一种基于交通污染预测的结构路网优化方法

本发明属于城市交通环境保护，运用交通网络流理论，提出一种基于交通污染预测的结构路网优化方法。

背景技术：

1、现代化发展推动城市化进程加深，路网密度与汽车保有量也逐渐增加，随之而来交通拥堵和环境污染问题(噪音、尾气)也日益严重，开展绿色、科学的城市交通规划将是提高人民生活健康水平、解决交通拥堵和缓解交通污染问题有效思路。

2、表面上看，区域路网交通的环境污染问题是区域内道路车辆产生的总和，而实际上，路网区域产生环境污染的限值在区域规划时即以确定。传统的区域路网以交通需求为出发点，并未充分考虑道路环境因素，因此其交通分配结果并不能有效解决目前交通环境污染严重的现状。因此，针对规划路网进行交通噪声、尾气预测，并基于此对规划阶段路网进行优化，才有望从根本上解决交通污染问题。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种基于交通污染预测的结构网络优化的方法，通过考虑交通流状态构建单变量交通噪声预测模型及单变量交通尾气预测模型，再基ue模型对区域网络进行交通分配从而进行区域交通噪声、尾气预测，最终利用预测值进行交通网络优化，从而最大限度减少交通噪音、尾气污染对环境的影响。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于交通污染预测的结构网络优化的方法，该方法具体包括如下步骤：

4、s1：采用van aerde宏观交通流，通过利用道路属性(等级、设计速度等)与交通流参数(堵塞密度、自由流速度等)间相互关系，构建以车头间距为过渡变量。再依据交通流关系，对实际道路流量及速度进行建模，解析出规划路网中流量与速度的关系。

5、s2：首先根据声能量叠加原理建立在某一服务水平下的道路交通噪声预测模型的目标函数，再根据s1方法解析出的规划路网中流量与速度的关系，构造单变量交通噪声预测模型。

6、s3：根据污染物排放因子构建衡量机动车排放水平的计算模型，再利用经过本地化修正的moves模型得到基于交通流参数的不同尾气污染物的排放因子，从而构建单变量交通尾气预测模型。

7、s4：构建车辆交通行时间费用函数、道路噪声费用函数以及道路尾气排放污染费用函数，并基于此构建复合道路阻抗函数作为ue分配模型的目标函数，从而通过求解路网的最小路阻完成考虑噪声、尾气排放的交通分配和对规划区域内噪声、尾气排放量的预测。

8、s5：构建噪声排放成本函数和尾气排放成本函数，再通过优化算法和交通流量模型找到最优的交通流量分配，以达到尽可能降低总噪声、尾气排放成本的目标，从而完成结构路网优化。

9、进一步地，所述步骤s1中，研究交通参数相互关系：

10、步骤1.1交通需求和道路通行能力的关系是交通环境评价的依据，因此本文采用van aerde宏观交通流，通过利用道路属性(等级、设计速度等)与交通流参数(堵塞密度、自由流速度等)间相互关系，构建以车头间距为过渡变量。依据交通流关系，对实际道路流量及速度进行建模，解析出规划路网中流量与速度的关系，构造过程为：

11、l0＝f(q，v)→f(q，fi(q))＝f(q) (1)

12、已知各级服务水平下道路基本路段和交叉口的交通流特性不同，影响道路服务水平的因素主要包括饱和度、平均车速和交叉口延误等，后续将构造约束条件对交通流参数进行约束，以此构建目标函数的约束条件。

13、进一步地，所述步骤s2中，单变量交通噪声预测模型构建：

14、步骤2.1根据声能量叠加原理，某基本路段和某交叉口的噪声排放预测可以分别表示为：

15、

16、

17、其中，a，b分别代表基本路段和交叉口基准单元的个数。

18、城市道路通常由若干个路段和交叉口组成，因而道路交通噪声排放预测模型也包括道路基本路段和交叉口两部分的噪声预测计算。在某一服务水平下，道路交通噪声预测模型的目标函数可以表示为：

19、

20、其中，为在k级服务水平下道路交通噪声排放量；和分别代表第i条基本路段和第j个交叉口的到了交通噪声排放；n为道路路段数目；m为道路交叉口数量。

21、综上，结合公式(1)即可构造单变量交通噪声预测模型。

22、进一步地，所述步骤s3中，单变量交通尾气预测模型构建：

23、步骤3.1测定污染物排放因子是用来衡量机动车排放水平的主要方法，构建排放量计算模型如式：

24、e(x)＝n×ef(x)×s (5)

25、n＝k×m (6)

26、

27、其中，e(x)为污染物类型为x的污染物的排放量；n为规划区域内不同车型的车辆数；ef(x)为污染物类型为x的污染物的排放因子；s为规划区域内车辆平均行驶里程；为区间车流密度，为区域路段长度；为区间平均车速，t为车辆平均通行时间，后续可构造函数进行计算。

