城市道路信號交叉口車輛能耗影響因素及對策

□ 劉雪蓮 胡 潔 胡筱淵 焦新龍 張藝凡 胡永嬌

一、城市交通動態(tài)流特性分析

1.交通流特性

（1）多態(tài)性。城市道路交通流的構成狀況是極其復雜的，主要組成成分有機動車流、非機動車流等，并且始終處于不斷變化的狀態(tài)。道路網(wǎng)上的交通流受到各種要素的影響，如駕駛員的駕駛特性、交通流的組成情況、交叉口的信號控制等。在時間上和空間上都有非平衡性的統(tǒng)計分布形式，具有復雜的多態(tài)特性。

（2）自組織性。近年來，自組織理論發(fā)展勢頭良好，該理論描述了道路網(wǎng)絡上各組成單元會進行自發(fā)組織的一種有序結構。通過對路網(wǎng)中人流、車流及信息流的分析，發(fā)現(xiàn)他們共同組成交通流的過程是一個明顯的自組織現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在城市道路網(wǎng)絡上十分常見，駕駛員為了能夠快速、安全、方便地到達目的地，在使用道路時會出現(xiàn)相互制約的情況，但期望這種相互干擾的程度盡量保持在較小的范圍內(nèi)。另外，在選擇駕駛路線時，熟練度較高的駕駛員會優(yōu)先選擇路線，這些道路網(wǎng)上的駕駛員使得交通流更加有規(guī)律，稱之為自組織現(xiàn)象。

2.交通流狀態(tài)分析

在進行交通流的狀態(tài)分析時，首先需要選定一些評價指標，用來評估交通流的狀態(tài)。城市主要道路車輛的平均速度和飽和度用于評估不同情況下的交通狀況，如平穩(wěn)、擁擠和阻塞。因此，可以用這些標準來評判分析交通流的特性及道路交通情況。

（1）非擁堵交通流特性。非擁堵交通流是指車輛在城市道路上行駛的過程中，車輛相互之間能夠保持比較穩(wěn)定的狀態(tài)。當交通流處于這種狀態(tài)下時，車輛在一定時間段內(nèi)隨機通過路段，交通密度的改變會導致交通流分布形態(tài)的變化，兩者間存在較強的干擾，是一個非線性的關系。

非擁堵的交通流可以分為兩類，一類是低密度交通流，表現(xiàn)為道路上的交通流的交通密度較小，車輛可以在道路上自由行駛，不會產(chǎn)生擁擠與碰撞；另一類是高密度交通流，指的是道路上的交通流量已經(jīng)接近或者超出道路既有的負荷，此條道路上的車輛已經(jīng)處于跟隨與被跟隨的狀態(tài)，車輛無法自由變換車道。此種情況絕大多數(shù)發(fā)生在高峰期或者交通事故發(fā)生時，維持的時間較短。

（2）擁堵交通流特性。在擁擠的交通流下，道路網(wǎng)絡上的車輛一直處于間歇性地行駛或者排隊等待通行的狀態(tài)，車輛速度較慢或近似于0。當前的交通流流量大于道路最大承載量時，車輛會因為外部環(huán)境的干擾而降低行駛速度，無形中增加了通行時間，導致出現(xiàn)交通流擁堵的狀況。擁堵交通流也可以分為常發(fā)性交通擁堵及偶發(fā)性交通擁堵。①常發(fā)性交通擁堵。常發(fā)性交通擁堵是有規(guī)律的，通常出現(xiàn)在道路車流高峰期和瓶頸路段，有一定的客觀特征，一般發(fā)生時的道路交通量已經(jīng)超出了道路的通行能力。當此種擁堵情況發(fā)生時，隨著道路上排隊車輛數(shù)量的逐步增加，該路段的交通擁堵狀態(tài)逐步向上游擴散。隨著交通流參數(shù)（如速度、交通量、占有率）的改變，常發(fā)性交通擁堵也隨之產(chǎn)生。因此，若要提高車輛的通行效率，可以通過研究以往的交通流數(shù)據(jù)的變化趨勢，對某一路段的某一時刻的交通擁堵狀況進行預測，如若產(chǎn)生擁堵則可以預先采取措施，提高通行效率。②偶發(fā)性交通擁堵。偶發(fā)性交通擁堵的發(fā)生是有很大隨機性的，一般情況下無法預知該類交通擁堵發(fā)生的具體時間和具體地點。當該類交通擁堵發(fā)生后，發(fā)生該類擁堵的路段的通行能力將突然下降，而后續(xù)車輛無法預知該路段目前的交通狀況，車輛隊伍將不斷擴大，導致交通流量突然增加時通行能力下降的橫截面會向上游移動。偶發(fā)性交通擁堵的發(fā)生時間和地點是隨機的，并且形成的原因是不確定的。偶發(fā)性交通擁堵產(chǎn)生時，下游路段的該部分橫截面將沿行駛方向向后傳播。此時，交通流參數(shù)的變化呈臺階式特征，上游道路車輛的密度隨著時間的累積逐漸增加，下游道路的車輛密度將降低。堵塞車道數(shù)、擁堵的持續(xù)時長和交通量都影響偶發(fā)性交通擁堵的交通狀況。因此，研究偶發(fā)性交通擁堵的特征也略顯復雜。

