交通影响模型

本章主要内容§1交通安全§2燃料消耗§3道路交通废气污染§4道路交通噪声污染1第1页/共82页教学目的：理解交通安全、燃料消耗、废气污染、噪声污染等交通影响因素在交通分析中的作用、掌握交通影响因素的常用模型及其应用。重点：交通影响因素的常用模型难点：交通噪声污染2第2页/共82页交通影响分析(TrafficImpactAnalysis，TIA)是指通过定量研究城市开发项目与交通需求增长之间的关系，分析开发项目对城市交通的影响程度和影响范围，提出相应的交通改善措施，确保一定服务水平下的补偿政策，减小开发项目对交通负荷的影响。一般交通影响评价系统应包括交通调查系统、交通规划系统和交通影响评价系统三部分组成。本章主要讨论交通安全以及环境影响因素方面的分析模型。

3第3页/共82页§1交通安全一、交通事故简介构成交通事故的6个要素：1．车辆——机动车和非机动车2．在道路上3．在运动中4．发生交通事故5．发生事态的原因是过失6．有后果4第4页/共82页5第5页/共82页1.数据收集(1)近似路段（或交叉口）法(2)时间序列法宏观——对某一国家或地区今后年度可能发生的事故预测，以面为对象；微观——对某条线路或地点的事故预测，以线或点为对象。微观预测的交通量模型通过对数据拟合来建立模型，其步骤为：交通事故预测6第6页/共82页2.交通事故预测模型只有一股相关交通流时，幂函数和多项式模型：式中：m—某一时期内某类事故发生次数

q—交通量

α,β,γ—参数7第7页/共82页各种模型函数曲线当交通安全取决于两股或者更多相互冲突的交通流(汽车—火车，交叉口汽车—行人等)时，常采用幂函数乘积模型：8第8页/共82页如果随着交通量的增加，m(q)的斜率逐渐减小，甚至变成负数，可用如下模型：参数k=1或2该模型的优点：不论交通量大小，拟合效果都很好。9第9页/共82页3.参数标定参数标定——即给出模型中参数(α、β、γ…)的估计值（预测）；方法——回归分析（数据拟合）方法依据——历史数据、资料预测结果差别较大，原因：(1)数据调查方法的差别；(2)使用年平均日(小时)交通量等与事故发生时的具体交通状况没有直接联系的统计资料；(3)模型的简单化；(4)不同国家或地区对交通事故判定上的差别；(5)参数标定方法的差别；(6)交通事故取决于包括交通量在内的很多复杂因素。10第10页/共82页目前，可以通过高速公路管理系统、永久性观测站或者不停车收费（ETC）设备等获得更多的交通流信息，通过利用交通流所有的相关特性，比如交通量、速度、密度、车头时距和振动波等，采用多元统计分析方法对交通事故预测模型加以改进。11第11页/共82页§2燃料消耗一、车辆燃料消耗的影响因素影响机动车燃料消耗率的因素，大致可以分为四类：（1）车辆——包括车重、发动机大小、发动机类型(如汽油机、柴油机、电力、天然气)、传动类型、轮胎类型和大小、轮胎压力、制动和燃油喷射系统状态、汽油类型（93#、97#等）

、车型和空调等电气设备的使用程度；（2）驾驶环境——包括道路坡度、风况（风向、风速、风力）、环境温度、海拔高度和路面类型（如沥青混凝土、砂砾）和路面情况（平整度、湿或干）

；（3）交通状况——包括速度、停车次数、速度和加速度干扰等；（4）驾驶员的交通特性也会影响燃料消耗。12第12页/共82页二、城市交通车辆燃料消耗模型对16种影响燃料消耗的交通变量研究表明，速度决定70％以上的燃料消耗。13第13页/共82页城市交通车辆燃料消耗的基本模型：Φ=K1+K2Tr式中：Φ—单位距离燃料消耗（ml/km）

Tr—单位距离平均行驶时间,Tr

＝1/ur

ur—平均行驶速度

K1,K2—模型参数，K1反映克服滚动摩擦力的燃料消耗(ml/km)，它与车辆质量密切相关，K2可以提高模型精度(ml/s)。14第14页/共82页Φ=K1+K2Tr15第15页/共82页阿克赛立科等将车辆行驶分为3种工况：稳态行驶、怠速和加减速，分别估计每一工况的燃料消耗(TRANSYT-7F)：

