低碳導(dǎo)向的信號(hào)交叉口公交站點(diǎn)選址研究

低碳導(dǎo)向的信號(hào)交叉口公交站點(diǎn)選址研究 【摘要】交叉口是城市交通排放的重點(diǎn)區(qū)位，公交站點(diǎn)在交叉口的布設(shè)位置對(duì)整個(gè)交叉口的 能耗和排放均會(huì)造成一定影響。本文結(jié)合微觀能耗排放模型PERE和微觀仿真軟件VISSIM， 搭建了VISSIM-PERE仿真平臺(tái)，用于仿真不同公交站點(diǎn)布設(shè)情況下整個(gè)交叉口能源消耗和排 放。然后選取上海市墨玉路-澤普路交叉口為案例進(jìn)行仿真，分析不同位置的公交?？空军c(diǎn) 和交通流量對(duì)交叉口能耗和排放的影響。結(jié)論表明，道路中低流量情況下信號(hào)交叉口主路公 交?？空疽嗽O(shè)置在進(jìn)口道，可減少公交平均停車次數(shù)，從而減少交叉口能耗和排放；在高流 量情況下則宜采用在出口道設(shè)置方式以減少進(jìn)口道擁擠，降低交叉口能耗和排放。 【關(guān)鍵詞】低碳交通；交叉口能耗；碳排放；公交站點(diǎn)選址；VISSIM-PERE仿真平臺(tái) 1. 研究背景及文獻(xiàn)綜述 4.1 研究背景 隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城市化進(jìn)程的推進(jìn)，我國交通事業(yè)也在飛速地發(fā)展。與此同時(shí)， 城市機(jī)動(dòng)化進(jìn)程也隨之帶來了一系列的問題，交通環(huán)境所造成的污染近年來尤為引人關(guān)注。 汽車所排放的尾氣中，有大量的氮氧化物、硫化物、PM2.5等有害物。從世界范圍看，交通 運(yùn)輸是溫室氣體排放的主要領(lǐng)域之一，發(fā)達(dá)國家道路運(yùn)輸業(yè)排放的二氧化碳所占比重高于世 界平均水平，我國交通行業(yè)占全國能源消耗已經(jīng)在8%以上。對(duì)交通系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)越來越重 視環(huán)境保護(hù)。 常規(guī)公共交通是建設(shè)低碳交通體系的重要組成，但是由于公交車?？空军c(diǎn)設(shè)置于交叉口 會(huì)影響交通流，會(huì)造成一定程度額外的減速、加速、停車和啟動(dòng)，站點(diǎn)位置設(shè)置不當(dāng)可能會(huì) 增大整個(gè)城市交通系統(tǒng)的燃油消耗和環(huán)境污染。在城市交通系統(tǒng)中，交叉口又是能源消耗和 碳排放的重點(diǎn)區(qū)域，交叉口附近是車輛減速、怠速、加速頻繁的地段，不僅使車輛產(chǎn)生延誤， 而且產(chǎn)生更多的尾氣排放和燃油消耗。這就有必要對(duì)在交叉口處不同公交車?？空军c(diǎn)的選址 對(duì)交叉口排放影響進(jìn)行研究，以求找到排放最少的公交站點(diǎn)選址方式。 4.2 文獻(xiàn)綜述 在公交站點(diǎn)的選址與優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，很多學(xué)者都做了卓有成效的研究。NadiaS.A. Gboneim 等(1980)基于公交上下游乘客到站時(shí)間與公交?？垦诱`時(shí)間之和最小為目標(biāo)建立模 型，比較信號(hào)交叉口上下游公交站點(diǎn)的優(yōu)劣，為信號(hào)交叉口的站點(diǎn)選址提供了一種優(yōu)化方法 [1]。MichaelJ.Demetskv等通過定性分析公交運(yùn)營效率、公交?？繉?duì)交通流的影響、交通安 全等因素對(duì)公交站點(diǎn)的設(shè)置和設(shè)計(jì)提出了一些可行性建議，但沒有進(jìn)行定量分析[2]。2004 年，同濟(jì)大學(xué)的王茜和楊曉光通過對(duì)公交到達(dá)?？空緯r(shí)間的分類，較好的分析、建立了交叉 口上游公交車輛停靠與交叉口延誤的理論模型[3]。在交叉口排放研究方面，近年來也有不少 1 學(xué)者從事與其中。張瀟、于雷、宋國華(2006)在利用尾氣檢測設(shè)備（PEMS）OEM-2100 和 GIS 二次開發(fā)工具構(gòu)建了交叉口尾氣排放的分析平臺(tái)，提出了交叉口尾氣排放的分析方法。 