（载运工具运用工程专业论文）基于安全与节能减排的公路隧道车速管理研究.pdf

摘要 摘要 随着我国公路交通事业飞速发展，公路建设己成为拉动国民经济增长的支柱 产业。公路建设的快速发展促进公路隧道突飞猛进的发展。隧道因能缩短行车里 程，提高线形标准、保障运营安全、保护生态环境等优点得到普遍应用，并且越 修越长，规模也越来越大。在公路隧道的运营管理过程中，安全、环保、节能、 高效是管理追求的目标。行车速度是公路隧道安全与节能减排的控制条件，研究 公路隧道的行车速度对解决公路隧道的安全与节能减排问题很具有实际应用价 值。 论文主要对公路隧道的行车速度进行研究，探讨公路隧道行车速度在安全与 节能减排两个约束下取得最优值。本论文依托重庆交科院交通工程所承担的西部 交通建设科技项目高速公路隧道( 群) 安全与节能综合技术研究的子课题的 部分内容。论文采用理论分析与仿真验证相结合的方法，分别对公路隧道行车速 度与安全、行车速度与节能减排的关系进行分析，通过模型计算得到计算车速。 应用s y n c h r os i m t r a f f i c 交通仿真软件进行仿真验证，对工程实际行车速度提出建 议。 论文建立的安全与节能减排的车速控制模型，考虑了安全成本系数与节能减 排系数，将对公路隧道安全与节能减排的车速管理提供新的思路和参考。车速的 研究，对公路隧道的安全、节能减排管理措施的研究指明方向。 关键词：行车速度；公路隧道；交通安全；节能减排 a b s t ra c t a b s t r a c t w i t hc h i n a sr a p i dd e v e l o p m e n to fr o a dt r a n s p o r t a t i o n , t h eh i g h w a yc l a s s i f i c a t i o n e n h a n c e du n c e a s i n g l y , t h em i l e a g eo fr o a di nu s ec l i m b e db yy e a r s ，w h i c hp u l l i n g h i g h w a yc o n s t r u c t i o nb e c o m et h ep i l l a ri n d u s t r y i nn a t i o n a le c o n o m i cg r o w t h t h e t u n n e lo b t a i n st h eu n i v e r s a la p p l i c a t i o n ，b e c a u s ei tc a nr e d u c ej o u r n e ym i l e a g e , i m p r o v e l i n e a rs t a n d a r d s ，s a f e g u a r do p e r a t i o ns e c u r i t y , p r o t e c te c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，a n ds oo n t h ec o n s t r u c t i o ni sb e c o m i n gl o n g e ra n dl o n g e r , t h es c a l ei sa l s og e t t i n gb i g g e r i nt h e h i g h w a yt u n n e lo p e r a t i n gm a n a g e m e n t ,s e c u r i t y , e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ,e n e r g y s a v i n ga n de f f i c i e n tm a n a g e m e n ti sp u r s u i n g t h es p e e di se o n t r o l i n gc o n d i t i o n s o f t r a f f i cs a f e t y & e n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n ，s t u d y i n go nt r a f f i cs p e e di st h e i s s u eo fp r a c t i c a la p p l i c a t i o nt os o l v ep r o b l e mo ft r a f f i cs a f e t ya n de n e r g ys a v i n ga n d e m i s s i o nr e d u c t i o n t h i sp a p e ri ss t u d y i n go nt h et u n n e ls p e e e d ，e x p l o r i n go nt h eo b t a i n i n gt h eb e