F=f1Xs+f2ds+f3h式中：F—路段平均燃料消耗

Xs—路段总长度

ds—平均每辆车的停车延误

h—平均停车率

f1—稳态行驶燃料消耗率

f2—怠速燃料消耗率

f3—加减速额外燃料消耗Synchro软件中采用该模型：16第16页/共82页Synchro6燃料消耗模型燃料消耗计算F=TotalTravel*k1+TotalDelay*k2+Stops*k3k1=.075283-.0015892u+.000015066*u

2k2=.7329k3=.0000061411*u

2F——燃料消耗（加仑）u——平均行驶速度（mile/h）TotalTravel——行驶路段总长度(mile)TotalDelay——总信控延误（hour）Stops——单位时间内总停车次数（次/h）17第17页/共82页沃森（Watson）模型：

F=K1+K2/us+K3us+K4*PKE式中：F—燃料消耗

us—区间平均速度K1,K2,K3,K4—模型参数

PKE—加速期间实际的动能变化的总和其中：u2—终止速度

u1—初始速度

Xs—路段总长度18第18页/共82页三、公路交通车辆燃料消耗模型公路条件下车辆速度较高，必须把影响燃料消耗的空气阻力作为重点来考虑。TRANSYT-8模型：式中：fc—稳态行驶速度燃料消耗率

