（交通运输规划与管理专业论文）考虑城市环境交通容量的交通分配模型研究.pdf

摘要 摘要 传统交通分配模型并没有将交通对环境的影响嵌入到交通流分配方案的产生过程中去，导致部 分路段或交叉口污染物浓度远远超过国家标准，形成城市中污染物浓度严重超标的走廊地带。而在 实际情况中，由于环保意识的提高，尤其是道路两边的居民出行安全、健康等因素的考虑，要求释 放到路段上的污染物总量不能超过某一确定的安全标准；同时还应保证道路两侧污染物浓度尽可能 相等，以使交通网络附近的居民受到相同程度的危害，即所谓的公平性目标。因此，研究考虑城市 环境交通容量的交通分配问题，具有很强的理论价值和重要的实际意义。 本文以国家自然科学基金项目“城市道路交通网络空气污染控制关键问题研究”( n o 5 0 7 7 8 0 4 1 ) 为依托，以考虑城市环境交通容量的交通分配模型为核心，开展研究。 论文首先详细分析了城市环境交通容量的影响因素，在此基础上分别建立了路段环境交通容量 模型、路段环境交通容量与交通结构优化模型和城市宏观环境交通容量模型，并分别进行了实例分 析，探讨了路段环境交通容量与路段( 物理) 容量的协调关系。 论文介绍了交通分配和平衡的概念、用户平衡交通分配模型与算法以及其模型的扩展，在此基 础上，分析了传统平衡交通分配模型的不足，并根据不同的研究层面，对平衡交通分配模型进行了 分类。 论文对路段阻抗函数模型进行了扩展研究。首先分析了路段阻抗函数基本模型的特性及不足； 随后基于排放因子与路段平均车速之间的函数关系，推导出了考虑污染物排放量的路段阻抗函数模 型，并分析了其特性；分析了不同公交车比例考虑污染物排放量的混合交通流路段阻抗函数模型特 性；推导出了考虑污染物排放量的路段阻抗函数边际贡献模型并分析了其特性。 论文分析了考虑城市环境交通容量的交通分配模型建模的要求和对策，在充分考虑车辆的排放 特性的基础上，分别建立了考虑城市环境交通容量的固定需求、弹性需求交通分配模型，并给出了 相应的求解算法。 最后，论文对研究成果进行了总结，并提出了进一步研究的方向。 关键词：城市环境交通容量；交通分配模型；环境因素；路段阻抗函数；污染物排放量 a b s t r a c t a bs t r a c t i h ei n f l u e n c e so fu r b a nt r a n s p o r t a t i o no ne n v i r o n m e n tw e r en o ti n c l u d e di nt h et r a f f i cf l o wp r o d u c t i o n p r o c e s si nt r a d i t i o n a lt r a f f i ca s s i g n m e n tm o d e l i tl e dt os o m eu r b a nr o a d w a yo ri n t e r s e c t i o nn e a r b yw h o s e c o n c e n t r a t i o no fp o l l u t a n t sf a ro v e rt h ea m b i e n ta i rq u a l i t ys t a n d a r d ，a n dt h e nc o r r i d o rs t r i p sw i t hh i 曲 c o n c e n t r a t i o no fp o l l u t a n t sw a sf o r m e d w h i l ei nr e a lw o r l d ，t h et o t a lp o l l u t a n tq u a n t i t ys h o u l dn o te x c e e d ac e r t a i ns a f e t ys t a n d a r d sd u et ot h ei m p r o v i n ga w a r e n e s so fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，p a r t i c u l a r l yt h e t r a v e ls a f e t y h e a t ha n do t h e rf a c t o r sw e r ec o n s i d e r e db yr e s i d e n t sw h i c hl i v e di nb o t hs i d e so fr o a d a t 也e s a m et i m e ，t h ec o n c e n t r a t i o no fp o l l u t a n t ss i d e so fa l lr o a d ss h o u l db ee q u a l ，s ot h a tt h ev i c i n i t yo ft h e r e s i d e n t ss u b j e c t e dt ot h es a m ed e g r e eo f h a r m ，w h i c hw a sc a l l e de q