得到了交叉口不同轉(zhuǎn)向的污染物排放特征，計(jì)算了各轉(zhuǎn)向的排放系數(shù)[4]。陳琨、于雷(2007) 在結(jié)合VISSIM和微觀尾氣模型CMEM建立了模擬平臺(tái)，提出了車輛瞬間尾氣排放率、燃 料消耗率和瞬時(shí)速度、加速度之間的關(guān)系[5]。張瀅瀅、陳旭梅(2009)利用實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)兩種控 制策略機(jī)動(dòng)車的尾氣進(jìn)行了分析，將 VISSIM 和 VSP 變量結(jié)合起來搭建了微觀交通尾氣仿 真平臺(tái)，利用實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)定，并對(duì)不同的控制方案進(jìn)行了仿真評(píng)價(jià)[6]。劉皓冰、熊英 格等(2010)在中討論了 VISSIM 微觀仿真軟件與微觀能耗、排放模型 PERE 之間的結(jié)合使用。 說明了公交專用道會(huì)使公共交通車輛的排放減少，但是使社會(huì)車輛能耗和排放上升，但其沒 有考慮公交站點(diǎn)選址不同對(duì)交叉口排放的影響[7]。 上述研究中很少考慮不同的公交站點(diǎn)選址不同對(duì)于整個(gè)交叉口能源消耗和碳排放的影 響，對(duì)于公交站點(diǎn)選址評(píng)價(jià)大都是基于車輛延誤、停車次數(shù)、飽和度等參數(shù)為依據(jù)。公交車 在交叉口停車上下客的時(shí)候會(huì)造成交通流的波動(dòng)，引起一些車輛的停車、啟動(dòng)、減速、加速， 進(jìn)而燃油的消耗和尾氣的排放也會(huì)受到影響。本文以交叉口能源消耗和碳排放為指標(biāo)評(píng)價(jià)公 交站點(diǎn)選址優(yōu)劣，采用微觀仿真模型VISSIM和能耗模型PERE，通過兩種模型之間的接口 設(shè)計(jì)，構(gòu)建交叉口車輛實(shí)時(shí)能耗排放模擬分析平臺(tái)，根據(jù)實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)和VISSIM模型的瞬 時(shí)速度輸出作為PERE模型的輸入?yún)?shù)，根據(jù)車輛具體行駛狀況對(duì)交叉口的車輛能耗、排放 做出定量的評(píng)價(jià)。 2. 公交站點(diǎn)形式及選址 公交?？空景凑瘴恢每梢苑譃榻徊婵诘耐？空竞吐范瓮？空?，本文中討論的是交叉口 的能源消耗和碳排放，所以公交?？空镜目紤]重點(diǎn)放在近交叉口的?？空?。公交?？空镜男? 式有兩種：非港灣式?？空竞透蹫呈酵？空?。非港灣式的?？空炯垂卉囍苯友芈愤呁？?， 當(dāng)?shù)缆奋嚨罃?shù)有限，交通量較大或者有多條公交線路通行時(shí)，這種?？空镜男问胶苋菀自斐? 道路的動(dòng)態(tài)瓶頸；港灣式?？空究梢员苊獾缆返膭?dòng)態(tài)瓶頸，但是需要占用更多的土地資源， 需要一定的投資，當(dāng)容量及?？烤€路數(shù)沒有正確確定時(shí)，仍可能導(dǎo)致道路出現(xiàn)間歇式瓶頸。 不考慮土地資源限制，本文僅對(duì)效率更高的港灣式?？空具M(jìn)行探討。 近交叉口的公交?？空疽资艿浇徊婵谂抨?duì)長度的制約，同時(shí)，交叉口的車輛通行會(huì)受到 進(jìn)出?？空镜墓徊钣绊?，因此公交?？空緫?yīng)該與交叉口進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。公交?？空驹诮? 叉口范圍內(nèi)的布置有進(jìn)口道?？空竞统隹诘劳？空局?，為了減少公交?？空緦?duì)道路交叉口 通行能力的影響，一般將公交?？空驹O(shè)在交叉口出口道，進(jìn)口道港灣型?？空?。 公交站臺(tái)的布設(shè)，會(huì)在一定程度上影響交叉口其他車輛，主要表現(xiàn)在交叉口處公交車可 能會(huì)阻擋轉(zhuǎn)彎車輛的視野，而站臺(tái)布設(shè)在交叉口下游則可避免這一不足。