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Minderungspotenzial der Luftschadstoffbelastung in China durch Optimierung der Lichtsignalsteuerung

Zhou, Tianjun :
Minderungspotenzial der Luftschadstoffbelastung in China durch Optimierung der Lichtsignalsteuerung.
TU Darmstadt
[Masterarbeit], (2014)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die globale Erderwärmung sowie die Luftverschmutzung sind heute ein globales Thema. Viele Länder setzen sich zusammen, neue Regelungen für die Verbesserung der Luftqualität zu vereinbaren und geeignete Maßnahmen dafür zu finden.

Die Luftschadstoffbelastung hat eine große Wirkung zur Beeinflussung der menschlichen Gesundheit und anderen Lebewesen. In Bezug auf die Tatsache ist die Auswirkung auf den auftretenden Lebenszeitverlusten aus derzeitigen Untersuchungen noch unterschätzt, da eine genaue Quantifizierung der Abhängigkeit davon noch selten gemacht wird.

Die in den Städten auftretende Luftschadstoffbelastung ist ein großes Problem für das Leben der Anlieger. Die Situation ist noch schlemmer in den Entwicklungsländern wie z.B. China. Dort werden viele Brennstoffe wie Kohle, Diesel und Benzin verbraucht, während ein gutes Wirtschaftswachstum anzustreben ist. Bei der Urbanisierung sind viele Menschen in die Städte eingezogen. Deshalb entstehen viele Verkehrsnachfragen in dem städtischen Straßenverkehr.

Das Volumen des motorisierten Individualverkehrs hat sich rasant in den vergangenen 20 Jahren in den chinesischen Städten gesteigert. Obwohl die chinesische Regierung die strenge Abgasnormen für Kraftfahrzeuge eingeführt hat, ist deren Durchsetzung noch schwierig und scheint es unter Berücksichtigung des Entwicklungsstands von den Fahrzeugtechniken langsam zu sein.

Das große Verkehrsaufkommen führt zu vielen Staue auf den städtischen Straßen. Es ist üblich in chinesischen Städten zu sehen, insbesondere in den Spitzstunden. Die verkehrsbedingten Schadstoffkonzentrationen in der Luft sind deswegen sehr hoch und die Grenzwerte für die Luftschadstoffimmissionen werden in den Städten überschritten. Unter Berücksichtigung derzeitiger Situation des Straßenverkehrs in China ist ein geeignetes bzw. verbessertes Verkehrsmanagement dafür notwendig.

Das Verkehrsmanagement ist in Deutschland hoch entwickelt. Beispielsweise werden die Umweltzonen in vielen deutschen Städten eingeführt. Das Durchfahrtverbot für Lastkraftwagen hat eine Minderwirkung zur Luftschadstoffbelastung in den Städten. Die lichtsignaltechnische Steuerung kann das Fahrverhalten und weiter das Luftschadstoffausstoß von den Fahrzeugen beeinflussen. Das intelligente Steuerungssystem beeinflusst das ganze Straßennetz oder die Strecken. Dazu werden die Empfehlungen mit Routenwahlen, angemessenen Geschwindigkeiten und Störungsmeldungen an den Fahrzeugen gegeben. Durch die Verbesserung der Verkehrsqualität werden die Konzentrationen der Luftschadstoffe auf den Straßen bzw. in den städtischen Räumen gesenkt.

Die in dieser Arbeit untersuchten Maßnahmen sind die Koordinierung der LSA auf einer Strecke und die lichtsignaltechnische Bevorrechtigung des ÖPNV, mit dem Ziel, das Minderungspotenzial zur verkehrsbedingten Luftschadstoffbelastung unter Ausnutzung der bestehenden Infrastruktur in chinesischen Städten auszuschöpfen.

Der Fokus wird auf die Optimierung der lichtsignaltechnischen Steuerung bzw. Verbesserung der Signalsteuerung für chinesische Städte gelegt. Unter Berücksichtigung des Entwicklungs-stands der lichtsignaltechnischen Maßnahmen zur Beeinflussung der Luftschadstoffbelastung bestehen noch viele Verbesserungsmöglichkeiten der Lichtsignalsteuerung in China. Durch die Optimierung der Signalsteuerung wird ein guter Verkehrsablauf gewährleistet und ist eine Minderwirkung für Luftschadstoffbelastung in den Städten daher möglich.