s t r o a dt u n n e ls p e e dv a l u eb yt h et r a f f i cs a f e t ya n de n e r g ys a v i n g &e m i s s i o n r e d u c t i o n t h i sp a p e ri st h es u b t o p i co ft h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c t so f w e s t e r n c o n s t r u c t i o nw h i c hi sn a m e da s t h ec r o s s h e a do fc o m p r e h e n s i v et e c h n o l o g i c a l r e s e a r c ho ns a f e t ya n de n e r g ys a v i n go fe x p r e s s w a yt u n n e l ( g r o u p ) i nt h e h u r o n g x i s c i e n t i f i cr e s e a r c h p r o j e c t a s s u m e d b yc h o n g q i n g c o m m u n i c a t i o n sr e s e a r c h & d e s i g ni n s t i t u t e t h i sp a p e ru s e st h e t h e o r e t i c a la n l a y s i sa n ds i m u l a t i o nm e t h o d s ，a n a l y z e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s p e e da n ds a f e t y , t h es p e e da n de n e r g ys a v i n g & e m i s s i o nr e d u c t i o n , e s t a b l i s h e dt h e s p e e dc o n t r o l i n gm o d e lb ys a f e t ya n de n e r g ys a v i n g e m i s s i o nr e d u c t i o nf o rr o a d t u n n e l t h r o u g ht h em o d e lw ec a ng e tas a f e t ys p e e d i ti ss i m u l a t e db yt h es y n c h r o s i m t r a f f i cs o f t w a r e t h ee s t a b l i s h e ds p e e dm o d e lc o d s i d e r ss a f e t yc o s tf a c t o ra n de n e r g ys a v i n g & e m i s s i o nr e d u c t i o nc o s tf a c t o r ，i tw i l lp r o v i d ei l e wi d e a sa n dr e f e r e n c ef o rs p e e d m a n a g e m e n to fs a f e t ya n de n e r g ys a v i n g & e m i s s i o nr e d u c t i o n t h es a f e t ys p e e di s r a i s e d w i l lg i v et h ed i r e c t i o no fs t u d yo nt h et u n n e ls a f e t ya n de n e r g ys a v i n g & e m i s s i o nr e d u c l ：i o nm a n a g e m e n tm e a s u r e s k e yw o r d s ：s p e e d ；h i g h w a yt u n n e l ；t r a f f i cs a f e t y ；e n e r g ys a v i n g & e m i s s i o n r e d u c t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：j 钇1 翌 日期：d 8 年陀月巧日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：1 钇j 冕 日期：昭年i 】月l r 日 指导教师签名： 日期：滞i 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列 数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定 享受相关权益。 