2023年基于调查建模的北京市交通节能方案.doc

基于调查建模的北京市交通节能方案 林松华，伍思进，党舒平，方晨雨，张朝栋，赵佳昊，延毓 北京交通大学，北京 100044 ：城市化、机动化进程的加快，使得城市交通迅速开展，同时也造成能源消耗过多、环境污染加剧。特别对于人口密集，交通拥堵的北京，节能已迫在眉睫。本文运用实地考察的方法，对不同交通方式在北京市交通结构中的分担率进行了分析，提出从交通结构节能、交通工具节能两个不同方面构建节能型的交通。本文提出通过无线传感器网络来及时获取道路交通流参数信息，对交通流量进行建模。运用比拟方法，对非公共机动交通方式转移到公共交通方式对整个城市交通节能的奉献比率进行了分析，提出了合理规划和提高公共交通在整个北京市交通中分担率的战略措施，并指出实现这一措施的方法、步骤和途径。针对新增机动车引起交通能耗的不断增加，构建了基于神经网络的城市客运交通工具保有量的预测模型，提出通过制定有效的政策法律，引导居民理性购车、合理使用、降低能耗。构建了基于个人出行效用最大化和社会交通节能效用最大化的出行周转量模型，提出采取多种措施引导居民出行时选择合理的出行方式，降低居民单位出行能耗。 关键词：流量建模 节能交通 算法优化 节能方案 引言 我国绝大多数城市为代表的以非机动化交通为主体、自行车交通占较大比重、多种交通方式并存的交通系统。 随着世界能源安全形式越来越严峻，许多国家为了降低交通能耗、保护环境，倡导提高自行车的出行比率，实现城市客运交通节能。能源价格的持续走高，使得居民出行不得不考虑小汽车的出行的本钱，交通拥堵造成的出行时间过长，使得出行不得不考虑时间本钱，再加上税收和收费政策，在很大程度上会优化小汽车的出行。 从现实应用价值方面讲，交通节能，可以作为评价一个城市、甚至整个国家节能减排的基准和努力目标，可以用以衡量一个城市或者国家是否到达了宜居城市和生态城市的节能减排和环保要求，但更重要的是为城市或者国家制定有关节能减排政策和措施提供了分析方法。 理论上的突破使其具有对现实的指导意义，实际的需求为理论研究提出了努力的方向，这是本文的研究历程，其本身也是一个创新过程。通过本文的研究，更加深了我们对交通节能的理解。 1． 交通状态参数获取模型 1.1车辆检测技术 应用于车辆检测的检测器已经很多，根据车辆检测器安装方式的不同，可以将车辆检测器分为基于插入技术和基于非插入技术两类。 通过总结传统检测器的缺陷，结合无线传感器网络可扩展性、多功能性及无线通信能力上的优势，由国外的加州大学Berkeley分校首次提出通过基于磁传感器的无线传感器网络节点来对车辆检测，进而通过多节点配合的方式来获取道路交通流数据信息。并在PATH报告中通过实验证明在应用ATDA算法的情况下，对实际道路车辆检测准确率达97％，同时其还在报告中通过双节点配合的方法来对车速进行测量，而且对车辆分类算法上也进行了一定的研究，并通过实验验证该节点在实际应用中具有一定的可行性。同时每个检测节点也是一个微型系统，易于编程，而且每个节点的体积狭小，此在安装和维护上较为容易。 1.2交通流参数采集物理拓扑 虽然城市交通由于存在人、车、路之间共同因素的影响，呈现一定的随机性和不确 定性。但是由于人口分布和商业区分布的固定性导致城市交通流呈现一些明显的特点， 如早晚上、下班顶峰期间交通流量较大，而中午时交通流较小的特点。由于城市交通具 有一定的周期性、规律性，所以只要在特定的关键路段进行监测，就可以大致获得该区 域的交通状态信息。 由交通阻塞产生机理可知。对于非突发的事件或意外的交通事故造成的交通堵塞，主要是因为该路段现行的交通流量超过其承载能力所致。据交通方面知识可知，交通阻塞产生的过程通常具有一定的特征，该特征主要体现在实际道路的交通流参数的变化上。而且城市道路交通阻塞地点通常都发生在特定的路段上，因此，其发生地点具有相比照拟固定的特性。