏大学的陶经辉28提出了对各种常用评价指标进行筛选的各种方法和用于指标相关性粗选的最小独立变量模糊聚类方法。次要指标筛选采用保持信号交叉口综合实力按线性加权效应排序其顺序不变的方法，并对该法进行了探讨。借助于专家咨询和层次分析法原理，建立了信号交叉口交通系统分层评价指标体系，并给出了评价标准建议值。在对信号交叉口交通系统综合实力排序方法进行系统地探讨之后，指出单一准则下不同的指标权重计算方法，并对具体信号交叉口进行了应用性研究。同济大学杨晓光29等总结了适合我国混合交通的交叉口交通设计评价方法，开发设计了城市道路交叉口交通设计评价软件，选用的交通效益指标为:通行能力及饱和度、延误及服务水平、停车次数和排队长度，提供了一套简易、实用的评价工具。 1.4 本文主要研究内容和技术路线 1.4.1 主要研究内容 本论文的研究目标在于以信号交叉口尾气排放作为一项重要评价来建立交叉口综合评价体系，研究信号交叉口处交通控制管理技术对机动车尾气排放情况的影响，借助微观交通仿真模型、机动车排放模型构建交叉口微观尾气排放模型，并将计算结果作为交叉口环境评价指标对交叉口进行综合评价。评价基于主成分分析法来确定运行指标、安全指标与环境指标之间的权重，建立交叉口综合评价模型，并通过案例研究,对所提的方法进行论证。 针对以上研究目标，本论文的主要研究内容包括以下几个方面: 1. 研究现状分析 北京理工大学硕士毕业论文 7 对城市道路交叉口的交通特性、尾气排放特性及评价指标等做了详细的分析，从机动车尾气排放研究、交通管理控制技术对尾气排放的影响和交叉口综合评价的研究三方面对国内外的研究进行了综述。 2. 交叉口综合评价综述 针对交叉口综合评价评价方法的意义、特点及适用情况进行详细的研究；同时对交叉口综合评价中各单项指标的含义、评价标准及计算方法进行了详细的说明，为建立信号交叉口综合评价体系提供了充足的理论基础。 3. 建立基于车辆运行状态的交叉口尾气计算排放模型 从城市信号交叉口处交通特性入手，引入比功率参数来描述车辆运性工况与污染物排放因子之间的关系，并给出各VSP区间内机动车的污染物排放因子，利用交叉口处车辆运行状态将交通微观仿真模型与尾气排放模型相结合，建立基于车辆运行状态的交叉口尾气排放计算模型。 4. 建立城市道路平面信号交叉口的综合评价指标体系 针对城市道路平面交叉口的特点，建立交叉口综合评价指标体系并主成分分析法确定各评价指标权重，建立综合评价体系。 5. 实例分析 在实际调查的基础上，利用VISSIM对若干交叉口的交通状况进行仿真，利用仿真获得的数据进行交叉口综合评价。 1.4.2 技术路线 本文研究技术路线主要从以下几个方面展开： 首先展开国内外综述，整理和分析了目前国内外关于交叉口综合评价方法和指标的研究、机动车尾气排放模型以及信号交叉口与尾气排放之间关系的研究，这部分内容为后续的研究提供了理论支持和参考依据。 其次，对交叉口处车辆运行特性进行分析，指出了信号交叉口处周期内不同时刻到达的车辆的运行状态规律，并引入VSP参数刻画车辆工况与污染物排放因子间的关系，以此为基础建立交叉口处的尾气排放计算模型，以计算得到交叉口处 、HC、CO的排放因子。 然后依据交叉口综合评价指标选取原则建立交叉口综合评价指标体系，利用主成分分析法对维数较高的多个相关指标变量转化为维数较少的互不相关的指标变量，以得到各评价指标的权重数，建立基于尾气排放的交叉口综合评价模型。 北京理工大学硕士毕业论文 8 最后针对典型交叉口进行实例分析，利用基于尾气排放的交叉口综合评价模型对多个信号交叉口进行综合评价并给出量化性评价指标，以验证模型及算法的有效性。 