西 南 交 通 大 學(xué)碩 士 研 究 生 選 題 報 告 姓 名 覃林 學(xué) 號 2015210772 導(dǎo)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(nèi)容應(yīng)包括（1） 課題的研究意義、國內(nèi)外現(xiàn)狀分析。（2） 課題研究目標、研究內(nèi)容、擬解決的關(guān)鍵問題。（3） 擬采取的研究方法、技術(shù)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(yù)期進展和預(yù)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(dǎo)師和督導(dǎo)組相關(guān)專家參加，導(dǎo)師擔(dān)任組長。 （2）專家組的作用是幫助導(dǎo)師和研究生執(zhí)行選題論證，論證意見以“通過”、 “不通過”結(jié)論。通過者按計劃開展論文工作，不通過者，在半年內(nèi)需 重新開題。 選 題 報 告 主 要 內(nèi) 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(jù)（研究意義、國內(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(wǎng)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(dǎo)致空氣污染更加嚴重，生態(tài)環(huán)境惡化。根據(jù)相關(guān)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(wǎng)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(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(jié)果，為宏觀層次的研究提供參考依據(jù)；1.2國內(nèi)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(shù)從依靠歷史數(shù)據(jù)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(diào)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(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測量下游占有率值，用經(jīng)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(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ALINEA5，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)先給定一個接近臨界占有率的期望值，如果每個采樣周期內(nèi)實測到下游占有率低于(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)率在每次實測到的調(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ALINEA 的實時適應(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(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入口匝道分別進行了實驗9，實驗結(jié)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(xué)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(shù)據(jù)為基本排放因子（BEF),數(shù)據(jù)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(jié)果，以及聯(lián)邦測試程序FTP中測得的排放結(jié)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(shù)、溫度、車速、駕駛行為等因素的修正，是對大量測試結(jié)果進行統(tǒng)計回歸的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?0,11。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(nèi)匝道控制與排放研究現(xiàn)狀我國學(xué)者對高速公路入口匝道控制系統(tǒng)研究的關(guān)注是從20世紀90年代開始的，取得了一些理論成果，但多數(shù)的研究還只是結(jié)合國內(nèi)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(jié)了國內(nèi)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(gòu)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(diào)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(guān)聯(lián)交叉口為研究目標，構(gòu)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(shè)計的協(xié)調(diào)控制算法大大降低了車輛的延誤。保利霞通過設(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，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(guān)聯(lián)交叉口，首先通過回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)對交通狀態(tài)進行了預(yù)測，然后利用模糊理論對預(yù)測結(jié)果進行控制，得到入口匝道調(diào)節(jié)率，實現(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例，在原有ALINEA算法的基礎(chǔ)上，考慮了匝道排隊長度的限制，經(jīng)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(jīng)逐漸成熟,典型的微觀模型有MOBILE、CMEM、ONROAD、MOVES18,19,20。我國在該領(lǐng)域的研究思路主要是先對國外微觀模型所需要的參數(shù)進行收集,修正,再用它進行研究。由于應(yīng)用的是國外的模型,就需要有本地的實時的排放數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。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(guān)系,所以模型在不同城市的應(yīng)用效果不同。當(dāng)前國內(nèi)對于匝道控制的研究是基于流量、車速、占有率等參數(shù)，鮮有基于車輛排放角度；并且當(dāng)前國內(nèi)對車輛排放的研究多數(shù)是基于整個路網(wǎng)層面的，較為宏觀。2研究方案（課題研究目標、研究內(nèi)容、擬解決的關(guān)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(gòu)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(nèi)容本文研究內(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(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輸出的基于秒的車流特性數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MOVES中，利用MOVES排放模型對車流特性數(shù)據(jù)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(jié)果。 