Ein Fallbeispiel steht für die Koordinierung der LSA auf eine Hauptstraße mit dem hohen Sättigungsgrad (0.9) in der Mittelstadt Hangzhou Chinas zur Verfügung. Dafür werden insgesamt 4 Varianten mit den Grünen Wellen gestellt und dann mit Bezugsfall und mit der bestehenden Grünen Welle (Originale Grüne Welle) verglichen. Ein Kontenpunkt mit relativ niedrigem Sättigungsgrad (0.4) im Entwicklungsgebiet von der Mittelstadt Shenyang in China wurde als ein anderes Fallbeispiel für die Modellierung der Bevorrechtigung des ÖPNV gewählt. Dafür werden insgesamt 8 Szenarien mit den Festzeitsteuerungen, lichtsignaltechnischen Bevorrechtigungen des ÖPNV jeweils mit und ohne Busfahrstreifen gebildet. Die ursprünglichen Modelle waren schon vorhanden. In dieser Arbeit werden die beiden Modelle nur unter Bedarf ohne Schwächung der Plausibilität kalibriert bzw. geändert.

Für die mikroskopische Verkehrsflusssimulation wird das Programm VISSIM der PTV AG in Version 7.3 verwendet. Dazu werden die Module VISSIG und VisVAP auch angewendet. Die Emissionsmodellierung wird in dem von TNO entwickelten EnViVer Enterprise mit Online Version gemacht.

Aus den Simulationen werden die Ergebnisse gesammelt und durch die Vergleiche zwischen entsprechenden Szenarien werden die Ergebnisse unter gleichen Rahmenbedingungen ausgewertet. Die Falluntersuchungen mit Messfahrten werden in dieser Arbeit nicht gefordert.

Eine Minderwirkung für die Luftschadstoffbelastung kann durch die Koordinierung der LSA mit dem Festzeitprogramm auf den Straßenzügen und deren entsprechenden Optimierungen verbessert werden. Dabei gibt es keine negativen Auswirkungen für den Querverkehr sowohl bei den verkehrlichen Kenngrößen als auch bei den umweltrelevanten Kenngrößen. Durch die Koordinierung der LSA wird die mittlere Anzahl der Halte reduziert und damit die durchschnittlichen Geschwindigkeiten auf den Straßenzügen erhöht. Darauf wird die mittlere Wartezeit des Gesamtverkehrs durch die Optimierung der Umlaufzeit weiter gesenkt.

Die Bevorrechtigung des ÖPNV mit baulicher Maßnahme (Busfahrstreifen) wird durch die Festzeitprogramme in vielen chinesischen Städten gesteuert, da eine große Störung mit verkehrsabhängiger Signalsteuerung für den motorisierten Individualverkehr verursacht wird.

Allerdings ist eine genaue Abwägung zwischen der Beschleunigung des ÖV und der Verhinderung des MIV nicht durch die Untersuchungen vorgelegt. Die Forschungen dafür sind nötig. Es ist aus den Literaturrecherchen schon klar geworden, dass eine lichtsignaltechnische Bevorrechtigung des ÖPNV im Verkehr mit hohem Sättigungsgrad kein signifikantes Verbesserungspotenzial für Verkehr und Umwelt erzielen kann. Deshalb werden die Szenarien mit verschiedenen in Deutschland angewendeten Signalsteuerungen auf den Knotenpunkt mit niedrigem Sättigungsgrad dafür in dieser Arbeit gebildet.

