西南交通大學(xué)碩士研究生選題報(bào)告.doc

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西 南 交 通 大 學(xué) 碩 士 研 究 生 選 題 報(bào) 告 姓 名 覃林 學(xué) 號(hào) 2015210772 導(dǎo)師姓名 胡驥 職 稱 副教授 專 業(yè) 交通運(yùn)輸工程 研究方向 交通管理與控制 題 目考慮車(chē)輛排放的城市高架快速路匝道 控制策略研究 2016年 11 月 2 日 開(kāi)題報(bào)告的內(nèi)容應(yīng)包括 （1） 課題的研究意義、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析。 （2） 課題研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容、擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題。 （3） 擬采取的研究方法、技術(shù)路線、試驗(yàn)方案及其可行性 研究。 （4） 課題的創(chuàng)新性。 （5） 計(jì)劃進(jìn)度、預(yù)期進(jìn)展和預(yù)期成果。 注：（1）開(kāi)題報(bào)告由各院（系、所、中心）組織實(shí)施，專家組成員由副高以上人員組成，邀請(qǐng)導(dǎo)師和督導(dǎo)組相關(guān)專家參加，導(dǎo)師擔(dān)任組長(zhǎng)。 （2）專家組的作用是幫助導(dǎo)師和研究生執(zhí)行選題論證，論證意見(jiàn)以“通過(guò)”、 “不通過(guò)”結(jié)論。通過(guò)者按計(jì)劃開(kāi)展論文工作，不通過(guò)者，在半年內(nèi)需 重新開(kāi)題。 選 題 報(bào) 告 主 要 內(nèi) 容 論文題目: 考慮車(chē)輛排放的城市高架快速路匝道控制策略研究 1選題依據(jù)（研究意義、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀綜述） 1.1研究意義 城市快速路是城市交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，承擔(dān)著車(chē)輛快速便捷通過(guò)的重任。然而近年來(lái)由于車(chē)輛的不斷增加，整個(gè)路網(wǎng)的擁堵程度不斷加劇，快速路也不例外。而車(chē)輛行駛在這種環(huán)境下，不僅便捷性、舒適性和安全性大打折扣，其燃油消耗也大大增加，導(dǎo)致空氣污染更加嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境惡化。 根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，在中國(guó)幾大“堵城”中，北京平均每小時(shí)堵30分鐘，按照其基本工資水平換算成金錢(qián)，其堵車(chē)成本高達(dá)808元，廣州則達(dá)到753元，重慶也有556元的堵車(chē)成本[1]。 與此同時(shí)，人們正遭受著機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣造成的空氣污染的危害。汽車(chē)尾氣中含有一氧化碳CO，碳?xì)浠衔颰HC，氮氧化物NOX，揮發(fā)性VOC有機(jī)化合微粒子和鉛Pb等化合物。 城市快速路發(fā)生的擁擠比普通道路所造成的損失更大，車(chē)輛在不良工況下的能源消耗會(huì)更高，尾氣排放造成的空氣污染更加嚴(yán)重。其中匝道匯入主路的車(chē)流是造成快速路擁堵的一個(gè)非常重要的原因，因此，本文通過(guò)城市快速路單點(diǎn)匝道控制進(jìn)行研究，主要有以下理論和實(shí)踐意義： （1）通過(guò)VISSIM對(duì)實(shí)際路網(wǎng)進(jìn)行仿真，通過(guò)對(duì)不同控制策略下的快速路入口匝道的仿真分析，研究各控制算法的適用性； （2）通過(guò)VISSIM與MOVES的結(jié)合使用，綜合其結(jié)果選出一種最適合城市快速路匝道控制的方法； （3）基于MOVES從微觀層面對(duì)采取匝道控制策略下的車(chē)輛尾氣排放進(jìn)行研究，可以得出較為精確的特定道路和工況下的尾氣排放結(jié)果，為宏觀層次的研究提供參考依據(jù)； 1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述 1.2.1國(guó)外匝道控制與排放研究現(xiàn)狀 自從1965年Wattleworth提出定時(shí)控制方法[2]以后，人們對(duì)入口匝道控制的研究得到了全面的發(fā)展。入口匝道控制技術(shù)從依靠歷史數(shù)據(jù)的靜態(tài)控制發(fā)展到動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)控制，從單匝道控制到整體控制或全局最優(yōu)控制。