Development of a microscale traffic emission simulation system : application to Madrid for the definition of air quality improvement measures = Desarrollo de un sistema de simulación de emisiones del tráfico rodado a microescala : aplicación a Madrid para la definición de medidas de mejora de la calidad del aire

Quaassdorff, Christina Violetta (2018). Development of a microscale traffic emission simulation system : application to Madrid for the definition of air quality improvement measures = Desarrollo de un sistema de simulación de emisiones del tráfico rodado a microescala : aplicación a Madrid para la definición de medidas de mejora de la calidad del aire. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.51714.

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Title: Development of a microscale traffic emission simulation system : application to Madrid for the definition of air quality improvement measures = Desarrollo de un sistema de simulación de emisiones del tráfico rodado a microescala : aplicación a Madrid para la definición de medidas de mejora de la calidad del aire
Author/s:
  • Quaassdorff, Christina Violetta
Contributor/s:
  • Borge García, Rafael
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2018
Subjects:
Freetext Keywords: Road traffic; microsimulation; emission modelling = Tráfico por carretera; microsimulación; modelado de emisiones = Straßenverkehr; Mikrosimulation; Emissionsmodellierung
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Ingeniería Química Industrial y del Medio Ambiente
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Road transport is often the main source of air pollution in urban areas, significantly affecting air quality in cities such as Madrid (Spain). Due to the adverse effects of atmospheric pollution, the European Union has established legislation to improve air quality and reduce air pollution. Although Madrid is expected to satisfy air quality limit values at a mesoscale level, pollutant concentrations are influenced by very local phenomena, and exceedances or noncompliance situations at some specific points are assumed for much larger areas. In this sense, macroscale models have been successfully applied to Madrid. Nevertheless, they do not adequately reflect the driving effects, simplifying acceleration‐deceleration processes that significantly influence emissions at a finer scale and do not allow their calculation in short periods of time. It is essential to develop emission reduction measures that focus on hot‐spots and highly polluted micro‐environments. On these specific points, finer‐scale tools are needed due to the complexity of the processes that determine emissions from mobile sources and also to estimate the contribution of traffic to atmospheric emissions at local level. For those cases, a microscale emission estimation methodology has been developed and the performance of a suitable combination of traffic and emissions micro‐simulation models that accurately define the emissions in a specific area has been tested. These models do not only describe the behaviour of the single entities which define the traffic such as individual vehicles and their interactions, but they also take into account traffic signs and lane changes for each vehicle. This results in stop & go cycles that produce braking‐acceleration patterns with a huge influence on emissions. So that, in order to obtain detailed traffic emission results a modelling system based on a microscale traffic flow simulation model (VISSIM) fed with real‐measured data collected by measurement campaigns that serves inputs for a microscale emission model (VERSIT+micro through the ENVIVER interface) was implemented. Several microscale traffic simulations representative for different types of urban hotspots (roundabout, signalized intersections, combination of urban roads) and for different daily and weekly traffic conditions were carried out. Speed management influences in a complex way vehicle emissions so that differentiating between congested and non‐congested scenarios is useful to suggest control strategies. Traffic results were used as input for the microscale emission simulation model to obtain detailed estimations of NOX and PM10 emissions related to different vehicle types with five meters resolution. This modelling system provides detailed traffic emissions for complex urban hot‐spots locations. Nevertheless, as an evaluation test, NOX results for passenger cars were compared with those obtained from the well‐known mesoscale emission model COPERT 4. Also, modal emission models PΔP and PHEM‐light have been successfully applied, analysed and compared to VERSIT+micro for two case studies. Results points out the relevance of congestion and a detailed vehicle composition definition for accurate emission estimations. In the case of very detailed modal models implementation also engine power is a very important parameter. In turn, these parameters relay on an accurate estimation of the speed‐acceleration pattern, road gradient and vehicle loading. So that, larger number of vehicle classes included in a particular model implies a better chance to provide representative emissions estimates. These detailed emission results from VERSIT+micro has been successfully coupled to stationary simulations from highly detailed air quality models based on CFD‐RANS. Nevertheless, non‐stationary