專利名稱：城市隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放的數(shù)字化分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及交通仿真、機(jī)動(dòng)車尾氣排放、交通管理控制等研究領(lǐng)域，尤其涉及以改善城市隧道交通環(huán)境為目標(biāo)的交通微觀仿真、機(jī)動(dòng)車尾氣排放的聯(lián)合數(shù)字化分析方法。
背景技術(shù)：
在城市化與機(jī)動(dòng)化的快速發(fā)展、低排放標(biāo)準(zhǔn)機(jī)動(dòng)車輛所占比例較大、交通管理與控制的手段較為落后等多種因素的作用下，我國城市空氣質(zhì)量受到機(jī)動(dòng)車尾氣排放的嚴(yán)重威脅。《中國機(jī)動(dòng)車污染防治年報(bào)(2010年度)》統(tǒng)計(jì)顯示，全國113個(gè)環(huán)保重點(diǎn)城市中1/3 的空氣質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，很多城市尤其是大城市空氣污染已呈現(xiàn)出煤煙型和汽車尾氣復(fù)合型污染的特點(diǎn)。
城市隧道成為緩解城市交通壓力的有效方法。城市隧道具有不占用耕地、利于水土環(huán)境保護(hù)、減少道路病害、縮短行駛里程及提高行駛速度等諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于其特殊的構(gòu)造，使得行駛車輛排放出的尾氣，如CO2 (carbon dioxide, 二氧化碳)、CO (carbon monoxide, 一氧化碳)、HC (hydrocarbons,碳氧化合物)> NOx (oxides of nitrogen,氮氧化物)、PM(碳煙顆粒)等不能及時(shí)的擴(kuò)散、消失。同時(shí)，機(jī)動(dòng)車在進(jìn)入及離開隧道時(shí)，駕駛員所處的環(huán)境會(huì)發(fā)生變化，機(jī)動(dòng)車的速度和加速度也會(huì)發(fā)生一定程度的變化，當(dāng)隧道內(nèi)部出現(xiàn)事故時(shí)，車輛更是會(huì)頻繁的啟停，這都會(huì)導(dǎo)致機(jī)動(dòng)車在隧道內(nèi)的停留時(shí)間延長，使機(jī)動(dòng)車尾氣污染物的排放增加。
目前研究機(jī)動(dòng)車尾氣污染物排放方法主要分為實(shí)際測試和排放模型的研究。實(shí)際測試主要分為實(shí)驗(yàn)室測試和實(shí)際道路測試。前者包括臺(tái)架測試，后者包括隧道實(shí)驗(yàn)、 遙感測試和車載測試。而機(jī)動(dòng)車尾氣污染物排放模型研究基于不同的原理將其分為基于平均速度的統(tǒng)計(jì)回歸模型，其代表為MOBILE模型、COPERT (Computer Programme to calculate Emissions from Road ^Transport)模型；基于機(jī)動(dòng)車行駛特征的模型，其代表為 IVE (International Vehicle Emission)模型禾口 CMEM(Comprehensive Modal Emission Model)模型。
其中，CMEM模型由加州大學(xué)河邊分校于20世紀(jì)90年代中期開始開發(fā)，為行駛工況類模型，以瞬態(tài)速度-加速度行駛狀態(tài)為主要參數(shù)，能夠模擬不同工況下機(jī)動(dòng)車的瞬時(shí)排放，模型結(jié)果為瞬時(shí)值。模型可以預(yù)測各種各樣的輕型車在不同狀態(tài)(如正常運(yùn)行、劣化、 損壞)下的排放。與以往模型慣用的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)+代用參數(shù)的方法不同，CMEM模型基于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載和污染物形成的物理化學(xué)原理，考慮所有行駛狀態(tài)對排放的影響。CMEM模型中機(jī)動(dòng)車類型分為3類沈種，模型需要輸入的參數(shù)數(shù)量為47個(gè)，由于獲取實(shí)際道路環(huán)境機(jī)動(dòng)車技術(shù)組成和行駛工況則需要較高強(qiáng)度的調(diào)查，模型參數(shù)獲取難度較大。