公交站設(shè)置在交叉 口下游，雖有利于客流的集散，但當(dāng)車流量較大時(shí)，若站臺(tái)的泊位數(shù)不足，沒有有效的交通 提示標(biāo)志，就不能有效集散車流而造成車輛排隊(duì)等候，行人也容易反復(fù)穿越交叉口，使得上 2 游交叉口通行能力顯著下降，造成交叉口堵塞，增大整個(gè)交叉口能源消耗和碳排放。 3. VISSIM-PERE仿真平臺(tái)搭建及參數(shù)標(biāo)定 3.1. 仿真平臺(tái)搭建 本文將微觀仿真軟件VISSIM和PERE(PhysicalEmissionRateEstimator)模型結(jié)合，利用 實(shí)測數(shù)據(jù)標(biāo)定VISSIM模型，基于VISSIM輸出的每輛車的瞬時(shí)速度和交叉口、車輛數(shù)據(jù)作 為PERE模型的輸入?yún)?shù)，集計(jì)處理后得出整個(gè)交叉口的能源消耗和碳排放量。將實(shí)際公交 站點(diǎn)布設(shè)形式的輸出和修改的公交站點(diǎn)布設(shè)形式的輸出作比較，以此為基礎(chǔ)，對(duì)交叉口不同 的公交站點(diǎn)布設(shè)形式碳排放做出評(píng)價(jià)。 VISSIM模型是一個(gè)微觀的，基于固定時(shí)間步長和行為學(xué)的模擬模型，能夠模擬城市道 路、高速公路等的交通運(yùn)行狀況，特別是可以模擬公共交通和混合交通，能夠分析各種交通 組成、車道結(jié)構(gòu)、信號(hào)控制等情況下的車輛行駛狀況。要想利用VISSIM模型建立交通模擬 仿真平臺(tái)需要的信息有以下兩類：1)交叉口的各類數(shù)據(jù)，如相交道路線形、路寬、車道數(shù)停 車線位置、渠化方式、車道功能等；2)車輛行駛信息，包括交通量、各類車輛經(jīng)過交叉口的 期望速度、公交路線與公交車站、發(fā)車間隔、優(yōu)先原則以及信號(hào)配時(shí)等。以上信息都可以通 過實(shí)地調(diào)查得到。 PERE 是 EPA(美國環(huán)保署)開發(fā)的一種微觀能耗的排放模型，能夠計(jì)算車輛在各種連續(xù) 運(yùn)行狀況下的能耗與尾氣排放。PERE考慮的是單個(gè)車輛的實(shí)時(shí)速度，包括加速、減速和勻 速、怠速，從而計(jì)算出車輛每秒的能耗和排放。 圖1VISSIM-PERE仿真平臺(tái) 3.2. 仿真參數(shù)標(biāo)定 VISSIM進(jìn)行仿真的過程中需要運(yùn)用大量的獨(dú)立參數(shù)來描述交通系統(tǒng)運(yùn)行、交通流特性 以及駕駛員行為等，參數(shù)的取值對(duì)仿真結(jié)果又很大的影響。VISSIM是德國PTV公司開發(fā)的 3 微觀交通仿真軟件，其參數(shù)并不適合我國的實(shí)際情況，所以針對(duì)具體的仿真對(duì)象，必須對(duì)仿 真參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。 (a)墨玉路進(jìn)口道港灣式(b)普澤路出口道港灣式 圖2調(diào)查交叉口公交站點(diǎn)布設(shè)形式 本文數(shù)據(jù)選取2012年12月12日上午8:30-9:30平峰時(shí)間上海市墨玉路-普澤路交叉口 實(shí)際調(diào)查的數(shù)據(jù)作為輸入?yún)?shù)。調(diào)查地點(diǎn)為次干道和支路的交叉口，次干道的公交?？空驹? 進(jìn)口道，支路公交?？空驹O(shè)置在出口道，支路公交?？空境袚?dān)左轉(zhuǎn)公交車的上下客功能。墨 玉路為三塊板道路，澤普路為一塊板道路。墨玉路采用了進(jìn)口到港灣式公交?？空拘问?，澤 普路則采用了出口道港灣?？空拘问?。對(duì)實(shí)際道路行駛狀況參數(shù)標(biāo)定表1所示。 