基于尾气排放的信号交叉口综合评价.docx
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基于尾气排放的信号交叉口综合评价
基于尾气排放的信号交叉口综合评价
刘琳
2015年1月
中图分类号：
U491
UDC分类号：
656
基于尾气排放的信号交叉口综合评价
作者姓名刘琳
学院名称机械与车辆学院
指导教师王武宏教授
答辩委员会主席王建群教授
申请学位工学硕士
学科专业交通运输工程
学位授予单位北京理工大学
论文答辩日期2015年1月
ComprehensiveEvaluationofSignalizedIntersections
BasedonVehicleEmissions
CandidateName:
LiuLin
SchoolorDepartment:
SchoolofMechanicalEngineering
FacultyMentor:
Prof.WangWuhong
Chair,ThesisCommittee:
Prof.WangJianqun
DegreeApplied:
MasterofEngineering
Major:
TrafficandTransportationEngineering
Degreeby:
BeijingInstituteofTechnology
TheDateofDefence:
January,2015
研究成果声明
本人郑重声明：
所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行
的研究工作获得的研究成果。
尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，
学位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
北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。
与我一同工
作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的
说明并表示了谢意。
特此申明。
签名：
日期：
北京理工大学硕士毕业论文
I
摘要
近年来，随着城市交通系统的不断发展，交通尾气排放带来的大气污染已经
严重影响了人民的生活，引起越来越多的关注和研究。
因此，将尾气排放作为道
路评价的指标，尤其在信号交叉口这一交通节点处，可以更好地解决尾气排放优
化问题。
本文在总结前人研究的基础上，以信号交叉口综合评价为研究对象，充分考
虑尾气排放指标在交叉口综合评价中的作用，建立基于车辆运行状态的对交叉口
的尾气排放计算模型，并采用主成分分析法，实现定量化交叉口综合评价。
本论
文主要在一下几方面进行了探索和研究：
首先对国内外尾气排放及交叉口评价相关研究进行了梳理总结，分析了使用
较为广泛的机动车尾气排放模型和交叉口管理控制技术对机动车尾气排放的影
响，重点对交叉口综合评价方法及评价指标进行研究，为交叉口处尾气排放计算
和交叉口综合评价指标建立奠定了较好的理论基础。
其次从城市信号交叉口处交通特性入手，引入比功率参数来描述车辆运性工
况与污染物排放因子之间的关系，并给出各VSP区间内机动车的污染物排放因子，
利用交叉口处车辆运行状态将交通微观仿真模型与尾气排放模型相结合，建立基
于车辆运行状态的交叉口尾气排放计算模型。
然后针对城市道路平面信号交叉口的特点及评价指标选取原则，建立交叉口
综合评价指标体系和主成分分析评价模型。
利用主成分分析法将高维度的评价指
标变为低维度不相关的主成分指标，确定其权重系数，并得到交叉口处综合评价
值。
最后以典型信号交叉口为例，展开模型的应用分析。
利用基于车辆运行状态
的交叉口尾气排放计算模型对交叉口尾气排放进行计算，验证了该尾气计算模型
具有良好的可行性和适用性。
同时利用多个交叉口仿真数据对交叉口综合评价模
型进行验证，不仅可以科学地计算出各个交叉口的综合评价值，同时还可以实现
多交叉口间定量化比较，对交叉口的评价及优化有着重要的意义。
关键词：
交叉口；尾气排放；主成分分析法；综合评价
分类号：
656
北京理工大学硕士毕业论文
II
Abstract
Inrecentyears,astheurbantransportsystemdevelops,theairpollutioncausedby
vehicleemissionhasseriouseffectonpeople’slife.Inordertosolvethisproblem,the
emissionfactorisusuallyusedasanindexintrafficevaluation,especiallyatthe
intersection.
Comprehensiveevaluationofasignalizedintersectionisstudiedinthispaperbased
onpreviousresearches.Anemissioncalculationmodelbasedonvehicleoperation
statusisestablishedwhichisonlyusedforintersections.Principalcomponentanalysis
isusedtoquantifytheweightsofeachindexandgetthecomprehensiveevaluation
valueoftheintersection.Thispaperfocusonthefollowingaspects:
Firstofall,theexistingstudyaboutemissionsandevaluationofintersectionhasbeen
summarizedincludingemissionmodelwhichiswidelyusedandtheinfluence
betweenintersectionmanagementcontroltechnologyandemissions.Themain
researchiscomprehensiveevaluationmethodandevaluationindexofintersections
whichcanprovidethetheoreticalbasisforthefurtherstudy.
ThenVSPisusedtodescribetherelationshipbetweenvehicletravelconditionand
emissionfactorsofeachpollutantandalsotheemissionfactorineachVSPintervalis
given.Theemissioncalculationmodelbasedonvehicleoperationstatusisestablished.
