[发明专利]一种考虑复杂微环境特征的交通信号灯配时优化方法

权利要求书

1.一种考虑复杂微环境特征的交通信号灯配时优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

利用机动车比功率公式计算得到VSP值，进而建立机动车运行工况分布与VSP、尾气排放之间的直接关系；

利用敏感性分析法，进行机动车运行工况分布、微环境特征对机动车尾气污染物排放的影响程度和敏感性分析，从而深入挖掘影响机动车尾气排放特性的主要因素，构建机动车尾气排放模型的基本架构，并对机动车尾气排放模型进行本地化修正；

建立描述尾气扩散流动的三维湍流流动不可压N-S方程，采用有限体积法对控制方程进行离散化处理，利用计算流体力学Fluent仿真工具再现机动车流的运动特征，完成机动车尾气污染物扩散的动态数值模拟，以得到动态环境参数以及随机交通流参数共同作用下的机动车尾气污染物衍生变化与扩散规律，得到机动车尾气排放量在大气环境中的迁移规律，然后，根据行人高度或其他需要观测高度的浓度值，建立机动车尾气排放与交通流特性之间的耦合关系；

所述利用计算流体力学Fluent仿真工具再现机动车流的运动特征，完成机动车尾气污染物扩散的动态数值模拟，包括：

利用计算流体力学中的Fluent数值模拟方法，求解N-S流动控制方程，并根据风速、温度、湿度这些气象条件，设置仿真模拟的边界条件；所述边界条件包括入口边界条件和出口边界条件，其中：

入口边界条件可分为两部分，一部分是风的入口边界，另一部分为污染物入口边界：

入风口边界：入口风廓线可以描述为：

u_y＝u_ref(y/y_ref)^α (13)

在上式中，u_y表示高度y处的风速，m/s；u_ref表示高度y_ref处的风速，m/s；y_ref表示气边界层中参考点的高度；α表示剖面指数；

污染物入口边界：把公式(2)计算得到的某段时间的尾气排放总量E，结合尾气污染物浓度数据的获取时间t，得到尾气污染物的质量流量E/t，单位为g/s，作为污染物入口边界；

出口边界条件：

流体的流动视为在出口边界处可以充分发展，因此，出口边界视作自由流出口；

以机动车的平均行驶延误尽可能小、机动车尾气污染物排放尽可能少、交通参与者污染物暴露尽可能低作为评价指标，建立交通信号灯配时优化的多目标模型，并进行求解，得到交通信号灯配时优化结果；

所述以机动车的平均行驶延误尽可能小、机动车尾气污染物排放尽可能少、交通参与者污染物暴露尽可能低作为评价指标，建立交通信号灯配时优化的多目标模型，包括：

步骤4.1，反映三个评价指标的交通信号灯配时多目标优化函数，可以表达为：

min{w₁A₁+w₂A₂+w₃A₃} (14)

在上式中，A₁、A₂、A₃分别代表平均行驶延误、尾气污染物排放、交通参与者污染物暴露三个目标；w₁、w₂、w₃分别代表三个目标的权重，其取值范围为(0，1)，并且要求ω₁+ω₂+ω₃＝1；

为剔除量纲的影响，公式(14)又可以表示为：

在上式中，D表示信号配时方案优化后的机动车平均延误，s；D₀表示原信号配时方案的机动车平均延误，s；E表示信号配时方案优化后的机动车尾气污染物排放，g；D和D₀需要根据实测数据和HCM2000延误模型计算得出；E₀表示原信号配时方案的机动车尾气污染物排放，g；E和E₀都可以利用公式(2)计算得出；R表示信号配时方案优化后的交通参与者污染物暴露水平，mg/(kg.s)；R₀表示原信号配时方案的交通参与者污染物暴露水平，mg/(kg.s)，R和R₀的计算方法表示为：

在上式中，CA表示大气中的污染物浓度，mg/m³；IR表示呼吸速率，m³/s；EF表示暴露频率，s/a；ED表示污染物暴露的持续时间，a；BW表示体重，kg；AT表示污染物的平均暴露时间，s；

步骤4.2，上述交通信号灯配时多目标优化函数的约束条件表达为：

C_min≤C≤C_max (17)

g_min≤g_i≤g_max (18)

公式(17)为信号周期C的约束条件，式中，C_min表示交叉口的最短周期时长，s；C_max表示交叉口的最长周期时长，s；公式(18)为各相位绿灯时间g_i的约束，式中，g_min表示第i相位的最小绿灯时间，s；g_max表示第i相位的最大绿灯时间，s。