u a lo b j e c t i v e t h i sw o r kr e l i e so nt h e p r o j e c t “k e yp r o b l e m s r e s e a r c h o nu r b a na i rp o l l u t i o nc o n t r o li n t r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k ”( n o 5 0 7 7 8 0 4 1 ) w h i c hi sf o u n d e db yn a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ；r e s e a r c hw a sc a r r i e di nt h ec o r eo ft r a f f i ca s s i g n m e n tm o d e lw i t hu r b a ne n v i r o n m e n t a lt r a f f i c c a p a c i t y ( e t c ) f i r s t l y ，t h ei n f l u e n c ef a c t o r so fu r b a ne t cw e r ed e t a i l e da n a l y z e d ，a n dt h e nt h ee t cm o d e lo fr o a d s e c t i o n t h ee t ca n dt r a 伍cs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o ni nr o a da n dm a c r o s c o p i ce t cm o d e lw e r ed e v e l o p e d s e p a r a t e l y ，a l s oe x a m p l e sw e r ea n a l y z e dt o o t h ec o o r d i n a t i v er e l a t i o n sb e t w e e nr o a d se t ca n dr o a d c a p a c i t yw e r ed i s c u s s e dt o o s e c o n d l y ，t h ec o n c e p to ft r a f f i ca s s i g n m e n ta n de q u i l i b r i u m ，t h eu s e re q u i l i b r i u mt r a f f i ca s s i g n m e n t m o d e la n da l g o r i t h ma n de x p a n d i n gm o d e l sw e r ei n t r o d u c e d ，a n dt h e nt h ed e f i c i e n c i e so ft r a f f i c a s s i g n m e n tm o d e lw e r ea n a l y z e d a n dt h e n ，e q u i l i b r i u mt r a f f i ca s s i g n m e n tm o d e l sw e r ec l a s s i f i e d a c c o r d i n gt od i f f e r e n ts t u d yl e v e l t h i r d l y ，t h ee x t e n d i n gr e s e a r c ho nl i n ki m p e d a n c ef u n c t i o nm o d e lw a sc a r r i e do u t a tf i r s t ，t h e c h a r a c t e r i s t i ca n dd e f i c i e n c i e so fl i n ki m p e d a n c ef u n c t i o nm o d e lw a sa n a l y z e d ；a n dt h e nt h el i n k i m p e d a n c ef u n c t i o nm o d e l sw i t hc o n s i d e r i n gt h ee m i s s i o nq u a n t i t yw e r ed e r i v e df r o mt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ne m i s s i o nf a c t o r sa n da v e r a g es p e e di nr o a d s i t sc h a r a c t e r i s t i c sw e r e a n a l y z e dt o o 1 1 1 e c h a r a c t e r i s t i co fl i n ki m