simulations with CFD in urban areas needs second‐by‐second resolved emissions that can be provided by modal emission models. However, real‐world emission measurements are essential towards the validation of emission factors and total emissions computed by these modelling techniques. In this sense, a first approach to the validation of the high resolution emission estimation modelling system VISSIM‐VERSIT+micro/ENVIVER on a real hot‐spot using mobile laboratory data has been performed. ----------RESUMEN---------- El transporte por carretera suele ser la principal fuente de contaminación del aire en zonas urbanas, lo que afecta significativamente la calidad del aire en ciudades como Madrid (España). Debido a los efectos adversos de la contaminación atmosférica, la Unión Europea ha establecido legislación para mejorar la calidad del aire y reducir la contaminación del aire. Aunque en líneas generales Madrid se espera que satisfaga los valores límite de calidad del aire a un nivel de mesoescala, las concentraciones de contaminantes están influenciadas por fenómenos muy locales y excedencias o situaciones de incumplimiento en algunos puntos específicos se asumen para áreas mucho más grandes. En este sentido, los modelos de macroescala se han aplicado con éxito en Madrid. Sin embargo, no reflejan adecuadamente los efectos de conducción, simplificando los procesos de aceleración‐desaceleración que influyen significativamente en las emisiones a una escala más fina y no permiten su cálculo en cortos períodos de tiempo. Por ello, es esencial desarrollar medidas de reducción de emisiones que se centren en microambientes urbanos altamente contaminados. En estos puntos específicos, se necesitan herramientas de escala más fina debido a la complejidad de los procesos que determinan las emisiones de fuentes móviles y también para estimar la contribución del tráfico a las emisiones atmosféricas a nivel local. Para esos casos, se ha desarrollado una metodología de estimación de emisiones a microescala y se ha comprobado su funcionamiento mediante una combinación adecuada de modelos de microsimulación de tráfico y emisiones que definen con precisión las emisiones en un área específica. Estos modelos no solo describen el comportamiento de las entidades individuales que definen el tráfico, como los vehículos individuales y sus interacciones, sino que también tienen en cuenta las señales de tráfico y los cambios de carril para cada vehículo. Esto da como resultado ciclos de detención y arranque que producen patrones de frenadoaceleración que tienen una gran influencia en las emisiones. De modo que para obtener resultados detallados de emisiones del tráfico se ha implementado un sistema de simulación basado en un modelo de simulación de flujo de tráfico a microescala (VISSIM) alimentado con datos reales recopilados en campañas de medición cuyos resultados se utilizan como entrada para un modelo de emisión a microescala (VERSIT+micro a través de la interfaz ENVIVER). Se llevaron a cabo varias simulaciones de tráfico a microescala representativas de diferentes tipos de microambientes urbanos (rotonda, intersecciones señalizadas, combinación de vías urbanas) y para diferentes condiciones de tráfico diario y semanal. No obstante, la velocidad influye de manera compleja en las emisiones de los vehículos, por lo que diferenciar entre escenarios congestionados y no congestionados es útil para sugerir estrategias de control. Los resultados de tráfico se utilizaron como entrada para el modelo de simulación de emisiones a microescala para obtener estimaciones detalladas de las emisiones de NOX y PM10 relativas a diferentes tipos de vehículos con una resolución espacial de cinco metros. Este sistema de simulación proporciona emisiones de tráfico detalladas para ubicaciones urbanas complejas. Sin embargo, para evaluar el sistema se compararon los resultados de NOX obtenidos para automóviles con los obtenidos con un modelo de emisiones a mesoescala (COPERT 4) de referencia a nivel europeo. Además, los modelos de emisión modal PΔP y PHEM‐light se han aplicado, analizado y comparado exitosamente con VERSIT+micro para dos caso de estudio. Los resultados señalan la importancia de la congestión y de la definición detallada de la composición de la flota de vehículos para conseguir estimaciones de emisiones precisas. En el caso de la implementación de modelos modales muy detallados, otro parámetro importante es la potencia del motor. A su vez, estos parámetros se basan en una estimación precisa del patrón de velocidad‐aceleración, la pendiente de la carretera y el peso del vehículo. De modo que, un mayor número de clases de vehículos incluidas en un modelo implica una mejor oportunidad de proporcionar estimaciones de emisiones representativas. Estos resultados de emisiones con alto grado de detalle obtenidas con VERSIT+micro se han acoplado con éxito a simulaciones estacionarias de modelos de calidad del aire altamente detallados basados en CFD‐RANS. Sin embargo, para las simulaciones no estacionarias con CFD en áreas urbanas se necesitan emisiones resueltas en base a segundos, las cuales pueden ser obtenidas de modelos modales. Sin embargo, es esencial la validación de los factores de emisión y las emisiones totales calculadas mediante estas técnicas de modelado con mediciones de emisiones en el mundo real. En este