基于汽车尾气排放的拥堵城市路网交通信号灯多目标优化系统

Past works that focus on traffic signal control problem ignore: a) in congested networks, demand typically approaches or even exceeds capacity, leading to spatial propagation of congestion in the form of vehicular spillbacks; b) environmental friendly traffic signal control strategy that considers emission. This project focuses on developing queueing model that is capable of modeling complex between-link dependencies and vehicular spillbacks in congested urban road networks. Meanwhile, analytical emissions models will be developed on the basis of the newly proposed queueing model. The information obtained from both analytical model and microscopic simulator will be combined to ensure the accuracy and computational efficiency in a simulation-based optimization framework. A multi-objective traffic control strategy will be proposed for large-scale congested urban road network in order to improve efficiency and reduce emission.

现有的城市交通信号灯控制系统很少考虑: a)当车流量饱和或接近饱和时,如何有效的控制交通堵塞的空间漫延；b) 信号灯设置对车辆尾气排放的影响。本项目将针对这些问题建立更为精确的宏观交通模型来较为真实的模拟严重拥堵路网中的交通流特性以及排队后溢现象，并量化机动车通过交叉口区域的尾气排放； 使用混合建模方法,在保证宏观模型计算效率的同时,引入微观仿真模型来精确地描述和分析交通流特性，车辆互动，排队后溢等问题；提出一种基于仿真的优化设计方法来拟合宏观动态排队模型和微观仿真模型的输出信息，建立适用于大范围拥堵路网中的多目标信号灯优化系统, 在限制交通拥堵扩散的同时节能减排。

本项目依照申请书中的研究计划执行，立足于缓解交通拥堵带来的负面影响，从控制拥堵和节能减排两个方面着手，研究适用于大范围拥堵路网的高效信号灯多目标/单目标优化系统。首先，建立了适用于拥堵路网的宏观模型模拟路网交通流运行状况，该宏观模型不但适用于模拟传统交叉口，还可以模拟包含特殊车道如借道左转车道的交叉口中的车辆运行状况。其次，量化了宏观机动车尾气排放模型中碳氧化合物、氮氧化合物、挥发性有机物和可吸入颗粒物的排放量表达式与交通流特征及信号灯配时之间的关系。再次，根据路网规模及控制类型选取了三个测试路网并进行宏观及微观路网建模，分别建立了小型拥堵路网，干线控制路网和大范围路网。所建立的三个路网可以满足点控，线控，及面控优化系统的测试和验证需求。最后建立了适用于大范围路网的信号灯干线及区域优化控制算法，拟合了宏观和微观仿真模型，在保证模型精确性的同时提高计算效率。以上研究结果表明：与传统信号灯配时方案相比，该优化算法计算的信号灯配时方案在出行时间、排队长度、碳氧化合物、氮氧化合物、挥发性有机物和可吸入颗粒物排放量方面均有不同程度的降低。该算法可用于解决不同拥堵程度路网信号灯系统优化问题，在限制交通拥堵扩散的同时减少汽车尾气排放量。