国内外研究综述基于车辆运行状态的交叉口尾气排放计算模型基于尾气排放的交叉口综合评价模型模型应用分析机动车尾气排放模型交叉口控制管理技术与尾气排放交叉口综合评价方法及评价指标总结VSP参数交叉口车辆运行状态分布基于运行状态的交叉口尾气排放计算模型基于VSP分布的污染物排放因子车辆运行状态的VSP分布特性交叉口处总排放因子Nox HC CO评价指标体系建立运行指标环境指标安全指标主成分分析法交叉口综合评价值交叉口综合评价序列 图 1. 1 技术路线图 1.5 本章小结 本章首先介绍了本论文的选题背景及研究意义，在机动车保有辆日益增长、北京理工大学硕士毕业论文 9 交通环境日益恶化的情况下，将交叉口处尾气排放作为一项重要指标加入到交叉口综合评价当中。通过对国内外研究现状的分析，明确了主要研究内容和研究方法，拟提出一种考虑交叉口处车辆运行状态的尾气排放计算模型，并综合考虑机动车尾气排放、运行效率以及安全因素等建立交叉口综合评价体系，对交叉口进行科学、合理的评价。 北京理工大学硕士毕业论文 10 第 2 章 城市道路信号交叉口交通特性分析 2.1 城市交叉口系统 城市道路交叉口作为城市道路网络的基本单元，既是城市交通系统的重要节点，也是交通系统的瓶颈点。因此在要解决城市交通系统问题，通常以交叉口作为入手点进行研究。本文以城市平面交叉口作为主要研究对象，平面交叉口是指相交道路都在同一平面之内，各种交通流的组织主要采用时间上分离的方法来进行：立体交叉口是相交道路不在一个平面上，各条道路通过空间分隔的交叉方式使得各种交通流按照相应指向道路运行。 平面交叉口由两条以上道路相交构成，并依据服务功能不同划分为交通功能区和公共服务区。根据交叉口交通功能区按照其服务对象的不同划分为机动车行驶区、非机动车行驶区和人行区。其中机动车行驶区包括机动车道、信号控制设施、交叉口渠化设施以及针对机动车的交通标志等，机动车行驶区域是信号交叉口的重要组成部分，也是本研究的核心区域。非机动车行驶区是指非机动车在路段上行驶区域在交叉口处的延伸部分，通常在交叉口处非机动车行驶区并不明显。信号交叉口行人区是指交叉口处专供行人使用的区域，主要包括步行街、道路人行道、行人过街设施(主要是地下通道、天桥和人行横道)以及其他辅助行人的道路设施等。交叉口公共服务区是指交叉口区域内除了交通服务区以外的其他区域，如交叉口周边的商业设施、居民楼、城市广场等其他公共设施。交叉口功能区的划分决定了交叉口交通运行的多样性和复杂性，只有充分考虑交叉口的交通服务和公共服务两种功能，才能实现交通主体和客观环境之间的协调高效。 根据交通参与者的实际交通状态变化强弱的不同可以分为交叉口内部区域和交叉口外部区域。交叉口内部区域指的就是传统的交叉口内部空间区域，即机动车停车线断面围城的区域，在此区域内交通主体的交通状态改变明显，是研究交叉口交通的主要研究部分；交叉口外部区域指的是影响交通参与者行为的起始位置或道路横断面变化位置(机动车道增减处)直至停车线的范围，该区域是交叉口与路段的衔接处和过渡带30。由于交叉口特性和信号控制管理技术的存在，交叉口功能会对交通主题的运行产生一定的影响，如车辆在通过交叉口的过程中会发生减速停车、启动加速、车道变换等明显的交通运行状态的变化，这一系列交通北京理工大学硕士毕业论文 11 主体状态的变化，通常都在交叉口内部区域发生。 2.2 信号交叉口交通特性分析 道路交叉口作为城市交通系统微观层面上最关键的节点，其效用在于将道路网络中不同方向上的道路串联起来形成一个整体，使得道路网络中机动车可以完成左右转、掉头、直行等交通行为31。由于多个方向交通流在交叉口处的交汇，使得此处交通冲突点增加，各方向交通流特性因此受到影响。 2.2.1 交通冲突特性 1. 交叉口冲突特性分析 交叉口的控制方式经历了从无信号相位到增加信号相位再到减少信号相位的螺旋上升过程。主干道上的交叉口，由于交通流量较大，所以通常针对直行、左转、右转和掉头方向都有明确的信号控制，使得车辆按照详尽的信号指示行驶以避免发生交通冲突。