基于尾氣排放的信號交叉口綜合評價

基于尾氣排放的信號交叉口綜合評價劉琳2015年1月中圖分類號：U491UDC分類號：656基于尾氣排放的信號交叉口綜合評價作者姓名劉琳學(xué)院名稱機(jī)械與車輛學(xué)院指導(dǎo)教師王武宏教授答辯委員會主席王建群教授申請學(xué)位工學(xué)碩士學(xué)科專業(yè)交通運(yùn)輸工程學(xué)位授予單位北京理工大學(xué)論文答辯日期2015年1月ComprehensiveEvaluationofSignalizedIntersectionsBasedonVehicleEmissionsCandidateName:LiuLinSchoolorDepartment:SchoolofMechanicalEngineeringFacultyMentor:Prof.WangWuhongChair,ThesisCommittee:Prof.WangJianqunDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor:TrafficandTransportationEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:January,2015研究成果聲明本人鄭重聲明：所提交的學(xué)位論文是我本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作獲得的研究成果。盡我所知，文中除特別標(biāo)注和致謝的地方外，學(xué)位論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京理工大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的合作者對此研究工作所做的任何貢獻(xiàn)均已在學(xué)位論文中作了明確的說明并表示了謝意。特此申明。簽名：日期：北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文I摘要近年來，隨著城市交通系統(tǒng)的不斷發(fā)展，交通尾氣排放帶來的大氣污染已經(jīng)嚴(yán)重影響了人民的生活，引起越來越多的關(guān)注和研究。因此，將尾氣排放作為道路評價的指標(biāo)，尤其在信號交叉口這一交通節(jié)點(diǎn)處，可以更好地解決尾氣排放優(yōu)化問題。本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，以信號交叉口綜合評價為研究對象，充分考慮尾氣排放指標(biāo)在交叉口綜合評價中的作用，建立基于車輛運(yùn)行狀態(tài)的對交叉口的尾氣排放計算模型，并采用主成分分析法，實(shí)現(xiàn)定量化交叉口綜合評價。本論文主要在一下幾方面進(jìn)行了探索和研究：首先對國內(nèi)外尾氣排放及交叉口評價相關(guān)研究進(jìn)行了梳理總結(jié)，分析了使用較為廣泛的機(jī)動車尾氣排放模型和交叉口管理控制技術(shù)對機(jī)動車尾氣排放的影響，重點(diǎn)對交叉口綜合評價方法及評價指標(biāo)進(jìn)行研究，為交叉口處尾氣排放計算和交叉口綜合評價指標(biāo)建立奠定了較好的理論基礎(chǔ)。其次從城市信號交叉口處交通特性入手，引入比功率參數(shù)來描述車輛運(yùn)性工況與污染物排放因子之間的關(guān)系，并給出各VSP區(qū)間內(nèi)機(jī)動車的污染物排放因子，利用交叉口處車輛運(yùn)行狀態(tài)將交通微觀仿真模型與尾氣排放模型相結(jié)合，建立基于車輛運(yùn)行狀態(tài)的交叉口尾氣排放計算模型。然后針對城市道路平面信號交叉口的特點(diǎn)及評價指標(biāo)選取原則，建立交叉口綜合評價指標(biāo)體系和主成分分析評價模型。利用主成分分析法將高維度的評價指標(biāo)變?yōu)榈途S度不相關(guān)的主成分指標(biāo)，確定其權(quán)重系數(shù)，并得到交叉口處綜合評價值。最后以典型信號交叉口為例，展開模型的應(yīng)用分析。利用基于車輛運(yùn)行狀態(tài)的交叉口尾氣排放計算模型對交叉口尾氣排放進(jìn)行計算，驗(yàn)證了該尾氣計算模型具有良好的可行性和適用性。同時利用多個交叉口仿真數(shù)據(jù)對交叉口綜合評價模型進(jìn)行驗(yàn)證，不僅可以科學(xué)地計算出各個交叉口的綜合評價值，同時還可以實(shí)現(xiàn)多交叉口間定量化比較，對交叉口的評價及優(yōu)化有著重要的意義。關(guān)鍵詞：交叉口；尾氣排放；主成分分析法；綜合評價分類號：656北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文IIAbstractInrecentyears,astheurbantransportsystemdevelops,theairpollutioncausedbyvehicleemissionhasseriouseffectonpeople’slife.Inordertosolvethisproblem,theemissionfactorisusuallyusedasanindexintrafficevaluation,especiallyattheintersection.Comprehensiveevaluationofasignalizedintersectionisstudiedinthispaperbasedonpreviousresearches.Anemissioncalculationmodelbasedonvehicleoperationstatusisestablishedwhichisonlyusedforintersections.Principalcomponentanalysisisusedtoquantifytheweightsofeachindexandgetthecomprehensiveevaluationvalueoftheintersection.Thispaperfocusonthefollowingaspects:Firstofall,theexistingstudyaboutemissionsandevaluationofintersectionhasbeensummarizedincludingemissionmodelwhichiswidelyusedandtheinfluencebetweenintersectionmanagementcontroltechnologyandemissions.Themainresearchiscomprehensiveevaluationmethodandevaluationindexofintersectionswhichcanprovidethetheoreticalbasisforthefurtherstudy.ThenVSPisusedtodescribetherelationshipbetweenvehicletravelconditionandemissionfactorsofeachpollutantandalsotheemissionfactorineachVSPintervalisgiven.Theemissioncalculationmodelbasedonvehicleoperationstatusisestablished.Itmakestrafficmicro-simulationmodelandemissionsmodelworkingtogethertogettheemissionsoftheintersection.Moreover,accordingtothefeaturesofurbansignalizedintersectionsandtheprincipleofevaluationindexes,comprehensiveevaluationsystemofasignalizedintersectionisestablished.PCAisusedtoreducethedimensionsofthecomplicatedevaluationsandmaketheremainingprincipalcomponentsuncorrelated,thenalsotoquantifytheweightofeachofprincipalcomponentandtocomprehensiveevaluationvalueofintersection.Atlast,anexampleisgiventoshowthefunctionoftheevaluationmodel,bothoftheevaluationvalueandthesequenceresultsinseveralintersections.Thecalculationofemissionsoftheintersectionthroughtheemissionmodelbasedonvehicleoperationstatusvalidatesthegoodfeasibilityandapplicabilityofthemodelproposedinthispaper.Simultaneoususingsimulationdataofmultipleintersectionstovalidatethecomprehensiveevaluationmodelcannotonlycalculatethecomprehensivevalue,but北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文IIIalsoachievequantitativecomparisonamongmultipleintersections.Themodelproposedinthispaperhasimportantsignificancefortheevaluationandoptimizationoftheintersections.KeyWords:Intersection;Emission;PrincipalComponentAnalysis;ComprehensiveEvaluation北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文IV目錄摘要......................................................I第1章緒論................................................11.1研究背景.....................................................11.2研究目的和意義...............................................21.