Wattleworth提出的定時(shí)控制方法建模簡(jiǎn)單，不需要實(shí)時(shí)的交通信息，算法簡(jiǎn)單，因而控制系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)、成本低。1975 年，Masher 提出了一種單匝道的需求-容量(Demand-capacity)[3]控制策略，這種控制策略以交通量為控制參量，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入主線的交通量，使得進(jìn)入主線的交通量與上游交通量之和不超過(guò)匝道下游的通行能力，從而保證下游主路交通量維持在其通行能力負(fù)領(lǐng)域之內(nèi)，確保最大限度地利用主路。隨后人們又提出了占有率法（The occupancy strategy）[4]，這種控制方法是通過(guò)測(cè)量下游占有率值，用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算下游剩余的通行能力，如果匝道下游檢測(cè)器處的占有率 比臨界占有率小，則下游剩余的通行能力為正，否則為負(fù)。下游剩余的通行能力為負(fù)說(shuō)明該段高速公路的交通量超過(guò)了通行能力，應(yīng)采用最小調(diào)節(jié)率。下游剩余的通 行能力為正則增大調(diào)節(jié)率。Papageorgiou在1991年提出了一種閉環(huán)控制方案ALINEA[5]，ALINEA是一種最有代表性的占有率控制法，它是一種基于閉環(huán)反饋的匝道控制策略。其控制原理是預(yù)先給定一個(gè)接近臨界占有率的期望值，如果每個(gè)采樣周期內(nèi)實(shí)測(cè)到下游占有率低于(或高于)期望占有率就調(diào)整原有的調(diào)節(jié)率，使新的調(diào)節(jié)率在每次實(shí)測(cè)到的調(diào)節(jié)率的基礎(chǔ)上增大或減小。顯然ALINEA不需要任何控制閥值和最小調(diào)節(jié)率，對(duì)于任何交通條件都適用，而且調(diào)節(jié)率的調(diào)整是采用一種漸變方式。為了加強(qiáng)ALINEA 的實(shí)時(shí)適應(yīng)性，研究學(xué)者又提出了Adaptive-ALINEA 方法，X-ALINEA、FL-ALINEA、UP-ALINEA等衍生控制策略[6]。 在上世紀(jì)60年代，美國(guó)俄勒岡州波特蘭地區(qū)對(duì)多條道路實(shí)施匝道控制，并取得了較為顯著的效果，在14個(gè)月之中，其高峰時(shí)段車(chē)速?gòu)?6.3mph提高到41.3mph，車(chē)輛旅行時(shí)間從23min將至9min，其每周總的燃油消耗降低了2040升同時(shí)交通事故率也降低了43%[7]；在2004年，美國(guó)德克薩斯州的匝道控制實(shí)驗(yàn)中同樣取得了積極的效果[8]。 上世紀(jì)90年代末，ALINEA 控制策略已經(jīng)在巴黎Boulevard Peripherique高速公路的Brancion上匝道和阿姆斯特丹A10線的Coentunnel入口匝道分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)[9]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了ALINEA控制策略對(duì)于改善交通條件的有效性，特別是在發(fā)生異常交通事件的情況下。 現(xiàn)行的用來(lái)計(jì)算機(jī)動(dòng)車(chē)排放因子的模型主要有美國(guó)環(huán)保局（EPA)的MOBILE模型、MOVES模型、NONROAD模型,加州大學(xué)河邊分校(UCR)開(kāi)發(fā)的CMEM模型等[10]。 MOBILE模型最早發(fā)布于1978年，是用于計(jì)算機(jī)動(dòng)車(chē)中微觀和宏觀平均排放因子的模型。其核心數(shù)據(jù)為基本排放因子（BEF),數(shù)據(jù)來(lái)源為美國(guó)環(huán)保局組織的各種不同的在用車(chē)排放水平檢測(cè)結(jié)果，以及聯(lián)邦測(cè)試程序FTP中測(cè)得的排放結(jié)果。其計(jì)算原理是對(duì)基本排放因子進(jìn)行機(jī)動(dòng)車(chē)排放控制水平、機(jī)動(dòng)車(chē)登記分布及里程、油品、行駛里程各項(xiàng)參數(shù)、溫度、車(chē)速、駕駛行為等因素的修正，是對(duì)大量測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)回歸的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚10,11]。