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城市道路信号交叉口车辆能耗及排放仿真优化研究

赵红星  
【摘要】:信号交叉口作为城市交通网络的基础组成,是路网产生拥堵和延误的主要节点。在城市交通系统中,由于信号交叉口的大量存在,车辆在行驶过程中会长时间的停车等待及反复地分流、合流等,复杂的交通状况使得车辆通过交叉口时的能耗以及尾气排放有所增加。随着机动车保有量的快速增长及平均行驶里程的不断增加,促使交通能耗以及尾气污染问题愈加严峻。因此,对车辆通过信号交叉口时产生的能耗以及尾气排放进行微观定量研究,对于缓解交通能耗以及尾气污染问题十分必要。考虑到驾驶员在信号交叉口驾驶行为的复杂性,本文以欠饱和信号交叉口作为研究对象,基于跟驰模型分析车辆通过交叉口时的行驶轨迹,结合燃油车与电动汽车瞬时能耗排放模型,对车辆通过信号交叉口时产生的能耗以及排放进行仿真,并从信号周期、绿信比、车辆到达率等角度分析了其对车辆能耗以及尾气排放的影响,进一步从归纳推理与回归统计的角度给出信号交叉口进口道车辆增量能耗以及排放模型,同时,在考虑路段行驶速度以及电动汽车混行比例的交通条件下,从减少车辆CO_2排放的角度对单点交叉口和线控系统进行配时优化。另外,随着智能交通系统与自动驾驶汽车技术的发展,本文最后进一步分析了联网巡航控制环境下多前车信息反馈对交叉口车辆能耗以及排放的影响。具体工作如下:(1)基于全速度差(Full Velocity Difference,FVD)跟驰模型分析了车辆通过交叉口时的行驶轨迹,分析表明在红灯的影响下,部分车辆并不能顺畅通过交叉口,需要完全停车或者不完全停车,结合车辆比功率油耗排放模型对燃油车通过交叉口时产生的油耗以及CO_2、CO、HC、NO_X排放进行估计,结果说明车辆行驶轨迹的改变正是车辆油耗以及CO_2、CO、HC、NO_X排放增加的原因。考虑到信号周期、绿信比、车辆到达率不同时,不同交通条件下车辆行驶轨迹也将有所不同,进一步分析了不同信号周期、绿信比、车辆到达率对单进口道和整个交叉口车辆油耗以及CO_2、CO、HC、NO_X排放的影响;(2)考虑到电动汽车与燃油车能耗排放特征的不同,将FVD跟驰模型与电动汽车能耗模型以及电网CO_2、CH_4、NO_2、SO_2排放因子结合,仿真分析了电动汽车在交叉口的能耗以及CO_2、CH_4、NO_2、SO_2排放特征。相比燃油车,电动汽车在制动阶段可以实现能量回收,并且怠速阶段不需要维持发动机的运转,能耗率仅取决于车辆辅助部件功率的大小,此二者因素使得电动汽车在交叉口的能耗排放特征与燃油车有所区别。进一步析了不同信号周期、绿信比、车辆到达率对单进口道以及整个交叉口电动汽车能耗和排放的影响;(3)基于前文仿真分析,从进口道停车率与停车延误的角度归纳推理进口道车辆增量能耗以及排放的估计模型。为了说明估计模型的准确性,采用前文数值仿真方法对估计模型进行验证,结果表明不同交通情形下推理模型计算值与仿真结果的变化趋势总体上较为一致,说明车辆增量能耗以及排放的变化与停车率和停车延误存在特定的映射关系。进一步利用SPSS统计软件,对停车率和控制延误的不同多项式组合进行回归分析,建立了进口道车辆增量能耗以及排放的统计模型;(4)采用前文确定的信号交叉口进口道车辆增量能耗以及排放估计模型,基于前人的研究成果,分别建立了考虑车辆CO_2排放的单点交叉口信号配时和线控系统相位差的优化模型。在考虑不同路段行驶速度以及电动汽车混行比例的前提下,算例分析表明从车辆CO_2排放最小的角度优化单点交叉口和线控系统的配时参数是必要的,其实质是对车辆控制延误以及停车率的综合考虑。进一步以车辆CO_2增量排放、控制延误、停车率两两为组合目标,对单点交叉口和线控系统的多目标配时优化进行分析,以不同交通情形下不同组合目标所获Pareto解空间变化范围为衡量标准,说明了选择车辆CO_2增量排放作为优化目标具有一定的合理性;(5)选择基于多前车信息反馈的巡航控制跟驰模型,分析车联网环境下多前车信息反馈对交叉口车辆行驶轨迹的影响,将其与车辆瞬时能耗排放模型相结合,并以FVD模型作为传统手动驾驶车辆的跟驰模型,对基于多前车信息反馈巡航控制车辆在信号交叉口的车辆能耗以及排放进行对比分析。仿真对比说明,联网环境下基于多前车信息反馈的巡航控制能够使进口道不完全停车车辆速度的改变幅度以及需要改变行驶轨迹的车辆数都有所减少,对进口道车辆能耗以及排放的减少具有积极意义,进一步在考虑信号周期、绿信比、车辆到达率的同时,分析了基于多前车信息反馈巡航控制车辆对单进口道以及整个交叉口车辆能耗和排放的影响。本文对燃油车和电动汽车在信号交叉口的能耗以及排放进行了深入分析,以跟驰模型重构车辆通过信号交叉口时的行驶轨迹,结合车辆瞬时能耗排放模型对车辆通过交叉口时产生的能耗以及排放进行估计,进一步基于此思路对其影响因素展开了深入的分析,并从归纳推理和回归统计的角度建立了信号交叉口进口道车辆增量能耗以及排放模型。同时,从减少车辆CO_2排放的角度给出了不同信号控制系统的配时优化模型。通过对不同类型的跟驰模型深入分析,选择被广泛使用的FVD跟驰模型对交叉口车辆行驶轨迹进行拟合仿真,为后续的数值分析和模型验证奠定了基础。结合燃油车和电动汽车的瞬时能耗排放模型,对进口道和交叉口的车辆能耗以及排放进行估计,并从不同角度分析了其对车辆能耗以及排放的影响;本文继续深入分析并建立了信号交叉口车辆增量能耗以及排放模型,并且针对单点交叉口以及线控系统,研究了考虑车辆CO_2排放的配时参数优化模型,采用算例分析说明了从减少车辆CO_2排放的角度对信号控制系统配时参数优化是必要的,也是合理的。论文对信号交叉口的车辆能耗以及排放展开了深入研究,并对其影响因素和优化控制进行了不同角度的分析,研究结论对缓解交通能耗以及环境污染问题具有积极意义,能够为信号交叉口的科学管理提供一定的理论参考。


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