uc—稳态行驶速度

a,b,c—模型参数19第19页/共82页对于城市和公路交通中车辆瞬态速度时的燃料消耗，通常采用瞬态燃料消耗模型式（NETSIM软件）：

f=K1+K2u+K3u3+K4au+K5a2u式中：f—瞬态燃料消耗

u—瞬态速度

a—瞬态加速度

K1—怠速燃料消耗参数

K2—克服旋转阻力的燃料消耗参数

K3—克服空气阻力的燃料消耗参数

K4,K5—与加速相关的燃料消耗参数20第20页/共82页§3道路交通废气污染一、汽车废气简介道路交通对大气的污染是指交通运输中车辆排出的烟、尘和有害气体，其数量、浓度和持续时间都超过大气的自然净化能力和允许标限，使人们和生物等蒙受其害。有害空气污染物来源于移动污染源和固定污染源。移动污染源包括车辆、轮船和飞机等，固定污染源包括排放废气的工厂、加油站等。21第21页/共82页汽车废气是一种排放部位低、不易扩散的移动污染源，是大气污染的重要源头，其影响面最宽，危害最大。有关统计资料表明，在大城市60％以上的大气污染来源于汽车废气，所排放的废气中危害大的主要有一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)、二氧化硫(SO2)以及挥发性有机化合物(VOCs)等。22第22页/共82页“国Ⅴ”车辆排放标准：基本实现无硫化氮氧化合物23第23页/共82页二、机动车尾气排放因子排放因子是指单辆机动车行驶单位里程排放的污染物数量，一般以g/km为单位来表示。1.排放因子的试验检测24第24页/共82页2.综合排放因子的模型计算MOBILE汽车源排放因子模型是美国环保局(EPA)开发的计算车队排放水平的程序。数据来源为美国环保局组织的各种不同在用车排放水平的检测结果，以及联邦测试程序FTP建立过程中测得的排放结果。MOBILE1发布于1978年，包括系列模型计算框图、基本计算方法、基本输入输出格式等，能得出各年、各车型的平均排放因子，以及车辆的各种参数(例如发动机的排量、车辆的载重及自重)和环境参数(例如温度、湿度、气压及CO含量等)对排放的影响。目前为MOBILE6.2版。详见EPA官方网站：/oms/mobile.htm25第25页/共82页确定车型和类别后，在一定的环境条件下（如FTP测试的标准条件），车辆的排放因子与其行驶里程呈线性关系。式中：i,p,n—分别表示车型的出产年代、污染物类型、计算年代；Cipn—FTP（1975）测试条件下的平均排放因子Aip—初始排放因子（新车）Bip—排放因子劣化率Yin—累计行驶里程26第26页/共82页对排放因子进行修正：E=SUM(C,M,R,A,L,X,H)式中：SUM—表示下述物理量的综合函数C—FTP-75平均排放因子M—该车型行驶里程占总里程比例R—包括温度、速度、热起动/冷起动工况等综合的环境修正参数A—空调装置修正参数L—负载修正参数X—拖车修正参数H—湿度修正参数27第27页/共82页(1)行驶里程比例(FractionofTotalMileage)Min=RinLin式中：Rin—车型登记比例Lin—年平均行驶里程28第28页/共82页(2)环境修正参数R=(BAG1+BAG2+BAG3)/DEMON各指定状态平均车速，由用户制定各状态速度修正因子冷起动状态占的总行驶里程比例，根据调查获得热起动状态占的总行驶里程比例，根据调查获得环境温度车龄减去1当地的车型登记分布，通过调查获得与污染物类型和不同车型有关的模型经验参数29第29页/共82页(3)空调装置修正系数(Air-ConditioningCorrectionFactor)A=kr×[cf(A)-1.0]+1.0式中：A—空调修正参数k—配备空调的车辆比例，由调查获得；r—配备空调的车辆中使用空调的车辆比例，随各季节不同，由调查获得；cf(A)—修正因子，随排放污染物而异。30第30页/共82页(4)负载修正系数(LoadingCorrectionFactor)FTP规定的负载约为136kg（包括驾驶员、燃油、水等），额外的负载会增加其排放因子。L(P)=ft×[cf(P)-1.0]+1.0式中：ft—拖车比例31第31页/共82页(5)拖车修正参数(TrailerTowingCorrectionFactor)Ft=ft×[cf(t)-1.0]+1.0式中：Ft—拖车的比例cf(t)—修正因子，具体值视车型和污染物成分而异cf(t)=[w×a(t)+(1-w)b(t)]/[w+(1-w)c(t)]式中：w—在总行驶里程中冷起动状态的百分比32第32页/共82页(6)湿度修正参数H=1.0-0.0047(hm-75)式中：hm—湿度，根据实际状况确定对美国的MOBILE5模型加入修正参数，进一步计算我国典型城市各种机动车在实际运行条件下的排放因子。修正参数包括：33第33页/共82页我国机动车零公里排放因子和劣化率；典型城市机动车车龄登记分布和行驶里程分布；机动车平均运行速度；冷、热起动比例；油料状况；机动车运行环境；机动车使用空调、过载、拖车状况；检查和维护(L/M)状况。34第34页/共82页污染物P的年排放总量EQp：式中：j—车型分类Pj—预测年份机动车保有量Mj—j型车的年平均行驶里程Efpj—j型车的第P类污染物的平均排放因子35第35页/共82页三、城市机动车排放污染物扩散模型城市汽车污染的扩散可分为三个层次：（1）某一街道峡谷局地的交通污染模拟，这是精度最高、范围最小的层次，即街道峡谷模型，如STREET模型;（2）第二个层次是针对一条主要道路两侧进行的空气污染模拟，常用线源模型，如CALINE模型;（3）第三个层次是模拟城市道路网的汽车排放对城市区域的空气质量影响，此时道路线源被拆分为一般的面源处理，模型也多采用城市空气污染多源综合扩散模型，如美国ISCST3模型。以下主要介绍公路线源汽车污染扩散模型。36第36页/共82页公路线源汽车污染扩散模型1.CALINE模型以高斯扩散公式为基础，并用一个混合带的概念来描述公路上污染物初始扩散。2.HIWAY模型该模型视公路排放为一系列有限线源，而每一个车道可视为连续的具有均匀排放速率的有限直线源。将线源模拟成为一系列连续的点源并通过积分高斯点源方程，得到线源浓度c为：37第37页/共82页式中：q—线源源强uw—风速f—点源扩散方程，可根据线源高度及有无混合层反射等情况选择适当的表达式L—线源长度HIWAY模型主要用于模拟开口高速公路下风向的污染物浓度。38第38页/共82页3.GM模型回避点源假设，应用了无限线源，考虑了相当稳定和微风条件下车道上烟羽的抬升。污染物浓度c：式中：q—线源源强Y—公路横风向有效风速与风速校正因子的和z—采样点高度H0—烟羽高度39第39页/共82页水平和垂直扩散对浓度分布的影响通过定义σz

