美国学者亚当斯早在1962年就断言, 单纯的道路建设并非是解决交通供需矛盾的最好手段。只有在对道路交通中“人、车、路”三者关系的理性思考的基础上, 通过包括规划、管理与控制在内的多种途径, 才能够最大限度地提高与改善交通品质与路网使用效益。随着技术的进步这一思想的技术成分在20世纪80年代初期被表述为智能交通系统(ITS) 的概念。近年来它作为一种全新的交通控制管理手段, 正改变着人们对传统交通控制与管理的认识, 也改变着交通运输发展与规划理论。传统交通方法存在的诸多问题, 如充分利用交通设施问题、安全问题、交通过程中的信息交流问题、交通拥挤和设施利用效率低下问题等, 可以在很大程度上通过现代通信与自控技术得到解决。有人估计在今后20年内ITS技术可使交通堵塞减少60%, 使现有路网的通行能力大为提升, 可降低交通事故8%, 每年因交通事故死亡人数下降30%~70%。

在过去10年中, 运用智能交通改善交通管理与控制而提高交通效能的理论与方法研究较多, 而对其缓解和改善交通环境污染方面的途径、理论与方法研究较少。随着许多城市道路交通噪声与尾气污染的不断加剧, 道路交通环境问题突出, 控制机动车排放污染日益成为社会关注的焦点。在ITS概念提出之初就有人提出这一问题, 但出于这一问题并非ITS产生的基本理由, 故这方面的系统研究尚开展较少。某些观点出现在关于ITS研究的文献中, 如一种观点认为, ITS主要可以通过向行人提供咨询, 避免交通拥挤方式, 减少尾气对人的影响; 还可通过大众运输系统和转乘信息的增加, 减少人和汽车的数量以达到减少排污的目的^[1]。还有一些观点则主张通过ITS技术实现控污的根本途径应当是以车流控制为主、以用户选择为辅的机动车排污控制策略^[2]。

1.   由交通管理途径控制机动车排放污染的基本原理

至今提出的各种机动车排放污染控制方法可以分为三类: 第一类途径可称为制造性控制途径(或机制性控制措施), 主要通过对机动车的设计、制造技术以及路面特性改进, 发展低污染交通方式等措施降低污染排放; 第二类途径可称为规划性控制措施, 即通过各等级道路布局、建筑物设置或传播条件的改变, 达到减少指定区域的机动车排放污染程度的目标, 例如使用声屏障、利用风向分布特点规划道路、建筑物防护等措施, 将道路污染源远离某些污染敏感区域; 第三类措施是所谓交通管理途径, 即主要通过交通控制与管理措施实现对机动车排放污染的控制。管理与控制措施在特定条件下应当具有其它两类措施不具有的优点和效果。ITS交通环境污染控制主要利用现代监测、通讯、控制技术, 通过调整交通流与受体的特性与分布, 对城市交通污染实施控制与管理。出于技术上的可行性, 已经可以或有必要将交通环境污染控制作为发展智能交通的基本约束条件和目标之一, 成为当代智能交通研究的一个新的方面。

根据本文的划分, 从近10年来在道路交通污染的控制方面第一、二类措施一直被作为主要途径研究较多, 第三类措施目前研究较少。但是发达国家的经验证明, 在许多方面第一、二类措施进一步下降的潜力已不大, 或从现有技术上已达到或接近极限水平, 第三类途径开始受到重视。从理论上, 可将第三类措施归纳为以下基本途径:

措施A: 通过发现与追踪超标排放车辆技术, 对其采取进一步控制措施;

措施B: 发现指标超标路段, 此类信息用于控制车流或种类;

措施C: 强制性分配高排放车辆的路径与时间;

措施D: 通过ITS技术减少车辆行驶的各类等待, 从而降低机动车排放污染;

措施E: 提供交通污染状况信息, 在有选择条件下, 向车辆和行人提出建议出行的路线, 以主动避免高污染路段;

措施F: 提供信息, 鼓励人们选择恰当的交通工具与出行方式, 例如使用公共交通工具, 减少私人交通工具的使用量等;

措施H: 通过环境污染的监测与信息反馈提供的路况污染信息, 实现低污染或污染分布受控(如污染平均化) 的交通组织, 其中包括整个城市各路段的交通方式的分配比例, 如在一定的时段或路段提高自行车的使用比例;