p e d a n c ef u n c t i o nm o d e lo fm i x e dt r a f f i cf l o ww i t hv a r i o u sr a t i oo fb u sw e r e a n a l y z e d a tl a s t ，t h el i n ki m p e d a n c em a r g i n a lc o n t r i b u t i o n f u n c t i o nm o d e l sw e r ed e r i v e da n di t s c h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e dt o o f o u r t h l y ，t h em o d e l i n gr e q u i r e m e n t sa n dc o u n t e r m e a s u r e so ft r a f f i ca s s i g n m e n tm o d e lw i t hu r b a ne t c w e r ea n a l y z e d t h et r a f f i ca s s i g n m e n tm o d e l sw i t hu r b a ne t cu n d e rf i x e dd e m a n da n de l a s t i c i t yd e m a n d w e r ed e v e l o p e ds e p a r a t e l y ，w h i c hf u l l yc o n s i d e r e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fv e h i c u l a re m i s s i o n s ，a n di t s s o l u t i o na l g o r i t h m sw e r ed e s i g n e dt o o f i n a l l y ，s u m m a r yw a sm a d ea n dr e s e a r c hi nf u t u r ea l s ow a sp r o p o s e d k e yw o r d s ：u r b a ne n v i r o n m e n t a lt r a f f i cc a p a c i t y ；t r a f f i ca s s i g n m e n tm o d e l ；e n v i r o n m e n t a lf a c t o r ；l i n k i m p e d a n c ef u n c t i o n ；p o l l u t a n t se m i s s i o nq u a n t i t y ； i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签钰婆盈日肌逆享：! ：! 兰 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 研究生签名：妞聊签扭二日期：2 掣：u 王 第一章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 随着我国政治、经济、文化等方面的发展，城市面貌日新月异，城市道路交通系统的基础设施 建设日趋完善。但是，随着城市机动车保有量的迅速增长，城市道路交通所引起的环境污染，如机 动车尾气已经成为城市环境污染的主要来源。 城市道路交通系统产生的大气污染物包括一氧化碳( c o ) 、氮氧化物( n o 。) 、碳氢化物( h c ) 、 挥发性有机化合物( v o c ) 、碳烟颗粒物( p m i o ) 、硫化物和二氧化碳( c 0 2 ) ，及其它有害物质( 如 铅、氟氯化烃排放物的二次衍生物一光化学烟雾等) 。除了各有2 0 的碳氢化合物分别从化油器式发 动机的供油系统和曲轴箱排出外，其余的均从发动机排气管排出【l 】。其中，c o 、n o 。、h c 为主要 的大气污染物。 一氧化碳( c o ) 是一种无色、无味的有毒气体。它经人呼吸进入肺部，被血液吸收后，能很快与 人血液中的血红蛋白结合形成碳氧血红蛋白( h b c o ) ，使血色素丧失输氧能力，使人体因缺氧而出现 各种中毒症状，如头痛、头晕，严重时甚至死亡：因此，容许限度规定为8 h 内1 0 0 m g l 。当一氧化 碳( c 0 ) 质量浓度达到1 0 x1 0 6m g l 时，人开始慢性中毒；一氧化碳( c 0 ) 质量浓度达到1 0 0 x1 0 每m g l 时，人立即头痛、恶心l z j 。 氮氧化物( n o 。) 主要是一氧化氮( n 0 ) 和二氧化氮( n 0 2 ) 。一氧化氮的毒性不大，但是高浓度的n o 能引起中枢神经障碍，且很容易氧化成剧毒的二氧化氮。二氧化氮是一种毒性很强的棕色气体，对 人体的眼睛、口腔、呼吸道和肺容易造成伤害，使人咳嗽、流鼻涕【3 】。 碳氢化合物( h c ) 的大部分对人体健康的直接影响并不明显。