无信号控制路段中间抬高式人行横道上车辆-行人相互作用的环境影响：一种微观视角

《Eng》：Environmental Impact from Vehicle–Pedestrian Interactions at Unsignalized Mid-Block Raised Crosswalks: A Microscopic Perspective

　　

无信号控制的路段中间抬高式人行横道广泛用于通过促使驾驶员让行来提高行人安全性。然而，在主干道上，此类横道与车辆通行连续性存在冲突，且其环境影响仍未得到充分理解。本研究采用基于现场数据校准的微观仿真，在行人及车辆流入量的全范围内考察上述影响。抬高式人行横道使最大交通流量降低42.6%，导致系统呈现三个相态：准自由流相、拥堵相和阻塞相。准自由流相最为关键，因为在运行日内大部分时段所观测到的条件下，该相态兼具高通行能力与频繁的减速和再加速过程。在此相态下，平均瞬时CO₂排放率增加23.08%，并呈现出空间不对称性：上游排放降低35.66%，下游排放增加51.87%。NO_x与PM_x在下游表现出类似的变化模式，而CO则主要反映上游的走走停停动态。为探索这一运行不兼容性的解决方案，本研究评估了一种由行人感应信号控制的斑马线。通过协调行人与车辆的通行权，该配置使平均CO₂、CO、NO_x和PM_x排放率分别降低18.3%、40.61%、26.75%和38.96%。总体而言，上述发现凸显了排放作为关键评价标准的重要性，并为决策者评估行人基础设施提供了基于证据的见解。

**论文解读：无信号控制路段中间抬高式人行横道的交通运行与环境排放影响——基于微观仿真的系统分析**

**1. 研究背景与问题提出**

随着城市规模不断扩大，交通管理面临日益严峻的挑战，要求相关策略在环境可持续性与社会包容性之间取得平衡。道路交通的环境影响中，车辆排放尤为突出，其作为温室气体的主要来源，促使各国制定到2050年减排80%至90%的交通脱碳战略。与此同时，为营造更宜居的城市环境，道路基础设施需要兼顾行人需求并确保对所有人的可达性。在各类道路使用者中，行人最为脆弱，常常被迫在交叉口处穿越车行道。为促进包容性并改善行人机动性，相关法规推动了抬高式人行横道的应用，以便在路段中间赋予行人优先权并鼓励驾驶员让行。抬高式人行横道的一个显著特征是包含由平台和坡道构成的梯形隆声带，即使在无行人情况下也迫使车辆减速。这种永久的车速扰动在主干道上尤为突出，因为主干道的运行功能依赖于长距离的车辆通行连续性。

既有研究主要聚焦于路段中间无信号控制人行横道的交通流特性、安全性、驾驶员让行行为、行人过街表现及行人人口统计学特征，而车辆-行人相互作用的环境效应仍未得到充分探索。少量可用证据表明，抬高式路段中间人行横道会增加CO₂排放，但相对斑马线而言排放较低。然而，现有证据主要来自高度理想化的模型，这些模型对车辆动力学和车辆-行人相互作用作了简化假设，普遍缺乏基于实际过街观测的校准和验证，因而在再现真实运行条件下的速度扰动和加减速模式方面存在局限。此外，尚无对照的前后对比研究将交通观测与不同行人及车辆需求水平下的瞬时排放估计相结合。这一研究缺口在低收入和中等收入国家尤为突出，因为当地的道路结构、交通行为和车队构成在不同情境下差异显著。针对路段中间过街设施环境影响的缓解策略研究也十分匮乏，交通规划者在权衡抬高式人行横道的排放影响与其安全和可达性效益时，缺乏足够的实证依据。因此，尽管在向碳中和交通转型过程中需要识别和缓解局地排放增加，但抬高式人行横道在不同运行条件下的环境影响仍未得到量化。为填补这一空白，本研究针对高速主干道上的一处无信号控制抬高式人行横道，开展了微观仿真分析。

**2. 研究概述与主要贡献**

研究人员以墨西哥米却肯州莫雷利亚市外围环城路上一段486 m长的双向四车道（每方向两车道）高速道路为研究对象，该路段中点附近设有一处抬高式人行横道。研究基于一周的现场数据采集建立并校准了微观仿真模型，利用交通雷达传感器、路管计数器和视频记录对四个位置的车速、车流量和行人流量进行了表征。随后利用校准模型在车辆和行人注入速率的全可行范围内进行系统探索，并将其与模拟的无横道基线情景进行比较。结果发现，抬高式人行横道使最大交通流量降低42.6%，产生三个交通相态：准自由流相、拥堵相和阻塞相，每个相态具有不同的排放特征。准自由流相是日间运行的主导相态，兼具高通行能力与重复变速，并在四种污染物上均产生显著的上游-下游排放不对称性。作为替代方案，研究评估了一种由行人感应信号控制的斑马线，该配置通过协调行人与车辆通行权，相对无信号控制抬高式人行横道使平均运行日排放率显著降低。论文发表在《Eng》期刊上。