学位论文作者签名：1 钇j 更 日期：口6 年i2 月1 5 日 指导教师签名： 日期：带l 月l 弘 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源 本课题是由重庆交通科研设计院承担的西部交通建设科技项目：高速公路隧 道( 群) 安全与节能综合技术研究子题二的内容。针对依托工程公路隧道的具 体情况，对隧道行车速度、行车安全、节能减排进行了深入研究。 本学位论文主要是关于隧道安全与节能的车速管理的研究。 1 2 问题的提出 随着我国公路建设的快速发展，公路隧道的建设也突飞猛进。隧道建设的规 模越来越大，其技术的需求层次也越来越高。隧道运营过程中的节能降耗以及车 辆排放造成的环境污染受到政府和社会各界越来越多的关注。由于隧道安全事故 造成大量人员伤亡和巨大经济损失，公路隧道的安全问题与节能减排问题已经成 为当今我国公路隧道运营管理中的主要问题。隧道车速是隧道的节能减排以及安 全控制性因素，因此对隧道车速进行研究是必要的。 1 3 研究的背景 1 3 1 公路隧道建设迅猛发展的时代背景 我国高速公路建设发展迅速，公路隧道建设也取得了显著成绩。截至2 0 0 6 年 底，我国已建成通车隧道达3 7 8 8 处，计1 8 4 1 8 万延米，其中特长隧道4 9 处，计 1 9 1 8 万延米。其它隧道情况分别为：长隧道4 4 4 处，计7 2 3 2 万延米，中隧道5 7 7 处，计4 0 9 4 万延米，短隧道2 7 1 8 处，计5 1 7 5 万延米。最长的秦岭终南山公路 隧道长1 8 0 2 公里。隧道工程的建设数据表明，我国公路隧道建设已经进入了快速 发展的新时期【1 】。 1 3 2 国家关于节约能源减少排放的要求 中共十七大向全党全国提出明确要求，要把节约资源作为基本国策，发展循 环经济，保护生态环境，加快建设资源节约型、环境友好型社会，促进经济发展 与人口、资源、环境相协调。提高节能环保水平，落实节能减排工作。节能目标 作为“十一五”规划经济社会发展两个主要目标之一，并将其作为建设资源节约 2 第一章绪论 型社会的核心目标，说明党中央对节能工作的高度重视。2 0 0 4 年，国家发改委发 布节能中长期专项规划，其中提出了宏观节能指标：2 0 0 3 - - 2 0 1 0 年，年均节能 率为2 2 。提出2 0 1 0 年每万元g d p 能耗比2 0 0 3 年下降1 8 ，主要产品单位能耗 指标总体达到或接近2 0 世纪9 0 年代初期国际先进水平。公路长大隧道和隧道群 的能源消耗惊人，一年的电费动辄数千万。积极推进节能和环保技术，走资源节 约型、环境友好型发展道路。节约能源是形势发展的要求，选择隧道工程就是保 护生态环境的重大措施，同时要做好隧道工程建设中的环保理念和技术研究开发 和应用，并建设好示范工程，走资源节约型、环境友好型发展道路，实现可持续 发展。 1 3 3 国家关于交通安全的形势要求 我国公路交通事业得到了长足的发展，但是公路运输在为国民经济和社会发 展做出了重大贡献的同时，交通事故的存在却造成大量人员伤亡和巨大经济损失。 交通安全已经成为困扰世界各国交通专家和政府的一大难题。交通部冯正霖副部 长在2 0 0 6 年的全国道路交通安全工作部际联席会议工作会议上讲话中强调，我们 必须树立安全至上、安全重于一切的理念，在实现交通健康、稳定、可持续发展 的历史进程中，推动社会的和谐、文明、全面进步。我国因交通事故而死亡的人 数每年都在1 0 万人以上，平均每天就有3 0 0 多人。与国外相比，2 0 0 4 年，中国的 汽车数量达到2 7 0 0 万辆，而死于道路交通事故的人数超过了1 0 万。中国所拥有 的汽车数量仅为欧洲或美国的1 0 ，而道路交通事故的死亡人数却整整超出了两 倍多。公路隧道是公路交通的咽喉，隧道路段不仅是交通事故的易发路段，而且 隧道内交通事故往往后果严重，并且难于处理。交通的现状，迫切要求解决高速 公路隧道的安全通行问题。公路隧道安全运行压力巨大，据不完全统计，长大隧 道的年事故率达到3 5 9 公里。道路交通安全问题的解决已刻不容缓。 1 4 国内外研究概况 1 4 1 国外研究的现状 1 国外的隧道节能减排研究 2 0 世纪7 0 年代，西欧、美国及日本等工业发达国家相续发生车辆尾气污染和 光化学污染事件，由此开始了对车辆尾气污染物成分、排放强度及排放特征的研 究，并在此基础上建立车辆污染物排放量的计算模式，其中最具代表性的是美国 环保局( e p a ) 的m o b i l e 模型系列2 1 。m o b i l e 模型现在有6 个版本，其优点 第一章绪论 3 是可以根据影响车辆排放物的多种因素，对模型进行校正，能计算道路运行条件 下的污染物排放强度。m o b i l e 汽车源排放因子模型( s o u r c ee m i s s i o nf a c t o r m o d e l ) 是计算车队( f l e e t ) 排放水平的程序【3 】。