基于運行工況的旅游城鎮(zhèn)小客車排放測算

李 嘉，賀寒輝，彭 勃

(1.湖南大學土木工程學院，長沙410082；2.湖南文理學院土木建筑工程學院，湖南常德415000)

0 引言

進行微觀層面機動車污染物排放分析時，最能反映當?shù)剀囕v實際運行狀況的數(shù)據(jù)是車輛運行工況分布(Operating Mode Distribution)，同時這也是最難獲取的輸入?yún)?shù).對于我國道路上的車輛運行工況分布，北京交通大學進行了較為持續(xù)的研究.宋國華等[1]在比較高峰時段和非高峰時段快速路和非快速路的比功率(Vehicle Specific Power，VSP)分布后，展示了不同類型道路VSP分布截然不同的特征.姚恩建等[2]分析了北京不同類型道路在不同平均速度下的VSP分布，據(jù)其計算和比較了電動汽車的能耗系數(shù).由于VSP分布的調(diào)查和分析需要較大工作量，一個研究方向是揭示VSP分布與平均速度等交通參數(shù)的定量關系，宋國華等[3-5]對北京等特大城市的快速路進行了研究，在平均速度高于20 km/h和低于20 km/h的情況下分別建立了數(shù)學模型.由于在美國環(huán)境保護局開發(fā)的MOVES(Motor Vehicle Emission Simulator)軟件中，運行工況分布是VSP和瞬時速度的組合分布，前述模型還不能直接應用于交通網(wǎng)絡排放測算，因此胥耀方等[6-7]分別針對路段和交叉口，研究了VSP和瞬時速度組合分布的規(guī)律，建立了相應的運行工況分布模型并應用模型進行了排放測算.

目前針對車輛運行工況與排放測算而進行的研究主要集中在北京市等特大城市.為探究旅游型中小城鎮(zhèn)的車輛運行工況特征與污染物排放規(guī)律，本文以韶山為案例進行研究，研究成果對完善我國機動車運行工況與污染物排放研究具有積極意義，同時也可以為制定旅游城鎮(zhèn)減排措施提供技術支持.

1 路網(wǎng)污染物排放測算方法

機動車行駛過程中的污染物排放總體上按照先“按類分解”，再“聚類合計”的方法進行測算.

1.1 按類分解

(1)路網(wǎng)按類分解.

在確定了污染物排放測算的地域范圍后，將范圍內(nèi)的路網(wǎng)按照道路等級、功能、車道數(shù)、車流量、車型構成、運行速度、行人干擾與交叉口情況等指標劃分為路段.設第i個路段長度為Li(km)，路段平均車速為Vi(km/h)，通過該路段的車輛總數(shù)為Qi(輛)，則該路段上車輛的總運行時間Ti(輛·h)為

(2)運行時間按類分解.

將路段總運行時間分解為各穩(wěn)排工況(具有穩(wěn)定污染物排放速率的運行工況)對應的運行時間，穩(wěn)排工況是車輛特征、車齡與運行狀態(tài)的組合.車輛特征主要包括對污染物排放產(chǎn)生較大影響的燃料種類(汽油、柴油、CNG、LPG、乙醇、電動等)、車輛類型(摩托車、輕型客車、大巴、輕型貨車、貨車整車、拖掛車)、發(fā)動機研發(fā)時間等.車齡是指機動車實際使用的年限.車輛運行狀態(tài)在MOVES中用瞬時速度(km/h)和比功率(VSP)的組合來表達，稱為“運行工況”，其中VSP為[8]

式中：A、B、C為道路荷載系數(shù)(kW-s/m、kW-s2/m2、kW-s3/m3)；M為車輛質(zhì)量(t)；g為重力加速度，取值9.8 m/s2；v為車輛瞬時速度(m/s)；a為車輛瞬時加速度(m/s2)；sinθ為道路坡度.

