城市峽谷街道機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放與擴(kuò)散的實(shí)時(shí)估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于智能交通系統(tǒng)領(lǐng)域，涉及道路交通仿真、機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放和污染物在 城市峽谷道路的擴(kuò)散，由于時(shí)空條件的差異以及對(duì)氣象條件的依賴，目前很難準(zhǔn)確實(shí)時(shí)了 解道路環(huán)境污染物濃度。本發(fā)明結(jié)合交通模型、污染物排放模型和擴(kuò)散模型，實(shí)時(shí)估計(jì)城市 峽谷街道的空氣污染物濃度。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展，我國(guó)城市機(jī)動(dòng)車(chē)保有量呈現(xiàn)大幅度增長(zhǎng)。隨之而來(lái)，城 市交通擁堵?tīng)顩r日益加劇，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染嚴(yán)重。機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放與城市大氣環(huán)境質(zhì)量緊 密相關(guān)，根據(jù)環(huán)保部門(mén)分析報(bào)道，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放已成為北京市空氣污染的首要來(lái)源，也是 造成霧霾、煙霧污染的一個(gè)重要原因。
[0003] 機(jī)動(dòng)車(chē)不僅排放量大、增長(zhǎng)速度快，而且機(jī)動(dòng)車(chē)屬于低空流動(dòng)源污染，其排放高度 接近人的呼吸高度，排放的高濃度污染物將嚴(yán)重影響并威脅道路兩側(cè)行人和周?chē)用竦纳?體健康，并且治理這些有害物質(zhì)存在很大難度。城市峽谷街道是行人步行的最重要場(chǎng)所，尤 其是商業(yè)街等人流密集區(qū)域，而且，城市峽谷兩側(cè)建筑高大密集，機(jī)動(dòng)車(chē)流量較大，區(qū)域內(nèi) 污染物擴(kuò)散條件較差，污染源排放集中，以上因素使得城市峽谷街道的空氣污染比區(qū)域性 空氣污染更為嚴(yán)重，對(duì)出行者的健康狀況造成嚴(yán)重威脅。
[0004] 影響城市峽谷街道機(jī)動(dòng)尾氣排放總量及污染程度的主要因素包括實(shí)際交通行駛 狀況、尾氣擴(kuò)散氣象條件以及峽谷幾何形狀。由于時(shí)空條件的差異以及對(duì)氣象條件的依賴， 現(xiàn)在很難準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地確定城市峽谷街道環(huán)境污染物濃度，為出行者提供準(zhǔn)確的數(shù)值。
[0005] 本發(fā)明提出一種新的污染物估計(jì)方法，首先通過(guò)模型模擬道路交通狀況，實(shí)時(shí)估 計(jì)交通參數(shù);其次結(jié)合機(jī)動(dòng)車(chē)排放因子估計(jì)道路污染物排放量;最后應(yīng)用擴(kuò)散模型實(shí)時(shí)估 計(jì)道路空氣中污染物擴(kuò)散濃度，最后以圖形化方式為出行者提供可視化界面，實(shí)時(shí)了解街 道空氣污染物的濃度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提出一種新的城市峽谷街道環(huán)境污染物濃度計(jì)算方法，可實(shí)時(shí) 了解空氣污染物濃度以擴(kuò)散情況，并提供可視化的圖形界面讓出行者更加直觀了解空氣污 染情況。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為基于交通流模型和擴(kuò)散模型的城市 峽谷街道機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放與擴(kuò)散的實(shí)時(shí)估計(jì)研究，主要由四部分組成:基于CTM模型對(duì)城 市路網(wǎng)進(jìn)行建模與仿真;基于排放因子模型重新估計(jì)實(shí)驗(yàn)道路上機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染物排放因 子，結(jié)合道路交通流量計(jì)算街道機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放;基于0SPM擴(kuò)散模型模擬計(jì)算實(shí)驗(yàn)道路機(jī) 動(dòng)車(chē)尾氣污染物擴(kuò)散濃度;基于模型仿真數(shù)據(jù)的污染物濃度查詢顯示界面。這四部分關(guān)系 如圖1所示，其中：
[0008] A所示部分為交通建模與仿真。根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外城市峽谷街道交通流模型研究的調(diào) 研，本發(fā)明選擇元胞傳輸模型對(duì)城區(qū)道路進(jìn)行建模。根據(jù)CTM模型將道路劃分成不同鏈路， 每條鏈路又由不同元胞組成。對(duì)元胞之間不同的連接關(guān)系以及信號(hào)燈控制下的元胞之間的 關(guān)系分別建立元胞傳輸表達(dá)式，并對(duì)建立的模型進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用元胞傳輸模型描述城 市交通狀態(tài)，估計(jì)道路交通流量。
