城市機(jī)動(dòng)車能耗排放核算平臺(tái)建設(shè)
——以深圳市為例

陳 蔚，段仲淵，宋家驊，丘建棟，陳 澍

(1.佛山市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，廣東佛山5280；2.深圳市城市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中心，廣東深圳5180)

0 引言

機(jī)動(dòng)車是能源消耗大戶，也是溫室氣體、污染物的主要排放源。隨著城市機(jī)動(dòng)化快速發(fā)展，加強(qiáng)移動(dòng)源排放管理、改善環(huán)境質(zhì)量，成為城市推行交通環(huán)境治理和需求管理政策的重要出發(fā)點(diǎn)。為提高決策科學(xué)性，國(guó)家和地方均提出建立溫室氣體排放的統(tǒng)計(jì)、核算和考核體系[1-2]，量化核算機(jī)動(dòng)車能耗、排放是交通領(lǐng)域的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作。

中國(guó)尚未建立成熟統(tǒng)一的機(jī)動(dòng)車排放因子庫(kù)，地方普遍缺乏本地技術(shù)能力，存在方法口徑不一致、數(shù)據(jù)條塊化分散等問(wèn)題。在此背景下，深圳市以整合利用多元數(shù)據(jù)為突破口，構(gòu)建了本地化的機(jī)動(dòng)車能耗與排放(Vehicular Fuel Consumption and Emission,VFCE)模型與核算平臺(tái)，為政府的交通和環(huán)境管理提供決策支持[3]。相比利用便攜式排放檢測(cè)系統(tǒng)(Portable Emission Measurement System,PEMS)等車載設(shè)備實(shí)測(cè)，能夠兼顧準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性，具有成本低、時(shí)間省、易推廣的優(yōu)勢(shì)[4]。

1 核算方法

20世紀(jì)80年代以來(lái)，歐美國(guó)家逐步建立起機(jī)動(dòng)車排放因子庫(kù)和多層次核算模型，如MOBILE，MOVES(Motor Vehicle Emission Simulator)，COPERT(Computer Programme to Calculate Emissions from Road Transport)，HBEFA(Handbook Emission Factors for Road Transport)等[3,5](見表1)。近年來(lái)，中國(guó)通過(guò)引入歐美模型，開始應(yīng)用基于平均速度的宏觀模型[6]，中觀和微觀模型仍處于研究階段。由于中國(guó)汽車工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、排放標(biāo)準(zhǔn)等基本采用歐洲體系，有條件采用歐洲道路交通排放因子手冊(cè)HBEFA[7]的理論方法，結(jié)合交通狀況、車隊(duì)構(gòu)成、排放因子等本地化參數(shù)，研究適用于深圳的機(jī)動(dòng)車能耗排放模型。

1.1 核算范圍

1）時(shí)空范圍。時(shí)間上分為高頻(如15min、1 h)、中頻(如每天、每月)或低頻(如每年)?？臻g上按照屬地原則，以行政區(qū)域?yàn)橄到y(tǒng)邊界，由細(xì)至粗分為節(jié)點(diǎn)或路段、交通小區(qū)、行政區(qū)、全市等(見圖1)。

2）車輛類型。包括客車(私人小汽車、公共汽車、出租汽車、長(zhǎng)途汽車等)和貨車(大、中、小型貨車等)，并根據(jù)能源類型、排量、排放標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行細(xì)分(見圖2)。

3）核算過(guò)程。按照生命周期評(píng)價(jià)理論[8]，機(jī)動(dòng)車能耗、排放的完整過(guò)程是油井—車輪(Well-to-Wheel,WTW)，包括油井—油箱(Well-to-Tank,WTT)和油箱—車輪(Tank-to-Wheel,TTW)兩個(gè)子過(guò)程。由于燃油產(chǎn)地復(fù)雜、生產(chǎn)運(yùn)輸環(huán)節(jié)難以監(jiān)測(cè)，因此以TTW作為核算過(guò)程。

4）核算物質(zhì)。核算TTW過(guò)程中機(jī)動(dòng)車的能耗與排放。其中，能耗包括汽油、柴油、天然氣等，“零排放”的電能不計(jì)入其內(nèi)。排放包括CO2，CH4，N2O，O3等影響氣候變化的溫室氣體，以及NOx，PM，HC，CO等危害健康的污染氣體。

表1 典型交通能耗排放模型Tab.1 Typical transportation energy consumption and emission models

圖1 平臺(tái)核算范圍的空間層次Fig.1 Spatial scopes of the inventory platform

圖2 機(jī)動(dòng)車類型劃分Fig.2 Types of motor vehicles

1.2 精細(xì)化模型

為實(shí)現(xiàn)街區(qū)尺度的精細(xì)核算，采用自下而上的建模方法，以路段為基本單元，利用交通活動(dòng)、排放因子等參數(shù)，計(jì)算路段上各類車型的能耗與排放，進(jìn)而推算片區(qū)、全市指標(biāo)。