Itmakestrafficmicro-simulationmodelandemissionsmodelworkingtogethertoget
theemissionsoftheintersection.
Moreover,accordingtothefeaturesofurbansignalizedintersectionsandtheprinciple
ofevaluationindexes,comprehensiveevaluationsystemofasignalizedintersectionis
established.PCAisusedtoreducethedimensionsofthecomplicatedevaluationsand
maketheremainingprincipalcomponentsuncorrelated,thenalsotoquantifythe
weightofeachofprincipalcomponentandtocomprehensiveevaluationvalueof
intersection.
Atlast,anexampleisgiventoshowthefunctionoftheevaluationmodel,bothofthe
evaluationvalueandthesequenceresultsinseveralintersections.Thecalculationof
emissionsoftheintersectionthroughtheemissionmodelbasedonvehicleoperation
statusvalidatesthegoodfeasibilityandapplicabilityofthemodelproposedinthis
paper.Simultaneoususingsimulationdataofmultipleintersectionstovalidatethe
comprehensiveevaluationmodelcannotonlycalculatethecomprehensivevalue,but北京理工大学硕士毕业论文
III
alsoachievequantitativecomparisonamongmultipleintersections.Themodel
proposedinthispaperhasimportantsignificancefortheevaluationandoptimization
oftheintersections.
KeyWords:
Intersection;Emission;PrincipalComponentAnalysis;Comprehensive
Evaluation
北京理工大学硕士毕业论文
IV
目录
摘要......................................................I
第1章绪论................................................1
1.1研究背景.....................................................1
1.2研究目的和意义...............................................2
1.3国内外研究现状...............................................2
1.4本文主要研究内容和技术路线...................................6
1.4.1主要研究内容...........................................6
1.4.2技术路线...............................................7
1.5本章小结.....................................................8
第2章城市道路信号交叉口交通特性分析...................10
2.1城市交叉口系统..............................................10
2.2信号交叉口交通特性分析.....................................11
2.2.1交通冲突特性..........................................11
2.2.2信号交叉口机动车交通流特性分析........................14
2.3本章小结...................................................15
第3章交叉口综合评价方法及评价指标.....................16
3.1评价方法...................................................16
3.2交叉口综合评价指标.........................................19
3.2.1交叉口运营指标........................................19
3.2.2交叉口安全指标........................................22
2.2.3交叉口环境指标........................................23
3.3本章小结...................................................26
第4章基于行驶状态的交叉口尾气排放计算模型.............27
4.1建模思路...................................................27北京理工大学硕士毕业论文
V
4.2机动车比功率参数...........................................27
4.3交叉口处车辆运行状态分析...................................30
4.3.1车辆不同运行工况下的尾气排放特性......................30
4.3.2交叉口车辆运行状态分析................................32
4.4基于车辆运行状态的交叉口尾气排放计算模型....................35
4.5实例计算...................................................37
4.5.1研究对象..............................................38
4.5.2数据分析..............................................38
4.6本章小结...................................................40
第5章交叉口评价方法及评价技术.........................42
5.1信号交叉口交通特性.........................................43