传统的交通状态判定方式主要是通过各种检测器获取道路交通流数据信息，并将所获得的交通流数据信息聚集到交通指挥中心，并由交通指挥中心统一处理，后进行交通状态判定进而发布状态消息。该种交通状态判定方法，由于其在判定和发布的时间上延误较大，使得处于阻塞发生路段上的出行者不能及时的获取前端的路况情况而加剧了交通阻塞的程度，甚至造成道路区域性的交通瘫痪。统一的交通状态信息判定方法和发布的方式不具有针对性，不能有效的解决交通问题。 1.3交通流参数计算原理及相关算法 该模型中底层的交通流参数获取模型图，如以下图。 其主要完成的工作如下： 当有车辆经过主控节点0时，其将记录该节点检测车辆到达时刻ti_up离开时刻ti_down， 这两个时刻主要通过主控节点的所检测到的车辆的波形图来确定。当确定有车经过时， 该节点会自动发送一个车辆到达信号的数据包给其它节点。其它节点在接收到车辆到达 的消息数据包后，会改变本节点的工作模式，从休眠态到检测态，并启动检测功能，对 过往的车辆进行检测，同时对时间进行同步。如果有车辆经过，检测节点会记录该车辆 通过的时间，并通过无线通信的方式发送给0节点，0节点在接收到A、B节点的车辆检测 确实认消息后，会通过本地时间来计算该车辆通过A、B两个节点的时间差ΔTAB。在获 得车辆通过两个节点的时间差后，即可以求得该车辆的行驶速度。 通过以上检测过程可知，可以获得对于第i辆车通过一个交通流数据采集单元时， 其所获得的数据如下。 每辆车通过节点时其占有时间： ti=ti_down-ti_down 每辆车通过节点的平均速度： vi=SAB/ΔTAB 交通流参数主要指交通流量、时间占有率、交通平均速度，本论文中以两分钟为一 个周期对交通流数据进行采集和传输。交通流数据采集单元对的交通流参数的获取公式 如下： 交通流量(辆／h)： F 交通平均速度: 交通平均占有率： 其中k代表两分钟内检测到的车辆数，vi代表第i辆车的速度，ti代表第i辆车通过 的速度检测装置的时间，以上数据量均以2分钟为周期。通过以上的交通流数据采集模型，由多个节点配合可以实现对交通流量、交通流平均速度以及时间占有率的测量。而这些参数是进行交通状态判定中最主要的参数。 2.北京市交通节能研究分析 2.1 北京市交通结构的构成： 城市居民是城市活动的主体，根据“以人为本’’的原那么，城市交通主要功能也就是实现人在空间上的移动，而居民空间上的位移必须依靠城市客运交通来实现。 城市客运交通结构，站在城市客运交通节能的角度，根据城市客运交通能源消耗的特征，大致可以分为公共交通、私人交通和公务交通三局部，因为公共交通、私人交通和公务交通是节能空间最大的三个领域，这样的分类有利于从总体上把握城市客运交通节能的出发点和落脚点。 2.2北京市交通结构分析 通过实地调查与研究，发现在全部出行方式中，公共交通方式出行占30%左右，而自行车交通占了20%左右，小汽车占30％左右，其他方式占10％左右。〔图3〕 自行车和步行是绿色交通工具，其无污染、零排放、灵活性高、造价低、有利于身体健康和环境保护的特征，在满足出行者效用最大化的前提下，应提倡使用，这样不但可以满出行者短距离出行的目的，同时另一方面也可以作为公共交通的集散工具。目前，北京大约有1000万辆自行车，自行车拥有率在百分之六十以上。 私人小汽车是成长空间和节能空间最大的交通工具。经济的高速开展使城市居民可支配收入增加、购置力增强，从而使购卖私人小汽车成为可能；城市化进程的加快为加快机动进程提供了资源和空间条件，使得私人汽车保有量迅速增加；同时随着国家新汽车产业政策的公布，国家汽车生产进入规模化生产阶段，轿车单位本钱下降，销售价格大幅度下跌，从而刺激居民购卖小汽车的需求。 城市公共交通是与人民群众生产生活息息相关的重要根底设施，是城市公用事业的重要组成局部。公共交通由常规地面交通、快速轨道交通和其它交通方式组成。