[0009] B所示部分為機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放估計(jì)。機(jī)動(dòng)車(chē)排放因子是影響機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放主 要因素，因?yàn)椴煌愋蛙?chē)輛、不同工況下的排放因子存在差異性，本發(fā)明利用基于智能手機(jī) 的交通數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取機(jī)動(dòng)車(chē)實(shí)際工況下的行駛參數(shù)，結(jié)合VSP模型實(shí)時(shí)估計(jì) 機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放因子。
[0010] C所示部分為城區(qū)街道機(jī)動(dòng)車(chē)污染物擴(kuò)散研究。一般城市街道兩旁都有建筑物，考 慮街道內(nèi)的空氣流動(dòng)對(duì)污染物傳輸和擴(kuò)散研究，這就不僅需要考慮排放源、氣象條件和環(huán) 境因素的影響，而且要考慮街道兩旁建筑物形成的小尺度污染擴(kuò)散過(guò)程，稱為街道峽谷污 染擴(kuò)散。針對(duì)峽谷類型路段選取0SPM模型，應(yīng)用模型模擬的方式計(jì)算道路機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染 物擴(kuò)散濃度。
[0011] D所示部分為污染物濃度顯示界面設(shè)計(jì)。
[0012] 城市峽谷街道機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放與擴(kuò)散的實(shí)時(shí)估計(jì)方法，其特征在于:城市道路 交通網(wǎng)絡(luò)建模部分A，機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放部分和擴(kuò)散部分B、C，以及污染物濃度顯示部分D;
[0013] 交通網(wǎng)路建模部分A，基于CTM模型對(duì)城區(qū)路網(wǎng)進(jìn)行建模、仿真，將道路劃分成不同 鏈路，每條鏈路劃分成不同元胞，基于信號(hào)燈配時(shí)建立元胞之間傳輸關(guān)系，估計(jì)計(jì)算建模街 道的交通狀況；
[0014] 城市道路機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放估計(jì)部分B，利用基于智能手機(jī)的交通數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集 系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取機(jī)動(dòng)車(chē)實(shí)際工況下的行駛參數(shù)，結(jié)合VSP模型實(shí)時(shí)估計(jì)機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放因 子；
[0015] 城市道路機(jī)動(dòng)車(chē)污染物擴(kuò)散估計(jì)部分C，針對(duì)城市道路的峽谷特性，選取0SPM模 型，模擬道路機(jī)動(dòng)車(chē)污染物的擴(kuò)散過(guò)程，計(jì)算街道處不同污染物的時(shí)空濃度；
[0016] 污染物濃度顯示部分D，主要包括地圖界面部分和選項(xiàng)欄部分，將污染物濃度分為 6個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)分配一個(gè)顏色，利用模型計(jì)算的數(shù)據(jù)，將污染物等級(jí)顯示在地圖上。
[0017] 基于CTM模型對(duì)城區(qū)路網(wǎng)進(jìn)行元胞劃分的方法;劃分步驟包括：
[0018] 將目標(biāo)區(qū)域以交叉口和區(qū)域邊界為節(jié)點(diǎn)劃分成η條鏈路，每條鏈路沿車(chē)輛行駛方 向劃分成兩部分，稱之為方向鏈路；
[0019] 每條方向鏈路按1米長(zhǎng)度劃分成多個(gè)元胞，將方向鏈路與交叉口連接的元胞分為 分離元胞和融合元胞，分離元胞組成交叉口處不同行駛方向的車(chē)道，融合元胞接收來(lái)自交 叉口的車(chē)輛；
[0020] 對(duì)于丁字路口，分離元胞分為兩種：直行元胞和左轉(zhuǎn)元胞，或直行元胞和右轉(zhuǎn)元 胞，或左轉(zhuǎn)元胞和右轉(zhuǎn)元胞;對(duì)于十字路口，分離元胞分為三種:直行元胞、左轉(zhuǎn)元胞和右轉(zhuǎn) 元胞；
[0021] 若交叉口處分離車(chē)道的長(zhǎng)度為Id米，相同行駛方向的分離元胞個(gè)數(shù)則為i=round (ld/1)個(gè)，其中round( ·)為四舍五入函數(shù)。
[0022] 對(duì)已劃分元胞和元胞之間截面流量的編號(hào)方法;編號(hào)方法如下：
[0023] 首先對(duì)不同方向鏈路進(jìn)行編號(hào)，具體編號(hào)方法為:鏈路編號(hào)+方向縮寫(xiě)，鏈路編號(hào) 采用羅馬數(shù)字;其次對(duì)方向鏈路內(nèi)的元胞進(jìn)行編號(hào)；
[0024]元胞編號(hào)方法:首先，按照直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)將所有分離元胞分別編號(hào)為S、L、R，其 次，自融合元胞或邊界元胞起，沿車(chē)輛行駛方向除分離元胞外依次編為正整數(shù)1、2、一、11，分 離元胞則在此順序下繼續(xù)編號(hào)，所以分離元胞的最終編號(hào)為S[n+l]，S[n+2]，…，S[n+i]，其 余方向以此類推;最后結(jié)合方向鏈路編號(hào)和元胞編號(hào)即可區(qū)分區(qū)域內(nèi)所有的元胞;最后對(duì) 截面流量進(jìn)行編號(hào)；
