公路坡度差對(duì)車(chē)輛尾氣排放的影響分析

賈興利， 秦雪芳， 周吳嘯， 李雙慶， 陳星澎

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院， 西安 710064)

生態(tài)環(huán)境部頒布的《中國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)環(huán)境管理年報(bào)(2018)》[1]表明，機(jī)動(dòng)車(chē)污染問(wèn)題日益突出，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放已成為中國(guó)交通大氣污染的主要來(lái)源之一。與平坡路段相比，機(jī)動(dòng)車(chē)在縱坡路段行駛時(shí)，需要克服高差，會(huì)消耗更多的油耗，排放更多的尾氣，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成很大威脅，高速公路縱斷面是機(jī)動(dòng)車(chē)產(chǎn)生高排放的路段[2]。機(jī)動(dòng)車(chē)在不同的道路線形上行駛時(shí)，通過(guò)不斷地調(diào)整車(chē)輛運(yùn)行狀況以適應(yīng)道路線形的變化。道路線形的差異會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛的運(yùn)行狀況變化，進(jìn)而會(huì)影響車(chē)輛的尾氣排放狀況。因此，研究道路線形變化對(duì)車(chē)輛尾氣排放的影響是十分有必要的。

Dong等[2]通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)研究圓曲線半徑大小對(duì)碳排的影響，得到影響車(chē)輛碳排的最小圓曲線半徑大小為500 m的結(jié)論。許金良等[3]運(yùn)用MOVES(motor vehicle emission simulator)模型得到載重柴油車(chē)在小半徑圓曲線路段上的累積碳排放量預(yù)測(cè)模型。Jia等[4-5]通過(guò)研究縱坡與碳排之間的量化關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)縱坡坡度值大于3%之后碳排顯著增加，并通過(guò)實(shí)例研究提出一種碳排與縱坡之間的預(yù)測(cè)模型。Kang[6]通過(guò)研究路線幾何設(shè)計(jì)的方法來(lái)降低汽車(chē)油耗并增加車(chē)輛的行駛安全性。Ko等[7-8]分別對(duì)縱坡坡度大小以及豎曲線曲率對(duì)車(chē)輛碳排進(jìn)行了研究，并得出幾何線形對(duì)碳排有著重要影響。Loulizi等[9]研究量化燃油消耗和坡度之間的關(guān)系，并利用GIS工具在設(shè)計(jì)階段對(duì)公路進(jìn)行多指標(biāo)的評(píng)價(jià)篩選，最后通過(guò)實(shí)例證明過(guò)篩選而建設(shè)的公路燃油消耗會(huì)有所降低。

中外學(xué)者對(duì)低能耗、低污染為基礎(chǔ)的低碳公路交通進(jìn)行了大量的研究。明確道路平面路段和縱坡路段對(duì)汽車(chē)尾氣排放水平的影響規(guī)律，對(duì)于綠色公路設(shè)計(jì)有著重要意義。但是關(guān)于低碳公路路線優(yōu)化設(shè)計(jì)研究成果多是定性、宏觀層面的指導(dǎo)性原則，對(duì)豎曲線路段幾何指標(biāo)與碳排放映射關(guān)系分析缺乏。此外考慮到中國(guó)小客車(chē)數(shù)量遠(yuǎn)大于貨車(chē)數(shù)量，因此以小客車(chē)為研究對(duì)象，從微觀視角出發(fā)，選擇MOVES模型進(jìn)行車(chē)輛尾氣排放量預(yù)測(cè)，以凸形豎曲線路段為例，進(jìn)行不同坡差與車(chē)輛尾氣排放水平相關(guān)關(guān)系的探究。

1 數(shù)據(jù)獲取及MOVES參數(shù)修正

1.1 MOVES模型

鑒于實(shí)驗(yàn)道路線形樣本數(shù)量的局限性，本文中采用實(shí)驗(yàn)仿真的手段預(yù)測(cè)車(chē)輛尾氣排放量，用實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行驗(yàn)證。

美國(guó)環(huán)保局開(kāi)發(fā)的綜合移動(dòng)源排放MOVES模型與COPERT(computer program to calculate emissions from road transport)、MOBILE(the MOBILE highway vehicle emission factor model)及IVE(international vehicle emission model)等機(jī)動(dòng)車(chē)排放模型相比，將瞬時(shí)加速度與瞬時(shí)速度相結(jié)合來(lái)反映車(chē)輛的運(yùn)行狀況，更準(zhǔn)確地反映了車(chē)輛在實(shí)際操作中的排放特征。故本文中選擇MOVES模型進(jìn)行不同坡差情況下的凸形豎曲線路段車(chē)輛尾氣排放的預(yù)測(cè)[10-12]。