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀...............................................21.4本文主要研究內(nèi)容和技術(shù)路線...................................61.4.1主要研究內(nèi)容...........................................61.4.2技術(shù)路線...............................................71.5本章小結(jié).....................................................8第2章城市道路信號交叉口交通特性分析...................102.1城市交叉口系統(tǒng)..............................................102.2信號交叉口交通特性分析.....................................112.2.1交通沖突特性..........................................112.2.2信號交叉口機(jī)動車交通流特性分析........................142.3本章小結(jié)...................................................15第3章交叉口綜合評價方法及評價指標(biāo).....................163.1評價方法...................................................163.2交叉口綜合評價指標(biāo).........................................193.2.1交叉口運(yùn)營指標(biāo)........................................193.2.2交叉口安全指標(biāo)........................................222.2.3交叉口環(huán)境指標(biāo)........................................233.3本章小結(jié)...................................................26第4章基于行駛狀態(tài)的交叉口尾氣排放計算模型.............274.1建模思路...................................................27北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文V4.2機(jī)動車比功率參數(shù)...........................................274.3交叉口處車輛運(yùn)行狀態(tài)分析...................................304.3.1車輛不同運(yùn)行工況下的尾氣排放特性......................304.3.2交叉口車輛運(yùn)行狀態(tài)分析................................324.4基于車輛運(yùn)行狀態(tài)的交叉口尾氣排放計算模型....................354.5實(shí)例計算...................................................374.5.1研究對象..............................................384.5.2數(shù)據(jù)分析..............................................384.6本章小結(jié)...................................................40第5章交叉口評價方法及評價技術(shù).........................425.1信號交叉口交通特性.........................................435.2選擇評價指標(biāo)的原則.........................................435.3交叉口綜合評價體系建立.....................................445.4評價方法....................................................465.4.1主成分分析法..........................................465.4.2主成分分析法交通評價模型..............................475.5本章小結(jié)...................................................48第6章實(shí)例分析..........................................496.1評價對象...................................................496.2數(shù)據(jù)分析...................................................506.3本章小結(jié)...................................................53結(jié)論與展望...............................................541總結(jié).........................................................542研究創(chuàng)新與展望...............................................54參考文獻(xiàn).................................................56攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文與研究成果清單....................59致謝.....................................................60北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文1第1章緒論隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化加快，機(jī)動車的保有量不斷增加，在城市道路交通中，擁堵不僅僅是唯一的問題，機(jī)動車尾氣排放造成的環(huán)境污染也受到越來越多的關(guān)注。在這種情況下，在對交通重要節(jié)點(diǎn)——交叉口進(jìn)行評價時，更多的考慮機(jī)動車尾氣排放指標(biāo)，尤其是交通管理技術(shù)對尾氣排放的影響，對交叉口的整體評價及優(yōu)化有著重要的意義。1.1研究背景城市道路是城市的基礎(chǔ)設(shè)施，是城市的骨架，與城市生活、生產(chǎn)有著密切的關(guān)系。隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市規(guī)模的日益擴(kuò)大，城市交通量迅速增長，城市交通出現(xiàn)了日趨緊張的局面。主要問題是道路設(shè)施與交通需求相比增長緩慢，道路系統(tǒng)不健全。例如，從1978年到1997年的二十年間，我國汽車保有量已從136萬輛猛增到1219萬輛，年平均增長率為12.2%，而城市道路的建設(shè)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于需求增長的速度[1]。這種需求與供給的不均衡突出表現(xiàn)在道路交叉口處，特別是在信號控制交叉口，由于其交通量較大，因而更容易形成堵塞，引起嚴(yán)重的延誤、噪聲、廢氣污染、能源浪費(fèi)等，以至波及路段及整個城市路網(wǎng)系統(tǒng)。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，人們對交通的需求越來越大，雖然城市道路的密度和各種配套設(shè)施有了很大程度的提高，但是交通負(fù)荷還在持續(xù)增長，小汽車的保有量逐年快速增大，加重了城市道路的運(yùn)轉(zhuǎn)能力。信號交叉口作為城市道路網(wǎng)的重要組成部分，具有交通組成復(fù)雜且多向的特點(diǎn)，這使得交叉口既是道路網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，也往往是城市路網(wǎng)的瓶頸所在。交叉口處信號的控制會造成機(jī)動車運(yùn)行工況的變化，即經(jīng)歷減速、停車和加速的過程，在這一過程中會不可避免的產(chǎn)生一定的延誤。