西南交通大學碩士研究生選題報告.doc

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西 南 交 通 大 學 碩 士 研 究 生 選 題 報 告 姓 名 覃林 學 號 2015210772 導師姓名 胡驥 職 稱 副教授 專 業(yè) 交通運輸工程 研究方向 交通管理與控制 題 目考慮車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 開題報告的內容應包括 （1） 課題的研究意義、國內外現(xiàn)狀分析。 （2） 課題研究目標、研究內容、擬解決的關鍵問題。 （3） 擬采取的研究方法、技術路線、試驗方案及其可行性 研究。 （4） 課題的創(chuàng)新性。 （5） 計劃進度、預期進展和預期成果。 注：（1）開題報告由各院（系、所、中心）組織實施，專家組成員由副高以上人員組成，邀請導師和督導組相關專家參加，導師擔任組長。 （2）專家組的作用是幫助導師和研究生執(zhí)行選題論證，論證意見以“通過”、 “不通過”結論。通過者按計劃開展論文工作，不通過者，在半年內需 重新開題。 選 題 報 告 主 要 內 容 論文題目: 考慮車輛排放的城市高架快速路匝道控制策略研究 1選題依據（研究意義、國內外現(xiàn)狀綜述） 1.1研究意義 城市快速路是城市交通網絡的重要組成部分，承擔著車輛快速便捷通過的重任。然而近年來由于車輛的不斷增加，整個路網的擁堵程度不斷加劇，快速路也不例外。而車輛行駛在這種環(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，導致空氣污染更加嚴重，生態(tài)環(huán)境惡化。 根據相關統(tǒng)計，在中國幾大“堵城”中，北京平均每小時堵30分鐘，按照其基本工資水平換算成金錢，其堵車成本高達808元，廣州則達到753元，重慶也有556元的堵車成本[1]。 與此同時，人們正遭受著機動車尾氣造成的空氣污染的危害。汽車尾氣中含有一氧化碳CO，碳氫化合物THC，氮氧化物NOX，揮發(fā)性VOC有機化合微粒子和鉛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，車輛在不良工況下的能源消耗會更高，尾氣排放造成的空氣污染更加嚴重。其中匝道匯入主路的車流是造成快速路擁堵的一個非常重要的原因，因此，本文通過城市快速路單點匝道控制進行研究，主要有以下理論和實踐意義： （1）通過VISSIM對實際路網進行仿真，通過對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VISSIM與MOVES的結合使用，綜合其結果選出一種最適合城市快速路匝道控制的方法； （3）基于MOVES從微觀層面對采取匝道控制策略下的車輛尾氣排放進行研究，可以得出較為精確的特定道路和工況下的尾氣排放結果，為宏觀層次的研究提供參考依據； 1.2國內外研究現(xiàn)狀綜述 1.2.1國外匝道控制與排放研究現(xiàn)狀 自從1965年Wattleworth提出定時控制方法[2]以后，人們對入口匝道控制的研究得到了全面的發(fā)展。入口匝道控制技術從依靠歷史數據的靜態(tài)控制發(fā)展到動態(tài)實時控制，從單匝道控制到整體控制或全局最優(yōu)控制。Wattleworth提出的定時控制方法建模簡單，不需要實時的交通信息，算法簡單，因而控制系統(tǒng)容易實現(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，通過調節(jié)進入主線的交通量，使得進入主線的交通量與上游交通量之和不超過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領域之內，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測量下游占有率值，用經驗公式來估算下游剩余的通行能力，如果匝道下游檢測器處的占有率 比臨界占有率小，則下游剩余的通行能力為正，否則為負。下游剩余的通行能力為負說明該段高速公路的交通量超過了通行能力，應采用最小調節(jié)率。下游剩余的通 行能力為正則增大調節(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。其控制原理是預先給定一個接近臨界占有率的期望值，如果每個采樣周期內實測到下游占有率低于(或高于)期望占有率就調整原有的調節(jié)率，使新的調節(jié)率在每次實測到的調節(jié)率的基礎上增大或減小。顯然ALINEA不需要任何控制閥值和最小調節(jié)率，對于任何交通條件都適用，而且調節(jié)率的調整是采用一種漸變方式。為了加強ALINEA 的實時適應性，研究學者又提出了Adaptive-ALINEA 方法，X-ALINEA、FL-ALINEA、UP-ALINEA等衍生控制策略[6]。 在上世紀60年代，美國俄勒岡州波特蘭地區(qū)對多條道路實施匝道控制，并取得了較為顯著的效果，在14個月之中，其高峰時段車速從16.3mph提高到41.3mph，車輛旅行時間從23min將至9min，其每周總的燃油消耗降低了2040升同時交通事故率也降低了43%[7]；在2004年，美國德克薩斯州的匝道控制實驗中同樣取得了積極的效果[8]。 