汽车排出的h c 已经分析出2 0 0 多 种，其中包括3 4 b ( a ) p 等9 种致癌物质。h c 会导致骨髓功能逐渐减弱，刺激眼鼻，影响眼鼻功能。 2 0 世纪8 0 年代初，世界卫生组织在“关于自然环境恶化的令人不安的总结”一文中曾指出，汽 车交通已经成为大气污染的罪魁祸首。据统计，在一些发达国家中，汽车排放已经占大气总污染的 3 0 - - - 6 0 【4 】。据美国1 1 个城市区域的调查，大气中6 7 以上的c o 、9 2 以上的碳氢化合物是汽 车排放【5 】。世界上约1 5 的温室效应气体( c 0 2 ) 是由机动车排放的，机动车排放的c o 、n o 。分别 占到了9 0 和5 0 【6 j 。 我国正处于经济的高速增长时期，城镇化的步伐越来越快，城市机动车的保有量( 以1 5 2 0 的速度增长) 和道路交通量增长迅猛，交通环境污染( 尾气和噪声) 已成为大、中城市主要的污染 源，许多大中城市的大气污染正经历着由煤烟型向机动车尾气型的转化。城市机动车排放污染对空 气质量的影响将越来越突出，如果不能有效控制机动车污染，到2 0 1 0 年，我国6 6 1 个城市中将有 4 0 0 个城市的环境空气污染会从煤烟型转化为机动车污染型【7 j 。 据2 0 0 3 年统计，北京、上海、广州等大城市机动车排放的一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 已占城市大气污染物排放总量的8 0 ，深圳市机动车排放的c o 、h c 、氮氧化物( n o 。) 分别占城 市大气污染物排放总量的9 4 5 、7 0 6 、6 4 9 。近十年来n o 。浓度逐年上升，已成为广州和北京 等少数特大城市的首要污染物。根据环保总局预测，2 0 0 5 年我国机动车排放污染物在城市大气污染 东南大学硕士论文 物中所占的平均比例达到7 9 左右【8 l 。 随着人民生活水平的提高和大城市机动车尾气污染问题日趋严重。人们对机动车污染问题反应 开始日益强烈。特别是城市道路附近的c o 、n o 。、h c 污染也日益严重，一些城市的0 3 等二次污 染物浓度的超标频率不断提高，超标持续时间不断增加，形成城市中污染物浓度严重超标的走廊地 带。据北京市的统计，7 0 以上的街道两侧的c o 和n o 。浓度常年超过国家标准，甚至在二环、三 环等平均车速较高的路段上，n o 。浓度也常年超标。南京市环境监测中心站监测表明，南京市交通 干线两侧受机动车排气污染影响严重，空气质量明显劣于南京市总体空气质量，临街商用楼( 一楼) 监测点的空气污染物浓度也明显高于市总体空气污染物浓度。特别是在城市主干道附近，氮氧化合 物浓度日平均值比环境空气质量标准二级日均值标准高1 6 4 倍p j 。 我国集中型的城市形态和相对较小的环境容量是交通供给的制约因素，宏观层次上的交通网络 容量分析是建立在交通网络时空资源消耗及废气总量控制的基础之上。在路网规划方案的评价中， 仅从环境方面进行评价，是不能解决城市道路两侧和交叉口附近污染物浓度超标的问题。预防与控 制城市道路交通空气污染，是城市发展中迫切需要解决的问题。 基于上述背景，本论文立题考虑城市环境交通容量的交通分配模型研究，并依托于国家自 然科学基金项目“城市道路交通网络空气污染控制关键问题研究”，对城市环境交通容量及交通分配 等问题进行研究，考虑如何将交通对环境的影响因素引入交通分配方案的产生过程中去。 1 2 研究意义 目前在城市道路交通中，降低机动车尾气污染的主要方法是限制每辆车的废气排放量，即采用 政策或者法规的形式限制机动车尾气排放水平，如国外的欧i i i ，欧i v 排放标准，中国轻型汽车i 、 号排放标准等等。由于这些法规多数只是调节每辆车的废物排放水平，而没有限制每辆车每天或 每月出行的总时间或排放总量，然而由于不同类型的车辆，例如出租车和私家车，每天出行的时间 差别很大，因此上述措施不能有效地调节和控制出行车辆的尾气排放总量，更不能解决城市道路附 近污染物浓度超标的问题。 随着智能道路车辆系统i v h s ( i n t e l l i g e n tv e h i c l eh i g h w a ys y s t e m ) 及智能交通系统i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 的应用，道路拥挤状况有一定的改善，车辆行驶速度有了较大的 提高，但是无论采用何种先进的技术，城市道路上大量的机动车都会给城市带来严重的污染( 如空 气污染和噪声污染) ，制约社会经济的快速发展和人民生活质量的进一步提高。 传统的交通分配模型主要着眼于出行时间( 系统性能) 方面，通过优化单一的目标( 如总的出 行时间) ，得到交通流分配结果，然后提出改善路网的措施或方案，再从该方案对环境的影响、费 用等方面进行评价，并没有将交通对环境的影响嵌入到可选方案的产生过程中去，由于模型并没有 考虑环境交通容量限制的约束，从而导致部分路段或交叉口污染物浓度远远超过国家标准，形成城 市中污染物浓度严重超标的走廊地带。