另外，由于機(jī)動車的排放特性，使得機(jī)動車在頻繁加減速的過程中會比勻速行駛時排放更多的污染物。研究顯示，車輛在一條道路上行駛，在交叉口上產(chǎn)生的延誤約占全程行車時間的31％，2005年我國機(jī)動車尾氣排放在城市大氣污染中的分擔(dān)率達(dá)到79%左右，城市交通的燃油消耗占到了全國燃油消耗總量的17.2%。因此將環(huán)境因素作為交叉口評價的一項(xiàng)重要指標(biāo)，研究城市道路交叉口管理控制技術(shù)與車輛尾氣排放之間的關(guān)系，通過信號交叉口進(jìn)行綜合評價來為交叉口的優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)，進(jìn)而使得城市交通網(wǎng)絡(luò)的達(dá)到減北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文2少車輛尾氣排放和緩解交通擁堵的目的，己成為亟待解決的重要問題。城市信號交叉口是由多種因素相互作用，相互影響，相互制約下形成的一個復(fù)雜的綜合交通系統(tǒng)。信號交叉口的綜合評價實(shí)質(zhì)上是對影響道路交通狀況的有關(guān)人、車、路及環(huán)境在內(nèi)的各種交通要素作系統(tǒng)綜合效應(yīng)分析。為了正確衡量交叉口的服務(wù)水平，需運(yùn)用系統(tǒng)工程的理論和方法，選擇恰當(dāng)?shù)脑u價指標(biāo)，合理確定信號交叉口分級，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行整體評價，找出存在的關(guān)鍵問題，對其運(yùn)行功能進(jìn)行改進(jìn)和完善。1.2研究目的和意義交叉口作為多向交通流的集散點(diǎn)和交通網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，對其功能的需求不僅僅體現(xiàn)在運(yùn)行效率上，快速、安全、環(huán)保與舒適并行已經(jīng)成為人們對交叉口更高的要求。由于這集中要求之間即屬性不同又有著相互關(guān)聯(lián)，因此科學(xué)、合理的解決信號交叉口各評價指標(biāo)之間的關(guān)系，對信號交叉口進(jìn)行定量化綜合評價，正是交叉口綜合評價的關(guān)鍵。隨著空氣質(zhì)量的不斷惡化，機(jī)動車尾氣排放問題引起了廣泛的關(guān)注。要從交通角度解決尾氣排放為題，首先需要明確尾氣排放與交通流之間的關(guān)系。將交通模型與尾氣排放模型連接起來，將尾氣排放作為一項(xiàng)重要指標(biāo)引入到交叉口綜合評價中，對于信號交叉口的綜合評價和尾氣排放的優(yōu)化，都有著至關(guān)重要的意義。本文的研究目的針對上述交叉口綜合評價及尾氣排放優(yōu)化的要求，研究城市道路交叉口的綜合評價指標(biāo)，將尾氣排放作為交叉口評價的重要指標(biāo)來建立交叉口綜合評價體系，實(shí)現(xiàn)交叉口定量化評價，為交叉口的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。主要思路是：通過引入VSP參數(shù)將微觀交通仿真模型與機(jī)動車尾氣排放模型結(jié)合，建立基于車輛運(yùn)行狀態(tài)的交叉口尾氣排放計算模型。同時將尾氣排放值作為交叉口綜合評價的重要指標(biāo)，利用主成分分析法對交叉口進(jìn)行綜合評價已得到定量化評價值。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.機(jī)動車尾氣排放研究現(xiàn)狀為了實(shí)現(xiàn)交通系統(tǒng)中機(jī)動車尾氣排放的量化評價，目前國內(nèi)外大量專家學(xué)者都對此展開了研究，并開發(fā)了多種量化評價尾氣排放的模型。按照模型的應(yīng)用層北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文3次和開發(fā)思路，現(xiàn)有的尾氣排放模型可以劃分為宏觀、中觀和微觀三個層次。宏觀尾氣評價通常以基于平均速度的排放因子作為計算參數(shù)來計算和評價廣域范圍內(nèi)尾氣的排放情況。宏觀排放模型主要有美國環(huán)保署開發(fā)的MOBILE模型[2]，美國加州空氣資源局的EMFAC模型[3]和歐盟環(huán)境署自助開發(fā)的COPERT模型[4]等；中觀尾氣主要用于對車道、交通小區(qū)等區(qū)域進(jìn)行狹域內(nèi)的尾氣排放分析和評價，典型的中觀尾氣排放模型包括MEASURE、VT—Micro等。為了真實(shí)細(xì)致的反映道路上的尾氣排放情況，研究交叉口信號、匝道管理等交通管理措施對尾氣排放的影響，微觀尾氣排放模型得以提出。微觀尾氣模型能夠?qū)μ囟▍^(qū)域或者交叉口的排放進(jìn)行分析，評價機(jī)動車實(shí)時尾氣排放量，典型的微觀尾氣模型有CMEM、ONRORD等。美國環(huán)保署從2002年起開發(fā)的MOVES模型能夠在宏觀、中觀和微觀不同層次上預(yù)測各種車型的排放[5]。在MOVES的排放計算中，首先對車輛進(jìn)行分類，其分類標(biāo)準(zhǔn)依次為燃油類型、客貨類型、生產(chǎn)年份、排放階段、車齡，然后計算每類車輛在不同運(yùn)行模式下的排放率，接著，按每類車運(yùn)行模式的分布情況，對排放率加權(quán)平均，計算得到總排放。最后，對各階段排放進(jìn)行修正及加和，得到總排放[6]。2.信號控制管理技術(shù)對尾氣排放的影響研究隨著交通擁堵和機(jī)動車尾氣排放的不斷加劇，各位專家學(xué)者在開展宏觀方面研究的同時也把注意力集中向路網(wǎng)的局部區(qū)域，比如采用交通控制措施的特殊路段、交叉口等，并通過研究路段的交通特性和機(jī)動車的運(yùn)行狀態(tài)來分析機(jī)動車的尾氣排放。SugawaraandNiemeier[7]將機(jī)動車尾氣排放作為最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值，并貼近實(shí)際情況的選取了不同平均車速下的尾氣排放情況進(jìn)行了研究。研究結(jié)果顯示，如果將單一的考慮排放最優(yōu)與單一的考慮行程時間最優(yōu)的UE和SO平衡配流模型相比，尾氣排放最優(yōu)的情況下能夠相對的減少排放量，在運(yùn)行條件擁擠的道路網(wǎng)絡(luò)中，結(jié)果非常的明顯，減少量甚至可以達(dá)到30%。Ericsson[8]等通過提取瑞典德隆的交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以交通燃油和污染物排放最小化為目標(biāo)來研究出行者的路徑選擇行為，通過對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析研究，得出了大約46%的機(jī)動車駕駛員在自由選擇駕駛路徑的情況下燃油利用率比較低下，如果通過人為的路徑選擇優(yōu)化可以節(jié)省8.2%的燃料消耗量。Kyoungho[9]通過對機(jī)動車駕駛員實(shí)際選擇行為進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有些駕駛員為了節(jié)省時間或避免擁堵會選擇速度快，耗費(fèi)時間少的出行路徑。基于這種情況，通過對選擇不同路徑的燃油消耗情況和排放情況進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)燃油消耗量和污染物排放量大的路徑往往是行程時間小的路徑，相反，燃油消耗量和污染物排放量小的路徑往往是行程時間和行駛速度較北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文4低的路徑。當(dāng)出行者選擇旅行時間相對較長的路線時能節(jié)省旅行中的燃油消耗，節(jié)省比例能達(dá)到7.63%。Jaeyoung[10]等利用微觀仿真模型TRANSIMS和微觀能耗模型VT-Micro模型相結(jié)合，設(shè)置合理的接口，同時應(yīng)用遺傳算法來研究交通走廊的時間消耗、能耗和排放的問題，研究結(jié)果表明對交通走廊所有交叉口的信號進(jìn)行協(xié)調(diào)控制可以很好的達(dá)到交通控制的目標(biāo)，對比了信號協(xié)調(diào)控制前后的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)進(jìn)行信號協(xié)調(diào)控制后可以節(jié)約近20%的能源消耗，減少8%-20%的污染物排放，節(jié)約27%的時間消耗。Coensel[11]等將交通干線上機(jī)動車污染物的排放和噪音污染作為主要指標(biāo)，構(gòu)造了一個由微觀仿真模型，污染物排放模型和噪音傳播模型組成的綜合模型，通過場景設(shè)置，研究不同交通強(qiáng)度，不同信號控制策略和不同的信號參數(shù)對噪音和主要污染物的排放的影響。研究發(fā)現(xiàn)，合理的進(jìn)行干線綠波帶協(xié)調(diào)控制可以降低10%-40%的污染物的排放，同時交叉口處的噪音排放有所緩解，但路段上的噪音排放卻有一定的增加。Zito[12]用流量探測器和污染物排放檢測器來研究協(xié)調(diào)的交通信號控制策略對路邊的CO和的濃度的影響，文章以信號周期和延誤時間作為基本的變量，通過不同的場景設(shè)計獲得了路邊的CO和的濃度隨信號周期和延誤時間的變化規(guī)律。國內(nèi)學(xué)者在交通管理控制的宏觀層面也做了大量的工作，并取得了豐碩的成果。