上世紀90年代末，ALINEA 控制策略已經在巴黎Boulevard Peripherique高速公路的Brancion上匝道和阿姆斯特丹A10線的Coentunnel入口匝道分別進行了實驗[9]，實驗結果證明了ALINEA控制策略對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)行的用來計算機動車排放因子的模型主要有美國環(huán)保局（EPA)的MOBILE模型、MOVES模型、NONROAD模型,加州大學河邊分校(UCR)開發(fā)的CMEM模型等[10]。 MOBILE模型最早發(fā)布于1978年，是用于計算機動車中微觀和宏觀平均排放因子的模型。其核心數據為基本排放因子（BEF),數據來源為美國環(huán)保局組織的各種不同的在用車排放水平檢測結果，以及聯(lián)邦測試程序FTP中測得的排放結果。其計算原理是對基本排放因子進行機動車排放控制水平、機動車登記分布及里程、油品、行駛里程各項參數、溫度、車速、駕駛行為等因素的修正，是對大量測試結果進行統(tǒng)計回歸的經驗模型[10,11]。MOBILE僅針對宏觀道路源,而NON-ROAD僅用于非道路源的排放計算,即它們都集中于單一排放源的排放測算,并且無法同時滿足在宏觀、中觀和微觀不同層次上的移動源排放的綜合分析,尤其不能滿足對交通項目的排放影響的測算和評價。為此,美國環(huán)保局從2001年開始研發(fā)新一代的綜合移動源排放模型-MOVES(motor vehicle emission simulator)模型。 1.2.2 國內匝道控制與排放研究現(xiàn)狀 我國學者對高速公路入口匝道控制系統(tǒng)研究的關注是從20世紀90年代開始的，取得了一些理論成果，但多數的研究還只是結合國內入口匝道及其銜接交叉口的實際情況對國外研究方法的修正和改進。陳德望總結了國內外先進的入口匝道控制算法，通過分析這些算法各自的優(yōu)缺點和適用條件，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，構建了一種基于動態(tài)交通分配的系統(tǒng)優(yōu)化模型[13]，并通過迭代協(xié)調算法對其進行了求解，求解效果良好。楊曉芳等借鑒了ALINEA控制算法的原理，以入口匝道及其關聯(lián)交叉口為研究目標，構建了元胞自動機模型[14]，并對地面交叉口的信號周期與綠信比進行了配時優(yōu)化，最后通過仿真表明本文設計的協(xié)調控制算法大大降低了車輛的延誤。保利霞通過設定入口匝道的擁擠閾值，將其劃分為三種交通狀態(tài)，并設定了不同狀態(tài)下的控制目標，構建了基于層次分析的協(xié)調控制模型[15]。李曉文[16]通過分析快速路交通流特性，針對交通流量變化以及由此引起的不同擁堵成因，進行控制方案選擇：對于入口匝道及其關聯(lián)交叉口，首先通過回聲狀態(tài)網絡對交通狀態(tài)進行了預測，然后利用模糊理論對預測結果進行控制，得到入口匝道調節(jié)率，實現(xiàn)最終的協(xié)調控制。陸克麗霞[17]以上海武夷路上匝道為實例，在原有ALINEA算法的基礎上，考慮了匝道排隊長度的限制，經過離線模擬，詳細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。 機動車微觀模型的研究在國外已經逐漸成熟,典型的微觀模型有MOBILE、CMEM、ONROAD、MOVES[18,19,20]。我國在該領域的研究思路主要是先對國外微觀模型所需要的參數進行收集,修正,再用它進行研究。由于應用的是國外的模型,就需要有本地的實時的排放數據對模型進行適用性的檢驗,普遍的做法是通過車載排放測試系統(tǒng)獲得排放數據。微觀尾氣模型和城市的交通狀況、氣候環(huán)境、車輛狀況、維護制度等因素有重要的關系,所以模型在不同城市的應用效果不同。 當前國內對于匝道控制的研究是基于流量、車速、占有率等參數，鮮有基于車輛排放角度；并且當前國內對車輛排放的研究多數是基于整個路網層面的，較為宏觀。 2研究方案（課題研究目標、研究內容、擬解決的關鍵問題） 2.1 研究目標 論文以城市快速路單個入口匝道為研究對象，通過交通仿真軟件VISSIM構建模型，對典型匝道控制算法ALINEA及其衍生算法進行優(yōu)化研究，并將VISSIM輸出的車輛行駛特性用排放軟件MOVES進行進一步分析研究，從而綜合車輛行駛特征和排放特征兩項指標來評價匝道控制的效果，提出一種新的匝道控制策略。 2.2 研究內容 本文研究內容主要有以下幾部分組成: 獲取與處理數據 本文擬采用錄像法作為獲取數據的方法，以成都二環(huán)快速高架路典型入口匝道為調查對象，獲得其主線斷面小時流量、匝道小時流量、主線平均車速、匝道平均車速等數據[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輸出的基于秒的車流特性數據導入到MOVES中，利用MOVES排放模型對車流特性數據進行進一步分析處理，最終得出在不同交通流特性、不同控制算法下的車輛排放結果。 模型優(yōu)化 對于單點匝道控制，利用VISSIM仿真數據，并綜合MOVES仿真結果，建立綜合評價指標，對匝道控制策略進行評價并優(yōu)化模型。 