措施G: 所提供的信息是发展低污染运输方式和限制高污染运输方式的决策依据。

因此, ITS是实施低污染交通管理的基本条件。基于ITS技术的交通控制与管理的第三类机动车污染控制方法至少具有以下特点:

(1) 可以充分利用ITS系统的功能与潜力;

(2) 可以将交通污染控制与旨在提高运输效率和交通安全的交通控制相结合, 实现多目标的交通管理与控制;

(3) 可使现有管理类机动车排污控制方法完全实现自动化与信息化, 如取消停车路检方式等;

(4) 不需改造道路与车辆。

2.   道路交通流与污染控制

道路沿线机动车尾气排放污染与噪声污染, 在其它相关条件(如单车辆排放因子、道路和环境因素) 相似或不变的条件下, 其水平主要取决于车流的运行模式。机动车排放污染交通管理措施(第三类控制措施) 主要调整对象是交通流的状况与特征, 由此达到控制排放污染的大小和模式的目的。ITS手段本身主要对道路交通流的相关要素的控制, 实现对机动车排放污染的控制。

2.1   机动车尾气排放污染与交通流的关系

道路机动车流尾气排放对环境的影响, 根据不同条件有多种分析预测模型或关系。在以点源扩散的高斯烟流模型为基础的各种模型中, 任意接收点的污染物浓度与污染物源强成正比^[1]。单位线源的源强与单车排放因子成正比, 与交通量成正比。而单车排放因子主要取决于某种车辆单位里程的燃料消耗量, 这一消耗量由运行方式、车速、车况和道路状况决定。中国交通部门制定的相应评价规范中所采用的理论模型也反映以上关系^[3]。

2.2   机动车噪声排放与交通流的关系

一般认为任意接收点的道路机动车行驶噪声取决于单车行驶噪声和交通流量、车速等。当传播条件一定时, 交通流量的贡献呈对数正比关系, 车速效应则呈对数反比关系。单一车辆的噪声则取决于众多的因素。混合车流时的噪声则更大程度上决定于各种车辆的单车行驶噪声和在总流量中的构成比例。

接收点的道路交通噪声总声级为

$L{}_{eq}=10\lg {\displaystyle \sum _{i=1}^{n}1}0{}^{0.1L{}_{eqi}}(1)$

第i种机动车的声级L_eqj为^[4]

$L{}_{eqi}({\rm N},V)=L{}_{0i}+10\lg \frac{{\rm N}{}_i}{{\rm T}V}+15\lg \left(\frac{r{}_0}{r}\right){}^{\alpha }+\text{Δ}L-16(2)$

式中: N、T、V分别为该种车的流量、车速和计算时间; r₀ (=7.5 m) 和r分别为参考点和计算点至车道中心的距离。通过管理可以加以控制的参数有流量N、车速V和车辆种类。由此可见, 在管理措施中, 可通过对流量、车速、单车排放、车类比例等因素的控制, 实现对环境交通噪声的控制。

2.3   交通流的控制方式

事实上通过交通流的适当分配, 能够在基本不影响满足交通要求, 基本不增大交通成本或成本增加较小的条件下, 使道路交通机动车排放污染得到改善。这种改善一般包括以下几种基本情况:

(1) 自觉或强制选择行使路径, 使城市路网上在机动车污染的平面分布变得较为均匀。这要求交通流在路网上的分配较为均匀, 市区机动车避免过分集中在主干线上, 路网各部分力求分担到交通量。但是过多使用避开交通干线的绕行可能增加路网的运行成本。

(2) 研究表明, 在大气扩散条件不佳的条件下, 高峰时段的尾气排放的有害物质积累, 成为对一定地点的污染浓度指标的主要贡献。通过出行时间和通过时间的选择, 使各路段交通流在时间上分配更加均匀。全路网如果能够无明显高峰, 则各路段的车速变化幅度也将越小, 在路网畅通条件下, 机动车排放污染峰值必然明显下降。平均车速主要决定于交通密度, 交通密度的降低一般可以有效提高车速。