陸化普[13]等人指出，現(xiàn)行的城市規(guī)劃對于城市道路系統(tǒng)的規(guī)劃考慮的不周全，同時針對交通對環(huán)境的影響和資源的利用情況重視程度不夠，沒有充分考慮交通的發(fā)展與城市發(fā)展之間相互制約、演化的作用，針對存在的各種問題，作者從現(xiàn)在存在的問題出發(fā)提出了基于環(huán)境和能源問題對策的交通規(guī)劃框架流程。Pandian等人研究了交通特性、道路特征和車輛性能對尾氣排放的影響。其中細(xì)致分析了加速、減速、平均速度、駕駛模式、車輛行駛里程對交叉口排放的影響，但該分析只做出了定性的分析和比較，沒有對交叉口排放狀態(tài)進(jìn)行量化評價[14]。Frey等人將車輛在信號交口處的運(yùn)行模式分為車輛勻速、減速、怠速、加速四個狀態(tài)，對應(yīng)每個狀態(tài)下車輛賦予不同的排放速率[15]。Coelho等人研究了環(huán)形交叉口的排放特征，基于車輛比功率的計算方法，將交叉口的車輛運(yùn)行特征分為不停車、1次停車、2次停車三類模式，對每種模式分別計算機(jī)動車比功率排放速率[16]。Midnent等人分析了自適應(yīng)信號控制交叉口的尾氣排放狀況，將交叉口的車輛運(yùn)行特征分為停車和非停車兩類模式，各類模式中又分為加速、減速及怠速狀態(tài)(非停車類運(yùn)行模式不含怠速)，對各狀態(tài)分別計算排放因子，通過本實(shí)驗(yàn)方法的計算，發(fā)現(xiàn)自適應(yīng)信號控制系統(tǒng)比定時信號能夠有效減少交叉口的排放量[17]。宋國北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文5華[18]在其博士論文中對主要的交通能耗和排放的測算方法和預(yù)測模型進(jìn)行了綜述分析，從交通管理和交通規(guī)劃兩個層面研究了車輛的能源消耗和污染物的排放情況，在分析了機(jī)動車比功率（VSP)與輕型車油耗排放的關(guān)系后，VSP被識別為油耗排放建模的解釋變量，結(jié)合VSP聚類方法，提出了油耗排放的標(biāo)準(zhǔn)化方法。然后建立了面向交通管理策略評價的油耗排放量化模型（FETM)。張瀅瀅，陳旭梅等[19]和張瀟[20]利用車載尾氣檢測技術(shù)收集和比較了北京市典型信號協(xié)調(diào)路段與普通路段的實(shí)測尾氣排放數(shù)據(jù)，分析了兩種控制策略下的機(jī)動車尾氣污染水平與分布規(guī)律，結(jié)合微觀交通仿真模型VISSIM和基于VSP變量的尾氣排放建模方法，搭建了微觀交通尾氣仿真平臺，通過實(shí)例仿真評價了不同信號配時和不同交通流量兩種交通控制策略下的尾氣排放。余柳[21]等充分利用了VISSIM微觀仿真軟件的功能，將VISSIM仿真軟件與遺傳算法相結(jié)合，設(shè)置VISSIM微觀仿真軟件的自動調(diào)用程序來進(jìn)行交叉口的信號優(yōu)化過程，在進(jìn)行優(yōu)化過程中將交叉口處的車輛的平均延誤和主要污染物的排放情況進(jìn)行加權(quán)處理，作為優(yōu)化過程的評價指標(biāo)，最后選取典型的實(shí)際交叉口作為研究對象，對所得結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，信號優(yōu)化可以有效的緩解交叉口處車輛的延誤，同時可以一定程度的減少交叉口處車輛污染物的排放。3.交叉口綜合評價研究現(xiàn)狀信號交叉口的交通問題是城市交通系統(tǒng)問題的一個極其重要組成部分，在國內(nèi)外都有大量的研究。國外對信號交叉口評價的重點(diǎn)在于對信號交叉口服務(wù)水平的劃分上，如美國通行能力手冊(HMC2000)采用延誤計算的結(jié)果作為評價指標(biāo)，把交叉口的服務(wù)水平分為A-F六級[22]；日本根據(jù)交通量與通行能力之比即飽和度指標(biāo)將信號交叉口的服務(wù)水平劃分為三個等級[23]；前蘇聯(lián)根據(jù)實(shí)際行駛速度與自由行駛速度之比即速度系數(shù)將信號交叉口服務(wù)水平分為四個等級。國內(nèi)針對交叉口綜合評價的研究主要從綜合評價指標(biāo)體系、綜合評價方法、系統(tǒng)設(shè)計等方面著手展開。吳海燕等[24]在對城市道路交叉口的交通特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等層面選擇指標(biāo)，通過層次分析法建立交叉口綜合評價指標(biāo)體系，并將指標(biāo)進(jìn)行綜合量化，得到了交叉口的綜合評價值。這種方法較全面的考慮了交叉口涉及的多方面因素，對研究交叉口的性能和輔助決策具有其可行性，但是涉及的指標(biāo)較多，指標(biāo)間的相關(guān)性較強(qiáng)，對調(diào)查和收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)帶來了較大的困難。同濟(jì)大學(xué)江欣國[25]等將城市道路交叉口評價系統(tǒng)分為4個子系統(tǒng)，包括交叉口布局指標(biāo)、營運(yùn)指標(biāo)、管理指標(biāo)和環(huán)境指標(biāo)，并分別給出了北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文6各個子系統(tǒng)的相關(guān)指標(biāo)及其評價指標(biāo)等級的建議值，采用系統(tǒng)工程中的矩陣綜合評分法和特爾斐法(Delphi)進(jìn)行綜合評價。湖南大學(xué)李嘉等[26]對我國混合交通交叉口的綜合質(zhì)量評價進(jìn)行了嘗試并提供了有益的思路。針對我國機(jī)動車、非機(jī)動車和行人在交叉口混行嚴(yán)重的特點(diǎn)，采用五個指標(biāo)全面反映混合交通狀況下交叉口的綜合性能，運(yùn)用灰色聚類綜合評價的方法對交叉口綜合質(zhì)量進(jìn)行灰色評價。北京工業(yè)大學(xué)的楊峰[27]從分析信號交叉口的系統(tǒng)特性入手，探討與交叉口相關(guān)的各種因素，從效率、安全和環(huán)境三個方面出發(fā)，建立了評價指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)體系。然后，參考以往的研究并結(jié)合一些實(shí)測數(shù)據(jù)的分析，采用定量與定性結(jié)合的方法確定了各項(xiàng)評價指標(biāo)及其分級標(biāo)準(zhǔn)。并用層次分析法確定各評價指標(biāo)的權(quán)重，建立綜合評價模型。江蘇大學(xué)的陶經(jīng)輝[28]提出了對各種常用評價指標(biāo)進(jìn)行篩選的各種方法和用于指標(biāo)相關(guān)性粗選的最小獨(dú)立變量模糊聚類方法。次要指標(biāo)篩選采用保持信號交叉口綜合實(shí)力按線性加權(quán)效應(yīng)排序其順序不變的方法，并對該法進(jìn)行了探討。借助于專家咨詢和層次分析法原理，建立了信號交叉口交通系統(tǒng)分層評價指標(biāo)體系，并給出了評價標(biāo)準(zhǔn)建議值。在對信號交叉口交通系統(tǒng)綜合實(shí)力排序方法進(jìn)行系統(tǒng)地探討之后，指出單一準(zhǔn)則下不同的指標(biāo)權(quán)重計算方法，并對具體信號交叉口進(jìn)行了應(yīng)用性研究。同濟(jì)大學(xué)楊曉光[29]等總結(jié)了適合我國混合交通的交叉口交通設(shè)計評價方法，開發(fā)設(shè)計了城市道路交叉口交通設(shè)計評價軟件，選用的交通效益指標(biāo)為:通行能力及飽和度、延誤及服務(wù)水平、停車次數(shù)和排隊(duì)長度，提供了一套簡易、實(shí)用的評價工具。1.4本文主要研究內(nèi)容和技術(shù)路線1.4.1主要研究內(nèi)容本論文的研究目標(biāo)在于以信號交叉口尾氣排放作為一項(xiàng)重要評價來建立交叉口綜合評價體系，研究信號交叉口處交通控制管理技術(shù)對機(jī)動車尾氣排放情況的影響，借助微觀交通仿真模型、機(jī)動車排放模型構(gòu)建交叉口微觀尾氣排放模型，并將計算結(jié)果作為交叉口環(huán)境評價指標(biāo)對交叉口進(jìn)行綜合評價。評價基于主成分分析法來確定運(yùn)行指標(biāo)、安全指標(biāo)與環(huán)境指標(biāo)之間的權(quán)重，建立交叉口綜合評價模型，并通過案例研究,對所提的方法進(jìn)行論證。針對以上研究目標(biāo)，本論文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面:1.研究現(xiàn)狀分析北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文7對城市道路交叉口的交通特性、尾氣排放特性及評價指標(biāo)等做了詳細(xì)的分析，從機(jī)動車尾氣排放研究、交通管理控制技術(shù)對尾氣排放的影響和交叉口綜合評價的研究三方面對國內(nèi)外的研究進(jìn)行了綜述。2.交叉口綜合評價綜述針對交叉口綜合評價評價方法的意義、特點(diǎn)及適用情況進(jìn)行詳細(xì)的研究；同時對交叉口綜合評價中各單項(xiàng)指標(biāo)的含義、評價標(biāo)準(zhǔn)及計算方法進(jìn)行了詳細(xì)的說明，為建立信號交叉口綜合評價體系提供了充足的理論基礎(chǔ)。3.建立基于車輛運(yùn)行狀態(tài)的交叉口尾氣計算排放模型從城市信號交叉口處交通特性入手，引入比功率參數(shù)來描述車輛運(yùn)性工況與污染物排放因子之間的關(guān)系，并給出各VSP區(qū)間內(nèi)機(jī)動車的污染物排放因子，利用交叉口處車輛運(yùn)行狀態(tài)將交通微觀仿真模型與尾氣排放模型相結(jié)合，建立基于車輛運(yùn)行狀態(tài)的交叉口尾氣排放計算模型。