Διαμόρφωση υποδειγμάτων συσχέτισης ταχύτητας - φόρτου σε συνθήκες διακοπτόμενης κυκλοφοριακής ροής για τη δυναμική εκτίμηση της αέριας ρύπανσης

Abstract

The subject of this dissertation is the investigation of the environmental impact in relation to the traffic characteristics and the objective the development of speed-flow correlation models within interrupted traffic flow conditions for the dynamic assessment of air pollution. Speed-flow correlation models are developed based on empirical data from interrupted traffic flow conditions, a situation that is almost the norm of urban traffic. In addition, a traffic data collection methodology is developed, that has a dynamic character and is not locally limited. The main features of atmospheric pollution and its consequences are presented, while externalities on the transport sector and the impact of road traffic on the natural environment are analyzed, with emphasis on the production of pollutant emissions. In addition, the sustainable transport systems and the European reality are presented, reviewing the established European policies on transport, climate change and vehicle technology and fuel, while the relevant targets are set for the sustainability of transport systems by 2050. At the same time, the theoretical background of the research is developed, and traffic flow theory in particular. The traffic emissions calculation procedure is introduced underlining the importance of the relevant estimation models. At the same time, there is a detailed description of the European tool for calculating greenhouse gas emissions from road transport system, namely the COPERT4 software, which is also used in this dissertation. Moreover, the concept of traffic flow models based on correlations between the various traffic characteristics is presented: flow, speed and traffic density in addition to the relevant literature review. Furthermore, a methodology for traffic emissions estimation was developed, that has the character of a dynamic tool and can be used in real time to assess the atmospheric impact of road traffic within the urban environment. The correlation of traffic characteristics with the production of gaseous emissions in interrupted traffic flow conditions, and the creation of a dynamic application for calculating greenhouse gas emissions from traffic in real time was achieved. The methodology developed was applied in the study area, which was the city of Thessaloniki. The application area was defined, the local characteristics and traffic conditions were recorded and the road network was mapped and categorized according to its functional characteristics. Road segments were selected for the study and the collection and analysis procedures of the necessary data for the survey were defined, including the use of a taxi fleet to collect dynamic traffic data. This process led to the development of mathematical relationships between speed and traffic flow and through their assessment representative road segments for the entire road network were selected. At the same time, traffic data collection procedures for the improvement of the statistical sample are presented and the final speed - flow correlation curves are developed. Thus, a dynamic traffic emission calculation application is developed using the COPERT4 software and finally the results of the application are extracted.