為便于測算，將車輛特征、車齡、運行工況按一定區(qū)間進行分類，并確定相應類別的分布比例.設車輛特征為第j類的比例為Sj，第j類車輛特征下車齡為第k類的比例為Aj,k，第j類車輛特征、第k類車齡下運行工況為第n類的比例為Oj,k,n，那么對于路段i，穩(wěn)排工況jkn(對應車輛特征第j類、車齡第k類、運行工況第n類)對應的運行時間Ti,j,k,n(輛·h)為

且有：

式中：fj,k,n為穩(wěn)排工況jkn的運行時間占路段i總運行時間的比例，fj,k,n=SjAj,kOj,k,n.

對于微觀層面的排放測算，車輛特征分布和車齡分布偏靜態(tài)，其參數(shù)Sj和Aj,k可結合交通調(diào)查予以確定.運行工況分布與路段技術等級、車道寬度、車道數(shù)、路段車流量、車型構成、擁擠程度、交叉口控制方式等諸多因素直接相關，其參數(shù)Oj,k,n偏動態(tài)，較難確定，但它又是項目層面排放測算中最能反映車輛實際運行狀況的數(shù)據(jù)，是本文的研究重點.

1.2 聚類合計

得出各穩(wěn)排工況的運行時間后，根據(jù)穩(wěn)排工況的排放率，就可以累積計算得出路段排放，實現(xiàn)聚類合計.由于溫度、濕度、空調(diào)使用、燃料特征、車檢與保養(yǎng)等情況也會對污染物排放產(chǎn)生一定影響，故在聚類合計時應對污染物排放量進行相應修正，即路段i的污染物排放Ei(g)為

式中：Pj,k,n為穩(wěn)排工況jkn的排放率(g/h)，計算不同污染物時采用相應的排放率；KA、KH、KC、KF、KS依次為溫度修正系數(shù)、濕度修正系數(shù)、空調(diào)使用修正系數(shù)、燃料特征修正系數(shù)、車輛檢修保養(yǎng)修正系數(shù).

最后按式(6)計算路網(wǎng)污染物總排放E(g).

實際應用中也可在得出典型路段的排放因子后，將其推廣到類似路段，再匯總計算路網(wǎng)污染物總排放.先在式(5)的基礎上，按式(7)計算得出典型路段按車公里計算的排放因子Ri(g/(輛·km)).

然后統(tǒng)計與典型路段具有相似特征的路段長度L0i(km)和通過該路段的車輛總數(shù)Q0i(輛)，按式(8)計算路網(wǎng)污染物總排放E(g).

路網(wǎng)污染物排放測算技術路徑如圖1所示.

圖1 路網(wǎng)污染物排放測算流程圖Fig.1 Emission estimate roadmap

2 運行工況調(diào)查分析

2.1 運行工況調(diào)查與數(shù)據(jù)處理

如前所述，運行工況分布是本文研究的重點，選擇湖南韶山作為案例，于2016年11月18～21日在典型道路上進行了運行工況調(diào)查.

基于排放測算，將韶山市的主要道路按功能、車道數(shù)、速度限制、行人干擾、車型構成、交叉口信號控制情況等特征分為城鎮(zhèn)中心干道、城鎮(zhèn)外圍干道、景區(qū)主線、景區(qū)支線等4種類型.調(diào)查測試路線根據(jù)道路類型設計，覆蓋的城鎮(zhèn)中心干道主要有英雄路、韶山路、車站路、新顏路、迎賓路等，城鎮(zhèn)外圍干道主要有韶山大道、外環(huán)路、韶峰大道等，景區(qū)主線主要有韶峰路、X037線等，景區(qū)支線主要有X039、X040、滴水洞路等.

運行工況調(diào)查針對小客車展開，測試車型為雪鐵龍C4L，2014自動款，排量1.8 L，選擇韶山本地駕駛員與外地駕駛員各10名，各駕駛員對每條線路往返測試2次.車輛行駛過程中的逐秒位置、瞬時速度、移動方向等GPS信息采用手機百度地圖采集.

車輛逐秒VSP值采用式(2)計算，本文不考慮道路坡度影響，取sinθ=0，系數(shù)A、B、C采用平均值，依次為0.156 5、0.002 0、0.000 5，M采用調(diào)查車輛實際值1.58 t.