MOBILE僅針對(duì)宏觀道路源,而NON-ROAD僅用于非道路源的排放計(jì)算,即它們都集中于單一排放源的排放測(cè)算,并且無(wú)法同時(shí)滿足在宏觀、中觀和微觀不同層次上的移動(dòng)源排放的綜合分析,尤其不能滿足對(duì)交通項(xiàng)目的排放影響的測(cè)算和評(píng)價(jià)。為此,美國(guó)環(huán)保局從2001年開(kāi)始研發(fā)新一代的綜合移動(dòng)源排放模型-MOVES(motor vehicle emission simulator)模型。 1.2.2 國(guó)內(nèi)匝道控制與排放研究現(xiàn)狀 我國(guó)學(xué)者對(duì)高速公路入口匝道控制系統(tǒng)研究的關(guān)注是從20世紀(jì)90年代開(kāi)始的，取得了一些理論成果，但多數(shù)的研究還只是結(jié)合國(guó)內(nèi)入口匝道及其銜接交叉口的實(shí)際情況對(duì)國(guó)外研究方法的修正和改進(jìn)。陳德望總結(jié)了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的入口匝道控制算法，通過(guò)分析這些算法各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，最終提出了一種分層遞接控制理論算法[12]。馬壽峰等依托于大系統(tǒng)遞接理論，構(gòu)建了一種基于動(dòng)態(tài)交通分配的系統(tǒng)優(yōu)化模型[13]，并通過(guò)迭代協(xié)調(diào)算法對(duì)其進(jìn)行了求解，求解效果良好。楊曉芳等借鑒了ALINEA控制算法的原理，以入口匝道及其關(guān)聯(lián)交叉口為研究目標(biāo)，構(gòu)建了元胞自動(dòng)機(jī)模型[14]，并對(duì)地面交叉口的信號(hào)周期與綠信比進(jìn)行了配時(shí)優(yōu)化，最后通過(guò)仿真表明本文設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)控制算法大大降低了車(chē)輛的延誤。保利霞通過(guò)設(shè)定入口匝道的擁擠閾值，將其劃分為三種交通狀態(tài)，并設(shè)定了不同狀態(tài)下的控制目標(biāo)，構(gòu)建了基于層次分析的協(xié)調(diào)控制模型[15]。李曉文[16]通過(guò)分析快速路交通流特性，針對(duì)交通流量變化以及由此引起的不同擁堵成因，進(jìn)行控制方案選擇：對(duì)于入口匝道及其關(guān)聯(lián)交叉口，首先通過(guò)回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)對(duì)交通狀態(tài)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，然后利用模糊理論對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行控制，得到入口匝道調(diào)節(jié)率，實(shí)現(xiàn)最終的協(xié)調(diào)控制。陸克麗霞[17]以上海武夷路上匝道為實(shí)例，在原有ALINEA算法的基礎(chǔ)上，考慮了匝道排隊(duì)長(zhǎng)度的限制，經(jīng)過(guò)離線模擬，詳細(xì)分析了控制后主線斷面的交通流狀態(tài)變化，證明了控制算法的有效性。 機(jī)動(dòng)車(chē)微觀模型的研究在國(guó)外已經(jīng)逐漸成熟,典型的微觀模型有MOBILE、CMEM、ONROAD、MOVES[18,19,20]。我國(guó)在該領(lǐng)域的研究思路主要是先對(duì)國(guó)外微觀模型所需要的參數(shù)進(jìn)行收集,修正,再用它進(jìn)行研究。由于應(yīng)用的是國(guó)外的模型,就需要有本地的實(shí)時(shí)的排放數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行適用性的檢驗(yàn),普遍的做法是通過(guò)車(chē)載排放測(cè)試系統(tǒng)獲得排放數(shù)據(jù)。微觀尾氣模型和城市的交通狀況、氣候環(huán)境、車(chē)輛狀況、維護(hù)制度等因素有重要的關(guān)系,所以模型在不同城市的應(yīng)用效果不同。 當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)于匝道控制的研究是基于流量、車(chē)速、占有率等參數(shù)，鮮有基于車(chē)輛排放角度；并且當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)車(chē)輛排放的研究多數(shù)是基于整個(gè)路網(wǎng)層面的，較為宏觀。 