[0025]截面編號(hào)方法：在元胞編號(hào)基礎(chǔ)上編號(hào)，首先將每個(gè)元胞的輸出流量編號(hào)為 ，其余的流量根據(jù)指向的元胞編號(hào)記為yυ+τ??|5§·。
[0026]為得到路段內(nèi)的車(chē)輛數(shù)和路段截面的車(chē)流量，對(duì)并列的元胞內(nèi)車(chē)輛數(shù)和并列截面 的總車(chē)流量的相加方法：
[0027]元胞內(nèi)車(chē)輛數(shù)相加原則為:若鏈路內(nèi)有η列元胞，相加的多個(gè)元胞的編號(hào)中的數(shù)字 相加為η+1;
[0028] 截面車(chē)流量相加原則為:若鏈路內(nèi)有η列元胞，除鏈路兩端的截面流量外，相加的 兩個(gè)截面流量的編號(hào)中的數(shù)字相加為η，且無(wú)下標(biāo)"U"，兩端的截面流量，相加的多個(gè)截面流 量的編號(hào)中的數(shù)字相加為η+1。
[0029]利用基于智能手機(jī)的交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和VSP模型對(duì)實(shí)際行駛工況下機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣 排放因子進(jìn)行估計(jì)：
[0030]通過(guò)基于智能手機(jī)的實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集機(jī)動(dòng)車(chē)不同行駛狀況下的動(dòng)態(tài) 交通數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)的經(jīng)煒度、瞬時(shí)速度、瞬時(shí)加速度以及行駛軌跡等信息；
[0031] 交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于android智能手機(jī)操作系統(tǒng)編寫(xiě)API應(yīng)用程序，實(shí)時(shí)調(diào)用 GPS模塊和加速度傳感器模塊數(shù)據(jù)并記錄;應(yīng)用程序以1Hz的固定采樣頻率實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)信 息，包括系統(tǒng)時(shí)間、GPS模塊以及加速度模塊信息，并以數(shù)據(jù)庫(kù)文件形式保存在手機(jī)外部存 儲(chǔ)器內(nèi)，郵PS模塊可以獲得位置信息和速度信息，由加速度傳感器可以獲得加速度信息；
[0032]對(duì)采集的交通動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理方法，得到瞬時(shí)速度與瞬時(shí)加速度的秒數(shù)據(jù)， 結(jié)合VSP模型逐秒計(jì)算可獲得各秒的排放水平，逐次查詢獲得對(duì)應(yīng)的排放量清單，累加后可 得到數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的出行過(guò)程的總排放量。
[0033]污染物濃度顯示部分以0SPM模型計(jì)算所得結(jié)果為基礎(chǔ)，為將模型的實(shí)時(shí)估計(jì)結(jié)果 直觀可視化，本方法將污染物濃度分為6個(gè)等級(jí)，并分配不同的顏色，根據(jù)0SPM模型計(jì)算得 出的污染物濃度值，選取代表路段污染物濃度的顏色，將其實(shí)時(shí)顯示在對(duì)應(yīng)街道處，用戶通 過(guò)查看路段處的顏色來(lái)查詢街道處污染物的濃度值。
[0034]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果。
[0035] 1、選取交通模型對(duì)城市峽谷街道進(jìn)行建模?；贑TM模型對(duì)城市路網(wǎng)進(jìn)行建模仿 真，CTM模型可以很好地描述城市峽谷街道交通狀態(tài)、實(shí)時(shí)估計(jì)道路交通參數(shù)，為污染物濃 度的計(jì)算提供全面、準(zhǔn)確的交通參數(shù)，可有效提高污染物濃度計(jì)算值的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。
[0036] 2、選擇VSP污染物排放模型對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)排放水平進(jìn)行估計(jì)。利用基于智能手機(jī)的交 通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取機(jī)動(dòng)車(chē)的速度和加速度，對(duì)道路上實(shí)際行駛工況下的排放因子 進(jìn)行重新估計(jì)。無(wú)處不在的智能手機(jī)可以很容易的獲取機(jī)動(dòng)車(chē)的速度和加速度，適用度廣、 操作方便、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、準(zhǔn)確性高，使得重新估計(jì)的排放因子數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，從而提高了最終 估計(jì)的污染物濃度的準(zhǔn)確性和可靠性。
[0037] 3、為用戶提供直觀可視數(shù)值化界面。通過(guò)CTM模型、VSP模型、0SPM模型系統(tǒng)性的計(jì) 算，得到街道處幾種污染物濃度和擴(kuò)散的估計(jì)值，最終顯示在地圖上，使出行者能夠直觀的 了解到城市街道不同污染物的濃度和擴(kuò)散情況。