sentido, se ha realizado una primera aproximación a la validación del sistema VISSIMVERSIT+ micro/ENVIVER en un entorno urbano real utilizando datos de un laboratorio móvil. ----------ZUSAMMENFASSUNG---------- Der Straßenverkehr ist meist die Hauptquelle der Luftverschmutzung in städtischen Gebieten, was die Luftqualität in Städten wie Madrid (Spanien) erheblich beeinträchtigt. Aufgrund der negativen Auswirkungen der Luftverschmutzung hat die Europäische Union Rechtsvorschriften erlassen, um die Luftqualität zu verbessern und die Luftverschmutzung zu verringern. Obwohl erwartet wird, dass Madrid die Grenzwerte für die Luftqualität auf mesoskaliger Ebene erfüllt, werden die Schadstoffkonzentrationen durch sehr lokale Phänomene beeinflusst. Diese Überschreitungen oder Nichteinhaltungssituationenwerden für sehr viel größere Gebiete übernommen. In diesem Sinne wurden Makro‐Modelle erfolgreich in Madrid angewendet. Sie spiegeln jedoch nicht adäquat die Auswirkungen des Fahrverhaltens wider und simplifizieren Brems‐Beschleunigungs‐Prozesse. Beide beeinflussen signifikant die ie Emissionen in einem feineren Maßstab und ihre Berechnung nicht für kurze Zeiträume erlauben. Es ist wichtig, emissionsmindernde Maßnahmen zu entwickeln, die sich auf Hot‐spots und stark verschmutzte Mikroumgebungen konzentrieren. In Bezug auf diese spezifischen Punkte werden aufgrund der Komplexität der Prozesse, die die Emissionen aus mobilen Quellen bestimmen, feiner messende Werkzeuge benötigt. Ebenso, um den Beitrag des Verkehrs auf die athmosphärischen Emissionen auf lokaler Ebene abschätzen zu können. Für diese Fälle wurde eine mikroskalige Emissionsschätzungsmethodik entwickelt und die Leistungsfähigkeit einer geeigneten Kombination von Verkehrs‐ und Emissions‐ Mikrosimulationsmodellen getestet, die die Emissionen in einem bestimmten Gebiet genau definieren. Diese Modelle beschreiben nicht nur das Verhalten der einzelnen Einheiten, die den Verkehr definieren, z. B. einzelne Fahrzeuge und ihre Interaktionen, sondern sie berücksichtigen auch Verkehrszeichen und Spurwechsel für jedes Fahrzeug. Dies führt zu Stop & Go‐Zyklen, die Brems‐Beschleunigungs‐Muster mit einem großen Einfluss auf die Emissionen erzeugen. Um detaillierte Verkehrs‐Emissions‐Ergebnisse zu erhalten, wurde ein Simulationssystem eingesetzt, basierend auf einem mikroskaligen Verkehrsströmungs‐Simulationsmodell (VISSIM), das mit gemessenen Daten aus Messkampagnen gespeist wurde und dessen Resultate wiederum als Eingangsdaten, für den Mikro‐Skala Emissionsmodell (VERSIT+micro über die ENVIVER‐ Benutzeroberfläche) gebraucht werden. Es wurden mehrere Verkehrssimulationen im Mikromaßstab durchgeführt, die repräsentativ für verschiedene Arten von städtischen Hot‐spots (Kreisverkehr, signalisierte Kreuzungen, Kombination von städtischen Straßen) und für verschiedene tägliche und wöchentliche Verkehrsbedingungen waren. Geschwindigkeitsmanagement beeinflusst jedoch auf komplexe Weise die Fahrzeugemissionen, so dass die Unterscheidung zwischen überlasteten und nicht überlasteten Szenarien nützlich ist, um Steuerungsstrategien vorzuschlagen. Die Verkehrsergebnisse wurden als Eingabe für ein Emissions‐ Simulationsmodell auf Mikroskala verwendet, um detaillierte Schätzungen der NOX‐ und PM10‐Emissionen verschiedener Fahrzeugtypen mit einer Auflösung von fünf Metern zu erhalten. Dieses Modellierungssystem liefert detaillierte Verkehrsemissionen für komplexe urbane Hotspot‐Standorte. Als Bewertungstest wurden NOX‐Ergebnisse für Personenkraftwagen mit denen des bekannten Emissionsmodells COPERT 4 verglichen. Auch die modalen Emissionsmodelle PΔP und PHEM‐light wurden erfolgreich in zwei Fallstudien angewendet, analysiert und mit VERSIT+micro verglichen. Die Ergebnisse zeigen die Relevanz von Staus, einer detaillierten Definition der Fahrzeugzusammensetzung und die Motorleistung der Fahrzeuge für genaue Emissionseinschätzungen bei sehr detaillierten Modalmodellen. Diese Parameter beziehen sich wiederum auf eine genaue Schätzung des Geschwindigkeits‐Beschleunigungs‐ Musters, des Straßengefälles und der Fahrzeugbelastung. Daher bedeutet eine größere Anzahl von Fahrzeugklassen, die in einem bestimmten Modell enthalten sind, eine bessere Chance, repräsentative Emissionsschätzungen bereitzustellen. Diese detaillierten Emissionsergebnisse von VERSIT+micro wurden erfolgreich mit stationären Simulationen aus hoch detaillierten Luftqualitätsmodellen auf CFD‐RANS‐Basis gekoppelt. Für nichtstationäre Simulationen mit CFD in urbanen Gebieten sind jedoch sekundenweise aufgelöste Emissionen erforderlich, die durch modale Emissionsmodelle bereitgestellt werden können. Für die Validierung von Emissionsfaktoren und Gesamtemissionen, die mit diesen Modellierungstechniken berechnet werden, sind jedoch reale Emissionsmessungen unerlässlich. In diesem Sinne wurde ein erster Ansatz zur Validierung des hochauflösenden Emissionsschätzmodellsystems VISSIM‐VERSIT+micro/ENVIVER an einem realen Hot‐Spot unter Verwendung mobiler Labordaten durchgeführt.

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Item ID: 51714
DC Identifier: http://oa.upm.es/51714/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:51714
DOI: 10.20868/UPM.thesis.51714
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 24 Sep 2018 06:50
Last Modified: 24 Mar 2019 23:30
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