(3) 将严重排放车辆或超标排放车辆的通过时间与路段规定或调整, 直至停止使用。从技术上ITS可以而且需要提供一种管理机制, 对使用不合格燃料、车辆保养不良而发生超标排放的“脏车”, 通过路边安装尾气遥感检测装置, 自动加以记录, 实施控制或处罚。通过运行线路和区域的管制, 降低超标排放机动车对主要交通干线或污染敏感地区的影响。

3.   ITS机动车排污监测与控制系统

3.1   不停车车辆排放达标自动检测系统

道路车辆排放达标的自动检测与控制, 从其控制目标和实现手段看应当属于ITS系统概念的一个组成部分。在检测到超标车辆后应当记录下车辆的相关信息, 以用于采取相应的自动处理措施, 包括通知车主、警告、罚款、拦截等。在实现足够精度的不停车单车排放检测中目前存在的困难是, 如何快速取得不受周边环境干扰尾气和噪声样本。

3.2   不停车电子收费系统(ETC)

不停车电子收费系统主要作用是减少收费排队等候时间, 提高道路交通效率。但从理论上这项措施对减少因停车收费或怠速等待时有害物质的大量排放应当具有较大的作用。出于缩短了服务时间(仅为原来的1/30), 基本可按正常车速通过, 由此降低尾气排放水平, 收费站附近的主要排放物污染水平将下降到正常路段的水平, 有利于改善城区大气环境空气质量, 保护市民身体健康。

3.3   机动车排放污染实时分析发布系统

由人工或自动监测设备在固定或流动监测点获取的机动车尾气污染物排放与扩散情况, 通过ITS的数据传输系统汇集到监测中心, 通过分析和预测后形成旨在控制机动车排放污染的交通控制决策信息, 或供道路和机动车使用者选择行驶路线或交通工具。这一系统包括各路段的实时数据采集器、数据传输系统、数据分析系统和显示系统。当出现超标路段或超标车辆时, 将在适当地点开始限制部分车辆通过, 或发布消息由用户自己选择, 由此达到控制和减少路段机动车尾气污染超标的目标。

4.   重庆市路桥实施不停车电子收费(ETC) 的环境效益

4.1   主城区三座过江大桥的不停车电子收费系统

重庆市主城区规划面积600 km², 现建成面积184 km², 人口250万。主城区被两江分割为三部分, 主要由12个相互联系的片区构成, 形成独特的多中心组团结构。主城区道路因受地理条件的影响, 路网结构不合理, 内环不全, 外环不通。道路多为东西向, 南北缺少干道联系, 主干道与过境及出入城区的干线重复、交织。过境交通车辆大量经过主城区干道, 众多的交通出行量集中在渝中区, 造成了过江桥梁的巨大交通量压力。城区车辆过分集中在渝中区和江北区相连接的牛角沱嘉陵江大桥以及渝中区和南岸区相连接的石板坡长江大桥等处, 导致这些路段机动车行驶不畅, “堵车”比较严重, 车辆时走时停, 经常处于CO、NO_x、THC排放污染严重的“怠速”状况。

为改善重庆城区道路的交通状况, 在国家建设部、信息产业部的支持下, 重庆已对城区牛角沱嘉陵江大桥、石板坡长江大桥、嘉陵江石门大桥组织实施了不停车电子收费“一卡通”智能交通工程。目前, 在主城区路桥已拥有25000辆规模的“一卡通”不停车电子收费系统。主城区车流量最大的牛角沱嘉陵江大桥建于1966年, 是渝中区连接北部新城、江北国际机场的主要通道, 每日车流量已达6万辆, 超过设计流量3万辆一倍。北桥头收费站未开通不停车电子收费前, 出于车辆过桥需停车缴费, 经常发生排队“堵车”, 减慢车辆行驶速度, 车辆运行时停时开, 每日运行高峰时, 往往缴费车辆排队长达100~200 m, 不仅延长了车辆的行车时间, 还增大了机动车排放污染, 恶化了城区大气环境质量。重庆市对该收费站实施不停车电子收费后, 车辆出于不需停车过桥, 大大改善了车辆过桥的运行状况, 正常车速通过收费车道即可完成缴费过程, 极大地提高了北桥头收费站车辆的通行能力, 减少堵车, 而降低机动车污染的排放量, 有利于改善城区大气环境质量。