5.2选择评价指标的原则.........................................43
5.3交叉口综合评价体系建立.....................................44
5.4评价方法....................................................46
5.4.1主成分分析法..........................................46
5.4.2主成分分析法交通评价模型..............................47
5.5本章小结...................................................48
第6章实例分析..........................................49
6.1评价对象...................................................49
6.2数据分析...................................................50
6.3本章小结...................................................53
结论与展望...............................................54
1总结.........................................................54
2研究创新与展望...............................................54
参考文献.................................................56
攻读学位期间发表的论文与研究成果清单....................59
致谢.....................................................60北京理工大学硕士毕业论文
1
第1章绪论
随着经济发展、城市化加快，机动车的保有量不断增加，在城市道路交通中，
拥堵不仅仅是唯一的问题，机动车尾气排放造成的环境污染也受到越来越多的关
注。
在这种情况下，在对交通重要节点——交叉口进行评价时，更多的考虑机动
车尾气排放指标，尤其是交通管理技术对尾气排放的影响，对交叉口的整体评价
及优化有着重要的意义。
1.1研究背景
城市道路是城市的基础设施，是城市的骨架，与城市生活、生产有着密切的
关系。
随着城市经济的发展和城市规模的日益扩大，城市交通量迅速增长，城市
交通出现了日趋紧张的局面。
主要问题是道路设施与交通需求相比增长缓慢，道
路系统不健全。
例如，从1978年到1997年的二十年间，我国汽车保有量已从
136万辆猛增到1219万辆，年平均增长率为12.2%，而城市道路的建设速度远远
低于需求增长的速度
[1]
。
这种需求与供给的不均衡突出表现在道路交叉口处，特
别是在信号控制交叉口，由于其交通量较大，因而更容易形成堵塞，引起严重的
延误、噪声、废气污染、能源浪费等，以至波及路段及整个城市路网系统。
近年来，随着经济的发展和社会的进步，人们对交通的需求越来越大，虽然
城市道路的密度和各种配套设施有了很大程度的提高，但是交通负荷还在持续增
长，小汽车的保有量逐年快速增大，加重了城市道路的运转能力。
信号交叉口作
为城市道路网的重要组成部分，具有交通组成复杂且多向的特点，这使得交叉口
既是道路网络的关键节点，也往往是城市路网的瓶颈所在。
交叉口处信号的控制
会造成机动车运行工况的变化，即经历减速、停车和加速的过程，在这一过程中
会不可避免的产生一定的延误。
另外，由于机动车的排放特性，使得机动车在频
繁加减速的过程中会比匀速行驶时排放更多的污染物。
研究显示，车辆在一条道
路上行驶，在交叉口上产生的延误约占全程行车时间的31％，2005年我国机动
车尾气排放在城市大气污染中的分担率达到79%左右，城市交通的燃油消耗占到
了全国燃油消耗总量的17.2%。
因此将环境因素作为交叉口评价的一项重要指标，
研究城市道路交叉口管理控制技术与车辆尾气排放之间的关系，通过信号交叉口
进行综合评价来为交叉口的优化提供理论基础，进而使得城市交通网络的达到减北京理工大学硕士毕业论文
2
少车辆尾气排放和缓解交通拥堵的目的，己成为亟待解决的重要问题。
城市信号交叉口是由多种因素相互作用，相互影响，相互制约下形成的一个
复杂的综合交通系统。
信号交叉口的综合评价实质上是对影响道路交通状况的有
关人、车、路及环境在内的各种交通要素作系统综合效应分析。
为了正确衡量交
叉口的服务水平，需运用系统工程的理论和方法，选择恰当的评价指标，合理确
定信号交叉口分级，在此基础上进行整体评价，找出存在的关键问题，对其运行
功能进行改进和完善。
1.2研究目的和意义
交叉口作为多向交通流的集散点和交通网络的节点，对其功能的需求不仅仅
体现在运行效率上，快速、安全、环保与舒适并行已经成为人们对交叉口更高的
要求。
由于这集中要求之间即属性不同又有着相互关联，因此科学、合理的解决
信号交叉口各评价指标之间的关系，对信号交叉口进行定量化综合评价，正是交
叉口综合评价的关键。
随着空气质量的不断恶化，机动车尾气排放问题引起了广
泛的关注。
要从交通角度解决尾气排放为题，首先需要明确尾气排放与交通流之
间的关系。
将交通模型与尾气排放模型连接起来，将尾气排放作为一项重要指标
引入到交叉口综合评价中，对于信号交叉口的综合评价和尾气排放的优化，都有
着至关重要的意义。
本文的研究目的针对上述交叉口综合评价及尾气排放优化的要求，研究城市
道路交叉口的综合评价指标，将尾气排放作为交叉口评价的重要指标来建立交叉
口综合评价体系，实现交叉口定量化评价，为交叉口的优化提供科学依据。
主要
思路是：
通过引入VSP参数将微观交通仿真模型与机动车尾气排放模型结合，建
立基于车辆运行状态的交叉口尾气排放计算模型。
同时将尾气排放值作为交叉口
综合评价的重要指标，利用主成分分析法对交叉口进行综合评价已得到定量化评
价值。
1.3国内外研究现状
1.机动车尾气排放研究现状
为了实现交通系统中机动车尾气排放的量化评价，目前国内外大量专家学者
都对此展开了研究，并开发了多种量化评价尾气排放的模型。
按照模型的应用层北京理工大学硕士毕业论文
3
次和开发思路，现有的尾气排放模型可以划分为宏观、中观和微观三个层次。
宏观尾气评价通常以基于平均速度的排放因子作为计算参数来计算和评价广
域范围内尾气的排放情况。
宏观排放模型主要有美国环保署开发的MOBILE模型
[2]
，
美国加州空气资源局的EMFAC模型
[3]
和欧盟环境署自助开发的COPERT模型
[4]
等；中
观尾气主要用于对车道、交通小区等区域进行狭域内的尾气排放分析和评价，典
型的中观尾气排放模型包括MEASURE、VT—Micro等。
为了真实细致的反映道路上
的尾气排放情况，研究交叉口信号、匝道管理等交通管理措施对尾气排放的影响，
微观尾气排放模型得以提出。
微观尾气模型能够对特定区域或者交叉口的排放
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