基于模型的交叉路口公交站臺(tái)NOx排放特性

彭琪凱， 何 超*， 李加強(qiáng)， 王艷艷， 譚建偉

(1.西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院， 昆明 650224； 2.西南林業(yè)大學(xué)云南省高校高原山區(qū)機(jī)動(dòng)車環(huán)保與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 昆明 650224； 3.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081)

城市空氣污染是造成城市人群疾病和死亡率增加的一個(gè)重要風(fēng)險(xiǎn)因素[1-2]。城市公交車尾氣污染已經(jīng)成為影響城市大氣環(huán)境的重要因素[3]。由于城市公交站臺(tái)是公交車nitrogen oxides(NOx)排放密集處，同時(shí)也是行人集中區(qū)域，這個(gè)區(qū)域的NOx污染物會(huì)對(duì)周邊待車乘客與行人造成直接的危害[4]，加強(qiáng)對(duì)重點(diǎn)危害地區(qū)NOx的研究控制是減少城市大氣污染對(duì)居住人口危害與優(yōu)化空氣質(zhì)量的有效手段。

公交?？空咀鳛楣步煌ㄏ到y(tǒng)的重要組成部分，按設(shè)置形式分為直線式和港灣式。Abou-Senna[5]基于VISSIM微觀仿真模型發(fā)現(xiàn)，當(dāng)考慮加速和減速的車輛操作的詳細(xì)和微觀分析時(shí)，速度對(duì)機(jī)動(dòng)車污染物排放具有顯著影響。王亞男[6]采用交通仿真系統(tǒng)VISSIM以及尾氣排放模型MOVES(motor vehicle emission simulator)構(gòu)建了整條行駛路線中機(jī)動(dòng)車尾氣排放的影響。張兵等[7]通過(guò)VISSIM仿真模擬對(duì)港灣式公交站對(duì)路段通行能力做了重點(diǎn)評(píng)估。季旋等[8]利用VISSIM交通仿真軟件對(duì)公交停靠站點(diǎn)改善和優(yōu)化做出了重要貢獻(xiàn)。

公交車在站點(diǎn)的?？繒r(shí)間占其線路運(yùn)行時(shí)間的19%～21%，其排放總量約占總排放的30%～40%，研究站臺(tái)的排放分布有利于減少城市公交尾氣的排放量，減少城市大氣污染。

1 研究方法與模型

為了更加深入研究城市公交站臺(tái)的NOx排放特性，總共選取6條公交路線中處于不同路段、不同類型的合計(jì)142個(gè)公交站臺(tái)，對(duì)各類直線式港灣式公交車站進(jìn)行道路排放試驗(yàn)。綜合考慮不同公交站臺(tái)的排放特性，并且本文中所選取的6條路線經(jīng)過(guò)了主干道、次干道、支路這三級(jí)城市道路。有利于本文進(jìn)行交叉路口不同類型公交站臺(tái)排放數(shù)據(jù)的比較，從而獲得最為合適的站臺(tái)組合以達(dá)到減少城市公交車NOx排放的目的。本文所選取的車輛參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)車輛參數(shù)Table 1 Test vehicle parameters

1.1 公交站臺(tái)介紹

城市公交?？空靖鶕?jù)設(shè)置位置、使用方法、站臺(tái)形式等有多種類型，現(xiàn)主要研究處于交叉路口上、下游的公交站，同時(shí)研究整中間路段的NOx排放特性。根據(jù)公交站臺(tái)形式的差異，可以將現(xiàn)有的公交車站臺(tái)分為直線式和港灣式兩類，直線式與港灣式公交站臺(tái)如圖1所示。

圖1 公交站臺(tái)Fig.1 Bus station

1.2 模型介紹

將進(jìn)行公交站臺(tái)的仿真模型，涉及兩個(gè)模型，一個(gè)是做實(shí)際道路仿真的VISSIM模型，另一個(gè)是做機(jī)動(dòng)車尾氣排放的CMEM(comprehensive modal emissions model)排放模型。

1.2.1 VISSIM仿真模型

VISSIM是一種建立在微觀個(gè)體駕駛動(dòng)作行為模型基礎(chǔ)之上的隨機(jī)的、離散的交通仿真軟件。為了保證不同公交?？空驹O(shè)置方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)具有可比性，現(xiàn)作以下設(shè)定與假設(shè)：社會(huì)車輛和公交車輛到達(dá)時(shí)距服從相同的分布；公交站臺(tái)的服務(wù)率符合相同分布；公交車輛的尺寸及性能參數(shù)相同；在相同位置公交車輛運(yùn)行的道路、交通環(huán)境相同。相應(yīng)仿真參數(shù)的標(biāo)定如表2所示。