m o b i le 的数据来源为美国环保 局( e p a ) 组织的各种不同的在用车排放水平检测结果，以及联邦测试程序 f t p ( f e d e r a lt e s tp r o c e d u r e ) 中测得的排放结果。能得出各年、各车型的平均水平 的排放因子，以及车辆的各种参数( 例如发动机的排量，车辆的载重及自重) 和环 境参数( 例如温度、湿度、气压及c o 含量等) 对排放的影响。 2 0 世纪8 0 年代以来，由于长隧道的建设以及公路隧道空气污染防治、隧道安 全和隧道机械通风等方面的需要，美国联邦公路局( f h w a ) 以及福特( f o i m ) 、 通用( g m ) 汽车公司等利用公路隧道内测定的污染物来确定车辆排放的污染物。 典型的研究成果有利用a l l e g e n y 公路隧道、t u s c a r o r a 隧道、v a n c o u v e r sc a s s i a r 隧 道和g u b r i s t 公路隧道确定车辆排出污染物为c o 、n o x 、h c 等【4 】。 1 9 8 2 年o h a s h i 等采用数值求解方法对长1 0 8 8 5 k m 的日本k a n e t s u 公路隧 道内的污染物能读纵向分布进行了分布及隧道通风系统的研究，为该隧道的通风 设计和空气污染物控制提供了依据。同年c h a n g 等建立公路隧道空气质量方程， 并对隧道内污染物情况进行了研究【5 】。 1 9 9 7 年n a d e l 对美国波士顿c e n t r a la r t e r y 隧道内空气质量进行了数值分析， 并结合隧道通风以获得达到空气环境质量控制标准所需的通风量。同年b e l l a s i o 采 用一维扩散方程数值的方法对意大利一长约l k m 的公路隧道内污染物浓度随时间 的变化规律进行了分析，并对影响隧道内污染物浓度的外环境进行了研究。1 9 9 8 年s h i n i c h i 等采用t a y l o r - g a l e r k i n 三维数值模型对日本n i n o m i y a 和h i t a c h i 公路隧 道洞口空气质量进行了数值分析，并用示踪扩散实验讨论了数值模拟方法精度【6 】。 2 国外的安全与事故研究 s o l o m o n 在6 0 0 k i n 高速公路上观测1 0 0 0 0 个驾驶员的车速与事故的情况，发 现车速与事故数之间是一个“u 形曲线；车速接近平均车速时，事故率最低；随 着车速与平均车速的差增大，无论是大于平均车速还是小于平均车速，事故数都 呈增加趋势。近年来的研究表明，事故数与速度的关系不显著，主要和速度的离 散性相关，速度离散性大，容易发生事故：路上行驶的车辆，不仅仅是比一般车 辆速度快的那些车容易发生事故，那些车速比一般车辆慢的车辆也很容易发生事 故。因此，为了减少事故数，应该注意不是降低速度，而是要降低速度差【刀。 第一章绪论 褂 辂 协 愈 褂 r o - 4 0- 3 0 2 01 001 02 03 04 0 速度离散性( k m h ) 图1 1 速率与事故数的关系 f i g u r e1 1t h er e l a t i o n s h i po fs p e e da n dn u m b e ro fa c c i d e n t s 美国的研究机构研究表明，在美国大约有1 3 的交通事故与速度相关，包括超 速行驶和高速行驶。2 0 0 0 年，在与速度相关的事故中有1 20 0 0 多人死亡，7 0 0 0 0 0 多人受伤。美国国家交通安全管理局( n t h s a ) 估计每年因速度的事故造成的社会 损失约为2 8 0 亿美元，相当于每分钟5 3 2 4 3 美元，每秒钟9 0 0 美元 8 】【9 1 。 1 9 9 9 年5 月由d m t 公司代表a d a c 对欧洲正在营运的2 0 座隧道和特长隧道 进行了测试和安全评估。检测的2 0 座隧道总长超过1 4 0 k m ，昼夜交通总量大于4 0 万辆。得出一般性结论：事故发生频率随隧道长度和交通量增加而增加。根据测 试结果及对m o n t b l a n c 和t a u e r n 重大事故的分析，欧洲提出了提高营运安全性的 具体措施，以立法的形式规定小车的最小间距应是5 0 r a ，大车最小间距为1 0 0 m ， 并有相应车速限制与监视【l o 】。 世界银行、w h o 报告“发展中国家道路交通安全对策”时提出了评价发展中 国家道路平均速度与交通事故数量、伤亡数量的模型，该模型表明交通事故的数 量、受伤人数、死亡人数与平均速度分别成2 次方、3 次方、4 次方的递增关系， 即交通流平均速度较小范围增幅，将导致交通事故数量和伤亡人数大幅度增加。 因此，控制交通流的平均速度，可以有效地减少交通事故和伤亡人数，特别是在 减少伤亡人数上有更大的成划1 1 】【1 2 】。 所罗f j ( s o l o m o n ) 与西黎罗( c i r i l l o ) 从车辆角度研究了这一问题。