臺(tái)州市信號(hào)燈交叉口碳排放測算及優(yōu)化策略

李苗苗，呂 歡

（臺(tái)州市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 臺(tái)州 318000）

0 引言

交通溫室氣體排放量的核算是衡量各類節(jié)能降碳措施效果的基礎(chǔ)，是交通領(lǐng)域積極參與碳排放交易的核心。中國已經(jīng)是世界主要的溫室氣體排放國，2020年中國道路交通碳排放將可能占到全球道路交通碳排放總量的四分之一[1]。而城市信號(hào)燈交叉口則是碳排放中的一大集中地。

臺(tái)州市區(qū)小汽車擁有量高，2016—2020年市區(qū)小汽車年均增長率為7.92%，根據(jù)2019年開展的居民出行及相關(guān)調(diào)查可知小汽車出行分擔(dān)率均在30%左右。高比重的機(jī)動(dòng)化出行導(dǎo)致臺(tái)州市主要道路交叉口擁堵嚴(yán)重，進(jìn)而帶來環(huán)境污染等一系列問題，那么如何定量分析交叉口對(duì)環(huán)境帶來的影響，量化小汽車溫室氣體排放則顯得尤為重要。

1 信號(hào)燈交叉口碳排放測算方法介紹

1.1 測算對(duì)象

（1）溫室氣體測算對(duì)象

測算車輛在實(shí)際運(yùn)行中溫室氣體（CO2）排放量。

（2）車型測算對(duì)象

由于市府大道-中心大道交叉口為貨車限行區(qū)，且臺(tái)州市運(yùn)行的公交車均為新能源車輛，實(shí)際運(yùn)行中車輛類型95%以上均為小汽車，因此測算車輛類型選取以汽油、柴油為燃料的小汽車。

（3）道路測算對(duì)象

以臺(tái)州市市府大道-中心大道交叉口為道路測算對(duì)象。

1.2 碳排放測算方法分析

根據(jù)車輛在交叉口的運(yùn)行特性可知，車輛經(jīng)過信號(hào)燈交叉口過程中的碳排放要根據(jù)下面三個(gè)方面來計(jì)算：車輛在進(jìn)入交叉口前的路段內(nèi)減速階段的排放量、車輛排隊(duì)狀態(tài)下的排放量、車輛在紅燈結(jié)束后駛出交叉口過程中加速階段的排放量。本次計(jì)算時(shí)間范圍為1小時(shí)內(nèi)車輛排放值。

式中：P為1小時(shí)內(nèi)經(jīng)過交叉口小汽車的排放量，g；N為1小時(shí)內(nèi)通過交叉口的小汽車車輛數(shù)，輛；PA為每輛車在進(jìn)入交叉口時(shí)減速階段的排放量，g；MP為交叉口進(jìn)口道單車怠速溫室氣體排放速率，g/（s·輛）；T為交叉口各進(jìn)口道車輛平均排隊(duì)時(shí)長，s；PD為每輛車等待紅燈結(jié)束后駛出交叉口過程中加速階段的排放量，g。

其中PA、MP、PD利用車載排放測試系統(tǒng)和MOVES模型[2-8]，對(duì)小汽車分別在減速行駛至交叉口、排隊(duì)等候以及加速駛離交叉口過程中的溫室氣體排放量進(jìn)行核算，N和T則需要實(shí)地調(diào)查，各參數(shù)相關(guān)描述如表1所示。

表1 相關(guān)參數(shù)描述表Tab.1 Related parameter descriptions

2 臺(tái)州市市府大道與中心大道交叉口排放量測算

市府大道與中心大道交叉口為典型的十字交叉口，市府大道和中心大道分別為臺(tái)州市東西向和南北向重要的交通干道，沿途有多條公交線路經(jīng)過，交通條件較好。該交叉口區(qū)位及臺(tái)州市主要道路見圖1。

圖1 交叉口區(qū)位及臺(tái)州市主要道路示意圖Fig.1 Schematic diagram of intersection location and main roads in Taizhou

2.1 市府大道與中心大道交叉口信號(hào)燈及交通特征分析

（1）信號(hào)燈配時(shí)特性

通過在平峰期和高峰期對(duì)市府大道與中心大道交叉口實(shí)地調(diào)查可得出信號(hào)燈相位和信號(hào)配時(shí)數(shù)據(jù)如下：

該交叉口共有四個(gè)相位，分別為南北直行、南北左轉(zhuǎn)、東西直行和東西左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)彎車輛不受信號(hào)燈控制。

該交叉口在平峰期和高峰期采用不同的配時(shí)方案，高峰期（上午8：00—9：00、下午17：30—18：30）信號(hào)燈周期時(shí)長為190 s，平峰期（除高峰期以外的其他時(shí)段）信號(hào)燈周期時(shí)長為132 s，各相位信號(hào)燈配時(shí)時(shí)長如表2所示。

表2 市府大道與中心大道交叉口平、高峰期各相位信號(hào)周期Tab.2 Signal period of each phase at the intersection of Shifu Avenue and Central Avenue in the flat and peak periods

（2）交通運(yùn)行特性

通過實(shí)地航拍視頻得出交叉口交通流量，分別選取平峰期上午10：00—10：15、高峰期下午17：30—17：45進(jìn)行錄制，然后擴(kuò)大到1個(gè)小時(shí)得到平峰期和高峰期小時(shí)交通量。