Mit der Auswertung der Ergebnisse aus den Simulationen wird es festgestellt, dass eine Bevorrechtigung des ÖPNV mit baulicher Maßnahme (Busfahrstreifen) ohne verkehrsabhängige Signalsteuerung zu einer schlechten Verkehrsqualität für öffentliche Busse und einer hohen Konzentration der verkehrsbedingten Luftschadstoffe auf den Zufahrten am Knotenpunkt führt. Mit verkehrsabhängiger Bevorrechtigung des ÖPNV mit Busfahrstreifen kann eine große Minderwirkung zur Luftschadstoffbelastung und eine Verbesserung der Verkehrsqualität im Gesamtverkehr realisiert werden. Bei der lichtsignaltechnischen Bevorrechtigung des ÖPNV beim Mischverkehr (ÖV und MIV) ist das Verbesserungspotenzial für Verkehr und Umwelt jedoch begrenzt, wobei sich der Mischverkehr in dieser Arbeit nur um eine Mischung vom öffentlichen Verkehr und motorisierten Individualverkehr auf den Straßen handelt. Es ist jedoch noch vorteilhaft bei der Verstärkung der Attraktivität vom öffentlichen Verkehr unter Berücksichtigung des MIV.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die hier untersuchten Maßnahmen voraussichtlich auf viele Einsatzfälle in China angewendet werden sollen. Es bedarf jedoch den Zusammenarbeiten von vielen Teilnehmern, um eine wirksame Maßnahme umzusetzen. Mit der Hoffnung, eine flexible Mobilität in den chinesischen Städten und eine gute Luftqualität in den Lebensräumen zu erhalten, sollen mehr Aufmerksamkeiten auf das Verkehrsmanagement und dafür Bemühungen gegeben werden.

Typ des Eintrags: Masterarbeit
Erschienen: 2014
Autor(en): Zhou, Tianjun
Titel: Minderungspotenzial der Luftschadstoffbelastung in China durch Optimierung der Lichtsignalsteuerung
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Die globale Erderwärmung sowie die Luftverschmutzung sind heute ein globales Thema. Viele Länder setzen sich zusammen, neue Regelungen für die Verbesserung der Luftqualität zu vereinbaren und geeignete Maßnahmen dafür zu finden.

Die Luftschadstoffbelastung hat eine große Wirkung zur Beeinflussung der menschlichen Gesundheit und anderen Lebewesen. In Bezug auf die Tatsache ist die Auswirkung auf den auftretenden Lebenszeitverlusten aus derzeitigen Untersuchungen noch unterschätzt, da eine genaue Quantifizierung der Abhängigkeit davon noch selten gemacht wird.

Die in den Städten auftretende Luftschadstoffbelastung ist ein großes Problem für das Leben der Anlieger. Die Situation ist noch schlemmer in den Entwicklungsländern wie z.B. China. Dort werden viele Brennstoffe wie Kohle, Diesel und Benzin verbraucht, während ein gutes Wirtschaftswachstum anzustreben ist. Bei der Urbanisierung sind viele Menschen in die Städte eingezogen. Deshalb entstehen viele Verkehrsnachfragen in dem städtischen Straßenverkehr.

Das Volumen des motorisierten Individualverkehrs hat sich rasant in den vergangenen 20 Jahren in den chinesischen Städten gesteigert. Obwohl die chinesische Regierung die strenge Abgasnormen für Kraftfahrzeuge eingeführt hat, ist deren Durchsetzung noch schwierig und scheint es unter Berücksichtigung des Entwicklungsstands von den Fahrzeugtechniken langsam zu sein.

Das große Verkehrsaufkommen führt zu vielen Staue auf den städtischen Straßen. Es ist üblich in chinesischen Städten zu sehen, insbesondere in den Spitzstunden. Die verkehrsbedingten Schadstoffkonzentrationen in der Luft sind deswegen sehr hoch und die Grenzwerte für die Luftschadstoffimmissionen werden in den Städten überschritten. Unter Berücksichtigung derzeitiger Situation des Straßenverkehrs in China ist ein geeignetes bzw. verbessertes Verkehrsmanagement dafür notwendig.