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η διερεύνηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων σε σχέση με τα χαρακτηριστικά μεγέθη της κυκλοφορίας και στόχος της η διαμόρφωση υποδειγμάτων συσχέτισης ταχύτητας - φόρτου σε συνθήκες διακοπτόμενης κυκλοφοριακής ροής για τη δυναμική εκτίμηση της αέριας ρύπανσης. Αναπτύσσονται υποδείγματα συσχέτισης μεταξύ ταχύτητας – φόρτου κυκλοφορίας βάσει εμπειρικών δεδομένων από συνθήκες διακοπτόμενης κυκλοφοριακής ροής, μια κατάσταση που αποτελεί σχεδόν τον κανόνα της αστικής οδικής κυκλοφορίας. Επίσης, για τους σκοπούς της έρευνας αναπτύσσεται μια μεθοδολογία συλλογής κυκλοφοριακών δεδομένων με δυναμικό χαρακτήρα που δεν περιορίζεται τοπικά. Σε αυτό το πλαίσιο, αναλύονται οι εξωτερικότητες του κλάδου των μεταφορών και οι επιπτώσεις της οδικής κυκλοφορίας στο φυσικό περιβάλλον, με έμφαση στην παραγωγή αερίων εκπομπών. Παρουσιάζονται τα βιώσιμα συστήματα μεταφορών και η Ευρωπαϊκή πραγματικότητα, γίνεται ανασκόπηση των θεσπισμένων Ευρωπαϊκών πολιτικών για τις μεταφορές, την αντιμετώπιση της κλιματικής αλλαγής και την τεχνολογία οχημάτων και καυσίμων, ενώ παρουσιάζονται οι σχετικοί στόχοι για τη βιωσιμότητα των συστημάτων μεταφορών με ορίζοντα το 2050. Συγχρόνως, αναπτύσσεται το θεωρητικό υπόβαθρο της έρευνας, και ειδικότερα η θεωρία της κυκλοφοριακής ροής. Γίνεται εισαγωγή στη διαδικασία υπολογισμού αερίων εκπομπών από την κυκλοφορία στην ατμόσφαιρα και τονίζεται η σημασία των σχετικών υποδειγμάτων πρόβλεψης. Παράλληλα, γίνεται αναλυτική περιγραφή του Ευρωπαϊκού εργαλείου για τον υπολογισμό αερίων ρύπων από το σύστημα οδικών μεταφορών COPERT4, το οποίο χρησιμοποιείται και στην παρούσα διατριβή. Στη συνέχεια, αναπτύσσεται η έννοια των υποδειγμάτων κυκλοφοριακής ροής, βάσει των συσχετίσεων ανά δύο μεταξύ των χαρακτηριστικών μεγεθών της κυκλοφορίας: του κυκλοφοριακού φόρτου, της ταχύτητας και της πυκνότητας της κυκλοφορίας. Παρουσιάζονται οι σχετικές ερευνητικές προσπάθειες που πραγματοποιήθηκαν σε θεωρητικό και πειραματικό επίπεδο διαχρονικά από τις αρχές του 20ου αιώνα έως σήμερα και πραγματοποιείται ανασκόπηση της σχετικής βιβλιογραφίας διεθνώς. Για τους σκοπούς της έρευνας αναπτύσσεται η μεθοδολογία για την εκτίμηση εκπομπών αερίων ρύπων από την κυκλοφορία, που διαθέτει το χαρακτήρα ενός δυναμικού εργαλείου και είναι δυνατό να χρησιμοποιείται σε πραγματικό χρόνο για την εκτίμηση των ατμοσφαιρικών επιβαρύνσεων από την οδική κυκλοφορία εντός αστικού περιβάλλοντος. Συσχετίζονται τα χαρακτηριστικά μεγέθη της κυκλοφορίας με την παραγωγή αερίων εκπομπών σε συνθήκες διακοπτόμενης κυκλοφοριακής ροής και δημιουργείται μια δυναμική εφαρμογή για τον υπολογισμό αερίων εκπομπών από την κυκλοφορία σε πραγματικό χρόνο. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε εφαρμόζεται στην περιοχή μελέτης, που είναι το πολεοδομικό συγκρότημα της Θεσσαλονίκης. Ορίζεται επακριβώς η περιοχή εφαρμογής, καταγράφονται τα χαρακτηριστικά της και οι κυκλοφοριακές συνθήκες που επικρατούν και γίνεται λειτουργική ιεράρχηση και χαρτογραφική απεικόνιση του οδικού δικτύου. Επιλέγονται τα οδικά τμήματα μελέτης και περιγράφονται οι διαδικασίες συλλογής και ανάλυσης των απαραίτητων στοιχείων για την έρευνα, η οποία περιλαμβάνει μεταξύ άλλων τη χρήση ενός στόλου ταξί για τη συλλογή δυναμικών κυκλοφοριακών δεδομένων πραγματικού χρόνου. Η παραπάνω διαδικασία οδηγεί στην ανάπτυξη μαθηματικών σχέσεων μεταξύ της ταχύτητας και του φόρτου κυκλοφορίας και μέσω της αξιολόγησής τους επιλέγονται αντιπροσωπευτικά οδικά τμήματα από το σύνολο του οδικού δικτύου. Ταυτόχρονα, παρουσιάζονται οι διαδικασίες λήψης πρωτογενών δεδομένων για τη βελτίωση του στατιστικού δείγματος, εξάγονται οι οριστικές καμπύλες συσχέτισης ταχύτητας-φόρτου κυκλοφορίας, αναπτύσσεται μια δυναμική εφαρμογή υπολογισμού αερίων εκπομπών από την κυκλοφορία μέσω του λογισμικού COPERT4 και τελικά γίνεται εξαγωγή των αποτελεσμάτων της εφαρμογής.