模型優(yōu)化對于單點匝道控制，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(guān)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(guān)鍵問題：n 對數(shù)據(jù)的處理，搜集并初步加工數(shù)據(jù)，利用仿真平臺進行仿真，對仿真輸出數(shù)據(jù)進行合理分析;n 將實施控制后的匝道的仿真數(shù)據(jù)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(shù)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(jié)、邏輯演繹等具體的學(xué)術(shù)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(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(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 文獻研究：閱讀相關(guān)文獻，了解國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；n 數(shù)據(jù)采集：針對研究對象和目的進行實地數(shù)據(jù)收集；n 數(shù)據(jù)整理：對采集的數(shù)據(jù)進行整理篩選；n 數(shù)據(jù)分析：利用仿真平臺對數(shù)據(jù)進行分析處理；n 評價結(jié)果：建立綜合評價指標，對仿真輸出數(shù)據(jù)進行分析評價，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(lǐng)域的專家學(xué)者通過嚴密的科學(xué)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(chǔ)；在車輛排放研究方面，同樣有經(jīng)過科學(xué)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(chǔ)的前提下，世界范圍內(nèi)的研究者們利用其進行實地研究并取得了預(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入口匝道控制實驗，其結(jié)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(yīng)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(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)主要有車速、車流量、車流構(gòu)成等數(shù)據(jù)，均源于實地采集。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)的準確性和科學(xué)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(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(guān)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(jié)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(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。這種嘗試無論是在理論研究還是在實際應(yīng)用領(lǐng)域，都是有意義的。因為匝道控制的本質(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計劃進度、預(yù)期進展和成果預(yù)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(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(diào)查方法的實施和數(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1網(wǎng)易財經(jīng). 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,2015-11-25.2M. Papageorgiou, H. Hadj-Salem, AND J. Blosseville. ALINEA: A Local Feedback Contorl Law For On-Ramp MeteringJ. TRANSPORTATION RESEARCH RECORD 1320, 1991:58-64.3M. Papageorgiou, H. Hadj-Salem, AND F. Middelham. ALINEA Local Ramp Metering Summary of Field ResultsJ. TRANSPORTATION RESEARCH RECORD 1603,1997(970032):90-98.4Lianyu Chu, Xu Yang. Optimization of the ALINEA Ramp-metering Control Using Genetic Algorithm with Micro-simulationJ. TRB 2003 Annual Meeting CD-ROM, 2003.5M. Papageorgiou, H. Hadj-Salem, AND J. Blosseville. ALINEA: A Local Feedback Contorl Law For On-Ramp MeteringJ. TRANSPORTATION RESEARCH RECORD 1320, 1991:58-64.6Emmanouil Smaragdis and Markos Papageorgiou. Series of New Local Ramp Metering StrategiesJ. Transportation Research Record 1856, 2003:74-86.7Robert Bertini, Soyoung Ahn. Using Archived Its Data to Measure The Operational Benefits of a System-Wide Adaptive Ramp Metering SystemM. Portland: Civil and Environmental Engineering,2006.8Nadeem A. Chaudhary, Zongzhong Tian, et al. RAMP METERING ALGORITHMS AND APPROACHES FOR TEXASM. Texas: Texas Transportation Institute, 2004.9Joseph R. Scariza. Evaluation of Coordinated and Local Ramp Metering Algorithms using Microscopic Traffic SimulationD. Massachusetts: University of Rhode Island, 2003.10黃冠濤,宋國華,于雷,胥耀方. 綜合移動源排放模型MOVESJ. 交通信息與安全,2010，(4):49-59.11何玉春，王歧東. 運用 CMEM 模型計算北京市機動車排放因子J. 環(huán) 境 科 學(xué) 研 究,2006(19).12陳德望，王飛躍，陳龍. 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的城市高速公路入口匝道控制算法J,2003,6(3).13 馬壽峰,卜軍峰,張安訓(xùn). 交通誘導(dǎo)中系統(tǒng)最優(yōu)與用戶最優(yōu)的博弈協(xié)調(diào)J, 系統(tǒng)工程學(xué)報,2005(20).14 楊曉芳,韓印,付強.快速路入口匝道與銜接交叉口協(xié)調(diào)控制策略J.計機工程與應(yīng)用.2008,44 (29):196-199.15 保麗霞,楊曉光.快速路進口匝道及其銜接交叉口的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制模型J.中國公路學(xué)報,2009,22(2):82-87.16李曉文.快速路匝道控制優(yōu)化方法研究D.吉林：吉林大學(xué)，2015.17 陸克李霞,杜豫川,孫立軍.基于ALINEA算法的上?？焖俾啡肟谠训揽刂扑惴↗.同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,37(2)：207-213.18 岳園圓,宋國華,黃冠濤,于雷. MOVES在微觀層次交通排放評價中的應(yīng)用研究J. 交通信息與安全,2013,(6):47-53.19 徐成偉,吳超仲,初秀民,鞏晶,張璨. 基于CMEM模型的武漢市輕型機動車平均排放因子研究J.交通與計算機,2008.20 戴璞,陳長虹,黃成,李莉,賈記紅,董艷強. 不同行駛工況下輕型柴油車瞬時排放的CMEM模擬研究J.環(huán)境科學(xué)，2009.21Emmanouil Smaragdis, Markos Papageorgiou , Elias Kosmatopoulos. A ow-maximizing adaptive local ramp metering strategyJ. Transportation Research Part B38(2004),2004:251270.指 導(dǎo) 教 師 意 見 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日專 家 組 論 證 意 見專家組成員簽字： 年 月 日