調(diào)查得到交叉口平峰期和高峰期交通量見表3。

表3 市府大道與中心大道交叉口平、高峰期小時(shí)流量表Tab.3 Hourly flow meter at the intersection of Shifu Avenue and Central Avenue during the flat and peak periods

2.2 交叉口碳排放測算

根據(jù)上述調(diào)查數(shù)據(jù)，通過Webster交叉口進(jìn)口道延誤的計(jì)算公式[9-10]為：

式中：d為每輛車的平均延誤時(shí)長，s；c為信號(hào)燈周期時(shí)長，s；λ為綠信比，即有效綠燈時(shí)間與信號(hào)燈周期時(shí)長的比率；q為車流量，pcu/h；x為飽和度，觀測最大流量與信號(hào)交叉口進(jìn)口道的通行能力之比，q/λ。

計(jì)算可得出交叉口高峰期南北直行、東西直行、南北左轉(zhuǎn)、和東西左轉(zhuǎn)平均延誤分別為：77.8 s、86.5 s、89.8 s、91.9 s；平峰期南北直行、東西直行、南北左轉(zhuǎn)、和東西左轉(zhuǎn)平均延誤分別為：55.9 s、55.9 s、57.6 s、60.8 s。

結(jié)合調(diào)查和式（2）測算得出的參數(shù)，市府大道-中心大道交叉口高峰期和平峰期小時(shí)排放量可通過式（1）計(jì)算得出，分別為：272 225.084 g和207 413.391 g。

市府大道-中心大道交叉口高峰期與平峰期排放量之比、高峰期與平峰期流量比分別為1.3和1.1，因此信號(hào)燈交叉口延誤可在一定程度上加重小汽車碳排放量。

3 優(yōu)化策略

通過2.2計(jì)算結(jié)果可以看出，降低信號(hào)燈交叉口延誤可有效降低碳排放量，因此可以從下幾個(gè)方面對(duì)該交叉口降低碳排放提出幾點(diǎn)建議：

（1）優(yōu)化信號(hào)配時(shí)

根據(jù)現(xiàn)有平峰及高峰時(shí)段信號(hào)配時(shí)及流量分析，東西方向比南北方向車流量大，作為本次信控方案的主要相位，東西直行設(shè)置相位配時(shí)最高，其次是南北方向，為緩解南北方向的交通壓力，高峰期間采用降低周期、疏解各進(jìn)口車流為控制策略，及時(shí)疏解各進(jìn)口車流，降低紅燈等待時(shí)間，來緩解由于高峰時(shí)期信號(hào)周期過長造成部分相位時(shí)長與流量不匹配，造成交叉口通行效率較低的情況，同時(shí)有效減少待行車輛二次啟動(dòng)造成的碳排放量。

因此，優(yōu)化交叉口信號(hào)配時(shí)為：平峰期（10：00—11：30）信號(hào)燈周期時(shí)長為142 s，高峰期（17：00—18：30）信號(hào)燈周期時(shí)長為142 s，各相位信號(hào)燈配時(shí)時(shí)長見表4。

表4 交叉口平、高峰期各相位信號(hào)周期Tab.4 Signal period of each phase at the intersection during the flat and peak periods

（2）信號(hào)燈聯(lián)動(dòng)控制與感應(yīng)控制結(jié)合

臺(tái)州大道和市府大道均為臺(tái)州市主要交通干道，正常情況下，高峰期和平峰期交通量相對(duì)穩(wěn)定，道路條件較好，具備信號(hào)燈聯(lián)動(dòng)控制條件，可通過信號(hào)燈聯(lián)動(dòng)控制。在信號(hào)燈顯示屏顯示綠波適宜運(yùn)行速度，同時(shí)增設(shè)檢測設(shè)備對(duì)交叉口排隊(duì)長度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以起到校對(duì)信號(hào)燈綠燈時(shí)長和車輛運(yùn)行車速的效果，進(jìn)而保證聯(lián)動(dòng)控制運(yùn)行效果，減少交叉口排隊(duì)長度和延誤。

（3）設(shè)置實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)車道

由表3可以看出，臺(tái)州大道和市府大道交叉口平峰期東西向左轉(zhuǎn)車輛較少，直行車輛較多，車道利用不充分導(dǎo)致交叉口通行效率低下。可結(jié)合感應(yīng)控制，在左轉(zhuǎn)車道空余而直行車輛較多的情況下將其中一個(gè)左轉(zhuǎn)車道用于直行車輛通行，提高直行車輛通行效率。

4 結(jié)語

本文針對(duì)小汽車在信號(hào)燈交叉口運(yùn)行時(shí)的三種不同工況：減速、怠速和加速，構(gòu)建信號(hào)燈交叉口碳排放測算模型。選取臺(tái)州市典型信號(hào)燈交叉口市府大道與中心大道交叉口，通過實(shí)地調(diào)查分析獲取模型中參數(shù)，進(jìn)而得出該交叉口平峰期和高峰期溫室氣體小時(shí)排放量，根據(jù)交叉口高峰期與平峰期排放量之比大于高峰期與平峰期流量比，可知信號(hào)燈交叉口延誤可在一定程度上加重小汽車碳排放量，因此最后提出優(yōu)化策略通過減少交叉口延誤進(jìn)而降低碳排放。本文計(jì)算碳排放結(jié)果可為臺(tái)州市在城市道路溫室氣體排放量方面提供相對(duì)精確的參考值，同時(shí)該測算過程可為臺(tái)州市信號(hào)燈控制交叉口溫室氣體排放量測算提供參考。