来体现：式中：A,B,C—根据稳定度条件稳定的经验参数X—受体距车道中心的距离F—其中：θ—风相对于公路的角度β,γ—根据稳定度条件确定的经验参数40第40页/共82页烟羽高度H0：式中：R—烟羽的宽度G—重力加速度

ρ0、ρ—分别为环境空气和烟羽的密度α—传输系数uw—线源横风风速x—距公路的距离41第41页/共82页Synchro6燃料消耗模型燃料消耗计算F=TotalTravel*k1+TotalDelay*k2+Stops*k3k1=.075283-.0015892u+.000015066*u

2k2=.7329k3=.0000061411*u

2F=fuelconsumedingallonsu=cruisespeedinmph.TotalTravel=vehiclemilestraveledTotalDelay=totalsignaldelayinhoursStops=totalstopsinvehiclesperhourFormetricusers,thevaluesareconverted.ThesearethesameasthedefaultformulasforfuelconsumptionusedbyTRANSYT7-F.42第42页/共82页Synchro6的污染扩散计算——基于燃料消耗模型进行计算。简单模型：燃料消耗×计算因子CO=F*69.9g/gal=CarbonMonoxide(g)——一氧化碳NOx=F*13.6g/gal=NitrogenOxides(g)——氮氧化合物VOC=F*16.2g/gal=VolatileOxygenCompounds(g)——挥发性有机化合物F=FuelConsumption(gal)计算因子源自美国联邦高速公路管理局（橡树岭国家实验室，OakRidgeNationalLabs）43第43页/共82页§4道路交通噪声污染

一、声学基本计量（一）声学基本物理量1.声音的基本概念：声音是在气体、液体或固体等弹性介质中以波动形式传播的机械振动。声音的三个要素：（1）传播速度c：当空气为22℃时，等于344m／s，在常温条件下，空气中的声速为340m／s。（2）频率f：声源在1s内完成的全振动次数。单位：赫兹(Hz)。频率的倒数，即声源完成一次全振动的时间称为周期，单位：秒(s)。（3）波长λ：在声波传播途径上，两相邻同相位质点之间的距离。单位：米(m)。

44第44页/共82页声波传播速度c、波长λ及振动频率之间的关系：

在室内声学中主要研究声音的频率：63~10000Hz，相应的波长：5.4~0.034m。低频声：<500Hz中频声：500~1000Hz高频声：>1000Hz45第45页/共82页声压p

，指某瞬时，介质中的压强相对于无声波时压强的改变量，声压的单位就是压强的单位，即牛顿／米2(N／m2)。任一点的声压都是随时间而不断变化的，每一瞬间的声压称为瞬时声压，某段时间内瞬时声压的平均值称为有效声压，用pe表示46第46页/共82页声强I

（声音的强度）：单位时间内通过垂直于声音传播方向上单位面积的平均声能通量。声强按下式确定：其中：I—声强（W/m2);

p—声压的均方根值（Pa);

ρc—介质的声阻抗率，或空气的特性阻抗，空气中ρc≈412（Pa·s/m);47第47页/共82页声功率:单位时间内声源向周围空间所辐射的声能量。在自由声场中，点声源发出的球面波均匀地向四周辐射声能，因此，距离声源中心r米的球面上的声强为：声源的声功率通常都很小，如人们日常说话的声功率约为10～40μW；建筑工地上气锤的声功率也只有1W左右；400万人同时大声说话时的声功率只相当于一只40W灯泡的电功率。因此，在较大的房间或空间区域内，往往需要用扩声设备来扩声。但应注意，扩声设备的电功率与扬声器声功率之间的区别，前者是指扩声系统的输入功率，可达几瓦至几十瓦，后者是指扬声器的输出功率，一般只有几毫瓦至几十毫瓦。