4.建立城市道路平面信號交叉口的綜合評價指標(biāo)體系針對城市道路平面交叉口的特點(diǎn)，建立交叉口綜合評價指標(biāo)體系并主成分分析法確定各評價指標(biāo)權(quán)重，建立綜合評價體系。5.實(shí)例分析在實(shí)際調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用VISSIM對若干交叉口的交通狀況進(jìn)行仿真，利用仿真獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉口綜合評價。1.4.2技術(shù)路線本文研究技術(shù)路線主要從以下幾個方面展開：首先展開國內(nèi)外綜述，整理和分析了目前國內(nèi)外關(guān)于交叉口綜合評價方法和指標(biāo)的研究、機(jī)動車尾氣排放模型以及信號交叉口與尾氣排放之間關(guān)系的研究，這部分內(nèi)容為后續(xù)的研究提供了理論支持和參考依據(jù)。其次，對交叉口處車輛運(yùn)行特性進(jìn)行分析，指出了信號交叉口處周期內(nèi)不同時刻到達(dá)的車輛的運(yùn)行狀態(tài)規(guī)律，并引入VSP參數(shù)刻畫車輛工況與污染物排放因子間的關(guān)系，以此為基礎(chǔ)建立交叉口處的尾氣排放計算模型，以計算得到交叉口處、HC、CO的排放因子。然后依據(jù)交叉口綜合評價指標(biāo)選取原則建立交叉口綜合評價指標(biāo)體系，利用主成分分析法對維數(shù)較高的多個相關(guān)指標(biāo)變量轉(zhuǎn)化為維數(shù)較少的互不相關(guān)的指標(biāo)變量，以得到各評價指標(biāo)的權(quán)重數(shù)，建立基于尾氣排放的交叉口綜合評價模型。北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文8最后針對典型交叉口進(jìn)行實(shí)例分析，利用基于尾氣排放的交叉口綜合評價模型對多個信號交叉口進(jìn)行綜合評價并給出量化性評價指標(biāo)，以驗(yàn)證模型及算法的有效性。國內(nèi)外研究綜述基于車輛運(yùn)行狀態(tài)的交叉口尾氣排放計算模型基于尾氣排放的交叉口綜合評價模型模型應(yīng)用分析機(jī)動車尾氣排放模型交叉口控制管理技術(shù)與尾氣排放交叉口綜合評價方法及評價指標(biāo)總結(jié)VSP參數(shù)交叉口車輛運(yùn)行狀態(tài)分布基于運(yùn)行狀態(tài)的交叉口尾氣排放計算模型基于VSP分布的污染物排放因子車輛運(yùn)行狀態(tài)的VSP分布特性交叉口處總排放因子NoxHCCO評價指標(biāo)體系建立運(yùn)行指標(biāo)環(huán)境指標(biāo)安全指標(biāo)主成分分析法交叉口綜合評價值交叉口綜合評價序列圖1.1技術(shù)路線圖1.5本章小結(jié)本章首先介紹了本論文的選題背景及研究意義，在機(jī)動車保有輛日益增長、北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文9交通環(huán)境日益惡化的情況下，將交叉口處尾氣排放作為一項(xiàng)重要指標(biāo)加入到交叉口綜合評價當(dāng)中。通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析，明確了主要研究內(nèi)容和研究方法，擬提出一種考慮交叉口處車輛運(yùn)行狀態(tài)的尾氣排放計算模型，并綜合考慮機(jī)動車尾氣排放、運(yùn)行效率以及安全因素等建立交叉口綜合評價體系，對交叉口進(jìn)行科學(xué)、合理的評價。北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文10第2章城市道路信號交叉口交通特性分析2.1城市交叉口系統(tǒng)城市道路交叉口作為城市道路網(wǎng)絡(luò)的基本單元，既是城市交通系統(tǒng)的重要節(jié)點(diǎn)，也是交通系統(tǒng)的瓶頸點(diǎn)。因此在要解決城市交通系統(tǒng)問題，通常以交叉口作為入手點(diǎn)進(jìn)行研究。本文以城市平面交叉口作為主要研究對象，平面交叉口是指相交道路都在同一平面之內(nèi)，各種交通流的組織主要采用時間上分離的方法來進(jìn)行：立體交叉口是相交道路不在一個平面上，各條道路通過空間分隔的交叉方式使得各種交通流按照相應(yīng)指向道路運(yùn)行。平面交叉口由兩條以上道路相交構(gòu)成，并依據(jù)服務(wù)功能不同劃分為交通功能區(qū)和公共服務(wù)區(qū)。根據(jù)交叉口交通功能區(qū)按照其服務(wù)對象的不同劃分為機(jī)動車行駛區(qū)、非機(jī)動車行駛區(qū)和人行區(qū)。其中機(jī)動車行駛區(qū)包括機(jī)動車道、信號控制設(shè)施、交叉口渠化設(shè)施以及針對機(jī)動車的交通標(biāo)志等，機(jī)動車行駛區(qū)域是信號交叉口的重要組成部分，也是本研究的核心區(qū)域。非機(jī)動車行駛區(qū)是指非機(jī)動車在路段上行駛區(qū)域在交叉口處的延伸部分，通常在交叉口處非機(jī)動車行駛區(qū)并不明顯。信號交叉口行人區(qū)是指交叉口處專供行人使用的區(qū)域，主要包括步行街、道路人行道、行人過街設(shè)施(主要是地下通道、天橋和人行橫道)以及其他輔助行人的道路設(shè)施等。交叉口公共服務(wù)區(qū)是指交叉口區(qū)域內(nèi)除了交通服務(wù)區(qū)以外的其他區(qū)域，如交叉口周邊的商業(yè)設(shè)施、居民樓、城市廣場等其他公共設(shè)施。交叉口功能區(qū)的劃分決定了交叉口交通運(yùn)行的多樣性和復(fù)雜性，只有充分考慮交叉口的交通服務(wù)和公共服務(wù)兩種功能，才能實(shí)現(xiàn)交通主體和客觀環(huán)境之間的協(xié)調(diào)高效。根據(jù)交通參與者的實(shí)際交通狀態(tài)變化強(qiáng)弱的不同可以分為交叉口內(nèi)部區(qū)域和交叉口外部區(qū)域。交叉口內(nèi)部區(qū)域指的就是傳統(tǒng)的交叉口內(nèi)部空間區(qū)域，即機(jī)動車停車線斷面圍城的區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)交通主體的交通狀態(tài)改變明顯，是研究交叉口交通的主要研究部分；交叉口外部區(qū)域指的是影響交通參與者行為的起始位置或道路橫斷面變化位置(機(jī)動車道增減處)直至停車線的范圍，該區(qū)域是交叉口與路段的銜接處和過渡帶[30]。由于交叉口特性和信號控制管理技術(shù)的存在，交叉口功能會對交通主題的運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響，如車輛在通過交叉口的過程中會發(fā)生減速停車、啟動加速、車道變換等明顯的交通運(yùn)行狀態(tài)的變化，這一系列交通北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文11主體狀態(tài)的變化，通常都在交叉口內(nèi)部區(qū)域發(fā)生。2.2信號交叉口交通特性分析道路交叉口作為城市交通系統(tǒng)微觀層面上最關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)，其效用在于將道路網(wǎng)絡(luò)中不同方向上的道路串聯(lián)起來形成一個整體，使得道路網(wǎng)絡(luò)中機(jī)動車可以完成左右轉(zhuǎn)、掉頭、直行等交通行為[31]。由于多個方向交通流在交叉口處的交匯，使得此處交通沖突點(diǎn)增加，各方向交通流特性因此受到影響。2.2.1交通沖突特性1.交叉口沖突特性分析交叉口的控制方式經(jīng)歷了從無信號相位到增加信號相位再到減少信號相位的螺旋上升過程。主干道上的交叉口，由于交通流量較大，所以通常針對直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和掉頭方向都有明確的信號控制，使得車輛按照詳盡的信號指示行駛以避免發(fā)生交通沖突。非主干道上的交叉口，由于交通流量通常較小，為了提高交叉口的通行效率，減少不必要的信號等待時間，通常只設(shè)置直行信號控制。在這種情況下，由于左轉(zhuǎn)交通流沒有相應(yīng)的信號控制，因而在行駛過程中左轉(zhuǎn)車輛與直行車輛將會發(fā)生交通沖突，為保證直行車輛的優(yōu)先通行權(quán)，此時左轉(zhuǎn)車輛通常需要避讓，必要時候需要停車等候。不同方向的交通流進(jìn)入交叉口后以較大的角度互相穿行時會形成交叉，在這一過程中可能發(fā)生碰撞的點(diǎn)稱為交通沖突點(diǎn)。在交叉口處，交通沖突點(diǎn)越多，對交叉口安全及通行能力的影響越大。按照交通沖突方式劃分，交叉口沖突點(diǎn)可以劃分為交叉沖突點(diǎn)、合流沖突點(diǎn)和分流沖突點(diǎn)。(a)(b)(c)圖2.1交叉口交通沖突點(diǎn)劃分(a)交叉沖突點(diǎn)；(b)合流沖突點(diǎn)；(c)分流沖突點(diǎn)北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文12由于信號交叉口處信號控制技術(shù)的存在，車流通過交叉口時在一個信號周期內(nèi)，會經(jīng)歷會遇到紅燈而停車等待，當(dāng)綠燈開啟后加速行駛并最終以均一的流率通過交叉口這一過程。因此交叉口信號的設(shè)置對車輛行駛狀況和交通沖突點(diǎn)都有著很大的影響。在只考慮機(jī)動車沖突點(diǎn)的情況下，以單車道為例，信號交叉口沖突點(diǎn)分布如圖2.2所示。