二、交通能耗與交通流狀態(tài)關系分析

1.車輛能耗的影響因素

（1）平均速度。平均速度是影響汽車能耗的因素之一。建立的汽車能耗模型中，交通法規(guī)、運行環(huán)境以及交通狀況等都會對車輛的行駛速度產(chǎn)生制約，汽車的能耗隨著車輛的速度變化而改變。初始階段能耗會隨著平均速度的增加而降低，但當平均速度增加到一定程度，再進一步增加時，能耗又會逐漸增加。

（2）加速度。加速度是描述一段時間內(nèi)速度變化快慢的物理量，與車輛當前行駛的速度有關。車輛的加速度與燃油消耗量的關系是正相關的，車輛的加速度越大，燃油消耗量也越高，且低速時因加速度變化產(chǎn)生的能耗大于高速狀態(tài)下的能耗。當交通流處于擁堵狀況時，車輛在隊列中排隊或者緩慢前行，車輛加速度頻繁變化會導致能耗增加。

（3）行駛工況。車輛的行駛工況對燃油消耗存在影響。車輛在不同的行駛工況下產(chǎn)生的油耗是明顯不同的，車輛在加減速過程中造成的能耗高于車輛勻速行駛中的能耗。所以，道路擁堵使行進車輛排隊等待時，加速或減速狀態(tài)比率越高，燃油消耗量也越高。

2.路段能耗影響因素

一個路段的燃油經(jīng)濟性會對道路的整體燃油經(jīng)濟性起到直接的限制作用。車輛的運行狀況影響著車輛的燃油經(jīng)濟性，而同時車輛運行狀況與當前車輛所處的交通狀況也有著緊密的關系。當?shù)缆贩账捷^高時，車輛之間的相互約束小，車輛能夠處于勻速行駛的狀態(tài)，車輛速度變化可能性小，此時車輛的能耗處于相對低的水平，車輛燃油經(jīng)濟性較高。而當?shù)缆贩账捷^低時，不穩(wěn)定的交通流會導致車輛不能夠勻速行駛，加減速行為會增加，導致車輛能耗增加。

道路交通流變化是不固定的，隨機性強。對交通流的研究顯示，當?shù)缆返膶嶋H交通流流量小于理論道路交通流最大承載量時，此時交通流處于自由流動狀態(tài)。反之，道路實際交通流流量接近或者超過理論道路交通流最大承載量時，交通流之間多處于制約狀態(tài)。交通流狀態(tài)的改變根本上也是道路交通容量和實際交通量之間的博弈過程。通常將道路飽和度和平均車速作為交通供求關系的重要特征。在同一外部條件下，車輛的通行時間由道路的飽和度決定，且車輛的平均行駛速度與車輛行駛時間相關。因此可以得出，在同一外部條件下，道路飽和度和平均車速密切相關，道路飽和度是影響交通狀況的主要因素之一。

道路飽和程度將會直接影響道路交通流量狀態(tài)，而該條道路上的實時交通流量狀態(tài)又決定了車輛在道路上的行駛時間。若該條道路的交通情況良好，車輛通過這條道路的時間就會比較短；反之，若這條道路處于擁擠或者堵塞的狀態(tài)，車輛通過這條道路的時間就會比較長。

3.交叉口能耗影響因素

交叉口作為城市道路網(wǎng)絡的重要節(jié)點，其造成的延誤和能量損耗是要大于道路路段的。因此，在對汽車油耗的研究中，考慮交叉口對油耗的影響因素并加以分析，以提升燃油經(jīng)濟性，降低能量損耗。筆者從兩方面對交叉口能量損耗的影響因素進行分析。

（1）飽和度。飽和度對車輛能耗的影響會導致交叉口的交通流處于兩種狀態(tài)：①自由流動狀態(tài)，在該狀態(tài)下時，交叉口處的車輛基本處于勻速行駛狀態(tài)，能耗比較低，經(jīng)濟性較高。②強制流狀態(tài)，此時的車輛由于道路環(huán)境的外部影響，會產(chǎn)生頻繁的加減速，能耗較高。