而在实际情况中，由于环保意识的提高，尤其是道路两边的 居民出行安全、健康等因素的考虑，要求释放到路段上的污染物总量不能超过某一确定的安全标准。 同时还应保证交通网络中道路两侧污染物浓度尽可能相等，以使交通网络附近的居民受到相同程度 的危害，即所谓的公平性目标( e q u i t yo b j e c t i v e ) 。而以出行时间为基础的传统交通分配模型，不能直 接实现上述目标。 2 第一章绪论 事实上，交通对环境的影响不但是可选方案的主要评价指标，更重要的，它也是城市交通供给 的主要内容。城市大气环境与城市道路交通系统一样，也是城市整体环境的构成要素之一。实现并 保持良好的空气质量是当今城市面临的紧迫挑战之一，良好的城市大气环境不仅有益于人的身心健 康，而且有利于创造和谐的生态环境，保持生态平衡和生物多样性，进而提高城市的整体质量和竞 争力，改善投资环境。目前，提高城市大气环境质量已成为世界上许多大城市努力争取实现的一个 发展目标。路网改善措施或规划方案不能仪注重交通系统的时间( 系统性能) 的提高，也需考虑环 境的承受能力。将城市环境交通容量因素纳入到交通分配模型中，通过分配交通流后，产生的路网 改善措施或方案，不仅能够解决城市交通畅通问题，同时也能达到治理道路交通环境污染问题，还 能实现公平性目标。在智能交通条件下，同时考虑交通的顺畅和环境因素，是智能交通发展的新的 趋势。因此，研究考虑城市环境交通容量的交通分配问题，具有很强的理论价值和重要的实际意义。 1 3 国内外研究概况 本论文将对考虑城市环境交通容量的交通分配问题进行研究，涉及到城市环境交通容量分析、 考虑环境因素的路阻函数、交通分配模型及算法等相关理论研究。下面对这几方面的现有成果作简 要介绍。 1 3 1 城市环境交通容量分析 城市环境交通容量是指某城市一定区域内，在一定的道路、交通状况、环境质量标准下所能容 纳的最大机动车数量。不同城市与其所处的自然条件、人文经济、环境质量标准、社会活动、机动 车所用燃料、机动车尾气排放控制的条件、方法及对城市环境污染的贡献率等不同，因而其城市环 境交通容量的大小、因素指标的选取和采用的计算方法也不同【l0 1 。环境交通容量按其研究范围的大 小和内容，可分为微观环境交通容量和宏观环境交通容量。 微观环境交通容量方面：s i rc o l i nb u c h a n a n 1 l 】( 1 9 6 3 ) 首次提出了环境交通容量的概念，并建立 了量化模型。随后很多学者从不同角度对微观环境交通容量进行了研究，如o l g i l b e r t i l 列( 1 9 7 0 ) 从 车速、车型、交通组成等方面对环境交通容量进行了研究。k n u ts e l b e r g t 1 ( 1 9 9 6 ) 探讨了不同道路 断面形式、道路所处区域等方面分别讨论其对环境交通容量的影响。王振报【1 4 ，l 别( 2 0 0 5 ) 建立了路段 环境交通容量计算模型，该模型考虑了机动车尾气的扩散、机动车污染物分担率、排放因子等因素 对环境交通容量的影响，但是没有考虑交通组成，且认为排放因子为常数，忽略了速度对排放因子 的影响。建立的路段环境交通容量模型比较粗糙，模型的影响因素考虑不够全面，模型结果准确性 有待验证。 宏观环境交通容量方面：s h i r a n 1 6 l ( 1 9 9 7 ) 认为排放因子和污染扩散模型是污染物浓度的决定因 素，并提出了宏观环境交通容量的定义：在给定区域内，不致使环境系统恶化条件下，道路交通网 络单位时间内所能容纳的交通活动强度。刘志硕 1 1 刀( 2 0 0 2 ) 考虑了交通污染的扩散和自净等因素，给 出了环境交通容量随时间变化的动态变化表达式。程继夏建立了宏观环境交通容量模型【l 们( 2 0 0 4 ) ， 对城市环境交通容量和机动车保有量之间的关系进行了研究【1 8 1 ( 2 0 0 4 ) ，探讨了交通容量中的环境因 素【1 9 ( 2 0 0 6 ) 。伏晴艳【2 0 1 ( 2 0 0 4 ) 以n o ，为污染因子，利用m o b i l e 模式确定机动车排放因子，并用 东南大学硕士论文 a d m s u r b a n 模型作为环境容量计算的核心模型模拟固定排放源和移动排放源的排放，求得移动排 放源的分担率，并与规划年的机动车排放量进行对比，验算机动车排放是否超过环境容许排放量。 林锦山( 2 0 0 8 ) 对城市环境交通容量分析方法进行了研究。总体而言，对于宏观环境交通容量的研 究较为成熟，已经形成了较为完善的理论分析方法。 与宏观环境交通容量的广泛性和深入性相比，目前对微观环境交通容量定量分析模型仍不够完 善，尤其缺乏混合交通流状况下的微观环境交通容量的定量分析模型的研究。 1 3 2 考虑环境因素的路段阻抗函数模型 路阻函数是各种交通分配的基础模型，决定着交通分配过程中路径的选择，同时由路阻函数推 导得出的出行速度是道路功能匹配程度分析的依据之一。国内外对于路阻函数的研究已经有很长的 历史了，主要集中于基于时间考虑的路阻函数模型研究。国外有代表性的模型主要有b p r 模型、改 进的b p r 模型- - d a v i d s o n 模型和英国t r r l 模型掣2 2 】。