他们对涉及到 交通事故的车辆速度样本与均值之间的偏差进行了分析，并且按照事故率的大小 对样本进行了分组，再次分析了各组的速度偏差数据，得到的结论是：拥有最低 o o o o o o o o 7 6 5 4 3 2 1 第一章绪论 5 事故率的样本，其速度分布在高于均值的1 5 2 0 的区间内；当速度偏差大于 这个范围时，不论其速度是低于还是高于均值，都会出现事故率上升的现象【1 4 】【1 5 】。 加拿大d o m i n i q u el o r de ta 1 ( 2 0 0 5 ) 得出事故与交通密度、v c 的关系如图。 交通流( 车车道4 , 时) 图1 2 交通流状态与事故率( d o m i n i q u el o r de ta l ，2 0 0 5 ) f i g u r e1 2t r a f f i cf l o wa n da c c i d e n t sr a t e 瑞士对从1 9 7 4 年起至今的8 0 0 多起安全事故进行了分析和研究，发现其中 9 0 是由人为误操作造成的，1 0 是由其他原因造成的。在事故原因分析的基础上， 提出降低隧道风险和提高安全的措施，其范围涵盖隧道的各个系统及建设的各个 阶段，在综合考虑的基础上提出立法的依据。并针对隧道安全系统的设计建立了 可接受风险程度的数学模型：r - - f ( p ，h ) ，其中：r 风险；p 发生事故或危害的 概率；h 危害程度【1 6 】【1 7 1 。 欧盟在2 0 0 2 年1 2 月提出了关于欧洲公路网中隧道安全的议案，确定了隧道 组织管理、结构、技术和运营等方面最低安全要求，指出了隧道安全的重要性， 建议了目标，并制定出了各方面相应的标准；同时，( 2 0 1 0 年欧洲运输政策白皮书 中还提出了短中期和中长期两个阶段提高隧道安全的方案【l 引。 3 国外的行车速度研究 美国交通运输部关于行车速度限制的交通安全研究综合报告指出：交通事故 发生的几率及交通事故严重程度，通常会随着限速值的降低而减小；反之，随着 限速值的增加，交通事故数量通常会增加，交通事故造成的后果通常会更加严重： 并且在高速公路上这一现象更为明显。如下表： 6 第一章绪论 表1 1 速度提高或降低影晌研究总结 t a b l e1 1t h ei m p a c to fs p e e di n c r e a s eo rd e c r e a s e 限速值降低限速值增加 交通流 参考文献及国 速度变交通流速度参考文献国家速度变化 速度和 年代家化和事故影响及年代 事故影 响 交通流速度死亡事 n i l i s s o n 瑞 1 1 0 k m 下降1 4 k m hn h t s a ( 1 9 美国8 9 k n v h n 故增加 ( 1 9 9 0 ) 典 h 到 交通事故下 8 9 )1 0 5 k m h 2 l 9 0 k m h 降2 1 6 0 k m h 死亡事故下m c k n i g h t k l死亡事 e n g e l丹到 降2 4 伤害 e i n a n d 美国8 9 k m h 到 故增加 ( 1 9 9 0 ) 麦 5 0 k m h 交通事故下 t i p p e t s1 0 5 k m h 2 2 降9 ( 1 9 9 0 ) 交通流速度美国交通事 1 0 0 k m 下降4 k m h s t e f j f a n d ( 密 8 9 k m l l 到 故与死 p e l t o l a 英h 到 交通事故下 s c h u l t z 歇根 1 0 5 k m h 亡伤害 ( 1 9 9 1 ) 国 9 0 k m h 降1 4 州)明显增 加 澳 1 1 0 k m 伤害交 s l i o g c r i s 大h n 伤害事故下 s l i o f e r i s 澳大 10 0 k m h n 通事故 ( 1 9 9 2 ) 利 1 0 0 k i n 降1 9 ( 1 9 9 2 ) 利亚 1 1 0 k m h 增加 亚 h 2 5 1 3 0 k i n 交通流速度美国死亡事 f i n c h 等人瑞h n 下降5 k m h l o w s s a l e t y ( 爱 8 9 k m h n 故增加 ( 1 9 9 4 )士 1 2 0 k m 交通事故下 t a s kf o r e 德华 1 0 5 k m h 3 6 h 降1 2 ( 1 9 9 6 ) 州) 6 0 k m h 美国全国范 到交通事故下 ( 4 0 8 9 k m h 到 围的死 s c h a r p i n g德 5 0 k m h 降2 0 l a v ea n d 个州) 1 0 5 k m h 亡率下 ( 1 9 9 4 ) 国 e l i a s ( 1 9 9 4 ) 降 3 5 澳下降总体上 n e w s t e a d 大 5 k m hn e w s t e a d 澳大提高5 k m h 交通事 a n dm u l l a h 利 到 无明显变化 a n dm u l l a n 利亚n 2 0 k m h 故增加 ( 1 9 9 6 ) 2 0 k m h ( 1 9 9 6 ) 8 亚 英国的a a m a l j n a h i 和a h r h o d e s 在19 9 9 年对自由流条件下，两块板城 市道路的车速、车速限制和交通事故之间的关系进行了研究，找出了自由流条件 下，在路面质量良好的道路上车速与事故的关系，并建立了车速限制与速度分布 之间的关系模型。