國內(nèi)外學者在對道路飽和度與行駛車輛能耗關系研究中表明道路飽和度是車輛能耗的重要影響因素，并起決定性作用。當?shù)缆凤柡投容^高時，車輛之間約束力增大，自由度減小，由于車輛制約造成的延誤怠速使能耗增加，但是此時加減速狀況減少，所以能耗減少。當飽和度過高時，車輛間歇性行駛，加速和減速狀況增加，延誤增多，這直接導致車輛能耗損失的增大。

（2）綠信比。車輛的平均停車次數(shù)受城市道路交叉口綠信比大小的影響，綠信比越小，車輛的平均停車次數(shù)越多，此種情況下交叉口處的車輛延誤情況會增加，車輛的加減速頻率也會增加，最終使得油耗大大增加。

三、信號交叉口處不同狀態(tài)下車輛能耗分析

道路車輛受交叉口的交通信號燈的影響，分別會處于加速、減速和怠速等待狀態(tài)。道路區(qū)段上的連續(xù)交通流將變成間斷流，由于車輛的行駛狀態(tài)不穩(wěn)定，變化的行駛狀態(tài)直接導致交叉路口處的車輛燃料消耗比在相同情況下正常行駛的能耗多得多。

1.車輛在怠速狀態(tài)下的能耗

怠速是汽車的一種工作狀況，車輛怠速指的是車輛的發(fā)動機在空檔的情況下運轉(zhuǎn)，雖然車輛沒有在道路上行駛，但也會產(chǎn)生油耗。汽車在通過信號交叉口時如果遇到紅燈，會發(fā)生停車等待現(xiàn)象，則較容易產(chǎn)生怠速能耗。一般熱車情況下工作性能良好的發(fā)動機怠速一般為550～800轉(zhuǎn)/分鐘。冷車時發(fā)動機怠速會比較高，一般在950～1300轉(zhuǎn)/分鐘，當發(fā)動機溫度上升到一定值后，怠速就會降低到正常值。所以，發(fā)動機怠速性能對排放、油耗和舒適性有較大影響，怠速轉(zhuǎn)速不宜過高或者過低，過高會使油耗增加，過低會使發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速不穩(wěn)。

2.車輛在加、減速狀態(tài)下的能耗

汽車在加速和減速狀態(tài)下的能耗類似，當加減速度一致時，車輛加減速的時間也會相同，計算能源消耗量的方式也相同。加減速度越大，產(chǎn)生的能源消耗也會越大，當信號交叉口處產(chǎn)生交通擁堵時，車輛處于一種很不穩(wěn)定的行駛狀態(tài)，有時加速有時減速，產(chǎn)生的燃油消耗量遠遠大于勻速行駛狀態(tài)下的燃油消耗量。

四、減少交叉口車輛能耗的對策

1.加強交叉口處設施管理

對交通標志、標線進行嚴格審查，存在問題的立即進行整改，同時也要對交通標線、標志進行定期的審查、維護以及更新。根據(jù)現(xiàn)實需求在道路兩側設置有關公路方向、行車道界限的提示標志，在危險交通環(huán)境前方設置警告標志，重復設置重要標志，以及減少不必要的輔助性標志都有助于提高交叉口的通行效率。

2.加強交叉口處的交通管理

通過一些特別的管理，對交叉口處的交通進行干預，從而改善交叉口嚴峻的交通狀況。在安全隱患相對較大的交叉口限制車速，同時在交叉口引入立面設計。在交叉口交通組成復雜路段，可以設置專用的行人過街相位或者專用非機動車道等，減少交通事故的發(fā)生，提高車輛通行效率。

3.優(yōu)化交叉口信號燈設置

在信號交叉口處要合理地設置交通信號燈，這樣能夠有效減少交叉口車輛的等待時間，也能改善部分交叉口的擁堵狀況。同時對交通信號控制的交叉口定期地進行交通流測量調(diào)查，確定當前的交通信號周期和綠信比是否滿足現(xiàn)階段交通需求，如不能較好地滿足則需作進一步調(diào)整。

4.完善交叉口處的渠化交通

完善渠化交通可通過對信號燈的有效使用，從時間上錯開存在沖突的交通流，在信號周期內(nèi)設置不同的相位，通過這種方式有效減少行人、非機動車及機動車之間的相互碰撞，使交叉口處的交通流更加順暢。對于狹窄的奇數(shù)車道，可以施行單向通行措施，這樣可有效防止車輛正面相撞，大量減少交叉口沖突點及延誤時間，提高交叉口的流通性。

五、結語

城市道路交通的主要交通工具是機動車，機動車的主要能源動力來源于天然氣或燃油消耗。當前交通運輸系統(tǒng)消耗能源越來越多，占社會總能耗的比例越來越高，且給環(huán)境帶來了污染，對人體健康造成嚴重的危害，也會影響我國社會的可持續(xù)發(fā)展。筆者對城市道路信號交叉口車輛能耗影響因素進行分析，提出相應解決對策，以期為減少道路交通能耗提供思路。