特定時(shí)段和路段上機(jī)動(dòng)車排放量

式中：Eij為路段i第 j類車型的排放量/g；VKTi為路段 i的自然車公里/(輛·km)； αij為第 j類車型占路段i所有自然車的比例；EF(λj,ρi)為第 j類車在路段i當(dāng)前服務(wù)水平(LOS)下的排放因子/(g·輛-1·km-1)； λj為車輛影響因素，包括車型、燃油類型、車齡、發(fā)動(dòng)機(jī)排量、排放標(biāo)準(zhǔn)等；ρi為道路影響因素，包括交通運(yùn)行狀況、道路坡度等。

路段i上所有自然車的排放量

表2 路段服務(wù)水平劃分Tab.2 Road level of service

路網(wǎng)中所有車型的交通排放

1.3 本地化參數(shù)

1.3.1 本地化交通活動(dòng)

1）交通需求：路段周轉(zhuǎn)量。結(jié)合交通調(diào)查、流量反推，按照四階段法建立涵蓋小汽車、公共汽車、貨車等多方式的交通需求模型[9]，獲取路段上分車型的交通周轉(zhuǎn)量。通過(guò)浮動(dòng)車(手機(jī))GPS、車牌識(shí)別、固定線圈、公交IC卡等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，以及車公里調(diào)查，標(biāo)定校核流密速函數(shù)、分布與方式劃分等參數(shù)，并利用OD反推更新交通模型。

2）車隊(duì)構(gòu)成：平均車型比例。通過(guò)匹配車牌識(shí)別與機(jī)動(dòng)車年檢數(shù)據(jù)，計(jì)算平均車型比例。其中，車牌識(shí)別系統(tǒng)覆蓋全市主要干路25個(gè)點(diǎn)位，可獲取時(shí)間、監(jiān)測(cè)點(diǎn)ID、車牌號(hào)(加密)、車道號(hào)等信息。年檢數(shù)據(jù)包括車牌號(hào)(加密)、檢測(cè)日期、注冊(cè)年份、排量、車型等。通過(guò)關(guān)聯(lián)分析，獲得對(duì)應(yīng)路段上機(jī)動(dòng)車構(gòu)成，并計(jì)算各行政區(qū)平均車隊(duì)構(gòu)成。

圖3 深圳市主干路典型工況Fig.3 Typical driving conditions of major roads in Shenzhen

圖4 利用PHEM模型獲取本地化能耗/排放因子Fig.4 Determining localized fuel consumption and emission factors using PHEM

3）交通運(yùn)行：路段服務(wù)水平。依托深圳市道路交通運(yùn)行指數(shù)系統(tǒng)，基于全市1.8萬(wàn)臺(tái)出租汽車和導(dǎo)航APP的逐秒GPS數(shù)據(jù)，計(jì)算全市各路段平均行程車速。按照文獻(xiàn)[10]的方法，計(jì)算期望車速與平均行程車速比值，換算路段交通指數(shù)，確定對(duì)應(yīng)的服務(wù)水平(見表2)。

4）典型工況：時(shí)間-速度曲線。行駛工況(driving-cycle)是機(jī)動(dòng)車行駛中的時(shí)間-速度曲線。典型工況是針對(duì)不同等級(jí)、不同服務(wù)水平的道路，代表機(jī)動(dòng)車平均行駛狀態(tài)的時(shí)間-速度曲線。獲取步驟如下[3,1]：

第一步：數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理。通過(guò)車載設(shè)備采集約6 0 h逐秒GPS數(shù)據(jù)，覆蓋全市各等級(jí)道路和不同服務(wù)水平。將GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，并與基礎(chǔ)地圖和服務(wù)水平進(jìn)行匹配。

第二步：工況單元?jiǎng)澐峙c特征值計(jì)算。利用交叉分類法，根據(jù)道路等級(jí)和服務(wù)水平，將一次行駛過(guò)程的時(shí)間-速度曲線劃分為若干個(gè)不同單元。計(jì)算各工況單元的平均行程車速v、停車時(shí)間比例、相對(duì)正加速度RPA等特征值，并進(jìn)行Z標(biāo)準(zhǔn)化。

第三步：確定典型工況。利用最小二乘法篩選4種道路等級(jí)(高(快)速路、主干路、次干路、支路)、5種服務(wù)水平共20個(gè)典型工況曲線。例如，深圳市主干路典型工況見圖3。