**3. 关键技术与方法**

研究采用的主要技术方法包括：基于开放街道地图和Netedit工具构建SUMO 1.27.1仿真道路模型，设置开放式边界条件；使用条纹模型模拟行人动态，行人仅在横道内单向通行；使用Wiedemann 99心理物理学跟驰模型模拟车辆动态，通过现场实测的85分位车速定义四个离散速度区段进行标定；采用基于HBEFA排放因子的微观瞬时排放模型估算CO₂、CO、NO_x和PM_x排放，排放系数适用于汽油动力EURO 4乘用车；利用GEH统计量验证模拟与实测交通量的一致性。样本队列来源于墨西哥莫雷利亚市一处真实抬高式人行横道的现场观测数据。

**4. 研究结果**

**4.1 交通相态的微观表征**

通过绘制以交通流量为序参量的相图，研究识别出三种不同相态。无横道基线系统在车辆注入率低于0.68时保持自由流状态；加入横道后，抬高式人行横道的瓶颈效应使最大交通流量较基线降低42.6%。准自由流相限定在行人注入率α_p低于临界值和车辆注入率α_v≤0.68的区域内；拥堵相占据相图大部分区域；阻塞相在行人注入率超过阈值后出现，此时交通流量几乎降为零。相边界上J的连续变化符合二级相变特征。

**4.1.1 准自由流相**

该相态以自由流为主导，车辆在大部分车道以最高允许速度行驶，仅横道附近出现减速或停车。时距图显示车辆在横道附近的轨迹斜率变陡，行人存在时出现更明显的速度骤降和频繁停驻。速度剖面显示上游保持自由流速度，接近横道时出现显著减速。整个现场观测需求范围均位于准自由流区域内，表明该相态包含研究地点的通常运行条件，且车速随行人注入率增加而降低。

**4.1.2 拥堵相**

当车辆量接近道路通行能力时出现拥堵相，横道形成的瓶颈使上游形成车辆蓄积区，产生长队列和明显减速。无行人时，横道本身作为交通稳静化设施在车道前半段产生延伸的慢车队列；行人流量增加导致上游积聚加剧，车道在横道前密集拥挤，下游则以宽间隙为主。由于瓶颈未完全阻断交通流，部分车辆得以通过，触发走走停停相互作用。上游速度降至无行人时最大速度的近三分之一，有行人干扰时降至六分之一，速度异质性显著增强。

**4.1.3 阻塞相**

当行人注入率超过临界值时出现阻塞相，此时横道使车辆流量降至几乎为零。其等效行人需求约为2664 ped/h，远超现场观测范围。主要结果是横道上游半段形成密集排列的静止车辆长队，下游则为宽阔空区。车道前半段的平均速度趋近于零，车辆长时间保持不动，仅偶尔有车通过，引发队列向后的重排，在上游段产生速度波动。

**4.2 对车辆排放的影响**

**4.2.1 对CO₂排放的影响**

在准自由流相中，有横道系统的平均瞬时CO₂排放从基线值2438.70 mg/s增至3001.58 mg/s。空间分析揭示了显著的不对称性：横道上游因交通稳静化作用，平均瞬时CO₂排放降至1569.07 mg/s，较基线降低35.66%；下游因车辆加速恢复速度，排放升至3703.54 mg/s，较基线增加51.87%。拥堵相中，上游排放仅小幅降低8.81%至2223.76 mg/s，反映怠速期与突发加速之间的补偿效应；下游在低行人流入时排放峰值达4736.51 mg/s（高于基线94.54%），随着行人干扰增强而降至603.66 mg/s。阻塞相中，上游排放因车辆持续怠速而接近车辆怠速排放率（最大2608.49 mg/s），下游则因车辆几乎无法通过而降至最低292.03 mg/s。