為批量進行數(shù)據(jù)處理和相關計算，編制了excel VBA宏程序，最終得到有效數(shù)據(jù)122 083條，每條記錄對應1 s的瞬時工況.

2.2 速度分布特征

按駕駛員類型與道路類型統(tǒng)計瞬時速度的算術平均值，結果如圖2所示.可以看出，在各種類型道路上，本地駕駛員的平均車速全部高于外地駕駛員，在景區(qū)道路上這種差別更明顯，這一點也可從瞬時速度分布圖(圖3)中看出.城鎮(zhèn)中心干道上，本地駕駛員與外地駕駛員兩條曲線的差異并不大；城鎮(zhèn)外圍干道上，兩者的差別也主要只是本地駕駛員的瞬時速度分布更為集中；而在景區(qū)道路上，兩者則出現(xiàn)了明顯的偏移.

圖2 平均速度Fig.2 Average speeds

圖3 瞬時速度分布圖Fig.3 Distributions of instantaneous speed

2.3 VSP分布特征

機動車污染物排放率與瞬時速度和VSP值的組合直接有關，因此分析VSP分布時，需要先將其按對應的瞬時速度劃分開來.MOVES中將車輛瞬時速度分為4個區(qū)間：〈1.6，[1.6，40)，[40，80)，≥80 km/h.瞬時速度〈1.6 km/h時，不管VSP為何值，均對應唯一的運行工況“怠速”和較為一致的排放率，故不需分析VSP分布；由于本文所研究的道路實測速度均小于80 km/h，故分析VSP分布時，僅涉及[1.6，40)，[40，80)兩個速度區(qū)間，以下依次簡稱“低速區(qū)間”“高速區(qū)間”.

統(tǒng)計各VSP分布的變異系數(shù)，如表1所示，不同駕駛員類型、不同道路類型對應的VSP分布如圖4所示.

表1 VSP分布的變異系數(shù)Table 1 Coefficient of variation of VSP distributions

從表1可以看出，對于道路類型和瞬時速度區(qū)間的任意組合，本地駕駛員對應的變異系數(shù)均大于外地駕駛員，表明本地駕駛員的VSP分布比外地駕駛員普遍更為離散，景區(qū)道路上這種趨勢更為明顯，例如，低速區(qū)間下景區(qū)主線和景區(qū)支線的VSP分布，本地駕駛員對應的變異系數(shù)分別為7.874和6.135，明顯高于外地駕駛員相應的4.500和2.962.這種趨勢也直觀地體現(xiàn)在VSP分布圖中，如圖4(c)和圖4(d)中，本地駕駛員對應的分布曲線比外地駕駛員，峰值更小，形狀更扁平，大VSP值區(qū)間(VSP值大于10)具有更高的頻率.決定VSP值大小的主要因素為車輛的速度和加速度，從式(2)可以看出，速度、加速度越大，VSP值越大.本地駕駛員更加熟悉路況，車速更高，而在追求更高速度的情況下需要頻繁的加減速，大VSP值相對較多；外地駕駛員則由于不熟悉路況，平均車速較低，行車不如本地駕駛員激進，大VSP值相對較少.在景區(qū)，由于路況的復雜性、出行目的的差異性，這種差別更為突出.

綜上，不同駕駛員類型、不同道路類型的速度和VSP分布均存在一定的差異，這種差異勢必帶來污染物排放因子的差別.

圖4 VSP分布圖Fig.4 VSP distributions

3 污染物排放因子

為便于比較，除運行工況以外，其他參數(shù)如車輛特征、車齡分布、溫度、濕度均采用統(tǒng)一輸入值，燃料數(shù)據(jù)、空調(diào)使用、車輛檢修保養(yǎng)等參數(shù)，以及各穩(wěn)排工況對應的排放率均采用默認值.

將韶山市典型道路上本地駕駛員、外地駕駛員運行工況分布導入MOVES模型，運行后即可得到相應的排放因子(依次簡稱“修正本地”“修正外地”).本文選擇CO、NOx、HC和PM2.5這4種主要污染物進行分析，結果如圖5所示.圖中還列出了采用MOVES默認運行工況得出的排放因子(依次簡稱“默認本地”“默認外地”).

