基于MOVES的微觀層次路段交通排放研究

周璇 李水富

摘? 要：微觀層次交通排放模型是量化機(jī)動(dòng)車尾氣排放、評(píng)價(jià)交通管理產(chǎn)生節(jié)能減排效果的重要手段，在分析MOVES（motor vehicle emission simulator）模型計(jì)算原理與輸入?yún)?shù)的基礎(chǔ)上，提出了微觀層次輸入?yún)?shù)的本地化獲取方法。本文基于實(shí)踐調(diào)查獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合微觀仿真軟件VISSIM，對(duì)交叉口臨近路段進(jìn)行交通仿真，輸出路段上距離停車線等距檢測(cè)點(diǎn)位置的速度和加速度等交通評(píng)價(jià)指標(biāo)，然后使用美國(guó)環(huán)保局（EPA）開(kāi)發(fā)的排放模型MOVES，以VISSIM的輸出作為輸入，計(jì)算相應(yīng)的平均HC、CO和NOx排放因子和平均能源消耗率等環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析，得出與交叉口不同距離處的交通排放污染物的變化情況，對(duì)現(xiàn)狀道路做出評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：微觀層次;VISSIM;MOVES;交通排放

一、引言

機(jī)動(dòng)車保有量的日益增加導(dǎo)致了愈發(fā)嚴(yán)重的城市交通擁堵和空氣污染問(wèn)題，我國(guó)當(dāng)前交通問(wèn)題研究的關(guān)注點(diǎn)正由集中治堵轉(zhuǎn)向治堵與減排兼顧，采用的交通管理與控制策略也在緩解交通擁堵、疏導(dǎo)交通流的同時(shí)考慮其對(duì)減少尾氣排放的作用。交通管理與控制措施會(huì)改變路網(wǎng)中車輛的行駛工況，而不同的行駛工況將導(dǎo)致不同的尾氣排放。微觀層次交通排放模型是量化機(jī)動(dòng)車排放、評(píng)價(jià)交通管理產(chǎn)生節(jié)能減排效果的重要手段。

近年來(lái)，國(guó)外專家學(xué)者基于機(jī)動(dòng)車排放數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)了大量的尾氣量化模型，在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛的有：MOBILE，COPERT，CMEM和MOVES等。其中MOBILE，COPERT等是宏觀模型，可以用來(lái)測(cè)算國(guó)家或城市的交通油耗排放總量和發(fā)展趨勢(shì)，但不能用于微觀層次的排放評(píng)價(jià)。Barth等建立的基于功率需求的CMEM模型，它通過(guò)車輛行駛模式和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)計(jì)算逐秒排放。盡管CMEM是微觀模型中應(yīng)用較為廣泛的模型，但其復(fù)雜的單車參數(shù)設(shè)置和計(jì)算需求局限了其用于測(cè)算和評(píng)價(jià)交通項(xiàng)目的排放影響，MOVES模型是美國(guó)環(huán)保署從2001年開(kāi)始研發(fā)的新一代綜合排放模型。它基于功率需求變化及其分布，實(shí)現(xiàn)了排放模型在微觀、中觀和宏觀不同集計(jì)層次的統(tǒng)一。目前，MOVES已成為美國(guó)加州以外地區(qū)用于交通排放評(píng)估的法規(guī)模型。MOVES模型中的默認(rèn)工況和基本排放功率主要針對(duì)美國(guó)本土，且相對(duì)固話。由于我國(guó)與美國(guó)在車型類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，道路交通狀況等方面的差異，因此將MOVES模型引入我國(guó)進(jìn)行排放測(cè)算時(shí)，需要對(duì)模型中的參數(shù)進(jìn)行本地化修正。

在此背景下，通過(guò)分析MOVES模型的計(jì)算原理與輸入?yún)?shù)，提出微觀層次輸入?yún)?shù)的本地化獲取方法，結(jié)合實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)，利用VISSIM微觀仿真軟件，獲得MOVES所需的輸入?yún)?shù)，進(jìn)行排放測(cè)算，分析現(xiàn)狀路段不同位置處的污染水平。

