基于叠加相位的交叉口非常规污染物多目标优化

来源:用户上传      作者:李燕　赵红　孙传龙　牟亮　仇俊政　刘晓童

　　文章编号：10069798（2022）02009508;DOI：10.13306/j.10069798.2022.02.015
　　摘要：为减少交叉口非常规污染物排放，本文主要对基于叠加相位的交叉口非常规污染物进行多目标优化。在增设叠加相位的交叉口，运用改进的快速非支配排序遗传算法，对车辆非常规污染物和车均延误进行优化，为验证改进算法的有效性，通过VISSIM与MOVES联合仿真平台，在青岛市设有叠加相位的山东路和敦化路交叉口进行验证。验证结果表明，基于叠加相位的多目标配时优化，对车均延误和机动车非常规污染物排放具有一定的优化效果。各路径中车均延误最大优化达51.4%，全区域内的车均延误降低了14.6%，优化前后停车时间下降20.53%。大多数非常规污染物有不同程度的下降，有少数污染物略有增加，但影响较小。本研究为缓解交通拥堵提供了理论依据。
　　关键词：排放清单;非常规污染物;交叉口;比功率;叠加相位
　　中图分类号：X51;U491.2+65文献标识码：A
　　随着汽车产业的发展，汽车排放已成为城市污染物排放的主要排放源之一[12]，机动车排放的颗粒物和挥发性有机化合物具有较强的光反应活性，是城市光化学烟雾和二次气溶胶形成的重要影响因素[3]，严重污染环境和影响人体健康。针对特定区域、城市或交叉口，研究颗粒物和挥发性有机化合物的排放特性[46]，建立多尺度多层次排放清单。交叉口作为城市交通网络的重要组成部分，由于信号控制和交通流冲突等，使机动车在此路段行驶工况变化频繁，加减速和怠速交替进行，机动车尾气排放远高于城市道路平均排放水平[78]。因此，在交叉口微观层次上探究机动车污染物的排放，通过对城市交叉口信号的控制，降低机动车污染物排放成为当前研究的热点[914]。对于交叉口信号配时问题，张奕源等人[15]基于叠加相位对干线信号协调控制进行优化调整，减少了交通延误;文婷[16]根据叠加相位的放行条件，建立车道及配时综合优化模型。为精准量化机动车大气非常规污染物排放，协调延误与非常规排放之间的关系，本文以青岛市设置叠加相位的山东路和敦化路交叉口为研究对象，对交通流不均匀的交叉口优化延误与排放，建立交叉口非常规污染物排放清单，以期降低交叉口非常规污染物排放和平均延误。该研究对大多数污染物有不同程度的下降，有少数污染物略有增加，基于叠加相位的多目标配时优化效果明显，提高了交叉口通行能力和环境效益，为交叉口拥堵时段的研究提供了理论基础。
　　1材料与方法
　　1.1叠加相位的设置
　　为更加灵活的调节各个相位的绿灯配时，更好的匹配相位与对应方向的车辆流量问题，文献[17]改进了彭国雄等人[18]提出的叠加相位设计方法，同时将该方法用于隔离交叉口的固定信号优化控制，并验证了所提方案在交叉口通行能力方面的优势。叠加相位的设置可以使总流量比得到降低，通行能力得到提升，避免了常规四相位配时造成时间和空间上的浪费。理论叠加相位如图1所示。
　　对于已选定的四相位交叉口，共有8个流向，叠加相位存在的前提是各流向之间不冲突，但可能会存在几个流向合流的现象。第1类叠加相位1a′1b′与3a′3b′，其相位不存在车辆合流现象，与第2类叠加相位2a′2b′和4a′4b′相比，其相位存在车辆合流交织现象。因此，第1类叠加相位比第2类叠加相位运用范围更加广泛。-一般叠加相位采用韦伯斯特配时方法计算周期时长和有效绿灯时间，但韦伯斯特法由于固有的缺陷，只适用于交通流量中等的路口，而对于较为拥挤的路段不可行。所以本文运用HCM2000模型，并在此基础上对叠加相位进行设置。在孤立四相位十字交叉口区域内增添叠加相位时，首先确定各进口道方向的流量比yi，如北进口左转A和南进口直行C为一个流向的一组冲突流，北进口直行D和南进口左转B为一个流向的另一组冲突流，比较两组冲突流流量比之和y（A+C）和y（B+D），将流量比之和较大的一组冲突流设置叠加相位。原始相位如图2所示。
　　叠加相位的周期为
　　式中，gi为传统的有效绿灯时长;g*为叠加相位的有效绿灯时长;L为总损失时间。
　　1.2多目标优化的信号配时模型
　　为模拟交通流不均衡的交叉口晚高峰条件下机动车车均延误和车辆排放清单，建立多目标优化模型进行优化。在相位、流量、信号周期不变的条件下，对交叉口进行添加叠加相位优化。考虑目标函数、决策变量和约束条件，将车辆平均延误作为评价交叉口通行能力的指标之一，并将其作为目标函数之一，即
　　式中，dij为i车道j相位的车均延误时间，s;λij为j相位的绿信比;Xij为饱和度;C为信号周期的时长，s;T为分析持续时间，s;K为感应控制的增量延误修正系数，对于定周期信号，K=0.5;I为上游信号灯车道变换和调节的增量延误修正系数，这里I=1.0。
　　由此可以得出，交叉口的车均延误D为
　　式中，qij为i车道j相位的交通流量，pcu/h。
　　将交叉路口范围内的机动车按机动车型、燃油类型、行驶里程和排放标准等细分，对机动车污染物排放量进行分类计算，交叉口机动车尾气排放可分为各条进口路段的行车排放和辆怠速排放，其中车辆在交叉口的怠速时间应为车辆停车延误时间，各车辆类型在交叉口各污染物排放量为
　　式中，Eγφ为交叉口一个周期内γ类机动车φ类污染物排放总量，g;Jij为i车道j相位进口道长度，km;dγsij为γ类机动车平均停车延误;Eγφij为γ类机动车φ类机动车行车单位排放因子，g/（pcu・km）;EγφI，ij为γ类机动车φ类污染物怠速排放因子，g/（pcu・h）。
　　将上述交叉口的车均延误模型与机动车污染物排放模型相结合，形成以各项位绿灯时间为变量的多目标优化模型，即
　　约束条件：为保证车辆正常通行，车道组的饱和度应小于1，各相位有效绿灯时间gi应大于行人最短通过时间gmin，即

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