通過微觀交通仿真軟件可實(shí)現(xiàn)研究對象交通運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)模擬，并獲得相應(yīng)的交通運(yùn)行數(shù)據(jù)，最為常用的軟件是VISSIM。VISSIM為德國PTV公司開發(fā)的微觀交通流仿真軟件系統(tǒng)，是一種微觀的、基于時(shí)間間隔和駕駛行為的仿真建模工具，用以城市交通和公共交通運(yùn)行的交通建模。它可以分析各種交通條件下，如車道設(shè)置、交通構(gòu)成、交通信號(hào)、公交站點(diǎn)等，城市交通和公共交通的運(yùn)行狀況，是評價(jià)交通工程設(shè)計(jì)和城市規(guī)劃方案的有效工具。
就城市隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放而言一般采取隧道實(shí)驗(yàn)的方法，通過在隧道內(nèi)外監(jiān)測污染物的濃度，并根據(jù)現(xiàn)場的車流參數(shù)，獲得對應(yīng)車隊(duì)的平均排放因子水平。隧道實(shí)驗(yàn)簡單易操作，測試涉及的車輛樣本數(shù)較多，具有一定代表性，在精度要求不高的情況下，可用來獲取車隊(duì)平均排放因子。缺點(diǎn)是受背景濃度影響，而且被測車輛的工況單一。
綜上，通過實(shí)際測試或者構(gòu)建機(jī)動(dòng)車尾氣排放模型來進(jìn)行研究取得了長足的發(fā)展，但仍然存在以下幾方面的問題
一、對城市隧道機(jī)動(dòng)尾氣排放的研究僅僅停留在隧道實(shí)驗(yàn)的階段，相應(yīng)的仿真研究寥寥無幾，此外，隧道實(shí)驗(yàn)雖然簡單易操作，但實(shí)驗(yàn)人員長時(shí)間處于隧道中，對身體健康和人身安全不利。
二、實(shí)際測試和機(jī)動(dòng)車尾氣排放模型無法實(shí)現(xiàn)與交通管理控制措施的實(shí)時(shí)反饋， 無法充分反映交通管理策略。
三、交通問題研究重點(diǎn)在緩解交通擁堵上，采取的交通管理控制措施以緩解交通擁堵、疏導(dǎo)交通流、減少旅行時(shí)間等為目的，而極少考慮其對減少尾氣排放的作用。
因此，以城市中受污染較為嚴(yán)重的隧道為研究對象，在對交通量、道路特征等方面進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，聯(lián)合微觀交通仿真和機(jī)動(dòng)車尾氣排放模型提出交通尾氣污染數(shù)字化分析計(jì)算方法，分析不同交通管理控制手段對隧道內(nèi)機(jī)動(dòng)車尾氣污染物排放的影響。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種聯(lián)合微觀交通仿真和機(jī)動(dòng)車尾氣排放模型的城市隧道交通尾氣污染數(shù)字化分析方法，從交通管理控制的角度出發(fā)模擬城市隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放，改善隧道交通環(huán)境，為隧道的管理提供科學(xué)的依據(jù)。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種城市隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放的數(shù)字化分析方法，包括以下步驟
步驟1 調(diào)查城市隧道交通量信息、各出入口道路信息及交通管理控制措施信息；
步驟2 構(gòu)建城市隧道的數(shù)字化交通路網(wǎng)并仿真獲取實(shí)時(shí)交通運(yùn)行工況；
步驟3 確定城市機(jī)動(dòng)車尾氣排放的模擬模型，并對不同模型間的車型進(jìn)行映射；
步驟4 隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放的數(shù)字化計(jì)算；
步驟5 交通管理控制措施對隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放影響的數(shù)字化再現(xiàn)。
本發(fā)明提出的城市隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放的數(shù)字化分析方法，通過車型映射關(guān)系的確立，將微觀交通仿真軟件與機(jī)動(dòng)車尾氣排放模型兩者耦合起來進(jìn)行聯(lián)合仿真，重點(diǎn)以城市中受污染較為嚴(yán)重的隧道為研究對象，以改善隧道交通環(huán)境為目標(biāo)的角度來探討不同的交通管理策略對隧道中機(jī)動(dòng)車尾氣排放的影響。