2研究方案（課題研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容、擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題） 2.1 研究目標(biāo) 論文以城市快速路單個(gè)入口匝道為研究對(duì)象，通過(guò)交通仿真軟件VISSIM構(gòu)建模型，對(duì)典型匝道控制算法ALINEA及其衍生算法進(jìn)行優(yōu)化研究，并將VISSIM輸出的車(chē)輛行駛特性用排放軟件MOVES進(jìn)行進(jìn)一步分析研究，從而綜合車(chē)輛行駛特征和排放特征兩項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)匝道控制的效果，提出一種新的匝道控制策略。 2.2 研究?jī)?nèi)容 本文研究?jī)?nèi)容主要有以下幾部分組成: 獲取與處理數(shù)據(jù) 本文擬采用錄像法作為獲取數(shù)據(jù)的方法，以成都二環(huán)快速高架路典型入口匝道為調(diào)查對(duì)象，獲得其主線斷面小時(shí)流量、匝道小時(shí)流量、主線平均車(chē)速、匝道平均車(chē)速等數(shù)據(jù)[21]。用VISSIM作為仿真工具建立仿真模型分析在不同交通流特性下不同控制算法的適用性；將VISSIM輸出的基于秒的車(chē)流特性數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MOVES中，利用MOVES排放模型對(duì)車(chē)流特性數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理，最終得出在不同交通流特性、不同控制算法下的車(chē)輛排放結(jié)果。 模型優(yōu)化 對(duì)于單點(diǎn)匝道控制，利用VISSIM仿真數(shù)據(jù)，并綜合MOVES仿真結(jié)果，建立綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)匝道控制策略進(jìn)行評(píng)價(jià)并優(yōu)化模型。 2.3 擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題 本文通過(guò)對(duì)城市快速路匝道控制與排放的研究，目的為解決以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題： n 對(duì)數(shù)據(jù)的處理，搜集并初步加工數(shù)據(jù)，利用仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真，對(duì)仿真輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分析; n 將實(shí)施控制后的匝道的仿真數(shù)據(jù)利用MOVES進(jìn)行處理,并建立評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合車(chē)輛行駛特性和排放特性對(duì)匝道控制模型進(jìn)行優(yōu)化。 3擬采取的研究方法（技術(shù)路線、實(shí)驗(yàn)方案）及可行性分析 3.1研究方法 本課題主要采用以下幾種方法: 一是文獻(xiàn)分析法。通過(guò)大量、廣泛的文獻(xiàn)搜集，以核心文獻(xiàn)為綱，以高水準(zhǔn)文獻(xiàn)的核心觀點(diǎn)為骨，為本課題分析解讀、歸納總結(jié)、邏輯演繹等具體的學(xué)術(shù)研究提供堅(jiān)實(shí)、系統(tǒng)的理論支撐。 二是實(shí)證分析與邏輯分析結(jié)合。以交通工程專業(yè)理論視角分析城市快速路擁堵的形成機(jī)理,這需要交通工程專業(yè)的數(shù)學(xué)邏輯分析方法。在現(xiàn)有收集的資料基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)證分析，是本課題運(yùn)用的比較普遍也是比較重要的一種研究方法。 三是案例研究法。案例研究法是對(duì)單一的研究對(duì)象或研究現(xiàn)象進(jìn)行深入而具體研究的方法。這也是本課題核心的研究方法之一，本課題的第二、三部分對(duì)選取的實(shí)際研究對(duì)象（城市快速路入口匝道）進(jìn)行仿真分析就是這種方法的集中體現(xiàn)。 3.2 研究技術(shù)路線 技術(shù)路線如下圖所示。 圖3-1 技術(shù)路線圖 3.3 研究方案 n 文獻(xiàn)研究：閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，了解國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀； n 數(shù)據(jù)采集：針對(duì)研究對(duì)象和目的進(jìn)行實(shí)地?cái)?shù)據(jù)收集； n 數(shù)據(jù)整理：對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理篩選； n 數(shù)據(jù)分析：利用仿真平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理； n 評(píng)價(jià)結(jié)果：建立綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)仿真輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，得出研究結(jié)論。 