科學(xué)研究：緩解交通擁堵是降低排放的最新方法



高速公路擁擠，來源：pixabay
美國能源部正準(zhǔn)備利用其國家實驗室的強大計算能力來消除美國人日常生活的禍害：交通擁堵。
這項工作的目的不僅是改善駕車者的心情。如果可行，它將減少美國多達(dá)20%的運輸燃料消耗并減少汽車排放。
第二個目標(biāo)是在未來10年內(nèi)，通過緩解美國城市高峰時段的交通擁堵來挽回多達(dá)1000億美元的工人生產(chǎn)力損失。
兩年前，田納西州橡樹嶺的橡樹嶺國家實驗室和科羅拉多州戈爾登的國家可再生能源實驗室（NREL）選擇了田納西州查塔努加市（人口為182,799）作為他們的第一個實驗對象。
這座城市坐落在該州東南角的丘陵和山脊之間，是美國交通最擁擠的二十個城市之一。
NREL科學(xué)家的第一步是構(gòu)建一個詳細(xì)的計算機模型，或稱“數(shù)字孿生體”，以單獨分析城市的交通模式，然后探索其交通高峰期擁堵的解決方案。
“查塔努加提供了一個理想的條件和機會，使我們能夠與杰出的市政府和州級合作伙伴一起工作。”NREL車輛技術(shù)管理計劃總管John Farrell解釋道。
“最終，我們計劃將這些解決方案應(yīng)用于全國較大的城市區(qū)域和區(qū)域性走廊?！?br> 國家目標(biāo)是每年節(jié)省33億加侖（約125億升）的燃油并減少88億小時的生產(chǎn)力損失，同時減少每年因空轉(zhuǎn)而導(dǎo)致激增的汽車排放量。
根據(jù)NREL的數(shù)據(jù)，在正常（非新冠疫情流行的）年份中，駕駛員將“被困在方向盤上”46個小時。
正如Farrell在一次采訪中解釋的那樣，完成查塔努加兩年交通研究的關(guān)鍵是NREL最新的超級計算機“鷹”（Eagle），它每秒可以進(jìn)行800億次計算。他指出，五年前不具有現(xiàn)在的計算機技術(shù)和應(yīng)用方式。


計算機建模道路情況，來源：pixabay
“鷹”能幫助NREL使用一種稱為“機器學(xué)習(xí)”的過程，該過程可以探索大量數(shù)據(jù)并快速識別出人類可能需要花費數(shù)周甚至數(shù)月才能發(fā)現(xiàn)的模式。查塔努加市提供了大量的交通數(shù)據(jù)。
國家可再生能源實驗室的科學(xué)家們與眾多合作伙伴一起工作，包括查塔努加市交通運輸部門、三所大學(xué)、田納西州和佐治亞州的交通運輸部門以及幾家卡車運輸公司，例如聯(lián)邦快遞公司。
這項研究使用了500多個數(shù)據(jù)源，其中包括：美國全球定位系統(tǒng)中的太空衛(wèi)星，自動照相機，雷達(dá)探測器，氣象站，顯示汽車位置的城市記錄儀以及人工視覺觀察。
Farrell補充道：“機器學(xué)習(xí)存在困難的一個方面是，它僅告訴你現(xiàn)象卻不能解釋它背后的原因?！背売嬎銠C第一個甄別出的對象是淺灘路（Shallowford Road）——一條由郊區(qū)進(jìn)入城市的多車道高速公路。
研究人員發(fā)現(xiàn)，淺灘路沿線的四個交通信號控制器需要處理極其繁忙的交通狀況，這意味著駕駛員在一天當(dāng)中會被一連串紅燈攔住。
他們“緩解交通擁堵”的措施之一是根據(jù)交通情況調(diào)整時機，從而增加了綠燈出現(xiàn)頻次，并使高速公路上的車輛燃料使用量減少了16％。
他們一次性就使得一個地區(qū)的節(jié)油量接近了他們?yōu)檎麄€城市設(shè)定的節(jié)油目標(biāo)。在此之前，他們的方法僅基于計算機理論。Farrell稱此結(jié)果“既讓人震驚，又讓人滿足”。
“我們說服自己，我們的確可以做到?！薄傅氖峭瓿扇蟹秶膿矶陆鉀Q方案。
未來兩年他們將致力于區(qū)域交通擁堵解決方案，其中包括通往查塔努加地區(qū)的其他高速公路。該方案將研究卡車的交通行為，以及它面對查塔努加的交通擁擠變化時的反應(yīng)。
它們將包括“動態(tài)速度限制”，通過調(diào)整以更有效地緩解交通壓力，并調(diào)整控制通往高速公路的匝道上信號燈的時間。
Farrell指出：“不僅是查塔努加市，在全國范圍內(nèi)貨運都是造成堵塞的主要因素之一?！彼忉屨f，卡車的反復(fù)停車和起步，會比轎車帶來更多的燃料損失和溫室氣體排放，尤其是在丘陵地區(qū)。


高速公路貨運，來源：pixabay
根據(jù)NREL的數(shù)據(jù)，每年在美國高速公路上運輸?shù)呢浳锍^110億噸，每天的貨物價值超過320億美元。
NREL及其合作伙伴希望到2022年10月左右，他們將擁有一個可以應(yīng)用于其他城市及其周邊地區(qū)的模型。丹佛和亞特蘭大是接下來最有可能進(jìn)行交通模擬的城市。
Farrell說，他希望基于查塔努加市的模型和經(jīng)驗?zāi)茉谝荒陜?nèi)用于解決其他城市交通擁堵的問題。
“對氣候變化的影響只是我們可以幫助解決的問題之一?！彼f，“當(dāng)你解決了擁堵問題時，道路安全性也會得到提高?！?br> 雖然新冠疫情最近已將交通擁堵造成的時間損失減少到26％左右，但Farrell表示，一旦國家復(fù)蘇，擠在交通擁堵中所造成的時間損失很可能會恢復(fù)到全國常態(tài)水平，即40到50小時。
這將導(dǎo)致88億小時的生產(chǎn)力損失。Farrell補充說：“減少交通擁堵時間的影響其實很大，因為它影響著很多人?！蓖瑫r他預(yù)測，這也可能會激發(fā)更快的模型測試與更快的超級計算機。
經(jīng)POLITICO有限責(zé)任公司許可，從E＆E新聞轉(zhuǎn)載。2021年版權(quán)。E＆E新聞為能源和環(huán)境專業(yè)人士提供重要新聞。
撰文：John Fialka
翻譯：李卓
審校：費哲妮
引進(jìn)來源：科學(xué)美國人


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