表1VISSIM實(shí)際參數(shù)標(biāo)定參數(shù)意義取值緊急停車距離一個(gè)被動(dòng)型的換道車輛的最后可能位置5m車道變換距離駕駛員為變換到理想車道而開始試圖變換車道的位置200m最小車頭間距車輛進(jìn)行車道變換所需要的與前方車輛的最小距離1m平均停車距離車輛停車時(shí)與前方車輛或者與停車線之間的距離1m等待換道消失時(shí)間車輛在停車線前等待換道直到消失的最大時(shí)間80s觀察前方車輛數(shù)車輛在仿真中觀測前方車輛的運(yùn)行然后相應(yīng)的做出反2輛應(yīng) 利用PERE模型計(jì)算車輛的能耗和排放需要以下的兩類信息：1)車輛本身配置信息，如 車輛重量、燃料類型、各檔位的傳送比、迎風(fēng)面積、發(fā)動(dòng)機(jī)的排量等；2)車輛運(yùn)行信息，主 要是駕駛?cè)肆?xí)慣的換擋速度、車輛實(shí)時(shí)的速度、怠速的時(shí)間等，本文采用用戶手冊(cè)建立的換 擋速度作為PERE的輸入?yún)?shù)，結(jié)合VISSIM輸出的系統(tǒng)中每輛車的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，就可以 完成每輛車實(shí)時(shí)能源消耗、排放量的計(jì)算。 表2各換擋位的建議速度 換擋 對(duì)應(yīng)換擋速度(km/h) 一檔升二檔 24 二檔升三檔 40 三檔升四檔 65 四檔升五檔 73 將VISSIM和PERE模型關(guān)聯(lián)起來，建立兩個(gè)模型之間同一車型的VISSIM輸出速度和 4 PERE輸入速度之間的關(guān)。不同的車型在VISSIM 中體現(xiàn)為車輛車長、寬度、軸距不同。 PERE中的車型的區(qū)別主體現(xiàn)車輛的內(nèi)部配置參數(shù)，如車齡車重、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速等等。 本文中車輛按照小客車、公共汽車、摩托車、輕貨車四種型劃分，假定小客車、摩托車 燃燒汽油，公共汽車和貨車燃燒柴油將VISSIM和PERE車型一一對(duì)應(yīng)，建立如下表的 關(guān)系。再將VISSIM輸出不同車型的實(shí)時(shí)速度導(dǎo)入PERE應(yīng)車型的模型中，可以得到車 輛每秒的瞬時(shí)能耗，進(jìn)而計(jì)算通過整個(gè)交叉口車輛的能耗和排放。 表3VISSIM與PERE應(yīng)車型參數(shù)車輛類型VISSIM參數(shù)PERE參數(shù)小客車加速度-3.0~3.0m/s2，長4.0~4.5m車重1500kg，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)公共汽車加速度-1.5~1.5m/s2，長12m車重15500kg，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)貨車加速度-2.5.0~2.5m/s2，長4.0~4.5m車重2500~4000kg，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)摩托車加速度-3.0~3.0m/s2，長1.4~2.2m車重100~250kg，汽油動(dòng)機(jī) 4. 仿真實(shí)例 4.1 公交站點(diǎn)選址對(duì)交叉口能耗及排放影響分析 將交叉口現(xiàn)狀即墨玉路公交?？空具x址為進(jìn)口道情況作基準(zhǔn)情景將墨玉路交?？? 站設(shè)置于出口道作為對(duì)照情景分別在VISSIM-PERE平臺(tái)進(jìn)建模仿真（圖3），并計(jì)算結(jié) 果進(jìn)行分析。 (a)墨玉路進(jìn)口港灣式 (b)普澤路出口道港灣式 圖3交叉口公交站點(diǎn)布設(shè)VISSIM仿真 圖4反應(yīng)了調(diào)查時(shí)高峰流量下不同車型通過交叉口的能變化，可以看出不同交站點(diǎn) 的布設(shè)形式對(duì)各個(gè)車型的能耗和排放均造成了影響。若將公站點(diǎn)由進(jìn)口道布設(shè)改為出口道 布設(shè)形式，小汽車和公交的排放將會(huì)增加而摩車和大貨的排放則會(huì)降低。但論哪種 站點(diǎn)選址方式下，小汽的能耗所占總能耗比值總是最大的近一半的能耗由小汽產(chǎn)生。 公交車能耗和排放受站點(diǎn)布設(shè)位置影響最大，出口道布設(shè)方相較進(jìn)口道布設(shè)情況提升公 交車交叉口的能耗26.8%而車輛在加減速情況下能耗較大入口道站點(diǎn)布設(shè)使得公交車停 車次數(shù)減少，也就減少了公交車的制動(dòng)、加速等過程，所以耗較低，同時(shí)產(chǎn)生的放也較 低。 