4.2   重庆不停车电子收费系统机动车排放污染实际监测

2000年9月重庆市环科院为考察牛角沱嘉陵江大桥不停车电子收费设施的环境效益, 通过对北桥头收费站(江北区) 停车缴费(次票车道) 道路实际监测机动车排放污染物浓度, 并对车辆行驶到嘉陵江大桥南桥头(渝中区), 同时监测该处道路机动车排放污染浓度。通过对该二处路段机动车排放污染状况的比较分析, 可以对牛角沱嘉陵江大桥不停车电子收费系统的环境效益进行评估, 了解该系统对解决城区道路交通堵塞, 优化城区车辆行驶状况, 减少机动车排放污染, 改善重庆城区大气环境质量的效果。

4.2.1   监测地点及时间

1^#道路监测点: 牛角沱嘉陵江大桥北桥头收费站排队缴费口(次票车道)。

2^#道路监测点: 牛角沱嘉陵江大桥南桥头路段。

监测时间: 2000年9月11日~9月13日, 连续监测三天。

4.2.2   排放污染物监测项目及监测频率

污染物项目为: CO、NO_x、THC浓度(mg/m³)。

监测频率: 每日监测四次(9:30、11:30、15:00、17:00)。

4.2.3   不同路段机动车排放污染浓度监测结果

从表 1两个不同路段机动车排放污染物的实测数据可以看出: 嘉陵江大桥北桥头排队缴费的次票通道收费站机动车排放污染物CO、NO_x、THC浓度都高于大桥南桥头道路机动车正常行驶的机动车排放污染物浓度。说明牛角沱嘉陵江大桥实施不停车电子收费系统(即过桥道路车辆以正常速度行驶, 如2^#监测点), 可致道路机动车排放污染物CO、NO_x、THC浓度普遍降低。与北桥头车辆依次排放缴费过桥(次票通道, 即1^#监测点) 道路机动车排放污染物浓度相比, CO可降低1.72倍, NO_x可降低0.49倍, THC可降低0.16倍。重庆城区对过江三桥实施不停车电子收费系统, 对改善道路车辆行驶状况, 减少“堵塞”, 缩短行车时间, 提高平均行驶车速, 增加道路通行能力, 降低机动车排放污染, 改善城区大气环境质量效果明显。

表  1  牛角沱嘉陵江大桥北桥头(次票车道) 及南桥头道路污染物浓度^[5]

Table  1.  Pollution densities on the north and south monitoring spots of Jialingjing bridge in Niujiaotuo

污染物名称	CO/mg·m-3		NOx/mg·m-3		THC/mg·m-3
监测采样点	1# (次票车道)	2# (南桥头)	1# (次票车道)	2# (南桥头)	1# (次票车道)	2# (南桥头)
2000年9月11日	33.20	0.62	1.19	0.42	8.35	5.12
2000年9月12日	17.10	13.40	1.67	1.22	8.32	8.16
2000年9月13日	26.40	14.10	1.54	0.96	9.30	9.08
三日均值	25.56	9.37	1.30	0.87	8.66	7.44

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5.   结语

本文研究了实施智能交通对于减小和控制城市机动车污染方面的作用与功能, 其促进和实现机动车污染控制的基本途径是, 通过实现动态的全面的道路机动车污染监测, 利用自动传感、自动监测、信息传输、实时控制等技术相结合, 通过调整和改善交通需求、交通流及交通工具特性, 以及出行特性等, 以达到改变机动车污染的个体与分布特性, 或减少受体与污染物接触的机会、时间与强度, 从而达到控制交通污染影响的目的。本文提出了通过ITS技术实现这一目标的基本方法, 并论述了实现控制的基本原理。通过重庆市的不停车收费系统工程进一步说明了其有效性。实测数据表明: 牛角沱嘉陵江大桥北桥头原停车缴费站(次票通道) 附近污染严重, 机动车排放污染物CO浓度达25.56 mg/m³, NO_x浓度为1.30 mg/m³, THC浓度为8.66 mg/m³。实施不停车电子收费系统后, 与上述次票通道站相比, 道路机动车排放污染物浓度CO可降低1.72倍, NO_x可降低0.49倍, THC可降低0.16倍。