表2 VISSIM仿真參數(shù)標(biāo)定Table 1 Calibration of VISSIM simulation parameters

1.2.2 CMEM排放模型

現(xiàn)選取基于物理意義的排放模型，是由加州大學(xué)河邊分校于20世紀(jì)90年代中期開(kāi)發(fā)的CMEM模型[9]。在運(yùn)用該模型時(shí)輸入實(shí)際參數(shù)，各測(cè)試車輛瞬時(shí)行駛工況參數(shù)包括每秒的速度、加速度、道路坡度、空調(diào)啟用/關(guān)閉設(shè)置參數(shù)，行駛工況數(shù)據(jù)采用GPS設(shè)備采集，能夠連續(xù)測(cè)定機(jī)動(dòng)車行駛過(guò)程中每秒所在位置的三維坐標(biāo)(即經(jīng)度、緯度和海拔高度)、行駛速度、時(shí)間、衛(wèi)星接收狀態(tài)。經(jīng)過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的處理, 可以得到車輛行駛的加速度以及道路坡度。昆明市區(qū)內(nèi)道路基本較為平坦, 一般只在上、下立交橋時(shí)有輕微坡度變化, 所以在輸入工況參數(shù)時(shí)可以忽略道路行駛坡度的變化。

CMEM模型將變量(速度、加速度和道路等級(jí))和模型參數(shù)(冷啟動(dòng)系數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦系數(shù)) 作為模型的輸入，并且把機(jī)動(dòng)車整個(gè)排放過(guò)程分解為與之對(duì)應(yīng)的車輛操作和排放相關(guān)的物理過(guò)程的片段。因此CMEM 模型在評(píng)估城市公交的NOx污染物排放率和燃料消耗率的準(zhǔn)確性方面高于MOVES 模型，CMEM 作為物理模型，對(duì)機(jī)動(dòng)車的瞬態(tài)操作更敏感，該模型更能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)機(jī)動(dòng)車的微觀排放。

1.3 研究站臺(tái)形式

本文通過(guò)仿真模型設(shè)置交叉路口上、下游站臺(tái)，然后進(jìn)行不同地點(diǎn)的站臺(tái)替換，并將仿真模型與排放模型相結(jié)合，計(jì)算NOx的排放量及相應(yīng)的排放因子，從而降低污染物排放的目的。不同類型的?？空径加衅渥陨淼奶攸c(diǎn)，現(xiàn)主要研究處于雙向6車道上的交叉口公交站臺(tái)。

在進(jìn)行模型仿真過(guò)程中將根據(jù)實(shí)際路況進(jìn)行道路仿真，對(duì)于雙向6車道，由于交通壓力大，基本所有路段的站臺(tái)都是港灣式公交站臺(tái)，但是關(guān)于交叉路口上、下游的站臺(tái)布置形式還存在爭(zhēng)議。對(duì)于交叉路口的仿真如圖2所示，實(shí)際道路交叉路口下游公交站臺(tái)設(shè)置為港灣式，但本文所做的改變?cè)谟冢簩⑷サ粝掠尉G化帶位置，增加交叉路口下游道路寬度并與公交站臺(tái)相連接，定義為拓寬式公交站臺(tái)，以方便于提高車流量。另外，交叉路口上游公交站臺(tái)僅按照實(shí)際道路仿真并不做改變，方便收集數(shù)據(jù)做對(duì)比說(shuō)明。其中仿真圖以中間隔離帶為界限，上、下車道輸入相同車速分布、公交流量、紅路燈與交叉口車流量從而方便進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖2 交叉路口上、下游站臺(tái)對(duì)比Fig.2 Comparison of upstream and downstream bus stops at intersections

2 結(jié)果與討論

將基于排放量與排放因子探討公交站臺(tái)污染物排放問(wèn)題，先做整條公交路線實(shí)際道路NOx污染物數(shù)據(jù)收集，然后通過(guò)VISSIM建立仿真模型，進(jìn)而在實(shí)際模型上進(jìn)行兩類公交站臺(tái)替換，輸入相同的車速分布，信號(hào)調(diào)控，車流量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比，與不同類型站臺(tái)計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比，找處最佳方案，減少NOx污染物的實(shí)際排放量。

2.1 雙向6車道交叉路口上、下游公交站臺(tái)NOx排放特性

本文所選擇的交叉路口整個(gè)路段做仿真模型，主要研究在這段路上NOx根據(jù)公交站的調(diào)整所產(chǎn)的變化。傳統(tǒng)交叉路口與新型交叉路口NOx排放量示意圖如圖3所示，排放量變化與排放因子變化如表3所示。