兩種公交站點(diǎn)布設(shè)況下交叉口能耗和碳排放車型分布勢較為近似（圖 5），因?yàn)槟? 5 耗與碳排放呈近似的正比例關(guān)系。公交站點(diǎn)布設(shè)在進(jìn)口道和口道對(duì)交叉口排放總會(huì)造成 一定的影響，進(jìn)口道情況高峰小時(shí)交叉口碳排放為271.78kg出口道情況下這個(gè)值提高了 近5.8%，為287.54kg二氧化碳。由于在流量較大情況下進(jìn)道處車流較多，在進(jìn)口道設(shè)置 港灣式公交能夠增大道路利用資源，公交車?yán)每空就＼囬g等待交叉口通行相位，因此 可以減少交叉口延誤，從而降低交叉口整體二氧化碳排放量。 (a)進(jìn)道 (b)出口道 圖4進(jìn)出口道公交站點(diǎn)選址交叉口能耗響分析 (a)進(jìn)道 (b)出口道 圖5不同公交站點(diǎn)布設(shè)情況下交叉口油耗和排放kg/h 4.2 交通流量對(duì)交叉口耗分析 利用VISSIM對(duì)不同流量下（公交車到站頻不變）仿兩種站點(diǎn)布設(shè)的交叉交通狀 況，分別得到原始墨玉路流量0.6倍、0.8倍、1.2倍和1.4的結(jié)果。提取出每輛車的瞬時(shí) 運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合PERE模型，計(jì)算出每種情況分車型的能耗詳。圖6反應(yīng)進(jìn)口道設(shè)置公交停 靠站和出口道設(shè)置公交?？空厩闆r下不同車型能耗隨著叉口交通流量的變化。由于公 交車的到站頻率沒有變化其能耗基本維持在穩(wěn)定的狀態(tài)。車和摩托車流量較小能耗在 一個(gè)較小的值周圍波動(dòng)，耗與該種車型出現(xiàn)的數(shù)有直接系。兩種公交站點(diǎn)布設(shè)方式下， 小汽車的能耗均是單調(diào)增加的。圖6（a）反應(yīng)了進(jìn)口道路布下，交叉口總能耗在1.2 倍流 量后增長趨勢減緩。從VISIM仿真中可以看出此時(shí)交叉交通呈現(xiàn)擁擠狀態(tài)，流量變化 對(duì)于交叉口能耗的敏感性降低。墨玉路流量較小時(shí)，公交站進(jìn)口道路布設(shè)方式可使交叉 口整體能耗較小。道路流逐漸增大的過程中，進(jìn)口道公交的布設(shè)方式則會(huì)漸漸使公交車 6 75.9664.4871.28 輛積聚，造成進(jìn)口道交通擁堵，成為能耗和排放的“擴(kuò)大器”。因此，在主路高流量情況下， 公交站點(diǎn)應(yīng)選擇出口道布設(shè)以減少對(duì)交叉口交通狀態(tài)的影響。 102.67 100.56 95.01 94.80 90.63 81.61 62.90 (a)進(jìn)口道分車型能耗圖(b)出口道分車型能耗 圖6不同流量交叉口能耗變化 5. 結(jié)論 本文構(gòu)建了 VISSIM-PERE 微觀排放仿真平臺(tái)，能夠?qū)囕v的動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀況導(dǎo)致的能耗、 排放的定量評(píng)價(jià)。對(duì)公交?？空驹O(shè)置于進(jìn)口道和出口道對(duì)于能耗的影響進(jìn)行分析，并通過改 變交通流量，評(píng)價(jià)不同流量下交通能耗的狀況。通過對(duì)實(shí)例的仿真分析，得到以下結(jié)論： （1）信號(hào)交叉口公交站點(diǎn)布設(shè)位置隊(duì)對(duì)公共汽車、小汽車、貨車和摩托車的能耗和排 放均有影響，總排放隨流量增大而增大； （2）墨玉路-普澤路交叉口公交站點(diǎn)宜設(shè)置在進(jìn)口道路，早高峰每小時(shí)碳排放相較出口 道布設(shè)形式減少約5.5%； （3）在主路流量較大的交叉口，公交站點(diǎn)宜設(shè)置于進(jìn)口道以減少公交車平均停車次數(shù)， 進(jìn)而減少交叉口能耗和排放均。在流量較少的交叉口，主路公交?？空疽嗽O(shè)置于出口道以減 少擁堵情況，進(jìn)而減少交叉口能耗和排放。