二、基于MOVES的微觀層次交通排放評(píng)價(jià)參數(shù)獲取方法

（1）微觀層次排放評(píng)價(jià)的主要原理

MOVES模型包含了宏觀（National）、中觀（County）和微觀（Project）3種情況，在方法上代表了排放模型研究的最新進(jìn)展和發(fā)展方向。此外，由于該模型采用的是開(kāi)放性的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，可由用戶自己定義各個(gè)參數(shù)，因此該模型對(duì)不同地區(qū)也有較強(qiáng)的適應(yīng)性。具體計(jì)算原理為：給定預(yù)測(cè)時(shí)間、地點(diǎn)、車輛類型和排放過(guò)程后，污染物排放可以按照以下四步進(jìn)行計(jì)算：

1.計(jì)算車輛所有行駛特征信息，即基于不同排放過(guò)程的行駛特征信息如排放源運(yùn)行時(shí)間（SHO）、機(jī)動(dòng)車啟動(dòng)數(shù)量、排放源停車時(shí)間（SHP）和排放源時(shí)間（SH）等。

2.把所有的車輛運(yùn)行信息分布到排放源和運(yùn)行工況區(qū)間上，每個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)不同的排放過(guò)程是唯一的。

3.計(jì)算排放速率，排放速率在給定排放過(guò)程、排放源區(qū)間和運(yùn)行工況區(qū)間的基礎(chǔ)上表征排放源的排放特征，但同時(shí)排放速率也會(huì)受到額外因素的影響，比如燃油和溫度等。

4.把分布在排放源和運(yùn)行工況區(qū)間（來(lái)自第2步）上的所有排放相加。用數(shù)學(xué)表達(dá)式如下

（2）MOVES模型的輸入?yún)?shù)

在微觀層次的計(jì)算中需要的參數(shù)有車齡分布、燃油類型、燃油信息、天氣信息、檢測(cè)維護(hù)制度（I/M）、運(yùn)行工況分布、道路排放源類型、道路行駛周期和平均速度等。

1.運(yùn)行工況分布參數(shù)：

運(yùn)行工況分布是MOVES模型中平均速度參數(shù)和行駛周期參數(shù)轉(zhuǎn)化的最終結(jié)果。運(yùn)行工況分布這個(gè)參數(shù)是由多個(gè)排放過(guò)程的工況分布組合而成。這些排放過(guò)程包括：勻速、加速、減速、怠速和剎車等。其中每個(gè)排放過(guò)程都被分成了一個(gè)個(gè)的小區(qū)間對(duì)應(yīng)到VSP中，然后再利用給定的機(jī)動(dòng)車瞬時(shí)速度、加速度來(lái)分別計(jì)算排放源運(yùn)行工況BinID。使用VISSIM的車輛記錄評(píng)價(jià)功能，仿真輸出試驗(yàn)車的逐秒速度和加速度等數(shù)據(jù)，計(jì)算逐秒的VSP，再按照運(yùn)行工況分布表中VSP和速度區(qū)間的劃分分別統(tǒng)計(jì)不同OpModelD的數(shù)據(jù)，然后計(jì)算不同ID下的比例，即可得到各運(yùn)行工況區(qū)間的比例，經(jīng)格式轉(zhuǎn)換后作為MOVES的工況分布參數(shù)輸入文件。

MOVES是基于機(jī)動(dòng)車比功率（VSP）的尾氣量化排放模型，機(jī)動(dòng)車比功率（Vehicle Specific Power）的概念由麻省理工學(xué)院的Jimenez-Palacios于1999年在其博士論文中首次提出，其定義為單位質(zhì)量機(jī)動(dòng)車的瞬時(shí)功率，是發(fā)動(dòng)機(jī)為了克服滾動(dòng)摩擦阻力和空氣阻力，增加機(jī)動(dòng)車動(dòng)能和勢(shì)能所需要輸出的功率，單位為kw/t或w/kg，簡(jiǎn)化的城市機(jī)動(dòng)車VSP計(jì)算公式如下：