非主干道上的交叉口，由于交通流量通常较小，为了提高交叉口的通行效率，减少不必要的信号等待时间，通常只设置直行信号控制。在这种情况下，由于左转交通流没有相应的信号控制，因而在行驶过程中左转车辆与直行车辆将会发生交通冲突，为保证直行车辆的优先通行权，此时左转车辆通常需要避让，必要时候需要停车等候。 不同方向的交通流进入交叉口后以较大的角度互相穿行时会形成交叉，在这一过程中可能发生碰撞的点称为交通冲突点。在交叉口处，交通冲突点越多，对交叉口安全及通行能力的影响越大。 按照交通冲突方式划分，交叉口冲突点可以划分为交叉冲突点、合流冲突点和分流冲突点。 (a) (b) (c) 图 2.1 交叉口交通冲突点划分 (a)交叉冲突点；(b)合流冲突点；(c)分流冲突点 北京理工大学硕士毕业论文 12 由于信号交叉口处信号控制技术的存在，车流通过交叉口时在一个信号周期内，会经历会遇到红灯而停车等待，当绿灯开启后加速行驶并最终以均一的流率通过交叉口这一过程。因此交叉口信号的设置对车辆行驶状况和交通冲突点都有着很大的影响。 在只考虑机动车冲突点的情况下，以单车道为例，信号交叉口冲突点分布如图 2.2 所示。 交叉冲突点合流冲突点分流冲突点 图 2.2 信号交叉口机动车冲突点分布 表 2.1 和表 2.2 分别给出在仅考虑机动车情况下和考虑行人、非机动对机动车流的影响的情况下，信号交叉口各类冲突点的出现情况。 表 2.1 信号交叉口处机动车冲突点统计表 冲突点类型 交叉冲突点 合流冲突点 分流冲突点 总计 冲突点个数 2 2 4 8 北京理工大学硕士毕业论文 13 表 2.2 信号交叉口机动车、非机动车、行人间冲突点统计表 冲突对象 交叉冲突点 合流冲突点 分流冲突点 小计 机-机 2 2 4 8 机-非 12 12 机-人 2 2 非-非 2 2 4 8 非-人 2 2 总计 20 4 8 32 由表 2.1 和表 2.2 对比可以看出，信号交叉口非机动车和行人使得冲突点大量增加，严重影响了信号交叉口的安全和交通运行情况，在对信号交叉口进行评价时，应考虑非机动车及行人对交通流的影响，以实现交叉口评价的全面性和合理性。 2. 左转车流冲突特性分析 在交叉口车辆运行过程中，左转车流面临着来自对向直行车辆及同向车辆的潜在威胁。在众多与左转车辆发生的冲突中，左转车辆与对向直行车辆之间产生的冲突是最为普遍且危险性最大的。 （1） 左转车流的空间冲突 目前交叉口信号的工作方式为依次开放不同方向的信号，轮流给予不同相位的车辆和行人通行权。不同相位的划分从时间上隔离了不同方向车流，减少了不同方向车辆间的冲突点，但左转车辆与对向直行车辆之间的冲突点仍然存在。由于左转及对向直行方向车道数目不同，其车流交叉方式也不同，造成的冲突程度也不相同。具体交叉方式划分如图 2.3 所示。 方式a 方式b 方式c 方式d 方式e 图 2.3 信号交叉口左转车流交叉方式 （2） 左转车流的交通影响分析 北京理工大学硕士毕业论文 14 左转交通流对交叉口交通的影响主要有以下三个方面： 第一，直行车流交通冲突点增加。在信号控制下平面交叉口避免了直行车流之间的正面冲突，但交叉口处的左转车流增加了交通流之间的交叉冲突点，同时左转车流还会产生合流冲突点和分流冲突点。这些冲突点直接影响了各个相位直行车流行驶的平顺性，使得个方向车流行驶速度降低，交通安全隐患增加，严重影响到信号交叉口的整体运行效能。 第二，非机动车及行人冲突点增加。左转车辆与非机动车和行人间产生交叉冲突点，这些冲突点不仅易引发交通事故，更影响了非机动车和行人的通行能力，影响了交叉口处机动车和行人的通行。 第三，周期内左转车流无法全部驶离。当信号交叉口没有为左转交通流设置单独的相位时，说明直行方向交通量远高于左转方向交通量。在这种情况下，在同一个相位内，左转车辆很难获得穿过直行车流的机会，使得一个信号周期内到达的左转交通流无法全部驶离，阻挡了下一个相位车辆的