基于微观仿真的减速信息提供对交叉口车辆碳排放影响研究

摘  要 ：信号交叉口周围车辆的快速加速减速和长时间的空转等不必要的运动会增大汽车的燃油消耗和尾气排放，为减少空气污染，在汽车到达交叉口之前向司机提供交通状况或信号状态的信息是一个有效的解决方案。本文结合道路仿真软件UC-win／Road和ECO碳排放模型，分析在不同位置，提供不同推荐速度的情况下对交叉口能耗和排放的影响。结论表明通过在特定位置给车辆提供推荐的减速速度，二氧化碳的排放量会减少。此外，信息更早的提供给车辆时，二氧化碳排放量的降低效果更明显。

关键词：交叉口；碳排放；信息提供；UC-win/Road仿真

1 引言

交叉口是城市交通排放的重点区位，信号交叉口周围车辆的快速加速减速和长时间的空转等不必要的运动会增大汽车的燃油消耗和尾气排放 [1-2]。为了解决这些交通状况，在汽车到达交叉口之前向司机提供交通状况或信号状态的信息是一个有效的解决方案。本文以交叉口能耗与碳排放为指标评价信号灯信息提供的影响。首先，观察临近信号交叉口的车辆运动，接下来，用UC-win/Road[3-4]再现交叉口的环境和车辆运动。然后，通过UC-win/Road提供有关信号变化的信息，为在到达交叉口一定距离之前向驾驶员提供推荐的速度。如果驾驶员遵循推荐的速度，则可以减少不必要的车辆移动，最后利用UC-win/Road的碳排放计算各个方案下的二氧化碳排放量，以此确定推荐行驶速度的提供对碳排放的影响。

2 仿真与碳排放的计算

本文使用UC-win/Road仿真再现观察到的接近信号交叉路口的车辆的运动，然后在提供信息的条件下模拟车辆的运动。在模拟中提供了三种不同的信息模式方案。通过比较不同方案间的二氧化碳排放量以及没有提供信息的情况下二氧化碳排放量来对每个环境进行评估。

2.1 仿真模拟方案

实验中假定推荐的速度信息已经提供给驾驶员，仿真中驾驶员会按照推荐的速度进行行驶。在本次实验中，为了研究方便起见，黄灯信号被认为与红色信号灯相同，当车辆看到黄灯时也会停止。因此，在信号周期里只有红灯和绿灯。图1表示了四种信息模式方案下的车辆移动过程。

图1仿真方案

图1横轴表示时间，纵轴表示车辆距信号交叉口距离，背景颜色表示车辆在距交叉口距离为d时，以恒定速度到达交叉口对应的信号状态。为简化研究，假设车辆始终以恒定速度行驶，并在接收到速度调整指令后立即按照新的速度继续运行。

图（1）为未提供信号信息时的车辆运行情况，黑色斜线表示车辆运行轨迹。车辆CT1在距离交叉口为 d时遇到红灯，但以当前速度到达时信号已转为绿灯，因此无需停车即可通过；反之，若车辆在d处为绿灯，到达时可能转为红灯，则需停车等待。

图（2）为提供单次速度信息的情况。当车辆到达di时，系统提供推荐速度以降低车速。若车辆按照建议速度行驶（如CT1），可延迟到达交叉口时间，从而避免停车等待，提高不停车通过区域。该区域大小受推荐速度影响，推荐速度越低，不停车通过范围越大，但速度过低可能引发交叉口拥堵，因此需设置最小推荐速度。即使仍需停车，减速也能减少到达后的空转等待时间。

图（3）表示提前提供速度信息。相比图（2），车辆更早接收相同速度建议，因此可进一步扩大连续通过区域，说明信息提供越早，改善效果越明显。

图（4）表示分阶段提供速度信息。系统在d1，d2，d3三个位置分别提供速度V1，V2，V3（V1> V2> V3），实现车辆渐进减速，提高运行平顺性。

各方案参数依据车辆运行特征设定：方案二中di=250 m、Vi=30 km/h；方案三中di=400 m、Vi =30 km/h；方案四中d1，d2，d3分别为350 m、280 m、200 m，对应V1，V2，V3为40 km/h、35 km/h、30 km/h。

2.2 交叉口碳排放模拟与仿真结果

车辆的碳排放可由UC-win/Road的ECO驾驶模块进行计算模拟。ECO会计算驾驶模拟车辆的碳排放值。为了尽可能的保证数据的准确性，对每种不同的模式进行了30次模拟实验，此外统一规定仿真的起始位置为距离交叉口500米处。

与方案一不提供任何信息模式的二氧化碳碳排放值相比，所有提供信息的方案的二氧化碳碳排放值都减少了。与方案一相比，方案二，方案三，方案四的二氧化碳排放值分别减少了23.55g，44.63g，12.56g。因此，在车辆到达交叉口前提供减速信息的确会降低车辆的二氧化碳排放量。另外，由方案二和方案三可以看出，较早的给车辆提供减速信息，会更大幅度的降低车辆的二氧化碳的排放量。方案四二氧化碳排放量高于方案二和方案三，它获得的二氧化碳减少量很小。方案四的信息提供模式是分三步分别提供减速信息，所以，不必要的车辆运动会导致二氧化碳排放量的增加。

另外研究表明当提供任何信息时，以恒定速度运行的车辆的二氧化碳排放量的比例增加。相反，空转时间和快速加速/减速时的二氧化碳排放比例下降。因此，可以看出，通过提供给车辆减速的信息，可以使交通流变得更平滑。

3 结论

本文结合道路仿真软件UC-win／Road和ECO碳排放模型，分析在不同位置，提供不同推荐速度的情况下对交叉口能耗和排放的影响。结论表明通过在特定位置给车辆提供推荐的减速速度，二氧化碳的排放量会减少。此外，信息更早的提供给车辆时，二氧化碳排放量的降低效果更明显；通过提供给车辆减速的信息，可以使交通流变得更平滑。

参考文献

[1] 刘皓冰,熊英格,高锐等.基于微观仿真的交叉口车辆能耗与排放研究[J].城市交通,2010,(02):75-79+24.

[2] 李世武,王云鹏,付建萍等.基于车辆排放的城市道路交叉口信号配时优化仿真[J].吉林大学学报（工学版）,2007,37(6):5.

[3] 伍凯, 潘晓东, 邓其. 基于UC-win/Road的城市高架路建模及应用[J]. 公路工程, 2014, 39(6):4.

[4] 钱园园. 基于Uc-win/road的高速公路隧道入口视觉减速标线效果研究[D]. 长安大学, 2019.