Das Verkehrsmanagement ist in Deutschland hoch entwickelt. Beispielsweise werden die Umweltzonen in vielen deutschen Städten eingeführt. Das Durchfahrtverbot für Lastkraftwagen hat eine Minderwirkung zur Luftschadstoffbelastung in den Städten. Die lichtsignaltechnische Steuerung kann das Fahrverhalten und weiter das Luftschadstoffausstoß von den Fahrzeugen beeinflussen. Das intelligente Steuerungssystem beeinflusst das ganze Straßennetz oder die Strecken. Dazu werden die Empfehlungen mit Routenwahlen, angemessenen Geschwindigkeiten und Störungsmeldungen an den Fahrzeugen gegeben. Durch die Verbesserung der Verkehrsqualität werden die Konzentrationen der Luftschadstoffe auf den Straßen bzw. in den städtischen Räumen gesenkt.

Die in dieser Arbeit untersuchten Maßnahmen sind die Koordinierung der LSA auf einer Strecke und die lichtsignaltechnische Bevorrechtigung des ÖPNV, mit dem Ziel, das Minderungspotenzial zur verkehrsbedingten Luftschadstoffbelastung unter Ausnutzung der bestehenden Infrastruktur in chinesischen Städten auszuschöpfen.

Der Fokus wird auf die Optimierung der lichtsignaltechnischen Steuerung bzw. Verbesserung der Signalsteuerung für chinesische Städte gelegt. Unter Berücksichtigung des Entwicklungs-stands der lichtsignaltechnischen Maßnahmen zur Beeinflussung der Luftschadstoffbelastung bestehen noch viele Verbesserungsmöglichkeiten der Lichtsignalsteuerung in China. Durch die Optimierung der Signalsteuerung wird ein guter Verkehrsablauf gewährleistet und ist eine Minderwirkung für Luftschadstoffbelastung in den Städten daher möglich.

Ein Fallbeispiel steht für die Koordinierung der LSA auf eine Hauptstraße mit dem hohen Sättigungsgrad (0.9) in der Mittelstadt Hangzhou Chinas zur Verfügung. Dafür werden insgesamt 4 Varianten mit den Grünen Wellen gestellt und dann mit Bezugsfall und mit der bestehenden Grünen Welle (Originale Grüne Welle) verglichen. Ein Kontenpunkt mit relativ niedrigem Sättigungsgrad (0.4) im Entwicklungsgebiet von der Mittelstadt Shenyang in China wurde als ein anderes Fallbeispiel für die Modellierung der Bevorrechtigung des ÖPNV gewählt. Dafür werden insgesamt 8 Szenarien mit den Festzeitsteuerungen, lichtsignaltechnischen Bevorrechtigungen des ÖPNV jeweils mit und ohne Busfahrstreifen gebildet. Die ursprünglichen Modelle waren schon vorhanden. In dieser Arbeit werden die beiden Modelle nur unter Bedarf ohne Schwächung der Plausibilität kalibriert bzw. geändert.

Für die mikroskopische Verkehrsflusssimulation wird das Programm VISSIM der PTV AG in Version 7.3 verwendet. Dazu werden die Module VISSIG und VisVAP auch angewendet. Die Emissionsmodellierung wird in dem von TNO entwickelten EnViVer Enterprise mit Online Version gemacht.

Aus den Simulationen werden die Ergebnisse gesammelt und durch die Vergleiche zwischen entsprechenden Szenarien werden die Ergebnisse unter gleichen Rahmenbedingungen ausgewertet. Die Falluntersuchungen mit Messfahrten werden in dieser Arbeit nicht gefordert.

Eine Minderwirkung für die Luftschadstoffbelastung kann durch die Koordinierung der LSA mit dem Festzeitprogramm auf den Straßenzügen und deren entsprechenden Optimierungen verbessert werden. Dabei gibt es keine negativen Auswirkungen für den Querverkehr sowohl bei den verkehrlichen Kenngrößen als auch bei den umweltrelevanten Kenngrößen. Durch die Koordinierung der LSA wird die mittlere Anzahl der Halte reduziert und damit die durchschnittlichen Geschwindigkeiten auf den Straßenzügen erhöht. Darauf wird die mittlere Wartezeit des Gesamtverkehrs durch die Optimierung der Umlaufzeit weiter gesenkt.