VSP變量是目前的機(jī)動(dòng)車模型化參數(shù)中最為接近實(shí)際情況的參數(shù)之一。由于它全面地考慮了車輛的實(shí)際行駛中的功率輸出情況，與油耗排放密切相關(guān)，并且可以利用外部易于獲得的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，所以近年來(lái)在各種機(jī)動(dòng)車尾氣量化排放模型中用的越來(lái)越廣泛。

2.模型預(yù)測(cè)年：由于中國(guó)和美國(guó)在不同的年份采用的排放標(biāo)準(zhǔn)不同，故而各國(guó)采取的控制排放措施也不同，所以首先要對(duì)模型預(yù)測(cè)年根據(jù)排放控制標(biāo)準(zhǔn)的不同進(jìn)行確定，同時(shí)考慮MOVES模型里面輸入的要求，確定1990年為MOVES模型計(jì)算排放的計(jì)算年份;

3.排放源類型：根據(jù)實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)選取MOVES模型里面的輕型汽油小客車、柴油小貨車、汽油公交車為交叉口臨近路段的主要排放源，各占比例為：88.8%、5.6%、5.6%;

4.天氣信息：天氣參數(shù)主要包括溫度和相對(duì)濕度。當(dāng)天測(cè)試時(shí)溫度為28攝氏度，相對(duì)濕度為60%;

5.道路類型：根據(jù)選取路段的道路等級(jí)與MOVES進(jìn)行匹配選取;

6.I/M檢測(cè)維護(hù)制度：由于影響不大，故采用默認(rèn)情況;

7.燃油類型：根據(jù)當(dāng)?shù)貓?zhí)行的油品地方標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置。

三、方法應(yīng)用與實(shí)例分析

（1）構(gòu)建微觀交通尾氣模擬平臺(tái)

采用微觀仿真軟件VISSIM和美國(guó)環(huán)保局（EPA）開(kāi)發(fā)的MOVES（Motor Vehicle Emission Simulator）排放模型這兩種已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證實(shí)為有效的軟件，通過(guò)將VISSIM 的輸出文件與MOVES的輸入文件相結(jié)合，構(gòu)建能夠進(jìn)行微觀交通尾氣模擬分析的平臺(tái)。此模擬平臺(tái)既能輸出整個(gè)交通系統(tǒng)各種污染物的排放，又能計(jì)算機(jī)動(dòng)車的能源消耗。

根據(jù)以上排放含量和排放變化折線圖4所示，可以看出排放因子排放量有很大差距，CO2排放量最大，其他的相對(duì)較小;隨著車輛駛向交叉口，各種排放因子有不同程度的變化，CO2和CO變化趨勢(shì)相似，隨著車輛的穩(wěn)定運(yùn)行排放減少，在加速階段，排放量上升;NOx排放量波動(dòng)較大，加速也會(huì)使其排放增多;HC排放量隨著車輛運(yùn)行變化不大，較為平穩(wěn)。

四、結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)踐調(diào)查，收集了詳細(xì)的交通數(shù)據(jù)，采用VISSIM和MOVES兩大先進(jìn)軟件相結(jié)合的方法，仿真模擬了不同位置處的污染物排放狀態(tài)，并且說(shuō)明了隨著車輛運(yùn)行狀況的變化，污染物排放的趨勢(shì)變化。本文的方法和模型具有很高的靈活性，只需修改交通條件及相關(guān)參數(shù)，輸入調(diào)查數(shù)據(jù)，便可適用于其他情況對(duì)其進(jìn)行微觀層次的分析評(píng)價(jià)。但MOVES模型所用的基本排放參數(shù)和應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)都是基于美國(guó)的排放數(shù)據(jù)，我國(guó)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)收集程序，所以應(yīng)用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定誤差。

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作者簡(jiǎn)介：周璇（1991-），女，漢族，山東淄博人，助教，工學(xué)碩士，單位：西南交通大學(xué)希望學(xué)院軌道交通學(xué)院交通運(yùn)輸系，研究方向：交通規(guī)劃、城市群交通、生態(tài)交通。