分析结果显示：重型车混入的比例越高，事故率就越低，其解 释是重型车的驾驶员技术都很熟练，并且重型车的混入提高了其他驾驶员的警惕 性；车速对事故率影响的显著性并不高，但整体趋势是平均车速越高，离散性越 第一章绪论 7 大，事故率越高。事故的严重程度取决于碰撞时车速的瞬时变化v ( 尤其是在 0 1 s o 2 s 的范围内) ，随着车速的提高，事故率增大【1 9 】。 挪威交通安全手册提出了一条描述事故数量与车速关系的曲线，并得出结 论：平均车速每增长1 0 ，有人员受伤的事故数将增加2 5 ，有人员死亡的事故 数将增加3 5 。欧洲交通委员会在1 9 9 5 年指出，车速对有严重伤亡的事故影响较 大，并得出平均车速每增加l k m h ，有人员死亡的事故数将增加5 0 0 - - 6 的结论。 g a r b e r 和g a d i r a j u 研究表明事故率随着速度方差的增大而增大，但是利用根据 道路类别集计( a g g r e g a t e ) 以后的数据研究事故率和平均速度之间的关系，则发现 两者之间没有必然的联系。与此同时，法国的l a s s a r r e 通过研究也发现速度相对于 平均速度的变化，对安全仅有较小的影响。l a v e 研究发现道路的死亡率受车辆间 速度方差的影响比受平均速度的影响要大。b a r u y a 和f i n c h 分析研究了人身伤害事 故与平均速度，速度梯度之间的关系，他们得出的结论是平均速度和速度梯度两 者对事故都有影响。当平均速度增加时，事故数也增加；但尽管平均速度增加， 如果此时速度梯度减小的话，事故数也会降低【2 0 】。 泰勒( t a y l o r ) 的研究将车速样本的偏度及峰值与事故率进行相关分析，得到的 结论是：有偏度的速度分布的区段比无偏度的速度分布区段具有显著偏高的事故 率。卡伯( g a r b e r ) 与嘎迪拉句( g a d i r a j u ) 研究了速度分布均指标与事故记录之间的 关系，得到的与交通安全相关的结论是：对于所有等级的道路，速度标准差增大 时，交通事故率上升；当公路区段的平均速度增高时，其事故率并不一定上升。 这也充分说明了速度离散程度。 1 4 2 国内研究的现状 1 国内的隧道节能减排研究 1 9 9 4 年至1 9 9 6 年间，交通部重庆公路研究所投入巨大的人力物力，对根据当 时j t j 0 2 6 9 0 公路隧道设计规范而设计的中梁山隧道和缙云山隧道进行了大量 的现场实测。在进行实测时专门组成了交通量与车型组合完全相符合原设计条件 的车流，且以设计车速通过中梁山和缙云山隧道，进行通风实效检验。通过对隧 道现场的实际测试，在中梁山左线上坡隧道，当通风设施按照设计全部运行时c o 浓度平均仅为4 2 p p m ( 单向交通) 和6 8 p p m ( 双向交通) ，该值为设计规定值1 5 0 p p m 的2 8 和4 5 。这一实际测试结果说明，在通常隧道正常运营情况下，将有大量 通风设施处于闲置状态，造成大量能源的浪费【2 。 我国高速公路隧道起步于9 0 年代，通过1 0 多年的工程实践，总体上说我国 8 第一章绪论 的运营通风和照明方面基本达到国际水平。根据大溪岭一湖雾岭通风研究成果， 应用竖井送排式纵向组合通风方式与传统的横向通风和半横向通风方式相比，初 期投资分别节省1 11 8 5 万元和2 2 5 0 万元，同时每年降低营运费分别为1 4 9 1 3 万元 和6 4 4 5 万元，效益十分可观。 1 9 9 6 年l o 月，为落实“资源开发与节约并举，把节约放在首位”的方针。我 国也在国家经贸委的牵头下，启动了“中国绿色照明工程 。目前，我国照明耗电 大体占全国总发电量的l o o a r - 1 2 ，2 0 0 1 年我国总发电量为1 4 3 3 2 5 亿度，年照明 耗电量达1 4 3 3 2 5 1 7 1 9 9 亿度，为在建三峡水力发电工程投产后年发电能力( 8 4 0 亿度) 的两倍左右。随着我国经济快速发展，全国能源供需矛盾突显紧张，特别 是去年全国性拉闸限电现象，已严重影响不能停电行业的正常生产，在这种情况 下，更显出节电技术的经济效益和社会效益。 2 0 0 1 年北京大学和广州市环境科学研究院共同对广州市公路隧道空气污染物 进行了实测，获得城市车辆排放污染物的标准。西安公路交通大学对三座典型公 路隧道内污染物浓度进行了实测，并建立公路隧道环境空气质量模型，提出了常 见通风方式下隧道内污染物浓度分布计算方法【2 2 】。 2 0 0 4 年长安大学王生昌等建立基于c v s 采样和碳平衡法的汽油车c o 排放量 计算模型。通过发动机台架模拟隧道污染环境试验，研究发动机进气受到污染后 对发动机动力性、比油耗和污染物排放量的影响，为研究确定汽车污染物基准排放 量进行有益的探讨。 