3.4課題研究可行性 本課題主要有以下幾個(gè)支撐，證明課題研究可行： （1） 理論支撐 自匝道控制理論誕生以來(lái)，該領(lǐng)域的專家學(xué)者通過(guò)嚴(yán)密的科學(xué)論證和邏輯分析提出了不同種類(lèi)的控制策略，并且后人在運(yùn)用時(shí)也不斷的對(duì)匝道控制策略進(jìn)行改善，使匝道控制具備了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)；在車(chē)輛排放研究方面，同樣有經(jīng)過(guò)科學(xué)論證和嚴(yán)密分析得出的研究算法，如CMEM,MOVES等等，這為車(chē)輛排放研究提供了理論上的可行性。 （2） 實(shí)際案例支撐 在具備理論基礎(chǔ)的前提下，世界范圍內(nèi)的研究者們利用其進(jìn)行實(shí)地研究并取得了預(yù)期的效果，在巴黎Boulevard Peripherique高速公路的Brancion上匝道和阿姆斯特丹A10線的Coentunnel入口匝道控制實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果證明了ALINEA控制策略對(duì)于改善交通條件的有效性，特別是在發(fā)生異常交通事件的情況下。因此，本課題在實(shí)地應(yīng)用上具有可行性。 （3） 研究工具支撐 本課題主要用兩個(gè)研究工具—VISSIM和MOVES。這兩個(gè)軟件在交通仿真方面應(yīng)用十分廣泛，尤其在微觀層次。本課題所需的仿真正是屬于微觀層次，所以所選研究工具能夠提供良好的仿真環(huán)境和分析數(shù)據(jù)。 （4） 數(shù)據(jù)獲取的可行性 仿真數(shù)據(jù)主要有車(chē)速、車(chē)流量、車(chē)流構(gòu)成等數(shù)據(jù)，均源于實(shí)地采集。城市快速路匝道和主路相關(guān)數(shù)據(jù)皆容易獲得，因此在數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性方面無(wú)障礙，進(jìn)一步加大本課題研究提供可行性。 綜上所述，本課題的研究具有理論支撐、實(shí)際應(yīng)用支撐、仿真環(huán)境和數(shù)據(jù)支撐，因此，本課題是可行的。 4 課題創(chuàng)新性 本論文的研究創(chuàng)新之處有二： 一是理論拓展。通過(guò)對(duì)以匝道控制、車(chē)輛排放、城市快速路、綜合移動(dòng)源排放模型等為關(guān)鍵詞的文獻(xiàn)的梳理、整合和提煉，系統(tǒng)（前人也所有歸納但不夠系統(tǒng)）地歸納總結(jié)出匝道控制與車(chē)輛排放之間的緊密聯(lián)系，體現(xiàn)了本課題在理論拓展方面的嘗試。 二是研究視角有所創(chuàng)新。以環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排的視角結(jié)合案例系統(tǒng)考察、解讀匝道控制策略的效果，是一種新的嘗試。這種嘗試無(wú)論是在理論研究還是在實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，都是有意義的。因?yàn)樵训揽刂频谋举|(zhì)是出自于緩解擁堵和節(jié)能減排的訴求，所以本課題的研究視角具有一定的創(chuàng)新性。 5計(jì)劃進(jìn)度、預(yù)期進(jìn)展和成果 預(yù)期進(jìn)展：按照既定的計(jì)劃有條不紊的進(jìn)行研究，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成全部論文工作。 預(yù)期成果：期望階段性成果可發(fā)表在相關(guān)專業(yè)書(shū)刊上并最終達(dá)到理想的效果，即證明城市快速路進(jìn)行入口匝道控制可以有效緩解擁堵和降低車(chē)輛排放。 課題研究計(jì)劃： 2017年5月—2017年7月前期資料收集和整理 2017年7月—2017年9月前期的調(diào)查方法的實(shí)施和數(shù)據(jù)的整理 2017年9月—2017年12月完成論文初稿。 2017年1月—2018年3月初論文基本定稿。 2018年3月底前定稿 參考文獻(xiàn) [1]網(wǎng)易財(cái)經(jīng). 出行1小時(shí)耗路上30分鐘 北京通勤族“擁堵成本”全國(guó)居首[EB/OL],http://money.163.com/15/1125/11/B98VJ10U00253B0H.html,2015-11-25. 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