交叉沖突點(diǎn)合流沖突點(diǎn)分流沖突點(diǎn)圖2.2信號交叉口機(jī)動車沖突點(diǎn)分布表2.1和表2.2分別給出在僅考慮機(jī)動車情況下和考慮行人、非機(jī)動對機(jī)動車流的影響的情況下，信號交叉口各類沖突點(diǎn)的出現(xiàn)情況。表2.1信號交叉口處機(jī)動車沖突點(diǎn)統(tǒng)計表沖突點(diǎn)類型交叉沖突點(diǎn)合流沖突點(diǎn)分流沖突點(diǎn)總計沖突點(diǎn)個數(shù)2248北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文13表2.2信號交叉口機(jī)動車、非機(jī)動車、行人間沖突點(diǎn)統(tǒng)計表沖突對象交叉沖突點(diǎn)合流沖突點(diǎn)分流沖突點(diǎn)小計機(jī)-機(jī)2248機(jī)-非1212機(jī)-人22非-非2248非-人22總計204832由表2.1和表2.2對比可以看出，信號交叉口非機(jī)動車和行人使得沖突點(diǎn)大量增加，嚴(yán)重影響了信號交叉口的安全和交通運(yùn)行情況，在對信號交叉口進(jìn)行評價時，應(yīng)考慮非機(jī)動車及行人對交通流的影響，以實(shí)現(xiàn)交叉口評價的全面性和合理性。2.左轉(zhuǎn)車流沖突特性分析在交叉口車輛運(yùn)行過程中，左轉(zhuǎn)車流面臨著來自對向直行車輛及同向車輛的潛在威脅。在眾多與左轉(zhuǎn)車輛發(fā)生的沖突中，左轉(zhuǎn)車輛與對向直行車輛之間產(chǎn)生的沖突是最為普遍且危險性最大的。（1）左轉(zhuǎn)車流的空間沖突目前交叉口信號的工作方式為依次開放不同方向的信號，輪流給予不同相位的車輛和行人通行權(quán)。不同相位的劃分從時間上隔離了不同方向車流，減少了不同方向車輛間的沖突點(diǎn)，但左轉(zhuǎn)車輛與對向直行車輛之間的沖突點(diǎn)仍然存在。由于左轉(zhuǎn)及對向直行方向車道數(shù)目不同，其車流交叉方式也不同，造成的沖突程度也不相同。具體交叉方式劃分如圖2.3所示。方式a方式b方式c方式d方式e圖2.3信號交叉口左轉(zhuǎn)車流交叉方式（2）左轉(zhuǎn)車流的交通影響分析北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文14左轉(zhuǎn)交通流對交叉口交通的影響主要有以下三個方面：第一，直行車流交通沖突點(diǎn)增加。在信號控制下平面交叉口避免了直行車流之間的正面沖突，但交叉口處的左轉(zhuǎn)車流增加了交通流之間的交叉沖突點(diǎn)，同時左轉(zhuǎn)車流還會產(chǎn)生合流沖突點(diǎn)和分流沖突點(diǎn)。這些沖突點(diǎn)直接影響了各個相位直行車流行駛的平順性，使得個方向車流行駛速度降低，交通安全隱患增加，嚴(yán)重影響到信號交叉口的整體運(yùn)行效能。第二，非機(jī)動車及行人沖突點(diǎn)增加。左轉(zhuǎn)車輛與非機(jī)動車和行人間產(chǎn)生交叉沖突點(diǎn)，這些沖突點(diǎn)不僅易引發(fā)交通事故，更影響了非機(jī)動車和行人的通行能力，影響了交叉口處機(jī)動車和行人的通行。第三，周期內(nèi)左轉(zhuǎn)車流無法全部駛離。當(dāng)信號交叉口沒有為左轉(zhuǎn)交通流設(shè)置單獨(dú)的相位時，說明直行方向交通量遠(yuǎn)高于左轉(zhuǎn)方向交通量。在這種情況下，在同一個相位內(nèi)，左轉(zhuǎn)車輛很難獲得穿過直行車流的機(jī)會，使得一個信號周期內(nèi)到達(dá)的左轉(zhuǎn)交通流無法全部駛離，阻擋了下一個相位車輛的行駛，嚴(yán)重影響了交叉口處的交通組織。2.2.2信號交叉口機(jī)動車交通流特性分析交叉口處機(jī)動車駕駛?cè)蝿?wù)可分為接近、減速、轉(zhuǎn)彎、離開四個階段，典型的駕駛失誤均有可能在這4個階段發(fā)生[32][33][34]。紅燈期間到達(dá)交叉口的車輛由于紅燈影響，需要減速停車，當(dāng)交叉口處信號由紅燈轉(zhuǎn)為綠燈時，停車線后排隊(duì)的車輛開始啟動加速駛過停車線，其流率會很快由零增加到飽和流量S。此后停車線后的后續(xù)車流將以飽和流量S向前越過停車線，直到停車線后面積存的車輛全部放行完畢，或者雖未放行完畢但綠燈時間已經(jīng)截止[35]。在綠燈開啟的最初幾秒，停車線后車輛從靜止?fàn)顟B(tài)開始加速并逐漸達(dá)到正常行駛速度，此時交叉口出口處流率變化很大，且稍低于飽和流率S。同理當(dāng)綠燈結(jié)束黃燈開啟或綠燈結(jié)束前最后幾秒時，由于車輛已經(jīng)采取的制動措施開始減速行駛，因此此時通過交叉口的流率開始逐漸下降。由以上研究可以發(fā)現(xiàn)，車流通過交叉口時損失的時間與交叉口處信號相關(guān)。當(dāng)交叉口信號綠燈剛開啟時，交叉口處排隊(duì)車輛受到啟動損失和加速損失的影響，總損失時間較長；當(dāng)綠燈開啟一段時間后，停車線后排隊(duì)的車輛逐漸消散，啟動損失和加速損失對機(jī)動車車頭時距的影響逐漸消失，此時車流的總損失逐漸趨于穩(wěn)定，車頭時距穩(wěn)定在一個特定數(shù)值附近。北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文152.3本章小結(jié)本章對交叉口功能區(qū)域進(jìn)行劃分，明確了本文研究對象及在信號交叉口處的研究范圍。同時從交通沖突點(diǎn)和交通流特性角度對信號交叉口交通特性進(jìn)行分析，指出了交叉口沖突點(diǎn)和交通流狀況尤其是左轉(zhuǎn)交通流狀態(tài)對交叉口運(yùn)行狀況的影響，為研究交通流運(yùn)行狀態(tài)對尾氣排放的影響以及對交叉口盡心綜合評價提供了充足的理論基礎(chǔ)。北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文16第3章交叉口綜合評價方法及評價指標(biāo)3.1評價方法城市道路信號交叉口是一個復(fù)雜、全方位的系統(tǒng)，因此對交叉口進(jìn)行評價時需要綜合考慮多方面的因素，構(gòu)建合理的評價指標(biāo)體系，運(yùn)用適當(dāng)?shù)木C合評價方法，以實(shí)現(xiàn)對信號交叉口科學(xué)、有效地評價。隨著交通行業(yè)研究的不斷深入，越來越多的綜合評價方法應(yīng)用到交通系統(tǒng)評價當(dāng)中，常用的方法包括Delphi法、主成分分析法、聚類分析法、灰色關(guān)聯(lián)度法、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法、層次分析法、模糊綜合評價法等。1.Delphi法Delphi法,即專家咨詢法,是將需要評價的決策問題通過各種通訊途徑發(fā)到專家手中，由專家提出相關(guān)意見和建議,最終整理出綜合性意見。具體步驟包括：①組成2~50人專家小組,禁止專家之間對于評價內(nèi)容的溝通交流；②向?qū)＜姨峁﹩栴}相關(guān)資料；③專家提出決策意見并闡述理由；④調(diào)查員進(jìn)行匯總，將匯總結(jié)果返回至各位評審專家，請專家研讀,進(jìn)行判斷和修改；⑤再次收集結(jié)果，匯總后發(fā)放給各專家，逐輪修改，直到所有專家堅定個人評價結(jié)果為止；⑥調(diào)查員對最終結(jié)果進(jìn)行總結(jié)。Delphi法通過對專家意見的反復(fù)問詢、總結(jié)、修改、匯總，使各專家意見逐步集中，最終得到統(tǒng)一的專業(yè)一致性建議，從而做出較為正確的判斷。由于該方法涉及專家較多，主觀性較強(qiáng)，在一定程度上不是十分可靠，一般情況用于一些不是很復(fù)雜的系統(tǒng)的評價。2.主成分分析法主成分分析法是一種對多個變量進(jìn)行綜合分析的方法。主要通過將多個指標(biāo)進(jìn)行正交變換，轉(zhuǎn)換為新的隨機(jī)變量，將高維系統(tǒng)進(jìn)行降維得到低維系統(tǒng)后，構(gòu)造價值函數(shù)，再次變換為一維系統(tǒng),最終簡化為幾個綜合性指標(biāo)。該方法能夠減少指標(biāo)之間的信息重疊，降低其相關(guān)性，化繁為簡，將復(fù)雜的多維空間轉(zhuǎn)換為簡單的低維空間，通過主要因子對系統(tǒng)做出評價，是多元統(tǒng)計分析常用方法之一。其具體步驟包括：①建立初始化矩陣，對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；②解得矩陣特征值和特征向量；③根據(jù)方差大小,選擇評價的主成分；④對選擇出的主成分加權(quán)求北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文17和，進(jìn)行綜合評價，獲得評價結(jié)果。3.聚類分析法聚類分析法是一種在研究對象所屬類別信息不清晰的情形之下，根據(jù)研究對象內(nèi)在結(jié)構(gòu)的不同，通過衡量研究對象之間的相似度，對其進(jìn)行分類的數(shù)學(xué)方法。系統(tǒng)聚類分析法具體操作步驟包括：①將每一個研究對象單獨(dú)劃分為一類，若有N個研究對象，則一共劃分為N類；②計算各類之間的距離，將距離最小的兩類合為一類，從而將類別減少到N-1個；③以此類推，將N-1個類別減少到N-2個；④重復(fù)上一個步驟，直到將所有研究對象合為一類為止。通過把所有研究對象逐個進(jìn)行類別合并，完成分析。聚類分析法包含五大類具體方法：離差平方和距離法、類平均距離法、重心距離法、最短/最長距離法、可變法。計算各個類別之間的距離時，主要釆取相似性測量法、歐式距離法、歐式距離平方法等方法。4.