1.3.2 本地化能耗//排放因子

客車和重型車排放模型(Passenger Car and Heavy-Duty Emission Model,PHEM)是歐洲以行駛工況、道路坡度、換擋模式等大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立發(fā)動(dòng)機(jī)排放瞬態(tài)地圖，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、功率和排放關(guān)系的微觀模型[12]。由于中、歐汽車標(biāo)準(zhǔn)基本一致，利用PHEM模型，可將深圳本地的典型工況、車輛性能數(shù)據(jù)等參數(shù)，轉(zhuǎn)換為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和功率等指標(biāo)，并通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)排放瞬態(tài)地圖獲得對(duì)應(yīng)的能耗和排放，得到以g·km-1為單位的因子(見圖4)。

圖5 典型乘用車型的CO2排放因子Fig.5 CO2emission factors of typical passenger vehicles

按照車型、核算物、道路等級(jí)、服務(wù)水平等因素交叉分類，深圳市共確定4 50項(xiàng)能耗與排放因子。以小汽車為例，包括＜1.4 L，1.4～2.0 L，＞2.0 L等3種發(fā)動(dòng)機(jī)排量，國(guó)I、國(guó)II、國(guó)III、國(guó)IV、國(guó)V等5種排放標(biāo)準(zhǔn)，高(快)速路、主干路、次干路、支路等4種道路等級(jí)，表2中的5種路段服務(wù)水平，以及燃油量，CO2，CO，HC，NOX等9種核算物，共確定2 70項(xiàng)排放因子。典型車型CO2排放因子見圖5。實(shí)驗(yàn)表明，模型核算與PEMS實(shí)測(cè)結(jié)果偏差約5%，能夠滿足城市層面的整體核算、政策評(píng)估的精度要求。

核算模型原理與數(shù)據(jù)流程見圖6。

2 平臺(tái)建設(shè)

在模型應(yīng)用上，既有工作以開發(fā)離線軟件工具為主。例如，HBEFA基于微軟Access二次開發(fā)專門軟件[12]，但數(shù)據(jù)管理分散、操作過(guò)程復(fù)雜，難以滿足動(dòng)態(tài)評(píng)估、快速響應(yīng)的要求。深圳在全市綜合交通決策評(píng)估系統(tǒng)[9]的框架下，建設(shè)動(dòng)態(tài)核算機(jī)動(dòng)車能耗與排放的專業(yè)化、自動(dòng)化平臺(tái)。

2.1 需求分析

平臺(tái)以評(píng)估交通環(huán)境影響、支持政府決策為建設(shè)目標(biāo)，由交通部門牽頭，兼顧多部門職責(zé)訴求。其中，交通部門承擔(dān)交通建設(shè)管理工作，量化評(píng)估交通設(shè)施建設(shè)和機(jī)動(dòng)車管理政策對(duì)環(huán)境的影響；發(fā)改部門統(tǒng)籌節(jié)能減排工作，建立源頭清單、預(yù)測(cè)減排潛力；環(huán)境部門負(fù)責(zé)機(jī)動(dòng)車排放污染防治工作，動(dòng)態(tài)掌握排放源時(shí)空分布及對(duì)大氣環(huán)境的影響。

2.2 工作模式

文獻(xiàn)[4]指出，缺少跨部門協(xié)作和數(shù)據(jù)共享，是同類研究的最大障礙。為保證可靠性、權(quán)威性，平臺(tái)在立項(xiàng)之初就確立了跨部門協(xié)作的工作模式，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的共享共用(見表3)。

1）平臺(tái)納入全市ITS框架，作為城市綜合交通決策評(píng)估系統(tǒng)的子模塊，與其他模塊共享數(shù)據(jù)和結(jié)果；2）確立交通部門牽頭，環(huán)境、交警、發(fā)改等部門聯(lián)合建設(shè)、共同使用的工作模式，跨部門整合技術(shù)資源、共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、會(huì)商發(fā)布結(jié)果、協(xié)同制定政策；3）采取開放式架構(gòu)，預(yù)留接入軌道交通、對(duì)外交通等其他數(shù)據(jù)的接口。

圖6 核算模型原理與數(shù)據(jù)流程Fig.6 Theory and data flow of the inventory model

2.3 平臺(tái)架構(gòu)

平臺(tái)總體功能架構(gòu)包括三層(見圖7)：

1）數(shù)據(jù)層。構(gòu)建統(tǒng)一共用或相互映射的GIS基礎(chǔ)地圖，建立標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫(kù)及接口，實(shí)現(xiàn)跨部門、多元數(shù)據(jù)的自動(dòng)接入與集中管理，以及數(shù)據(jù)清洗、融合等預(yù)處理。