国内的研究主要针对于我国城市道路特点而 进行的，杨佩昆( 1 9 9 4 ) 研究了各路幅形式道路的路段行程时间函数模型；陈学武 2 3 1 ( 2 0 0 0 ) 删 数据进行线性回归，得到了不同交通管制条件下的路段行程速度与各影响因素间的关系模型：袁振 洲( 2 0 0 0 ) 通过路段上非拥挤段的长度与车辆实际的平均行驶速度之比，得到行程时间函数模型； 尹红亮( 2 0 0 2 ) 结合道路断面形式与交通管理方式，利用实测数据得到了各种道路类型管理下的路 阻函数模型：杨文国( 2 0 0 3 ) 提出了广义环境费用函数的概念，认为交通分配的路径选择过程中， 不仅应考虑行驶时间因素，还需考虑车辆尾气污染环境因素；郭中华 2 玎1 1 2 0 0 5 ) ：研究了典型道路交通 条件下路段交通流模型，并分析了交通组成对交通流的影响：葛兴【2 剐( 2 0 0 6 ) 利用排队论、车辆跟驰 理论等，分别对公交影响路段、非机动车影响路段的延误和行程时问进行理论推导。 与基于时间考虑的路阻函数模型相比，考虑环境因素的路阻函数探讨较少。从传统的基于时间或 费用的交通阻抗函数形式入手，考虑如何引入环境因素( 机动车排放因子、污染物排放量等) ，从而得到 考虑环境因素的交通阻抗函数模型还有待进一步探讨。 1 3 3 交通分配模型及算法 交通分配模型及算法具有重要的理论和实践价值，早在上世纪5 0 年代就成为了交通领域的研究 热点，对其的研究与应用都已取得了相当成熟的成果。 w a r d r o p 【2 9 1 ( 1 9 5 2 ) 提出了两个著名的路径选择行为准则，即w a r d r o p 第一原理和w a r d r o p 第二原 理，随后推出了用户平衡( u s e re q u i l i b r i u m ，简称u e ) 和系统最优( s y s t e mo p t i m u m ，简称s 0 ) 的概 念，标志着交通网络平衡概念从描述转为严格刻画；b e c k m a n i l 【3 0 】等( 1 9 5 6 ) 提出了用于刻画u e 原理 的一种数学规划模型，从而使得基于严格数学理论的平衡分析成为可能；l e b l a n c 3 1j 等( 1 9 7 5 ) 将 f r a n k w o l f 算法用于求解这个基本模型获得成功，从而形成了现在广泛使用的解法。这3 点突破是 交通网络平衡问题研究的重大进步，也是交通分配问题的基础。 以b e c k m a r m 模型为基本形式，根据不同的研究层面，交通分配模型可分为：根据出行者对 路段阻抗估计值精确度假设不同，可分为确定性平衡交通分配模型和随机性平衡交通分配模型p 2 j ； 根据对需求函数的假设不同，可分为固定需求交通平衡分配模型和弹性需求交通平衡分配模型； 4 第一章绪论 根据交通流时变特性不同，可分为静态交通分配模型和动态交通分配模型【3 3 】：根据出行准则的 偏好不同，可分为单用户单准则交通分配模型和多用户多准则交通分配模型 3 4 】等等。针对于不同的 交通分配模型，分别开发了相应的求解算法，如求解固定平衡分配模型的启发式算法( 全有全无分 配法、容量限制分配法、增量加载分配法、逐次平均分配法等等) 【35 】；求解弹性平衡交通分配模型 的下降方向法；求解随机用户平衡模型( s t o c h a s t i cu s e re q u i l i b r i u m ，简称s u e ) 的连续平均法( m e t h o d o f s u c c e s s i v ea v e r a g e ，简称m s a ) ，其核心是求解l o g i t 随机网络加载模型的s t o c h 算法 3 2 】；求 解具有路段通行能力约束的动态用户最优( d y i l a i l l i cu s e ro p t i m u m ，简称d u o ) 的修正投影算法【3 3 】 等等。 总的来说，对交通分配模型的研究很多，但都有一个共同的特点，大部分模型都集中于优化交 通网络的出行时间这一目标，而忽略了交通尾气污染这一因素。近年来。有些学者开始在交通分配 模型考虑环境因素，如g w o h s h i u n gt z e n g 3 6 ( 1 9 9 3 ) 牲j 多目标交通分配模型，以出行时间、污染 物排放量和出行路径长度为优化目标，并提出了相应的算法；l r r i l e t t 【3 刀( 1 9 9 4 ) 对单独基于出行 时间和单独基于一氧化碳排放量的u e 配流问题和s o 配流问题进行了研究，其机动车污染物排放 因子采用t r a n s y t7 - f 中给出的排放因子与平均车速关系模型；h a iy a n g 3 引( 1 9 9 7 ) 建立了以路段 环境交通容量约束的交通分配模型；c m b e n e d e k 3 9 1 ( 1 9 9 8 ) 基于t r a n s y t7 - f 中的排放因子与平 均车速关系模型，推导出了广义环境费用函数，- j f ：建立了考虑环境公平性目标的交通分配模型；杨 文国【2 卅( 2 0 0 3 ) 建立了考虑环境因素的广义用户平衡( g u e ) 模型和广义系统平衡( g s o ) 模型；杨文国 m 1 ( 2 0 0 3 ) l 塞立t 部分路段c o 排放量限制的u e 模型，并设计了求解算法。 