48第48页/共82页2.级的概念

“级”是声学中的一个重要概念。引入“级”的概念是为了便于声音的计量和计算，同时它也符合人耳的听觉特征。人耳所能听到的声音频率分布在一定的频率范围(20～20000Hz)内，其声强和声压也分布在一定的范围内。对于频率为1000Hz的声音，人耳刚能听到的下限声强为10-12W/m2，对应的声压约为2×10-5N/m2。当1000Hz声音的声强达到1W/m2时，只会使人产生疼痛感，而不会引起人的听觉，这一上限声强所对应的声压约为20N/m2。49第49页/共82页级的概念（1）能引起人耳听觉的声强上下限相差一万亿倍，声压的上下限相差也达一百万倍。因此，若直接采用声强和声压来计量声音，在计算上将非常麻烦。（2）人耳对声音大小的感觉并不是与声强或声压成正比，而是近似地与声强或声压的对数值成正比。所以，在声音的计量中常采用对数的标度方法，即对声强或声压以每增加(或减小)10倍作为一“级”，从而将声音计量的标度大大地压缩。50第50页/共82页声强级的定义为：式中

LI—声强级，单位：B

I0—基准声强，即频率为1000Hz的纯音的下限声强

I0=10-12W/m2

；

I—声强值W/m2。以dB为单位:频率为1000Hz纯音的可闻下限声强级为0dB，而可闻上限声强级为120dB。51第51页/共82页声压级：由公式则式中

p0—基准声压，即频率为1000Hz纯音的下限声压，

pe—声压值(N/m2)。52第52页/共82页

常见声学环境中的声强、声压、声强级或声压级声强/(W·m-2)声压/(N·m-2)声强级或声压级/dB声学环境10110-110-210-410-610-810-1010-1263.2206.322×10-12×10-22×10-32×10-42×10-513012010080604020100螺旋浆飞机前5m，有疼痛感距气锤1m，可闻上限风动铆钉机旁纺织车间内城市干道旁，舞厅内相距1～2m交谈电冰箱旁手表的滴嗒声可闻下限53第53页/共82页可闻声域54第54页/共82页声压级的迭加

采用级的概念使得声音的计量简化而明了，但声压级(或声强级)的相加，不能简单地用几个声压级(或声强级)的分贝值直接相加，而应当按照对数的运算规则进行相加。若有两个源发出的声波同时到达声场中的某一点，其声强分别为I1和I2声压分别为p1和p2

，则该点总声强为

I=I1+I2总声压为当两个声音在该点的声压相等，即p1=p2时，总声压级为：55第55页/共82页推广:当n个声音在该点的声压相等，总声压级为：当两个声源在该点的声压不相等，L1＞L2总声压级为

L=L1+ΔL

ΔL----修正量两个声源声级差0246810修正量3.02.11.51.00.60.456第56页/共82页（二）听觉特性1.最小和最大可听声压人耳可以接受的声压变化范围很大：在中频范围，人的最小可听极限大致相当于声压级0dB。在高声级作用下，人耳会有不舒服以至疼痛的感觉。通常，声压级在120dB左右，人就会感到不舒服；

130dB左右会引起耳内发痒；达到140dB，耳内会感觉疼痛。声压级继续升高，可引起耳内出血，甚至导致听觉器官永久件损伤。57第57页/共82页2.最小声压可辨阈对于频率在50~10000Hz之间的纯音，当声压级超过50dB时，人耳大致可以鉴别1dB的声压级变化。58第58页/共82页3.人耳的频率响应和等响曲线响度是人对声音强弱的主观评价指标。影响响度感觉的客观物理量是声波的振幅。但响度与振幅并不完全一致，原因是人对不同频率声音的响度感觉(灵敏度)不同。一般说来，人耳对2000~4000Hz的声音最敏感，频率越低，灵敏度越差；而频率很高时，灵敏度也会变差。因此，对相同声压级而频率不同的声音，人耳听起来是不一样响的。反之，不同频率的声音听起来要具有同样的响度，就必须具有不同的声压级。59第59页/共82页