該發(fā)明是針對城市隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放的，將彌補(bǔ)以往方法僅進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測的不足，回避了隧道實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長、實(shí)驗(yàn)花費(fèi)大、有安全隱患等缺點(diǎn)，使用數(shù)字化仿真分析的方法有效而準(zhǔn)確地描述城市隧道內(nèi)機(jī)動(dòng)車的尾氣排放特性，為隧道交通環(huán)境的改善提供一定的科學(xué)依據(jù)。
對隧道的運(yùn)營管理部門而言，該數(shù)字化分析方法為獲取隧道內(nèi)真實(shí)的機(jī)動(dòng)車運(yùn)行狀況以及機(jī)動(dòng)車排放情況提供了準(zhǔn)確可靠的仿真與實(shí)驗(yàn)環(huán)境，能夠預(yù)知和數(shù)字化再現(xiàn)不同的交通管理控制措施(如車速限制、車速限制、單雙號(hào)限行等)對隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放的影響，并可為交通管理控制策略的科學(xué)評價(jià)提供依據(jù)。
對環(huán)境監(jiān)測部門而言，可通過此分析方法獲取在不同交通狀況條件下，城市隧道內(nèi)機(jī)動(dòng)車尾氣的排放量，為環(huán)境的監(jiān)控以及環(huán)境的改善提供一定的科學(xué)依據(jù)。
對廣大機(jī)動(dòng)車駕駛員而言，此方法獲取的隧道機(jī)動(dòng)車尾氣的排放可使其了解隧道中駕駛環(huán)境，可使其盡量避免在高峰等交通擁擠時(shí)段使用隧道，為廣大的駕駛員以及司乘人員的身體健康提供一定的幫助。
本發(fā)明的城市隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放的數(shù)字化分析方法在交通量、隧道特征、控制策略等基本數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，完全通過數(shù)字化計(jì)算獲得城市隧道機(jī)動(dòng)車尾氣的排放，具有成本低、可重復(fù)、可視化、環(huán)境參數(shù)易修改等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是基于微觀交通仿真和機(jī)動(dòng)車尾氣排放聯(lián)合的數(shù)字化分析流程圖2是城市隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放的數(shù)字化分析方法流程圖3為九華山隧道走向及觀測點(diǎn)分布示意圖4為Cat 5車型在三種時(shí)速下的尾氣污染物排放統(tǒng)計(jì)圖5Cat 16車型在三種時(shí)速下的尾氣污染物排放統(tǒng)計(jì)圖6Cat 40車型在三種時(shí)速下的尾氣污染物排放統(tǒng)計(jì)圖7高峰60km/h下三類車型的尾氣污染物排放統(tǒng)計(jì)圖8高峰70km/h下三類車型的尾氣污染物排放統(tǒng)計(jì)圖9平峰80km/h下三類車型的尾氣污染物排放統(tǒng)計(jì)圖10現(xiàn)狀高峰與限行-高峰兩狀態(tài)下機(jī)動(dòng)車尾氣污染物排放因子值。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明的城市隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放的數(shù)字化分析方法是基于微觀交通仿真和機(jī)動(dòng)車尾氣排放聯(lián)合的思想
首先進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，然后將數(shù)據(jù)輸入微觀交通仿真軟件構(gòu)建數(shù)字化交通路網(wǎng)并仿真獲取實(shí)時(shí)交通運(yùn)行工況，再確定機(jī)動(dòng)車尾氣排放的模擬模型，并對不同模型間的車型進(jìn)行映射，然后進(jìn)行機(jī)動(dòng)車尾氣排放的數(shù)字化計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析交通管理控制措施對機(jī)動(dòng)車尾氣排放的影響。
本具體實(shí)施方式