常规地面交通包括公交汽车、有轨电车和无轨电车；快速轨道交通包括地铁; 其它交通方式主要是指出租车。城市公交系统是城市交通的主力军，公共交通是城市的“大动脉〞。开展城市公共交通是降低能源消耗、减轻环境污染、减少占地、方便居民出行的重要途径。城市公共交通作为城市的重要根底设施，与人民群众的生产、生活密切相关，是城市经济社会全面、协调开展的重要根底，优先开展公共交通是城市健康开展和城市交通可持续开展的必然要求，是符合中国实际的城市开展和交通开展的正确战略思想，是贯彻落实科学开展观、建设资源节约型、环境友好型社会的重要举措，是提高交通资源利用效率，缓解交通拥堵的重要手段，是构建社会主义和谐社会的重要方面。优先开展城市公共交通是实现国家能源战略的必然要求。 2.3北京市交通结构优化 北京市的交通结构优化是北京市的交通系统节能的核心内容。传统的城市交通规划模式单纯以时间效率为目标，即按照自己的利益和偏好选择出行方式，而没有从城市交通系统节能的角度考虑这种供给对交通需求的影响，其结果必然导致城市居民单位出行能耗高，同时会造成环境污染等负面影响。 另外，传统的节能方法关注的是单纯从技术角度减少交通工具的能源消耗，但结果却并不理想。这是因为城市交通工具的单位出行能耗取决于排量和出行周转量，只有在降低出行周转量的根底上降低汽车排量，节能才具有实际效果，节能才有现实意义。再者，传统的节能措施孤立的考虑不同交通工具节能的问题，没有考虑通过不同交通方式的相互转化和渗透对城市交通节能的奉献率分析，没有从系统的角度认识和解决交通节能问题。而基于节能的城市交通结构优化的研究，是在综合考虑不同交通工具能耗特征，及其相互关系前提条件下的优化交通结构确实定方法，即在北京市交通节能中，应该采用系统节能的方法，既考虑交通工具本身能耗，又研究其相互关系，从而通过结构优化，真正实现城市客运交通节能的最终目的。 3 北京市交通节能方案 3.1自行车交通节能 在北京市的交通体系中，自行车交通在节能和环保两个方面，占有很大优势，是北京市民短途出行的首选交通工具。并且北京自行车机动灵活，可直接到达目的地，无污染。，自行车在北京市有非常广泛的群众根底，在交通中一直占有重要的地位。在机动车化的过程 中，千万不要低估自行车交通在未来的价值，要给它留出应有的存在空间。因此，自行车现在是而且将来也还是主要的交通工具之一，保持适宜的自行车出行比例，既是现实需要又对北京市的整体开展有利。 3.1.1北京市自行车现状 北京的自行车数量，目前超过1300万辆，年销售新车超过100万辆，但是北京市民自行车出行的比例却大幅下降，已从上世纪80年代的62.7%锐减到现在的18.1%。 在北京，自行车出行环境可以用“恶劣〞来形容。首先自行车道宽度缺乏。其次机动车进入非机动车道、公共汽车进出站威胁自行车骑行安全，极易引发交通事故。再次自行车停车设施缺乏。自行车作为一种出行方式，正在机动车对道路空间的绝对挤压下，越来越边缘化。骑行的危险，以及停放的不安全和不方便令自行车日益失去对公众的吸引力。即便如此，北京的自行车根底设施状况在世界上还处于领先地位。 3.1.2合理规划自行车交通 (1)建立和完善自行车专用道。 建立自行车专用道的目的是便于自行车和机动车实行交通分流，提供安全、畅通、高效的自行车通行环境。建立自行车专用道应与交通规划紧密结合，完善自行车专用道的交通标志，解决好专用道在交叉口与机动车相互干扰的问题。建设自行车专用道系统是解决自行车交通问题的必由之路。城市交通规划应该制定相应的行之有效的政策、法规，充分考虑自行车专用道的设置，充分利用支路和街坊道路，考虑改建为自行车专用道。流量较大的机非混行交叉口，可以考虑建造自行车可推行的自行车、行人立交桥或过街地道；流量特大时，应在立体交叉中单独设置自行车道系统。同时，应引导自行车交通向公交转移。 (2)停车场的合理设置。 在实地考察