2 0 0 6 年，重庆交通科研设计院在广东科委攻关项目“特大断面隧道的节能技 术研究”中，对通风模糊控制模型研究，解决射流风机的最优控制问题，通过研 究建立通风模糊控制模型，使环境条件既满足规范的要求，又节约能耗。并尽可 能保证风机的运转平衡，延长其使用寿命。对照明亮度控制研究，主要研究能根 据天气变化、车速、车流量设置等运行参数进行自动控制的、可编程的隧道照明 控制技术，解决现有的隧道照明控制模式存在的节能与安全的矛盾。对照明灯具 布置方式研究，适用于双洞八车道隧道照明灯具的布置方式，结合洞口环境亮度、 隧道长度、路面形式、车流量、车速、灯具的管理养护等情况，提出最佳的灯具 布置方案。对照明光源实验研究，通过实验研究节能光源的性能( 衰减、使用寿 命等) 、节能光源在隧道中的应用和设计原则。 此外重庆交通科院设计院还进行了交通部西部项目“公路隧道( 群) 安全与 节能技术研究 、福建省科技项目“公路隧道洞口段照明参数研究”、福建省科 技项目“厦门东通道海底隧道通风与防灾技术研究 、广东省科委项目“公路隧 第一章绪论 9 道节能技术研究”，对对隧道的通风节能、照明节能进行了深入的研究，并得到 大量的技术成果。 2 0 0 7 年1 月，交通部公路科学研究院、青海省公路局、河南高速公路发展有 限责任公司等几家家单位的西部交通项目“太阳能技术在低能耗交通安全设施中 应用研究 中，通过对特殊道路和环境条件下，现有交通安全设施效能研究，提 出利用太阳能和主动发光技术增强交通安全设施有效性和经济性的系统解决方 案。主要研究内容有：现有交通安全设施效能研究与需求分析、太阳能交通安全 设施低功耗技术、部分关键产品的研制开发及相关标准、工程施工关键技术及规 范。 2 0 0 8 年6 月，国家8 6 3 计划项目立项对“l e d 功能性照明系统集成开发”课 题进行申请，主要研究内容：研究l e d 功能性照明灯具的设计方法，建立精确的 光学模型，通过成像光学与照明光学进行二次光学设计，以及通过中间视觉理论 的应用，获得灯具的最佳有效光效；高可靠、高效率的功率型l e d 成组驱动及智 能控制技术；功率型l e d 在实际环境下成组使用时灯具的散热技术，提高发光效 率及使用寿命；基于电路板上直接芯片封装( c o b ) 技术的l e d 照明光源模块技 术；l e d 功能性照明灯具规模化生产工艺与在线检测技术。 2 国内的安全与事故研究 2 0 0 4 年，通过广东汕( 头) 梅( 州) 高速公路隧道路段交通事故数据研究。在2 0 0 4 年上半年发生在该区域隧道的1 0 宗交通事故中，超过6 0 是因驾驶员超速行驶引 发交通事故。 2 0 0 6 年，科研人员对终南山隧道的行车速度进行研究，据统计数据近8 0 的 车辆都在超速行驶，超速车辆现正以每天4 0 辆次的速度递增，部分车辆的车速高 达一百四五十公里。 针对隧道的安全，我国交通部、公安部等部门都加强了标准化建设，已颁布 实施了公路隧道通风照明设计规范、高速公路隧道监控系统模式、公路隧 道交通工程设计规范、火灾自动报警系统设计规范、公路隧道环境检测设施 技术条件、公路隧道照明设施技术条件、公路隧道火灾报警系统技术条件、 公路隧道区域控制器技术条件等标准与规范，这些标准和规范从原则上确定 了公路隧道相关的安全准则。 2 0 0 4 年，香港特别行政区运输署对香港所有隧道进行调研得到，如下隧道安 全事故表。 1 0 第一章绪论 表1 22 0 0 4 按严重程度划分的隧道交通安全统计表 t a b l e1 22 0 0 4 a c c o r d i n gt ot h es e v e r i t yo ft h et u n n e l st r a f f i cs a f e t yd i v i s i o nt a b l e s 意外严重程度 意外率按每白| 万车 隧道 致命意外严重意外轻微意外总计 辆行驶公里计 海底隧道 083 13 90 2 7 火老山隧道 00770 0 6 东区海底隧道 o31 01 30 1 3 狮子山隧道 022 62 8 0 5 6 城门隧道o2 790 11 机场隧道 o2350 1 6 将军澳隧道 l0230 1 2 香港仔隧道 ol1 21 30 3 0 西p ( 海底隧道 o145o 1 5 长青隧道02680 1 1 人榄隧道 0 2 0 2 0 0 2 2 0 0 6 年5 月，北京交通发展研究中心、同济大学、甘肃省高等级公路建设开 发有限公司、长安大学五家单位共同申报的西部交通项目“西部地区公路交通安 全评价 中，对西部地区的公路特别是高等级公路的交通现状进行安全评价，通 过初步的交通现状的调查，运用固定步长推进的方法进行单位路段标准内事故次 数统计，得到双车道公路交通安全性预测模型以及高速公路交通安全行预测模型。 3 国内的行车速度研究 在国内，同济大学的吉小进等对我国东北地区某高速公路1 9 9 4 到1 9 9 9 年的 交通量和交通事故数据进行分析，通过数值回归，得到高速公路基本路段v c 与 交通事故率的u 形关系曲线。 