的城市隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放的數(shù)字化分析方法如圖2所示
第一步隧道實(shí)地調(diào)查。包括
城市隧道交通量調(diào)查，即對所研究的隧道分時(shí)段(高峰、平峰)、分車型(小汽車、 客車等)進(jìn)行交通量的調(diào)查；
城市隧道各出入口道路基本信息調(diào)查，即對隧道各個(gè)出入口的車道數(shù)、車道寬度和標(biāo)志標(biāo)線等信息進(jìn)行調(diào)查；
城市隧道交通管理控制措施調(diào)查，即明確調(diào)查對象的交通管理控制措施，如車速限制、車型限制、公交專用道、信號(hào)配時(shí)等。
第二步構(gòu)建城市隧道的數(shù)字化交通路網(wǎng)并仿真獲取實(shí)時(shí)交通運(yùn)行工況，并仿真輸出車輛運(yùn)行相關(guān)信息，包括車輛ID、仿真時(shí)間、車輛類型、速度、加速度等。
構(gòu)建交通路網(wǎng)的過程是將第一步中調(diào)查所得到的城市隧道的交通量信息、出入口道路信息以及交通管理控制措施信息輸入交通微觀仿真軟件VISSIM，建立相應(yīng)隧道的路網(wǎng)模型，仿真獲得現(xiàn)狀條件下城市隧道路網(wǎng)中車輛的實(shí)時(shí)交通運(yùn)行工況。其間，如果調(diào)查信息中的車型與VISSIM模型中的車型不一致，需要進(jìn)行車型映射關(guān)系的確立，即根據(jù)VISSIM模型中已確定的車型，在調(diào)查信息中找到與之相對應(yīng)的車輛類型。
第三步確定城市機(jī)動(dòng)車尾氣排放的模擬模型，對不同模型間的車型進(jìn)行映射。
本實(shí)施方式采用與交通微觀仿真軟件VISSIM具有較高耦合度的城市機(jī)動(dòng)車尾氣排放模擬模型CMEM模型，確立VISSIM軟件和CMEM模型中車型的映射，即根據(jù)VISSIM模型中已確定的車型，在CMEM模型中找到與之相對應(yīng)的車輛類型。
第四步隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放的數(shù)字化計(jì)算。
將VISSIM仿真運(yùn)行獲得的機(jī)動(dòng)車每秒運(yùn)行工況，通過車型映射關(guān)系的確立，將其輸入CMEM模型中，獲取該隧道路網(wǎng)中機(jī)動(dòng)車尾氣的排放值；
第五步交通管理控制措施對隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放影響的數(shù)字化再現(xiàn)。
根據(jù)CMEM模型獲取的路網(wǎng)中機(jī)動(dòng)車尾氣的排放情況，分析交通管理控制措施對機(jī)動(dòng)車尾氣排放的影響。并通過改變已構(gòu)建的城市隧道VISSIM路網(wǎng)模型中的交通管理控制措施，分析在不同的交通管理策略下，該路網(wǎng)中的機(jī)動(dòng)車尾氣排放值的變化情況，并以此為依據(jù)對不同的交通管理控制策略進(jìn)行相應(yīng)的評價(jià)，為減少路網(wǎng)中機(jī)動(dòng)車尾氣的排放，改善交通運(yùn)行提供一定的科學(xué)依據(jù)。
下面以九華山隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放的數(shù)字化分析過程為例詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
1、九華山隧道實(shí)地調(diào)查
南京市九華山隧道，南起龍?bào)粗新诽旃ぴ?，北至新莊立交，下穿北京東路、九華山、 南京航海運(yùn)動(dòng)學(xué)校后進(jìn)入玄武湖折向西北，沿環(huán)湖路至情侶園西側(cè)下穿玄武湖東西向隧道敞開段，全長約2. 8km。九華山隧道共有6個(gè)進(jìn)出口(觀測點(diǎn))，詳見圖3。調(diào)查小組選取九華山隧道觀測點(diǎn)1、2、3、5進(jìn)行了為期一個(gè)月的交通量調(diào)查，調(diào)查時(shí)間段為早高峰 (7:00-9:00)和平峰(14:30-16:30)，共計(jì)4個(gè)小時(shí)。調(diào)查結(jié)果見表1、表2。
表1各觀測點(diǎn)高峰小時(shí)交通量單位輛/h
權(quán)利要求