响度和响度级：一个声音在听觉感受上有多响，并不与这个声音的物理强度成线性关系。所以在声学中，除了有一套物理量之外，与之对应的还有一套心理量，用以表示声音在主观感受上的程度。一个声音有多响除了与它的强度大小有关外，还与它的频率高低有关。根据世界上许多国家对不同种族的大量正常人所测得的响度级与声压级和频率的关系，称为等响曲线，60第60页/共82页纯音等响曲线：

表明听起来与具有某个声压级的1000Hz纯音同样响的其他频率纯音所应具有的各自的声压级。61第61页/共82页62第62页/共82页二、道路交通噪声的评价指标A计权声级通常用声级计来测量声压级。人耳对中高频声音较敏感，对低频声音较不敏感，为了得到比声压级能更好地与人耳响度判别密切相关的声级值，在声级计中加进“频率计权网络”。网络改变了声级计对不同频率声波的敏感性，有A、B、C、D计权网络。最常用的是A计权网络，因为它能较好地模仿人耳的频率响应特性。用A计权测得的声级称为A计权声级，简称A声级、单位是dB(A)。各计权网络的频率计权曲线如下图所示。63第63页/共82页各计权网络的频率计权曲线倍频程的中心频率与截止频率64第64页/共82页多功能声级计（多功能噪音计）

声级计是噪声测量中最基本的仪器。声级计一般由电容式传声器、前置放大器、衰减器、放大器、频率计权网络以及有效值指示表头等组成。声级计的工作原理是：由传声器将声音转换成电信号，再由前置放大器变换阻抗，使传声器与衰减器匹配。放大器将输出信号加到计权网络，对信号进行频率计权(或外接滤波器)，然后再经衰减器及放大器将信号放大到一定的幅值，送到有效值检波器(或外按电平记录仪)，在指示表头上给出噪声声级的数值。65第65页/共82页声级计中的频率计权网络有A、B、C三种标准计权网络。A网络是模拟人耳对等响曲线中40方纯音的响应，它的曲线形状与340方的等响曲线相反，从而使电信号的中、低频段有较大的衰减。B网络是模拟人耳对70方纯音的响应，它使电信号的低频段有一定的衰减。C网络是模拟人耳对100方纯音的响应，在整个声频范围内有近乎平直的响应。声级计经过频率计权网络测得的声压级称为声级，根据所使用的计权网不同，分别称为A声级、B声级和C声级，单位记作dB(A)、dB(B)和dB(C)。66第66页/共82页2.等效声级两类常见的噪声源：稳定声源：声源稳定地发声，其发出的噪声级随时间的变化不大干5dB。不稳定声源：声级随时间变化大于5dB。不稳定噪声通常用等效声级Leq来评价按下式计算：其中：Lpi----每次测得的声级值(dB)；

n----读取声级位的总次数。67第67页/共82页3.统计声级——LN指测试时段内，有N%时间的噪声超过的声级。用累加统计分布值L10、L50、L90来表示。L10—所测试段的噪声峰值L50—所测试段的噪声平均值L90—所测试段的本底噪声实验证明，对于车流量较大的道路，L50数值和人们对吵闹感觉程度有较好的相关性，有些国家直接采用L50来评价交通噪声。68第68页/共82页三、道路交通噪声预测模型1990年，由交通部公路科研所负责组织的《公路建设项目环境影响的评价规范》编制组，先后在9条一、二级汽车专用公路及公路两侧测取了259组51800个数据，对预测模型及参数作了进一步的修正。1.公路交通噪声预测模型(1)第i类车交通噪声计算69第69页/共82页式中:(LAeq)i—i型车辆行驶于昼夜或夜间，预测点接收到的小时交通噪声值Lw,i—第i型车辆的平均辐射声级Ni—第i型车辆的昼夜或夜间的平均小时交通量uri—i型车辆的平均行驶速度T—的预测时间，在此取1hΔL距离—第i型车辆行驶噪声、昼间或夜间在距噪声等效行车线距离为r的预测点处的距离衰减量ΔL纵坡—公路纵坡引起的交通噪声修正量ΔL路面—公路路面引起的交通噪声修正值70第70页/共82页(2)各类车辆在预测点产生的交通噪声值式中:(LAeq)L,(LAeq)M,(LAeq)S—分别为大、中、小型车