28、因此车辆数n与平均行驶里程s与交通流状态参数有关，均可构建单变量约束的计算模型。

29、不同的机动车的污染物排放量不同，排放种类不同，其排放因子也大不相同。针对区域内不同车型的机动车数量及污染物排放量，利用车辆折算系数统一转化为载货小客车的数量和污染物排放量进行计算。

30、机动车尾气污染物主要包括一氧化碳(co)、碳氢化合物(hc)、氮氧化物(nox)、二氧化硫(s02)、颗粒物(pm)和醛类等，针对污染物排放种类的不同，本文主要研究一氧化碳(co)、碳氢化合物(hc)、氮氧化物

31、(nox)的排放，并针对不同尾气排放物分类计算。

32、由于天气，驾驶习惯，车速，燃料种类和燃烧程度等诸多因素的影响，机动车污染物排放因子呈现极大的不确定性，考虑中美两国车辆排放限制标准及测试工况的差异，通过moves模型的燃油参数选择、车龄分布修正、劣化系数修正和其他修输入参数的选择对其进行，构造适应不同城市不同车辆类型的moves模型，并基于此对所研究城市的车辆污染物排放特征及排放因子的测算。

33、经过本地化修正的moves模型测算得，城市地面道路轻型车的平均车速在5～70km·h-1时，hc排放因子约为0.06～0.55g·km-1，co排放因子约为1.87～11.91g·km-1，nox排放因子约为0.30～1.63g·km-1，pm10排放因子约为0.00097～0.0080g·km-1，基于此构建单变量限制下的排放因子测算模型，如式：

34、ef(i)＝f(q，v)→f(q，fi(q))＝f(q) (8)

35、综上，即可得到单变量交通尾气预测模型。

36、进一步地，所述步骤s4中，复合路阻函数构建：

37、步骤4.1道路通行时间费用函数构建。常用的道路阻抗函数主要有由美国联邦公路局提出的bpr函数、spiess路段函数模型、davidson模型、回归路阻模型以及综合路阻函数模型等，考虑到我国现阶段的道路特点，采用bpr路段函数模型作为道路通行时间函数以计算通行时间。

38、

39、其中，t表示路段通行时间(min)；t0表示路段交通量为零时路段的行驶时间(min)；q表示路段的机动车交通量(辆/h)；c表示路段的实际通行能力(辆/h)；α、β为参数，建议α＝0.15，β＝4。

40、北京工业大学的研究人员曾对不同函数模型进行深入研究，并采用北京的实测数据对各种路阻函数进行标定和认证。其结果表明，美国公路局的bpr阻抗函数模型最适合我国的实际情况。故本文中采用bpr函数作为道路通行时间函数以计算通行时间。

41、针对路段通行时间的货币化过程，需要建立通行时间与货币价值之间的联系。因此可以采用人力资本法进行评估，计算出通行时间的货币化参数，一般利用所在城市或区域的国内生产总值(gdp)与相应工作时间的比值进行计算。通行时间货币化参数如下式：

42、

43、其中，pop表示所在区域或城市总人口；t表示人均每天工作时长，可取8h；d表示人均每周工作天数，可取5天；w表示人均每年工作周数，可取52周。

44、由上式计算可得，选取城区的国内生产总值与相应工作时间的比值作为路段通行时间的货币化参数，对路段通行时间进行标准化处理，得到其外部费用的量化准则，为建立综合费用路阻函数的首要步骤。基于上述针对路段通行时间外部成本的经济价值研究，可得到如下路段通行时间一费用函数。

45、θ(t)＝ρ1t (11)

46、步骤4.2道路噪声污染费用函数构建。对于道路噪声污染的外部成本计算，同样需要建立道路噪声污染与经济价值的联系。基于现实的道路环境特点，选用公路客运作为道路噪声污染的主要来源。已得出的2000年噪声成本，即公路客运为0.9。由于文献中的数据取自2000年，较为久远，因此需要通过cpi转换公式将2000年的噪声成本换算为2020年的公路客运与货运平均成本，以减小文献数据陈旧的影响。

47、居民消费指数(cpi)是一个反映居民家庭一般所购买的消费品和服务项目价格水平变动情况的宏观经济指标，其中医疗保健指标决定着消费者花费多少来购买医疗服务，在一定程度上反应了通货膨胀的影响。

48、当2000年＝100时，计算年份的医疗保健居民消费价格指数为cpi计，则cpi成本转换公式如下：

49、

50、其中，e噪计表示计算某年客运形式的平均噪声成本；e噪2000表示2000年客运形式的平均噪声成本。

51、为得到路段单位噪声成本，解决单位路段客运量数据难以获取的问题，需对平均噪声成本进行路段单位化处理。设某区域某年旅客周转量为m人公里，私家车保有量为s辆，公路总里程为l公里，则路段平均噪声成本如下式：

52、

53、则道路噪声污染费用函数为：

54、θn＝ξ·ql (14)

55、其中，l为路段长度。

56、步骤4.3道路尾气污染费用函数函数构建。由于运输业的外部成本通常是与环境和人类生命价值有关的成本，没有与之相联系的市场价格，在此借鉴环境经济学的研究，采用替代市场法、对运输外部成本进行评价。