圖3 交叉路口排放量變化Fig.3 Changes in emissions at intersections

表3 排放量與排放因子Table 3 Emissions and emission factors

本文所設(shè)計(jì)交叉路口仿真模型與實(shí)際比例為1∶1，交叉口路段整段排放量變化如圖3所示，所做的變化是交叉口下游公交站臺(tái)是港灣式與拓寬港灣式的區(qū)別，由圖3可知，基于傳統(tǒng)交叉路口的模擬值與實(shí)測(cè)值其變化趨勢(shì)類似，最大的變化在于交叉路口與下游公交站臺(tái)之間，站臺(tái)的改變可以影響整個(gè)路段的污染物排放，具體差別在于圖3所示的路口與下游站臺(tái)的排放量差異。

本研究對(duì)于交叉路口的仿真模擬結(jié)果顯示，傳統(tǒng)式交叉路口NOx實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是模擬傳統(tǒng)路口數(shù)據(jù)排放量的1.28倍，是模擬新型路口的1.38倍。將實(shí)際數(shù)據(jù)排放計(jì)算結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)結(jié)果做對(duì)比，結(jié)果表明實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)NOx排放的相對(duì)誤差分別為22.18%，相關(guān)系數(shù)分別為0.88。整體的排放量表明采用拓寬港灣式公交站臺(tái)會(huì)整體降低交叉路口的污染物排放量，從而降低整條路線的NOx排放量，減少對(duì)周圍人群的危害。

2.2 交叉口港灣式與拓寬港灣式站臺(tái)排放特性

公交站臺(tái)是城市公交在各路段交叉路口NOx排放密集處，進(jìn)行上下游站臺(tái)的形式改變，有利于降低污染物排放并減少對(duì)周圍人群的危害?；趯?duì)交叉路口下游公交站臺(tái)形式的變化，進(jìn)而討論整個(gè)運(yùn)行路線的NOx排放變化。其上、下游港灣式公交站臺(tái)污染物排放隨時(shí)間變化如圖4所示。

圖4 交叉口港灣式公交站臺(tái)NOx排放Fig.4 NOx emisson at intersection bay-type bus stops

圖4(a)與圖4(b)顯示交叉口下游與交叉口上游港灣式公交站臺(tái)的NOx排放變化，其模擬值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)基本相同，但由排放量變化示意圖可知交叉口上游港灣式公交站臺(tái)污染物排放量在這個(gè)站臺(tái)的變化趨勢(shì)高于下游站臺(tái)。圖4(c)所示為交叉路口下游設(shè)計(jì)為拓寬港灣式公交站臺(tái)，相當(dāng)于下游道路直連公交站臺(tái)，公交車進(jìn)站方便快捷所以排放量隨加速度的變化進(jìn)行明顯的變化。由圖4(a)與圖4(c)可知拓寬式公交站臺(tái)較傳統(tǒng)公交站臺(tái)排放量低。

表4所示為交叉口公交站臺(tái)排放量與排放因子的變化，其中公交車在交叉口上游港灣式、下游港灣式與下游拓寬港灣式站臺(tái)的NOx實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是模型數(shù)據(jù)的1.14、1.28和1.24倍。將實(shí)際數(shù)據(jù)排放計(jì)算結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)結(jié)果做對(duì)比：結(jié)果表明在交叉口上游港灣式、下游港灣式與下游拓寬港灣式站臺(tái)的NOx排放的相對(duì)誤差分別為12.5%、22.91%和19.3%。相關(guān)系數(shù)分別為0.91、0.82和0.70。在模擬實(shí)驗(yàn)中，NOx污染物在下游相同區(qū)域排放量降低15.07%，排放因子降低14.67%，說(shuō)明替換成拓寬港灣式公交站臺(tái)有利于減少相同區(qū)域NOx排放量，降低城市污染，有效減少對(duì)行人的危害。

表4 排放量與排放因子比較Table 4 Comparison of emissions and emission factors

3 結(jié)論

現(xiàn)階段中外針對(duì)公交站臺(tái)對(duì)城市公交車污染物排放影響的研究還比較少?；赩ISSIM仿真模型與EMCM排放模型相結(jié)合，進(jìn)而研究處于交叉路口的不同公交站臺(tái)對(duì)到達(dá)公交車NOx排放的影響，得到以下結(jié)論。

(1)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明公交站臺(tái)對(duì)交叉路口的NOx排放具有明顯影響，傳統(tǒng)式交叉路口NOx實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是模擬傳統(tǒng)路口數(shù)據(jù)排放量的1.28倍，是模擬新型路口的1.38倍。

(2)NOx污染物在下游相同公交站臺(tái)區(qū)域排放量降低15.07%，排放因子降低14.67%。

(3)不同類型的公交站臺(tái)對(duì)公交車排放具有明顯影響，使用合適的公交車站有利于減少城市公交NOx污染，改善城市大氣環(huán)境。