周忠业、郭忠印等在高速公路隧道群行车特性及安全性分析中，指出车速是 公路隧道安全的重要决定因素，并在建立隧道群定义的基础上，通过对大量数据 的研究分析，得出隧道群段车辆的运行规律，并根据其行车特性分析了隧道群段 的安全性。 余景顺分析了我国山区高速公路客货车辆的速度差异，指出大货车的运行速 度显著低于小客车的速度，最大速度差达至l j 3 5 - - - 4 5 k m h ，由于速度差的存在导致 大量交通事故发生【2 3 1 。高建平提出山区高速公路载重货车与小客车较大的车速差 异是造成载重货车交通事故的主要原因。裴玉龙对中国部分高速公路的速度标准 差和亿车公里事故率的关系也进行了回归分析。 第一章绪论 5 0 4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 5 o 01 02 03 04 0 车速标准高差( k m h ) 图1 3 车速标准差与亿车公里事故率的关系 f i g u r e1 3t h er e l a t i o no fs p e e ds t a n d a r dd e v i a t i o na n db i l l i o nk i l o m e t e r sc a ra c c i d e n tr a t e 2 0 0 5 年由同济大学承办的西部交通建设科技项目公路隧道进出口运行安全 研究通过对既有的运营隧道的调研，对我国多条高速公路隧道基本营运状况有 了较为全面的了解；收集了较为详细的隧道进出口区域运行车速、照度、摩擦系 数、车辆加减速情况以及驾驶员驾驶行为状况等资料；定量或定性的得到了部分 隧道进出口安全性与其影响因素的关系，为进一步进行隧道进出口安全性评价指 标研究提供了支持。 1 5 研究目的及发展趋势 1 5 1 研究目的 论文基于节能减排与安全对公路隧道车速进行研究，对影响公路隧道的节能 排放与安全的因素进行分析，建立公路隧道安全与排放的车速控制模型，提出的 公路隧道安全速度，可以在隧道的运营管理过程中达到节约能源、减少排放、环 保卫生和行车安全等多方面的要求。在隧道建设迅猛发展的今天，更需要认真的 考虑隧道安全与节能的问题，使公路隧道在运营的过程中达到环保又安全。 1 5 2 研究存在的问题 ( 1 ) 关于隧道安全与节能减排模型的建立问题。单纯对车速与事故模型研究 较多或者车速的节能减排模型研究较多；但是对公路隧道在安全与节能减排双重 约束下的车速控制模型研究很少，如何建立车速控制模型是很必要的。 ( 2 ) 行车速度的安全、节能、环保的问题。为保证隧道的行车安全，对隧道 1 2 第一章绪论 的限速研究较多。但是对隧道行车速度在安全与节能减排的要求下，究竟以多大 的速度行驶时隧道最安全、高效、经济、节能，这方面研究较少。 ( 3 ) 公路隧道行车仿真问题。缺乏隧道专用的仿真软件，一般通过对仿真软 件进行参数设置，使之更加接近隧道行车条件。隧道的c o 量仿真结果的准确性不 是很令人满意。 1 5 3 研究发展的趋势 深入研究公路隧道安全、节能减排与隧道行车速度特点，分析隧道安全与节 能减排的关系，建立公路隧道安全与节能减排的速度控制模型，开展研究节约减 排与安全的隧道运营管理，运用实验仿真手段对所得出的结论进行验证，优化隧 道的车速管理在实际的运营过程中可减少排放、节约能源又能保证安全，这是隧 道运营管理中研究的必然趋势。 1 6 研究内容与创新点 1 6 1 研究内容 1 ) 公路隧道安全、节能减排的车速研究； 2 ) 公路隧道安全减排车速模型建立； 3 ) 应用s y n c h r os i m t r a f f i c 交通仿真软件进行c o 排放量仿真验证。 1 6 2 本文创新点 i ) 建立公路隧道安全与节能减排的车速控制模型。通过探讨隧道行车速度与 安全、节能减排的关系，建立控制模型。 2 ) 提出符合工程实际的速度。按照隧道行车速度在安全与节能减排的要求， 探究隧道最安全、高效、经济、节能的行驶速度。 3 ) 创新性的应用s y n c h r os i m t r a f f i c 交通仿真软件中的排放功能，对c o 的排 放进行仿真验证。 1 7 研究方法与技术路线 本课题研究方法主要分为四步，逻辑关系参见如下技术路线图： l 肩 期资料与数据的收集、查新以及对调研资料的分析总结。 第一章绪论 1 3 2 依托工程和已运营公路隧道安全、隧道交通运营状况和隧道交通事故的调查。 3 综合l ，2 进行理论分析研究，建立公路隧道节能与安全车速控制模型。 4 运用软件进行仿真验证，研究模型得到结果的准确性与适用性。 (隧道行 特点)(行车速譬影响因素) 警 一 一 暴? 度 ( 隧道运营管理车速j!( 隧道设计车速 ) 且卫 i 弋 安全度模型)( 节能减捧模型 i ( 实例计算设计车速节能水平 丫 i ( 安全与节能减排的速度控制模型 i ( 撇) 耋兰。 图1 4 隧道安全与节能的车速管理研究技术路线 f i g u r e1 4t e c h n o l o g yr o a d m a po fs p e e dm a n a g e m e n tu n d e rt u n n e ls a f e t ya n