57、替代市场法主要针对很多环境物品都没有直接的市场价格来衡量，需要用替代物来衡量其价格。替代市场法主要有以下三种形式：旅行成本法，用旅行费用来替代人们对环境物品的价值评价；内涵定价法，通过可购买物品(如房产)的内涵价值来评估空气污染对物品价格的影响；防护支出法，用人们为保护自身不受环境损害的影响所支付的费用来衡量环境物品的价值，它是外部成本货币化评估中采用最广泛的方法。

58、在对发达国家主要交通方式环境污染的损害成本统计资料进行整理和分析的基础上，参照国际上有关规定及我国各种运输方式的污染物排放水平，计算出我国各种运输方式的单位外部成本如下表所示。

59、

60、根据表中的数据可取得路段尾气污染的单位外部成本为η＝0.102元/人公里，则尾气污染费用函数为：

61、θe＝η·ql (15)

62、步骤4.4复合路阻函数构建。考虑到城市区域离散噪声敏感建筑单元、尾气污染物敏感建筑单元对噪声和尾气的特殊要求，路网规划期间路阻函数应包含赋予一定权重的车辆交通行时间费用函数、道路噪声费用函数以及道路尾气排放污染费用函数，综上可建立复合道路阻抗函数，如式：

63、

64、∈为环境修正系数，可取0.05

65、步骤4.5区域交通噪声、尾气污染预测。根据wardrop第一原理构建的ue分配模型被广泛应用到交通分配，分配后的路网流量较为接近实际情况。利用复合路阻函数作为ue模型路阻函数，并对路段vc比进行约束以满足道路服务水平及其路网结构，构造考虑交通噪声、交通污染的ue交通分配模型，目标函数如式，求解路网的最小路阻，并完成考虑噪声、尾气排放的交通分配。

66、

67、其中，qa为道路a的交通量；ta(q)为道路a的复合道路阻抗函数。

68、针对规划道路时，路段输入交通参数必须满足道路服务水平、路网结构等要求，也就是说，公式(4)必须满足规划要素下的约束条件。以单车道基本路段为例，假设路段的服务水平要求为一级，则此时目标函数的约束条件为：

69、

70、其中，v1为一级服务水平最大服务交通量；c是路段基本通行能力，由道路本身的属性决定；v0为一级服务水平最小服务交通量，初始状态设置为0；v，q， hs，k分别代表是道路上实际通行的交通量、速度、平均车头间距和车辆密度；vf是畅行速度，取道路设计最高时速；kj为阻塞密度，可以通过阻塞流车头间距经验获得。

71、最后，根据改进ue模型对规划路网的交通分配结果，结合单变量交通噪声预测模型、单变量尾气预测模型，就可以对规划区域的交通噪声、交通尾气进行预测。

72、进一步地，所述步骤s5中，考虑交通环境的规划路网优化研究。

73、研究在确保出行畅通的前提下，以最小化路网交通环境容量成本为路网优化目标。

74、城市道路交通噪声污染度表示在特定路网运行时，城市区域某点所受道路产生的交通噪声。随着区域间出行流量qk与道路结构sk(主要是设计速度vd、服务水平los)的变化，交通噪声污染度也将发生变化。此外，由于城市区域与路网的位置关系(以区域到路段距离rk表示)，城市不同区域的交通噪声污染程度不同。考虑上述因素的综合影响，k路段旁侧区域城市道路交通噪声污染度nk，可表示：

75、nk(qk，sk，rk)＝l0+10log10[f(qk，sk)]+10log10(r0/rk)1+α-16 (19)

76、城市各类声功能区均有最高噪声限值交通噪声不超过最高值时无需进行降噪处理，对于超过的交通噪声需将其减小到限值以下，故噪声成本cn应是超出限值的降噪所需成本，见下式：

77、

78、路网实际运行时，车辆除产生城市交通噪声污染度nk，还会产生交通尾气污染度ek，而车辆尾气污染度会随着出行流量、车辆类型、速度的变化而变化。尾气排放成本ce是超出限值的尾气污染物降低所需成本。假设最高尾气限值为对于超过最高尾气限值的交通尾气，需要将其减小到限值以下。假设降低污染物排放的成本函数为ce(δe)：

79、

80、其中，δe表示超出限值的污染物量，则尾气排放成本en可以表示为en表示尾气排放成本；c表示单位污染物排放降低的成本；表示最高尾气限值；vu表示第u种车型，u＝1，2，----，w

81、综合考虑尾气排放成本和交通流量模型，可以通过优化算法(如线性规划、遗传算法等)找到最优的交通流量分配，以达到尽可能降低总尾气排放成本的目标。

82、模型中变量可根据实际路网状况进行调整，变量qk，sk，rk，lk均可固定变为常量，用以解决多种路网的城市规划问题。在路网流量固定时，模型可用于选择最佳道路结构；在道路结构固定时，模型可用作交通配流；在路网流量及道路结构确定时，模型可用以求解合理路段长度及服务水平。