灰色關(guān)聯(lián)度法灰色系統(tǒng)，是指由于評判根據(jù)不足、事物發(fā)展變化迅速、各種干擾等原因，導(dǎo)致部分信息不明確、信息不完全的系統(tǒng)?；疑碚搹V泛應(yīng)用于氣象、環(huán)境、軍事、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，通過對系統(tǒng)內(nèi)部特殊規(guī)律的觀測、研究、處理，了解系統(tǒng)內(nèi)部變換規(guī)律，是一種研究數(shù)據(jù)缺失、信息貧乏的不確定問題的方法，能充分利用已知的信息條件，有效的將灰色系統(tǒng)白化?；疑P(guān)聯(lián)度法是基于灰色系統(tǒng)理論的一種動態(tài)研究方法，通過對各要素之間的相似性和差別性的研究，比較各因素之間的時間序列和相互關(guān)系，確定各要素中影響較大的主導(dǎo)因素，量化系統(tǒng)動態(tài)發(fā)展變化狀態(tài)，通過判斷各個要素發(fā)展曲線的相似度，探究系統(tǒng)灰色過程發(fā)展情況，分析其關(guān)聯(lián)程度，以實(shí)現(xiàn)動態(tài)過程的分析研究需求?；疑P(guān)聯(lián)度法根據(jù)灰色過程發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行研究，對樣本量的需求較小，對分布規(guī)律沒有太多要求，在變量數(shù)目較多的情況下，也可以保證關(guān)聯(lián)度量化結(jié)果與定性分析結(jié)果的一致性，在數(shù)據(jù)量不足、資料缺少的評價系統(tǒng)中有著非常廣泛的應(yīng)用。5.數(shù)據(jù)包羅分析法數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法，簡稱DEA，是將需要評價的對象及其重要性進(jìn)行匯總，在考慮用戶需求的基礎(chǔ)上，由各單位按照自身的特殊性，選擇各自的評價權(quán)重系數(shù)，計算出代表該單位的效率值，主要用于評價相同類型的部門之間的相對有效性，是應(yīng)用于多輸入多輸出問題的多目標(biāo)評價方法。數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法通過比較特定對北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文18象和一組類似對象的績效，最大化評價對象的效率，通過比較獲得百分之百效率的對象即為相對有效率對象，剩余對象則是相對無效率對象，該方法可以有效識別不同對象的效率性情況，為進(jìn)一步研究減低無效率性的方法提供基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法在公共交通評價領(lǐng)域的應(yīng)用,將不同的評價指標(biāo)統(tǒng)一起來，為可靠性水平的評價提供綜合性指標(biāo)，便于對各條公交線路的對比分析，便于薄弱站點(diǎn)、區(qū)間、線路的識別。6.層次分析法層次分析法，簡稱AHP，是一種系統(tǒng)化分析方法，能夠有效的將定性分析與定量分析相結(jié)合。層次分析法根據(jù)研究對象本身的性質(zhì)和評價要達(dá)到的總體目標(biāo)，將復(fù)雜的研究因素分解為多個不同的決策因素，并依據(jù)這些因素相互間的內(nèi)部關(guān)系將其為相互關(guān)聯(lián)的、階梯狀的有序?qū)哟危越⒍鄬哟?、系統(tǒng)化分析模型。進(jìn)而對每一層各個因素的重要性進(jìn)行相互之間的比較，確定下一層每一個要素對上一層要素的重要程度，最終計算得出底層指標(biāo)要素對于最高層總目標(biāo)的影響和貢獻(xiàn)程度，即權(quán)值。層次分析法將人們主觀定性判斷轉(zhuǎn)換為定量數(shù)學(xué)表達(dá)，將錯綜復(fù)雜的關(guān)系和決策思維過程系統(tǒng)化、數(shù)字化，將需要判斷的各個元素之間的差異數(shù)值化，使決策過程更加系統(tǒng)、透明、方便、簡潔，能夠保持人們思維過程的一致性，具體步驟包括：①根據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)，建立高、中、低層次結(jié)構(gòu)；②構(gòu)造、檢驗(yàn)、修正判斷矩陣；③層次單排序，計算相鄰層次元素間重要度權(quán)值；④完成判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)；⑤層次總排序，計算所有評價因素的權(quán)值。層次分析法可靈活、有序的對復(fù)雜的多項(xiàng)因素進(jìn)行定性定量相結(jié)合評價，適用于處理多層次、多目標(biāo)、多準(zhǔn)則、多要素的綜合性問題，具有較優(yōu)的問題有效性和實(shí)施可行性。7.模糊綜合評價法模糊綜合評價法，對現(xiàn)實(shí)中存在的不能用一個精確值來描述的問題，基于模糊關(guān)系合成原理，利用模糊變換和最大隸屬度方法，根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)測值，對研究對象的各個指標(biāo)進(jìn)行分析，對無法量化的指標(biāo)進(jìn)行研究將定性分析轉(zhuǎn)換為定量分析，在論域內(nèi)的各個方案之間進(jìn)行相互對比，選擇相對較優(yōu)方案。該方法數(shù)學(xué)模型包括因素集、權(quán)重集、評價集，首先建立單位因素模糊矩陣，進(jìn)而建立模糊評價模型，將多指標(biāo)問題綜合成為一個單指標(biāo)問題，是一種基于模糊數(shù)學(xué)理論、對多種因素共同影響的事物進(jìn)行綜合評價的方法?，F(xiàn)實(shí)中有很多對于事物的評價都是模糊的，沒有明確的界限，并且一般情況北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文19不僅由一種因素決定，往往由多種指標(biāo)共同決定，這樣能夠減少單方面指標(biāo)評價帶來的片面性。模糊綜合評價法針對評價過程的非線性評價論域，對眾多指標(biāo)進(jìn)行綜合量化運(yùn)算，系統(tǒng)性強(qiáng)，評價結(jié)果清晰，能夠有效的將定性化指標(biāo)進(jìn)行定量化處理，是解決模糊非確定性評價問題的一種常用辦法。3.2交叉口綜合評價指標(biāo)3.2.1交叉口運(yùn)營指標(biāo)1．延誤延誤是指由于交通干擾、交通管理及控制設(shè)施等因素引起的車輛運(yùn)行時間損失。它可以從車輛通過交叉口所產(chǎn)生的時間損失、駕駛員舒適性及油耗等多方面反映出交叉口運(yùn)行狀態(tài)，是評價信號交叉口服務(wù)水平的重要指標(biāo)。根據(jù)延誤發(fā)生的原因可分為固定延誤、運(yùn)行延誤、停車延誤、行程時間延誤、排隊(duì)延誤、引道延誤和控制延誤等。根據(jù)《美國通行能力手冊》提出的2000版HCM模型規(guī)定，通常采用控制延誤作為劃分信號交叉口服務(wù)水平的依據(jù)。2000年版《美國能力通行手冊》中交叉口車道延誤計算公式為公式(2-1)和公式(2-2)所示。1)當(dāng)無出示車輛排隊(duì)時（即）時，(3-1)2)當(dāng)存在初始車輛排隊(duì)（即）時，(3-2)當(dāng)X≤1.0,且t=T時:，；當(dāng)X≤1.0,且t=min時:,；當(dāng)X>1.0時:,,。式中，P為車輛在綠燈時間的到達(dá)比率；為綠燈時車隊(duì)到達(dá)補(bǔ)充調(diào)節(jié)系數(shù)；C為信號周期；g為有效綠燈時間；X為飽和度；T為調(diào)查交叉口的延誤時間；k為取決與信號設(shè)置的延誤增加系數(shù)；L為上游合流、分流的調(diào)節(jié)系數(shù)；c為通行能力（輛/h）；為調(diào)查開始時出事排隊(duì)車輛數(shù)；t為調(diào)查時間段T內(nèi)未存在車輛北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文20排隊(duì)的時間區(qū)間；u為延誤參數(shù)。2.飽和度[36]在交通信號控制中，飽和度是指交通量與通行能力之比，用以描述交叉口交通需求與供給之間平衡的程度。飽和度是反映交叉口交通運(yùn)行狀況的一個定量化參數(shù)，飽和度數(shù)值越大說明交叉口的飽和程度也越高。交叉口飽和度反映所有相位交通供求之間平衡的程度，它取相位飽和度中的最大值，而并不是各相位飽和度之和，當(dāng)各個相位的飽和度均小于1，即均運(yùn)行于欠飽和時，整個交叉口自然運(yùn)行于欠飽和，交叉口飽和度就小于1。相反，相位飽和度中只要有一個大于1，則整個交叉口就處于過飽和狀況，交叉口飽和度也就大于1。即:（3-3）（3-4）式中：X為交叉口飽和度；為相位i飽和度；為相位i關(guān)鍵車道到達(dá)交通量（率），輛/h（輛/s）；為相位i關(guān)鍵車道通行能力，輛/h（輛/s）；i為第i相位，；n為交叉口相位總數(shù)。當(dāng)交叉口飽和度接近或超過1.0時，交叉口處于擁擠狀態(tài)，在這種情況下，只通過延誤來判定交叉口的運(yùn)行狀態(tài)是不合適的，需要結(jié)合飽和度來進(jìn)行評價，以確定其服務(wù)水平（表3.1）。表3.1考慮飽和度的信號交叉口服務(wù)水平劃分服務(wù)水平停車延誤(s)飽和度（v/c）A5.00.90B5.0~15.0C15.1~25.0D25.1~40.0E40.1~60.0F1.0北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文213.