2）模型層。接入數(shù)據(jù)層參數(shù)，基于核算模型開發(fā)數(shù)據(jù)處理與計(jì)算模塊。利用分區(qū)表、空間索引、并行運(yùn)算等快速計(jì)算技術(shù)，平臺(tái)依托動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可進(jìn)行最小15 min間隔的在線計(jì)算，也可實(shí)現(xiàn)每月或每年的定期離線核算。

圖7 平臺(tái)總體功能架構(gòu)Fig.7 Overall functional architecture of the platform

圖8 平臺(tái)專題網(wǎng)站部分界面Fig.8 Website interface of the platform

3）應(yīng)用層。開發(fā)規(guī)劃決策支持與公眾信息服務(wù)的應(yīng)用模塊，實(shí)現(xiàn)可視化展示，以及統(tǒng)計(jì)查詢、預(yù)警提示、關(guān)聯(lián)分析等應(yīng)用功能。建立平臺(tái)專題網(wǎng)站(見圖8)，顯示燃油量、溫室氣體、污染物等3類總體指標(biāo)，以及熱力圖、網(wǎng)格圖、片區(qū)圖、路網(wǎng)圖等4種專題圖。

在硬件上，平臺(tái)由外場(chǎng)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、通信網(wǎng)絡(luò)等組成。國(guó)家超級(jí)計(jì)算深圳中心(深圳云計(jì)算中心)統(tǒng)一提供計(jì)算資源。

3 平臺(tái)應(yīng)用

平臺(tái)自2014年試運(yùn)行，在深圳市構(gòu)建綠色交通體系、實(shí)施交通需求管理、引導(dǎo)市民綠色出行等方面起到重要的決策支持作用。①建立城市交通排放權(quán)威清單，經(jīng)計(jì)算，市域機(jī)動(dòng)車每天消耗燃油約7 0 t，排放CO2約2.3萬(wàn)t，為制定交通節(jié)能減排目標(biāo)提供量化依據(jù)。②衡量重大交通基建的環(huán)境影響，以新彩隧道建成通車前后為例，梅林關(guān)晚高峰車速環(huán)比提高7%，機(jī)動(dòng)車碳排放總量下降12%。③評(píng)估交通管理政策實(shí)施的環(huán)境效益，以全市停車收費(fèi)調(diào)整方案為例，預(yù)測(cè)收費(fèi)提高后深圳市機(jī)動(dòng)車碳排放減少近20%[13](見圖9)。④改進(jìn)規(guī)劃技術(shù)方法，增加環(huán)境承載力的約束目標(biāo)，為交通設(shè)施和土地利用規(guī)劃提供參考。

圖9 停車收費(fèi)調(diào)整前后機(jī)動(dòng)車CO2排放測(cè)試Fig.9 CO2emissions before&after parking rate adjustments

此外，面向企業(yè)，平臺(tái)能夠?yàn)榄h(huán)境敏感的商業(yè)選址以及企業(yè)參與交通排放權(quán)交易、推進(jìn)用車節(jié)能減排等提供參考。面向市民，平臺(tái)通過(guò)電視、手機(jī)APP等多種渠道發(fā)布交通能耗與排放信息(如個(gè)人碳足跡)，引導(dǎo)市民關(guān)注交通環(huán)境、使用健康綠色的出行方式。

4 結(jié)語(yǔ)

深圳市機(jī)動(dòng)車能耗排放核算平臺(tái)的建設(shè)充分體現(xiàn)了多元數(shù)據(jù)環(huán)境下資源整合與技術(shù)創(chuàng)新的重要性。其中，交通、環(huán)境跨學(xué)科的知識(shí)整合，保證了技術(shù)方法的科學(xué)性；多部門開放共享的協(xié)作模式是工作推進(jìn)的首要保障；良好的交通模型與信息化基礎(chǔ)，多元數(shù)據(jù)的融合處理，提高了信息資源的綜合利用效率；扎實(shí)推進(jìn)本地能力建設(shè)，為平臺(tái)持續(xù)運(yùn)作提供保障。

下階段的工作展望至少包括以下方面：①進(jìn)一步優(yōu)化核算模型與因子庫(kù)，如細(xì)化考慮氣候條件、道路狀況(如坡度、平整度)等復(fù)雜因素，加入軌道交通以及海陸空鐵等綜合運(yùn)輸方式，研究排放物傳播與擴(kuò)散模型等；②其他城市可根據(jù)數(shù)據(jù)和技術(shù)條件，因地制宜地建設(shè)本地化的核算模型與應(yīng)用平臺(tái)，逐步構(gòu)建起全國(guó)范圍的因子庫(kù)與排放清單；③加強(qiáng)環(huán)境評(píng)估與運(yùn)行監(jiān)測(cè)、土地開發(fā)、安全管理、經(jīng)濟(jì)分析等其他信息系統(tǒng)的深度整合，形成涵蓋更多維度的城市交通綜合評(píng)估體系。