圖5 污染物排放因子Fig.5 Emission factors

從圖5可以看出：

(1)采用實際運行工況分布和MOVES默認運行工況分布得出的排放因子存在較大差異.采用實際運行工況得出的污染物排放因子中，除本地駕駛員在景區(qū)道路上的排放因子與默認工況得出的排放因子相近外，其余均明顯低于默認工況得出的排放因子.因此，在應用MOVES時，直接采用默認的運行工況分布，得出的排放結果將產(chǎn)生較大誤差，據(jù)統(tǒng)計，CO和PM2.5的排放可能會比實際排放值平均高出30%左右，HC可能高出50%左右，而NOx誤差最大，可能高出80%左右.

(2)采用實際運行工況得出的本地駕駛員污染物排放因子全部高于外地駕駛員，在景區(qū)道路上尤其明顯.例如，景區(qū)主線上，本地駕駛員的CO、NOx、HC和PM2.5排放因子比外地駕駛員分別高出46.9%、71.7%、73.6%和46.2%.從前面運行工況的分析可知，相對于外地駕駛員，本地駕駛員平均車速更高，VSP分布更離散，正是這種駕駛行為和運行工況的差異帶來了污染物排放因子的差別.這對于環(huán)保駕駛的啟示是，駕駛員在熟悉的道路上更容易偏激進地駕駛，從而造成更高的污染物排放量.

4 污染物排放計算實例

為了減少韶山市核心景區(qū)道路的交通擁堵與機動車尾氣排放污染環(huán)境問題，韶山景區(qū)于2016年3月25日啟動游客換乘方案(以下簡稱“換乘方案”)，具體為外地游客自駕車輛駛入換乘中心停車場，換乘景區(qū)環(huán)保車進入景區(qū).

經(jīng)調(diào)查，換乘中心啟用前，景區(qū)內(nèi)小客車在景區(qū)主線上的平均行駛距離為9.7 km，支線平均行駛距離為5.8 km.在景區(qū)主線、景區(qū)支線本地駕駛員及外地駕駛員對應的污染物排放因子基礎上，依據(jù)2016年8月1～30日換乘中心停車場、景區(qū)卡口交通量數(shù)據(jù)，按式(8)計算路網(wǎng)污染物排放量和減排量，以CO和NOx為例，結果如圖6所示.

圖6 換乘方案的污染物減排效益Fig.6 Emission reduction by the transfer project

由圖6可見，減排量在1個月之內(nèi)呈周期性變化，周末(8月6、7、13、14、20、21、27、28日)減排量大.CO每天的減排比例為70%～85%，NOx的減排比例為65%～80%.

將8月1～30日韶山景區(qū)內(nèi)CO、NOx、HC和PM2.5的總排放量匯總于表2，可以看出換乘方案具有較好的減排效益，各污染物總減排比例為73%～78%.

5 結論

通過在韶山市不同道路類型上調(diào)查本地駕駛員和外地駕駛員駕駛小客車的逐秒GPS數(shù)據(jù)并進行計算處理，分析對應的運行工況分布情況，并將運行工況分布數(shù)據(jù)導入MOVES軟件，測算相應的污染物排放因子，據(jù)此研究韶山市游客換乘方案的污染物減排效益.研究發(fā)現(xiàn)：

表2 污染物排放匯總表Table 2 Total Emission

(1)相對于外地駕駛員，本地駕駛員平均車速更高，VSP分布更離散，這在景區(qū)道路上尤其明顯.運行工況的差別使得本地駕駛員的污染物排放因子在所有道路類型上全部高于外地駕駛員，景區(qū)道路上高出更多.

(2)在應用MOVES軟件時，若不進行運行工況調(diào)查而直接采用默認的運行工況分布，得出的排放結果將會產(chǎn)生較大誤差.

(3)根據(jù)得出的排放因子和韶山景區(qū)的車流量等數(shù)據(jù)進行測算，發(fā)現(xiàn)實行游客換乘方案對景區(qū)污染物減排有較好效果.