**4.2.2 对CO排放的影响**

在准自由流相的有限区域内，横道系统平均瞬时CO排放达55.69 mg/s，较基线值8.50 mg/s高出555.18%。但CO排放随交通条件恶化持续上升，在拥堵相和阻塞相达到最高水平。上游CO排放主要源于走走停停动态，在相变边界附近达到137.24 mg/s；下游在准自由流相保持中等水平，均值为37.27 mg/s。拥堵相中，上游CO排放随车辆注入率增加从37.41 mg/s升至129.02 mg/s（较基线增加340.12%至1417.88%），下游则从48.60 mg/s降至5.22 mg/s。阻塞相中，上游平均瞬时CO排放达161.69 mg/s，接近理论怠速排放率；下游因区域接近空旷而仅为2.70 mg/s。

**4.2.3 对NO_x排放的影响**

准自由流相中，车辆通过横道后的快速加速使平均瞬时NO_x排放达到1.14 mg/s，较基线均值高50%。上游NO_x排放较基线低26.32%（均值0.56 mg/s），下游则因剧烈再加速产生显著排放峰值（均值1.40 mg/s）。拥堵相中，上游排放随行人注入率增加从0.53 mg/s升至1.18 mg/s，下游从1.79 mg/s降至0.22 mg/s。阻塞相中，上游平均瞬时NO_x排放维持在1.18 mg/s，下游降至0.1 mg/s。

**4.2.4 对PM_x排放的影响**

在准自由流相中，上游PM_x排放均值0.021 mg/s，下游均值0.058 mg/s，表明横道效应主要由下游车辆显著再加速驱动。拥堵相中，上游PM_x排放随行人流入增加从0.021 mg/s升至0.065 mg/s，下游从0.075 mg/s降至0.009 mg/s。阻塞相中，上游达0.066 mg/s，下游降至0.003 mg/s，与横道前长时间怠速车队和下游几乎无交通流的状况一致。

**4.3 行人感应信号控制作为缓解策略**

将原有抬高式人行横道替换为由行人感应信号控制的斑马线并移除限速区后，车辆在无行人请求时可无中断通过，从而减少突然再加速事件的频率和速度异质性。信号在行人等待至少5 s后激活，先提供3 s车辆清空间隔，再激活18 s行人过街相位；若行人在相位结束前仍未完成过街，则以5 s增量延长最多20 s，另提供10 s附加延长。在该控制策略下，相对无信号控制抬高式人行横道，平均CO₂、CO、NO_x和PM_x排放率分别降低18.3%、40.61%、26.75%和38.96%。相对无横道基线，信号控制配置消除了与抬高式人行横道相关的CO₂新增排放的99.18%，以及CO、NO_x和PM_x新增排放的44.41%、81.37%和71.01%。此外，24个现场观测小时需求条件下，行人平均等待时间为6.53 s（小时均值范围5.43至7.97 s），等待时间在行人需求较低时段普遍较高。

**5. 讨论与结论**

讨论部分指出，抬高式人行横道的环境影响延伸至整个系统，且随各交通相态的微观驾驶条件而变化，产生显著的上游-下游排放不对称性。上游通过限制车速和加速降低CO₂和PM_x排放，但重复减速增加CO和NO_x排放；下游为恢复巡航速度所需的加速提高了四种污染物的排放率。准自由流相是环境分析的核心，因为它兼具高车辆通行能力与频繁速度扰动，且覆盖研究地点运行日的大部分时段。研究强调这一发现不应被解读为反对行人可达性或普遍反对抬高式人行横道，而是揭示了在依赖交通连续性的道路上引入无信号中断的环境后果，其设计挑战在于在保留行人通行的同时减少突然再加速和速度异质性。模型存在关于行人行为和车辆队列表征的简化假设，未来研究可扩展至更多元化的车队构成、双向行人流、其他道路结构，以及结合污染物扩散模型和累积暴露模型的更综合评价。研究结论为：无信号控制路段中间抬高式人行横道作为持久性瓶颈，使最大交通流量降低42.6%，产生准自由流、拥堵和阻塞三个相态，决定排放的幅度和空间分布；准自由流相因高通行能力与频繁减速再加速的结合而最具环境相关性，使平均瞬时CO₂排放率增加23.08%，上游降低35.66%，下游增加51.87%；行人感应信号控制的斑马线通过协调行人与车辆通行权，相对无信号控制抬高式人行横道使CO₂、CO、NO_x和PM_x排放率分别降低18.3%、40.61%、26.75%和38.96%，在高速主干道条件下为减少突然再加速和相关环境负担提供了替代方案。总体而言，研究建立了一个基于现场数据的微观框架，用于审视行人基础设施如何重塑交通动态和车辆排放，为将排放纳入可持续交通系统设计和评估提供了量化基础。