2.3 擬解決的關鍵問題 本文通過對城市快速路匝道控制與排放的研究，目的為解決以下幾個關鍵問題： n 對數據的處理，搜集并初步加工數據，利用仿真平臺進行仿真，對仿真輸出數據進行合理分析; n 將實施控制后的匝道的仿真數據利用MOVES進行處理,并建立評價指標，綜合車輛行駛特性和排放特性對匝道控制模型進行優(yōu)化。 3擬采取的研究方法（技術路線、實驗方案）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: 一是文獻分析法。通過大量、廣泛的文獻搜集，以核心文獻為綱，以高水準文獻的核心觀點為骨，為本課題分析解讀、歸納總結、邏輯演繹等具體的學術研究提供堅實、系統(tǒng)的理論支撐。 二是實證分析與邏輯分析結合。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理,這需要交通工程專業(yè)的數學邏輯分析方法。在現(xiàn)有收集的資料基礎上進行實證分析，是本課題運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。案例研究法是對單一的研究對象或研究現(xiàn)象進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、三部分對選取的實際研究對象（城市快速路入口匝道）進行仿真分析就是這種方法的集中體現(xiàn)。 3.2 研究技術路線 技術路線如下圖所示。 圖3-1 技術路線圖 3.3 研究方案 n 文獻研究：閱讀相關文獻，了解國內外研究現(xiàn)狀； n 數據采集：針對研究對象和目的進行實地數據收集； n 數據整理：對采集的數據進行整理篩選； n 數據分析：利用仿真平臺對數據進行分析處理； n 評價結果：建立綜合評價指標，對仿真輸出數據進行分析評價，得出研究結論。 3.4課題研究可行性 本課題主要有以下幾個支撐，證明課題研究可行： （1） 理論支撐 自匝道控制理論誕生以來，該領域的專家學者通過嚴密的科學論證和邏輯分析提出了不同種類的控制策略，并且后人在運用時也不斷的對匝道控制策略進行改善，使匝道控制具備了堅實的理論基礎；在車輛排放研究方面，同樣有經過科學論證和嚴密分析得出的研究算法，如CMEM,MOVES等等，這為車輛排放研究提供了理論上的可行性。 （2） 實際案例支撐 在具備理論基礎的前提下，世界范圍內的研究者們利用其進行實地研究并取得了預期的效果，在巴黎Boulevard Peripherique高速公路的Brancion上匝道和阿姆斯特丹A10線的Coentunnel入口匝道控制實驗，其結果證明了ALINEA控制策略對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，本課題在實地應用上具有可行性。 （3） 研究工具支撐 本課題主要用兩個研究工具—VISSIM和MOVES。這兩個軟件在交通仿真方面應用十分廣泛，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)境和分析數據。 （4） 數據獲取的可行性 仿真數據主要有車速、車流量、車流構成等數據，均源于實地采集。城市快速路匝道和主路相關數據皆容易獲得，因此在數據的準確性和科學性方面無障礙，進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、實際應用支撐、仿真環(huán)境和數據支撐，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。通過對以匝道控制、車輛排放、城市快速路、綜合移動源排放模型等為關鍵詞的文獻的梳理、整合和提煉，系統(tǒng)（前人也所有歸納但不夠系統(tǒng)）地歸納總結出匝道控制與車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)境保護和節(jié)能減排的視角結合案例系統(tǒng)考察、解讀匝道控制策略的效果，是一種新的嘗試。這種嘗試無論是在理論研究還是在實際應用領域，都是有意義的。因為匝道控制的本質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計劃進度、預期進展和成果 預期進展：按照既定的計劃有條不紊的進行研究，在規(guī)定時間內完成全部論文工作。 預期成果：期望階段性成果可發(fā)表在相關專業(yè)書刊上并最終達到理想的效果，即證明城市快速路進行入口匝道控制可以有效緩解擁堵和降低車輛排放。 課題研究計劃： 2017年5月—2017年7月前期資料收集和整理 2017年7月—2017年9月前期的調查方法的實施和數據的整理 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 [1]網易財經. 出行1小時耗路上30分鐘 北京通勤族“擁堵成本”全國居首[EB/OL],http://money.163.com/15/1125/11/B98VJ10U00253B0H.html,2015-11-25. 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