Die Bevorrechtigung des ÖPNV mit baulicher Maßnahme (Busfahrstreifen) wird durch die Festzeitprogramme in vielen chinesischen Städten gesteuert, da eine große Störung mit verkehrsabhängiger Signalsteuerung für den motorisierten Individualverkehr verursacht wird.

Allerdings ist eine genaue Abwägung zwischen der Beschleunigung des ÖV und der Verhinderung des MIV nicht durch die Untersuchungen vorgelegt. Die Forschungen dafür sind nötig. Es ist aus den Literaturrecherchen schon klar geworden, dass eine lichtsignaltechnische Bevorrechtigung des ÖPNV im Verkehr mit hohem Sättigungsgrad kein signifikantes Verbesserungspotenzial für Verkehr und Umwelt erzielen kann. Deshalb werden die Szenarien mit verschiedenen in Deutschland angewendeten Signalsteuerungen auf den Knotenpunkt mit niedrigem Sättigungsgrad dafür in dieser Arbeit gebildet.

Mit der Auswertung der Ergebnisse aus den Simulationen wird es festgestellt, dass eine Bevorrechtigung des ÖPNV mit baulicher Maßnahme (Busfahrstreifen) ohne verkehrsabhängige Signalsteuerung zu einer schlechten Verkehrsqualität für öffentliche Busse und einer hohen Konzentration der verkehrsbedingten Luftschadstoffe auf den Zufahrten am Knotenpunkt führt. Mit verkehrsabhängiger Bevorrechtigung des ÖPNV mit Busfahrstreifen kann eine große Minderwirkung zur Luftschadstoffbelastung und eine Verbesserung der Verkehrsqualität im Gesamtverkehr realisiert werden. Bei der lichtsignaltechnischen Bevorrechtigung des ÖPNV beim Mischverkehr (ÖV und MIV) ist das Verbesserungspotenzial für Verkehr und Umwelt jedoch begrenzt, wobei sich der Mischverkehr in dieser Arbeit nur um eine Mischung vom öffentlichen Verkehr und motorisierten Individualverkehr auf den Straßen handelt. Es ist jedoch noch vorteilhaft bei der Verstärkung der Attraktivität vom öffentlichen Verkehr unter Berücksichtigung des MIV.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die hier untersuchten Maßnahmen voraussichtlich auf viele Einsatzfälle in China angewendet werden sollen. Es bedarf jedoch den Zusammenarbeiten von vielen Teilnehmern, um eine wirksame Maßnahme umzusetzen. Mit der Hoffnung, eine flexible Mobilität in den chinesischen Städten und eine gute Luftqualität in den Lebensräumen zu erhalten, sollen mehr Aufmerksamkeiten auf das Verkehrsmanagement und dafür Bemühungen gegeben werden.

Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Civil and Environmental Engineering > Institut für Verkehr > Fachgebiet Verkehrsplanung und Verkehrstechnik
Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Civil and Environmental Engineering > Institut für Verkehr
Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften, Civil and Environmental Engineering
Hinterlegungsdatum: 05 Apr 2016 09:11
Gutachter / Prüfer: Boltze, Prof. Dr. Manfred ; Keping, Prof. Dr. Li ; Balluff, M. Sc. Jessica ; Jiang, M. Sc. Wei
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
The global warming and air pollution are an important issue at the present. Many countries work together to arrange new regulations and find corresponding measures to improve air quality in different regions. The air pollution already has a great influence on human health and other living things. In regard to the fact, the effect of air pollution on the losses of lifetime was still underestimated in the current investigations, since the accurate quantification of their relationship was seldom done. Air pollution in cities is a serious environmental problem - especially in the developing countries. The air pollution path of the urban atmosphere consists of emission and transmission of air pollutants resulting in the ambient air pollution. It is influenced by different factors. Emissions from motorized traffic are a very important source group throughout the world. The volume of the motorized individual traffic has rapidly increased over the past 20 years in Chinese cities. Although the Chinese government has introduced stringent emission standards for vehicles, taking into account the level of development of the vehicle technologies, the enforcement of emission standards is still difficult und its movement is slow. The large amount of vehicles leads to much traffic congestions on the city streets. It is often seen in Chinese cities, especially in the rush hours. The concentrations of traffic-related air pollutants are very high and have exceeded the limit values of the air quality standards in urban areas. Therefore, an apposite traffic management is important and necessary. The traffic management is highly developed in Germany. For example, the environmental zones in many German cities are introduced. The transit ban for trucks can reduce the air pollution in the cities. The light-signal control can influence the driving behavior and further the emissions of air pollutants from these vehicles. The intelligent traffic system can affect the whole road network or lines. Through this the recommended route, reasonable speeds and traffic messages about congestions will be given to the vehicles on the roads. By improving the traffic quality the concentrations of air pollutants will be reduced on the roads and then in the vicinity of the roads. In this study the investigated measures are the coordination of traffic signal and public traffic priority (Bus priority), with the aim of exploiting the potential to reduce traffic-related air pollution by utilizing the existing infrastructure in Chinese cities. The focus of this study is the optimization of traffic signal control, respectively enhancing the functionality of traffic signal control in Chinese cities. Taking account of the development of traffic signal measures to influence the air pollution there are still many possibilities for the improvement of traffic signal control in China. By optimizing of the signal control a good flow of traffic is guaranteed and therefore it is possible that the air pollution will be reduced in cities. For the study of the coordinate of traffic signal a main street with a high degree of saturation (0.9) in Hangzhou China was in this thesis as case chosen. 4 variants are made and compared to the reference case and existing coordinate of traffic signal (Original Green Wave). An intersection with a relatively low degree of saturation (0.4) in the developing area of the city Shenyang China was as another case for the study of bus priority chosen. On the whole 8 scenarios are formed. There is fixed-time control, bus priority with bus lane and without bus lane in these scenarios. The models were already available. In this work, the two models are calibrated without weakening of the plausibility. For microscopic traffic flow simulation the program VISSIM of PTV with version 7.3 is used. The modules VISSIG and VisVAP are also applied. The emissions are in the program EnViVer Enterprise with online version calculated. From a series of simulations the results are collected and through the comparisons between corresponding scenarios under the same conditions the results are analyzed. The case studies of test drive are not required in this work. The positive environmental impact can be achieved by coordinating the traffic signal on streets with fixed-time control and its corresponding optimization. There are no negative effects at the intersections both on traffic as well as environment. By coordinating the traffic signal the average stops is reduced in the intersections. At the same time the average speeds are increased on the streets. The average waiting time of the total traffic can be also reduced through the optimization of the cycle time. In many Chinese cities the bus priority with bus lane is controlled by fixed-time program, since the traffic-actuated signal control has a large interference to the individual motorized traffic. However, an accurate assessment of improving the traffic quality for public bus and the influence on the traffic quality for the motorized individual traffic is not submitted. So the researches are needed. It has become clear from the literature that the bus priority in traffic with a high degree of saturation can’t obtain a significant improvement of the traffic quality and also the environment. Therefore, the scenarios with different signal controllers that are applied widely in Germany are examined in the traffic with low saturation in this work. With the analysis of the results from the simulations, it is found that the bus priority with bus lane without traffic-actuated signal control can lead to a bad traffic quality for public buses and a high concentration of traffic-related air pollutants at the intersection of the road. With the traffic- actuated signal control for the bus priority with bus lane a large effect on reducing the air pollution and improving the traffic quality can be realized in the total traffic. With the traffic-actuated signal control for bus priority in the mixed traffic (only public bus and motorized individual traffic) the improvement of the quality for the traffic and the environment is limited. The mixed traffic in this work means only a mixture of public and individual motorized traffic on the roads. However, taking account of the motorized individual traffic, it is feasible with increasing the attractiveness of public bus. In summary the concerned measures may be applied widely in China. However, it requires the cooperation of many participants in order to implement an effective measure. With the hope to gain a flexible mobility in Chinese cities and a good air quality in the living space, more attentions to the traffic management and more efforts shall be given.Englisch
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