1.一種城市隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放的數(shù)字化分析方法，其特征在于包括如下步驟步驟1 調(diào)查城市隧道交通量信息、各出入口道路信息及交通管理控制措施信息；步驟2 構(gòu)建城市隧道的數(shù)字化交通路網(wǎng)并仿真獲取實(shí)時(shí)交通運(yùn)行工況；步驟3 確定城市機(jī)動(dòng)車尾氣排放的模擬模型，并對不同模型間的車型進(jìn)行映射；步驟4 隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放的數(shù)字化計(jì)算；步驟5 交通管理控制措施對隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放影響的數(shù)字化再現(xiàn)。
2.如權(quán)利要求1所述的城市隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放的數(shù)字化分析方法，其特征在于所述步驟2的具體過程是根據(jù)步驟1中獲取的城市隧道的交通量信息、出入口道路信息以及交通管理控制措施信息，采用交通微觀仿真軟件VISSIM建立相應(yīng)隧道的路網(wǎng)模型，仿真獲得現(xiàn)狀條件下城市隧道路網(wǎng)中車輛的實(shí)時(shí)交通運(yùn)行工況。
3.如權(quán)利要求2所述的城市隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放的數(shù)字化分析方法，其特征在于所述步驟3的具體過程是采用與交通微觀仿真軟件VISSIM具有較高耦合度的城市機(jī)動(dòng)車尾氣排放模擬模型CMEM模型，確立VISSIM軟件和CMEM模型中車型的映射，即根據(jù)VISSIM模型中已確定的車型，在CMEM模型中找到與之相對應(yīng)的車輛類型。
4.如權(quán)利要求3所述的城市隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放的數(shù)字化分析方法，其特征在于所述步驟4的具體過程是將VISSIM仿真運(yùn)行獲得的機(jī)動(dòng)車每秒運(yùn)行工況，通過車型映射關(guān)系的確立，將其輸入CMEM模型中，獲取該隧道路網(wǎng)中機(jī)動(dòng)車尾氣的排放值。
5.如權(quán)利要求2、任一所述的城市隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放的數(shù)字化分析方法，其特征在于所述步驟5的具體過程是通過改變已構(gòu)建的城市隧道VISSIM路網(wǎng)模型中的交通管理控制措施，分析在不同的交通管理策略下，該路網(wǎng)中的機(jī)動(dòng)車尾氣排放值的變化情況，并以此為依據(jù)對不同的交通管理控制策略進(jìn)行相應(yīng)的評價(jià)，為減少路網(wǎng)中機(jī)動(dòng)車尾氣的排放，改善交通運(yùn)行提供一定的科學(xué)依據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種城市隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放的數(shù)字化分析方法，其特征在于包括如下步驟調(diào)查城市隧道交通量信息、各出入口道路信息及交通管理控制措施信息；構(gòu)建城市隧道的數(shù)字化交通路網(wǎng)并仿真獲取實(shí)時(shí)交通運(yùn)行工況；確定城市機(jī)動(dòng)車尾氣排放的模擬模型，并對不同模型間的車型進(jìn)行映射；隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放的數(shù)字化計(jì)算；交通管理控制措施對隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放影響的數(shù)字化再現(xiàn)。本發(fā)明的城市隧道機(jī)動(dòng)車尾氣排放的數(shù)字化分析方法在交通量、隧道特征、控制策略等基本數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，完全通過數(shù)字化計(jì)算獲得城市隧道機(jī)動(dòng)車尾氣的排放，具有成本低、可重復(fù)、可視化、環(huán)境參數(shù)易修改等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102508949SQ20111030987
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月13日
發(fā)明者何杰, 杭文, 王海峰, 蔡曉華, 趙池航 申請人:東南大學(xué)