总的说来，基于环境因素的交通分配模型是以机动车的排放模型为基础的，目前建立的各种模 型都是采用t r a n s y t7 - f 模型计算排放因子，不适合中国的机非混合的交通现状。因此，对于考 虑环境因素的交通分配模型还有待进一步探讨。 1 4 研究目标、内容及技术路线 1 4 1 研究目标 本论文重点考察的是环境交通容量模型、考虑环境因素的路阻函数模型与考虑城市环境交通容 量的交通分配模型和算法，试图在已有比较成熟的静态交通分配模型和算法的基础上，将交通对环 境的影响因素嵌入交通分配模型中，建立考虑环境交通容量的交通分配模型，研究与之对应的交通 分配算法，并对路阻函数的概念进行扩展。 1 4 2 研究内容 ( 1 ) 城市环境交通容量分析 分析城市环境交通容量的影响因素；依据环境空气质量标准、城市道路机动车尾气扩散模式和 单车排放因子重点研究适合于我国混合交通特点的微观环境交通容量模型，并深入探讨路段环境交 通容量与交通结构优化之间的关系：基于路段环境交通容量模型，研究宏观城市环境交通容量计算 方法；研究路段环境交通容量与路段交通( 物理) 容量的协调问题。 5 东南大学硕士论文 ( 2 ) 考虑环境因素的路阻函数研究 根据机动车排放因子与车速之问的函数关系，重点研究如何在传统路阻函数模型中引入环境因 素( 机动车排放因子、污染物排放量等) ，推导出分车型考虑环境因素的路阻函数模型，并详细分析 模型特性；探讨混合交通流条件下，考虑环境因素的路段阻抗函数模型及特性；进一步建立分车型 考虑环境因素的阻抗函数边际贡献，并分析模型特性。 ( 3 ) 考虑城市环境交通容量的固定需求平衡配流模型及算法 考虑城市环境交通容量的固定需求平衡配流模型，增加了交通对环境的影响因素，出行路径选 择准则发生了改变，且由于不同车辆的污染物排放因子不同，即对环境的影响程度不同，本论文研 究的模型是个多模式的交通分配模型。因此需对基于出行时间的平衡模型进行改进和设计求解算 法。 ( 4 ) 考虑城市环境交通容量的弹性需求平衡配流模型及算法 考虑城市环境交通容量的弹性需求平衡配流模型，也为多模式交通分配模型，且由于交通需求 可变，因此同样需对基于出行时间的平衡模型进行改进和设计求解算法。 对于城市道路交通网络来说，道路的主要承载对象是车辆，交通分配中的出行分布量一般是指 机动车，一般交通分配模型均以当量小汽车为单位( 4 l 】。交通预测的第一步是预测交通产生量和吸引 量，这个预测值一般是以“人”为单位，经过方式划分，将以人为单位的出行量转化成以车为单位的 出行量。由于公共汽车是按固定路线行驶的，不能自由选择行驶路径，故交通分配不包括这部分车 辆，交通分配的对象只是走行线路不固定的机动车。因此本论文不考虑公共汽车的交通分配问题。 1 4 3 研究技术路线 本论文研究技术路线如下图1 1 所示： 6 第一章绪论 图1 1 研究技术路线 7 东南大学硕士论文 第2 章城市环境交通容量分析 本论文的核心内容是建立考虑城市环境交通容量的交通分配模型，首先必须了解城市环境交通 容量的概念及其影响因素，确定城市环境交通容量计算模型。本章介绍了环境交通容量的概念及其 影响因素，建立了微观、宏观城市环境交通容量模型。 2 1 环境交通容量概念的提出 城市环境交通容量是指城市一定区域内，在一定的道路、交通状况、环境质量标准下单位时间 内所能容纳的最大机动车数量，是控制城市交通发展规划和基础设施规划的依据【l o 】。城市环境交通 容量的大小、影响因素指标的选取和计算方法与城市所处的自然条件、环境空气质量标准、机动车 所用燃料、机动车尾气排放的控制条件、方法及交通尾气对城市环境空气污染的贡献率等因素有关。 环境交通容量有宏观和微观之分，微观层面上的环境交通容量指某一具体路段或交叉口在一定 的道路、交通和环境质量标准下，单位时间内所能够通过的最大机动车数量。宏观层面上的环境交 通容量针对整个路网或城市，是指城市在满足一定的环境空气质量标准条件下对城市交通系统的发 展规模提出的约束【1 5 】。 城市环境交通容量概念的提出深化了人们对交通发展和环境之间关系的认识，并能有效地控制 机动车对城市大气污染，为城市交通与环境的协调发展提供理论依据，也体现了可持续发展观在交 通发展上的贯彻实现，并可以作为系统瓶颈控制城市交通发展规模，促进城市交通供需平衡，确定 城市环境交通污染整治方向。城市环境交通容量为交通管理部门从环境角度发展、控制机动车数量 提供了依据，为城市长远规划与可持续发展提供可靠数据保证。 2 2 环境交通容量的影响因素 不同城市与其所处的自然条件、人文经济、环境质量标准、社会活动、机动车所用燃料、机动 车尾气排放的控制条件、方法及对城市环境污染的贡献率等不同，因而，城市环境交通容量的大小、 因素指标的选取和计算方法的采用也就不同。因此，环境交通容量的主要影响因素概括起来有如下 几个方面： 2 2 1 环境目标 环境目标，即环境空气质量标准，是为了改善环境空气质量，防止生态破坏，创造清洁适宜的 环境，保护人体健康，而对环境空气中各种有害物质所作的限制性规定，它往往是对环境空气中各 项污染物的最高允许含量的要求。 