交叉口利用率信號交叉口的通行能力是以飽和流量和飽和流率的概念為基礎(chǔ)的。飽和流率的定義為在通常的道路和交通條件下，能通過交叉口指定的引道或車道組的最大流率(假定引道或車道組有100%的實(shí)際時間作為有效綠燈時間)。交叉口的利用率等于到達(dá)率與通行能力的比值。利用率根據(jù)車道組或各引道來確定，這不僅能使評價結(jié)果更為有效，而且還能對路網(wǎng)交通流的調(diào)配提供指導(dǎo)。對于指定的引道或車道組i。（3-5）式中：為引道或車道組i的利用率；為引道或車道組i的車輛到達(dá)率，veh/h；為引道或車道組i的通行能力，veh/h；為引道或車道組i的飽和流率，veh/h；為引道或車道組i的綠信比。交叉口利用率與飽和度不同，飽和度只是針對獨(dú)立的交叉口，反映的是交叉口的擁擠狀況，作為延誤評價的一種輔助手段，飽和度越小，交叉口的服務(wù)水平越高，與延誤評價一致。而利用率指標(biāo)不僅立足于交叉口，還包含有路網(wǎng)與交叉口的相互作用含義。4.排隊(duì)長度排隊(duì)長度是指停駛車輛占用道路的空間長度，它是交叉口控制效果評價的一個重要指標(biāo)，根據(jù)車流到達(dá)累積曲線和車流駛離累積曲線，就可以確定出交叉口在t時刻的排隊(duì)車輛數(shù)為：NtQtSt（3-6）式中：Nt為t時刻的排隊(duì)車輛數(shù)。在實(shí)際，排隊(duì)長度指標(biāo)主要有平均排隊(duì)長度、最大排隊(duì)長度以及二次排隊(duì)長度，下面分別對它們進(jìn)行介紹。1)最大排隊(duì)長度最大排隊(duì)長度是交通系統(tǒng)中常見的指標(biāo)，它主要用于防止車輛排隊(duì)過長上溯到上游交叉口而導(dǎo)致多個交叉口陷入交通癱瘓的境地。在交通系統(tǒng)中，如果綠燈期間的駛離率大于車輛的到達(dá)率，則可以認(rèn)為紅燈截止，綠燈開始時刻的排隊(duì)車輛數(shù)為最大排隊(duì)車輛數(shù)，即北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文22NNrm（3-7）式中：mN為車流最大排隊(duì)車輛數(shù)；Nr為紅燈結(jié)束時刻的排隊(duì)車輛數(shù)。如果綠燈期間的駛離率小于車輛的到達(dá)率，那么車輛就會越積越多，各個周期的最大排隊(duì)長度也會越來越大。此時各個周期的最大排隊(duì)長度則會出現(xiàn)在周期結(jié)束時刻，即，NNcm（3-8）式中：Nc為整個周期結(jié)束時刻排隊(duì)車輛數(shù)。2)二次排隊(duì)長度的確定二次排隊(duì)長度是過飽和狀態(tài)的主要表現(xiàn)。如果不產(chǎn)生過飽和狀態(tài)，就不會有二次排隊(duì)；如果產(chǎn)生過飽和狀態(tài)，則二次排隊(duì)長度就不0，而且隨著過飽和程度的加劇，值會越來越大。二次排隊(duì)長度是指在綠燈起始時刻到達(dá)交叉口的所有車輛中，在這次綠燈期間無法離開交叉口的那部分車輛形成的排隊(duì)長度，即：NQcSco（3-9）式中：ON為車流二次排隊(duì)車輛數(shù)；Qc為綠燈結(jié)束時刻的到達(dá)累積車輛數(shù)；Sc為綠燈結(jié)束時刻的駛離累積車輛數(shù)。3)平均排隊(duì)長度的確定平均排隊(duì)長度，反映交叉口在整個周期中的排隊(duì)長度情況，用于判斷交叉口的整體排隊(duì)是否過長。它根據(jù)周期各個時刻的排隊(duì)長度模型確定，即：ctNENttNtdt（3-10）式中：N為進(jìn)口道某股車流平均排隊(duì)長度，m。3.2.2交叉口安全指標(biāo)1.事故率法[37]交叉口交通事故率是評價交叉口安全的綜合性指標(biāo)。交叉口事故率有每百萬臺車發(fā)生交通事故的次數(shù)表示：(3-11)北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文23式中：為交叉口事故率，次/100萬臺車；D為交叉口范圍內(nèi)發(fā)生的事故次數(shù)；V為通過交叉口的車輛數(shù)。2.交通沖突指數(shù)交叉口作為各種車輛進(jìn)行匯集和轉(zhuǎn)向的區(qū)域，不同流向的車輛之間會發(fā)生沖突，這也是交叉口交通事故不可避免的根本原因。交叉口沖突點(diǎn)的數(shù)量與交叉口的事故率密切相關(guān)，能夠較敏感地反映不同形式或不同信號控制策略下交叉口的安全狀況。所以將交叉口沖突點(diǎn)數(shù)量的多少作為一項(xiàng)指標(biāo)來表征交叉口的安全程度是可行的，也是有效的。為了使指標(biāo)具有可比性，采用沖突點(diǎn)面密度，即交叉口每百平方米沖突點(diǎn)的數(shù)量來表示。由于不同類型沖突點(diǎn)造成的事故嚴(yán)重程度不同，因此以沖突點(diǎn)作為交叉口評價指標(biāo)是，可以對不同類型的沖突點(diǎn)（分流沖突點(diǎn)、合流沖突點(diǎn)、交叉口沖突點(diǎn)）賦予一個相應(yīng)的權(quán)重，并對其求和得到交叉口沖突點(diǎn)總數(shù)。沖突點(diǎn)面密度指的是交叉口幾何區(qū)域內(nèi)每100所存在的等效沖突點(diǎn)數(shù)量。交叉口的等效沖突點(diǎn)數(shù)計算公式如下：（3-12）式中:C為交叉口沖突指數(shù)；為沖突點(diǎn)對于事故嚴(yán)重程度的相對權(quán)重；為沖突點(diǎn)數(shù)；i為沖突點(diǎn)類型。大量研究表明交叉口處分流沖突點(diǎn)易導(dǎo)致追尾事故，合流沖突點(diǎn)易導(dǎo)致側(cè)面碰撞事故，交叉沖突點(diǎn)易導(dǎo)致迎面碰撞和直角碰撞事故。因此，在賦予權(quán)重時，通常交叉沖突點(diǎn)權(quán)重最高，合流沖突點(diǎn)其次，分流沖突點(diǎn)權(quán)重最低。交叉口環(huán)境指標(biāo)城市交通在環(huán)境污染方面主要有機(jī)動車排放廢氣、交通灰塵、機(jī)動車制動和運(yùn)行所帶來的交通噪聲及交通振動等。常用于交叉口評價的指標(biāo)有空氣質(zhì)量指標(biāo)和噪聲指標(biāo)等。1.空氣質(zhì)量指標(biāo)機(jī)動車污染物排放的指標(biāo)有很多，其中最常用機(jī)動車排放因子來刻畫機(jī)動車的尾氣排放情況。所謂機(jī)動車排放因子，是指一輛機(jī)動車運(yùn)行單位里程或小時或3.2.3北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文24消耗單位燃料所排放的污染物的量，其單位為g/km、g/kg或g/s。通過機(jī)動車排放因子來比較不同車輛的排放情況，可以消除由于機(jī)動車類型、運(yùn)行狀況等因素不同造成的非可比性，為進(jìn)行交通排放的評估提供了良好的工具[38]。獲得機(jī)動車排放因子通常有兩種方式，一種方式是通過現(xiàn)有的排放模型來計算機(jī)動車的排放因子，另一種方式是利用機(jī)動車尾氣實(shí)測方法來獲取機(jī)動車的排放因子。排放因子用來反映機(jī)動車的排放水平，為進(jìn)行尾氣排放控制對策研究提供最基本的依據(jù)，會受到很多因素的影響，其中包括車輛的行駛工況、車輛的發(fā)動機(jī)類型、外界的運(yùn)行環(huán)境、駕駛情況和燃料類型等。機(jī)動車的主要污染物排放包括以下幾種[39]：(1)氮氧化物燃料在高溫燃燒過程中剩余的氧與氮化合形成的產(chǎn)物就是氮氧化物,機(jī)動車排放中主要是N0，約占95%；其次是，約占5%。NO是一種無色微刺激性氣體，當(dāng)其濃度達(dá)到一定值時會給人和動物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)帶來危害。作為赤褐色的刺激性氣體對人類的生活和健康有很大的影響，當(dāng)人吸入后，由于其溶解性較低，很難被上呼吸道吸收，就會進(jìn)入到下呼吸道以及肺部，并會在這些部位造成嚴(yán)重的危害，甚至?xí)斐煞尾克[及而危害生命。(2)一氧化碳CO一氧化碳是有機(jī)物氧化物燃燒的中間產(chǎn)物，是機(jī)動車及內(nèi)燃機(jī)排氣中有害濃度最大的產(chǎn)物。機(jī)動車排放產(chǎn)生了現(xiàn)代城市空氣污染中80%左右的CO。CO是一種無色無味的有毒氣體，由機(jī)動車燃料的不完全燃燒產(chǎn)生，被人體吸收后，能與比氧氣強(qiáng)20倍的結(jié)合能力同血液中的血紅蛋白結(jié)合，使體內(nèi)的供氧量不足，繼而造成中樞神經(jīng)麻搏，使人發(fā)生頭痛、惡心等癥狀,嚴(yán)重時會危害人的生命。此外，CO還會對胎兒和幼兒的生長發(fā)育造成很嚴(yán)重的影響。(3)碳?xì)浠衔颒C碳氧化合物HC是僅由碳和氧兩種元素組成的有機(jī)化合物,又叫烴。烷烴、烴、環(huán)烷烴、稀烴、芳香族化合物和含氧化合物醛、醇、醚類和酮類等是機(jī)動車排放中的主要的碳?xì)浠衔锝M成。這些碳?xì)浠衔锒紩谝欢ǔ潭壬蠈θ梭w造成危害，包括刺激雙眼和呼吸道，引起惡心、貧血等。(4)光化學(xué)煙霧光化學(xué)煙霧是碳氧化合物(HC)和氮氧化物()等一次污染物在陽光(紫外光)作用下會發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)生成二次污染物，參與光化學(xué)反應(yīng)過程的一次污染北京理工大學(xué)碩士畢業(yè)論文25物和二次污染物的混合物所形成的煙霧污染現(xiàn)象。它會危害人類和動物的健康、影響農(nóng)作物的生長、對建筑物造成破壞、降低大氣的能見度，繼而增加交通事故發(fā)生的可能性。(5)微粒機(jī)動車在運(yùn)行過程中會排放許多的固態(tài)和液態(tài)微粒，而這些微粒的直徑一般都在1