机动车排放的污染物主要有c o 、n o 。、h c ，且排放量大，对人类危害大，受到最为广泛的关 注。我国于1 9 9 6 年颁布了环境空气质量标准( g b 3 0 9 5 1 9 9 6 ) ，将环境空气质量标准分为三级， 并规定了各级环境空气质量中各项污染物不允许超过的浓度限值。国家环保总局发布的环发 【2 0 0 0 1 号文件，对g b 3 0 9 5 1 9 9 6 进行了修改，取消了n o 。指标，并对n 0 2 的二级浓度标准和臭 氧的浓度标准进行了修改，下表主要列出了c o 浓度标准和修改后的n 0 2 浓度标准。 r 第二章城市环境交通容量分析 表2 1 环境空气质量标准( 环发 2 0 0 0 1 号修改) 规定的c o 和n 0 2 浓度标准 环境空气质量功能区分为三类：( 1 ) 一类区为自然保护区、风景名胜区和其它需要特殊保护的地 区；( 2 ) 二类区为城镇规划中确定的居住区、商业交通居民混合区、文化区、一般工业区和农村地区： ( 3 ) 三类区为特定工业区。 一类地区执行一级环境空气质量标准；二类地区执行二级环境空气质量标准；三类地区执行三 级环境空气质量标准。 很显然，对环境质量要求越高的地区，环境目标越高，则允许排放的污染物总量就越少，环境 交通容量也越小。 2 2 2 机动车污染物分担率 城市环境空气中污染物总排放量包括城市流动源( 城市交通系统产生的污染物) 和固定源( 工 业、民用以及其它天然排放源) 在内的所有污染源的排放。城市大气环境中某种污染物可能来自不 同的污染源，为了确定不同污染源对大气污染的“贡献”，引入了污染物分担率的概念，而机动车污 染物分担率就是确定机动车排放的某种污染物在城市大气此种污染物中的贡献大小。城市机动车污 染物排放分担率可分为污染物排放总量分担率和污染物浓度分担率两种。 机动车污染物排放总量分担率是研究区域内机动车尾气排放总量占城市大气污染物总量的比例 4 2 】，是衡量机动车尾气对城市大气污染贡献大小的一个重要指标，其值越大，表明该城市机动车尾 气污染越严重。下表列出了部分城市机动车排放污染物总量分担率 4 3 】。 表2 2 部分城市的机动车排放污染物总量分担率 机动车污染物浓度分担率是在一定的研究区域内各种空气污染物浓度中，来自于机动车尾气排 放的比例，是衡量研究区域内的污染物浓度受机动车尾气排放的影响水平，其值越大，表明研究区 域受机动车尾气的影响越大。 由于不同污染源的排放高度不同，扩散特性也有差别，因此，同一地点的排放分担率与浓度分 担率可能相近，也可能不同。如1 9 9 5 年北京市市区大气环境中，机动车排放c o 、n o 。的年总量分 担率分别为7 6 8 和4 0 ，各区域机动车污染物c o 和n o 。年均浓度及其污染浓度分担率m 】如下表。 9 东南大学硕士论文 表2 3 北京市分区域c o 和n o 。的年均浓度及机动车污染浓度分担率 2 2 3 机动车尾气扩散模式 在可持续发展的目标下，判断现在和未来的道路交通产生的尾气污染浓度超标情况的关键是机 动车污染物排放量计算和机动车尾气扩散模式的选取，而机动车尾气扩散模式除了与气象条件( 气 温、风速、风向等) 有关，还与道路周边的环境有关，如街道两侧建筑物的高度与街道宽度的比值， 街道两侧建筑物的密度等因素有关。 气温的垂直分布决定大气层结状态，当气温上高下低，层结稳定，湍流扩散运动较弱，因此， 气温的时空分布影响着大气污染物的堆积和扩散程度【4 5 】；同时气温还影响机动车的废气h c ，c o ， n o 。排放水平，日间h c 蒸发，启动h c 蒸发，运行损失等。风速越大，气体对污染物的作用力越 大，越有利于污染物的扩散，在城市宽阔街道中机动车尾气污染物浓度与街道实测风速变化趋势基 本上呈反比关系【4 5 】；而对于峡谷型街道，风速很大时，街道内峡谷效应非常明显，污染物扩散的速 率和风速的增加并不是完全的正比关系【4 6 1 。风向对街道内大气污染物扩散有很重要的作用，街道两 旁建筑物顶部的不同风向的屋顶风在街道内将产生不同的气流流场，一般来说，在街道峡谷内背风 面污染物浓度一般比迎风面高，且当风向与街道走向平行时，街道的尾部污染物浓度很高【47 1 。而道 路周边环境直接影响机动车尾气扩散模式的选取。 机动车尾气污染物扩散模式可分为线源扩散模式和街道峡谷模式。线源扩散模式不考虑污染物 所在街道的流场，仅考虑一定的风速、风向等因素，把整个道路作为污染源，可用于计算城区开阔 型街道或郊区及高速公路的交通排污在道路沿线的污染物浓度分布【48 1 ，如美国加利福尼亚州交通部 开发的c a l i n e 4 ( c a l i f o r n i al i n es o u r c ed i s p e r s i o nm o d e l - 4 ) 模式。街道峡谷模式则考虑街道峡谷 内的空气流动对污染物的传输和扩散的影响，考虑排放源、气象条件和环境因素的影响，主要用于 计算市区内已形成街道峡谷的繁忙交通线路上部空间内部及上空的交通污染物的浓度分布、扩散及 消散过程【4 9 1 ，如丹麦环境研究所开发的o s p m ( t h ed a n i s ho p