1.2 參數(shù)本地化修正

由于MOVES模型中的數(shù)據(jù)庫(kù)是以美國(guó)各州縣機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放數(shù)據(jù)為依托而建立的，不適用于直接預(yù)測(cè)和分析我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)碳排放水平。故本文通過(guò)調(diào)查我國(guó)實(shí)際的交通狀況、道路類(lèi)型、車(chē)輛、燃油等信息，修正了MOVES模型在微觀層次上所需輸入的參數(shù)[13-15]。其修正后參數(shù)設(shè)置如下。

(1)模擬層次：微觀層次。

(2)模型年份：將中國(guó)第六階段機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)與美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)做對(duì)比，確定模擬年份為2009年。

(3)道路類(lèi)型：本文中選擇MOVES模型中代碼為2的道路類(lèi)型，代表道路為高速公路。

(4)地理信息：本研究從影響模型計(jì)算的年均降水量、海拔、經(jīng)緯度、平均氣溫、相對(duì)濕度等因素出發(fā)，將陜西省西安市與美國(guó)各州的情況做對(duì)比，確定以Georgia的Fulton縣作為模擬地理區(qū)域，氣候?qū)Ρ纫?jiàn)表1。

表1 西安與Fulton氣候?qū)Ρ?/p>

(5)排放源類(lèi)型：據(jù)統(tǒng)計(jì)汽車(chē)占中國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)主導(dǎo)地位[1]，故文中選擇小客車(chē)作為主要排放源，對(duì)應(yīng)MOVES模型中排放源類(lèi)型代碼為21。

(6)燃油類(lèi)型：據(jù)年報(bào)統(tǒng)計(jì)[1]，中國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)按燃料類(lèi)型分類(lèi)，汽車(chē)是污染物排放總量的主要來(lái)源之一，故本文中選擇汽油作為燃油類(lèi)型。

(7)車(chē)齡：選擇機(jī)動(dòng)車(chē)的平均車(chē)齡為3年，對(duì)應(yīng)MOVES模型中的車(chē)齡代碼為3。

(8)運(yùn)行工況：為了估算機(jī)動(dòng)車(chē)的排放水平，必須結(jié)合機(jī)動(dòng)車(chē)的瞬時(shí)比功率(vehicle specific power，VSP)和瞬時(shí)速度查找機(jī)動(dòng)車(chē)的逐秒運(yùn)行狀況代碼，將車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行工況相匹配。最后運(yùn)用MOVES模型獲得每個(gè)運(yùn)行工況下機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放量。比功率VSP的計(jì)算表達(dá)式[16]為

PVS=v(1.1a+0.132)+0.000 302v3

(1)

式(1)中：PVS為機(jī)動(dòng)車(chē)比功率，kW/t；a為機(jī)動(dòng)車(chē)瞬時(shí)加速度，m/s2；v為機(jī)動(dòng)車(chē)瞬時(shí)速度，m/s。

1.3 速度預(yù)測(cè)及多項(xiàng)式模型

研究中凸形豎曲線中點(diǎn)運(yùn)行速度的預(yù)測(cè)模型計(jì)算公式[17]為

(2)

式(2)中：K為豎曲線曲率，m/%，文獻(xiàn)[18]規(guī)定最低標(biāo)準(zhǔn)K=39 m/%。

然而車(chē)輛不會(huì)在豎曲線上以恒定速度行駛。為了考慮曲線上的速度變化，利用多項(xiàng)式模型得到沿行駛距離和時(shí)間的逐秒速度[19-20]，即

a(t)=ramaxθ(1-θm),m>-0.5

(3)

式(3)中:a(t)為車(chē)輛逐秒加速度, m/s2；amax為最大加速度，m/s2；θ=t/ta，為自開(kāi)始加速的時(shí)間t與總加速時(shí)間(ta)的比值；總加速時(shí)間可由加速度時(shí)間回歸方程求得，即

(4)

m、r為參數(shù)。m、r和am的計(jì)算公式為

(5)

(6)

(7)

式中：Va、Vi和Vf分別表示機(jī)動(dòng)車(chē)加速行駛中的平均速度、初始速度和最終速度，km/h；x(t)表示時(shí)間t小客車(chē)行駛距離，m。時(shí)間t的速度和距離公式為

(8)

(9)

1.4 試驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，取西安繞城高速公路K0-100～K29+100段為試驗(yàn)路段。為了保證速度與油耗實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所選試驗(yàn)路段縱坡度應(yīng)保持一致，縱坡段越長(zhǎng)越好，以求能達(dá)到穩(wěn)定車(chē)速﹔車(chē)輛運(yùn)行處于自由流狀態(tài);試驗(yàn)日選擇天氣狀況良好的氣候條件，盡量消除道路平面、橫斷面及其他影響因素的影響。

試驗(yàn)車(chē)輛選擇寶沃BX5作為試驗(yàn)車(chē)，選擇沈陽(yáng)廣成科技有限公司研發(fā)的USBCAN(universal serial BUS controller area network)總線分析儀，讀取汽車(chē)CAN(universal serial BUS)總線原始數(shù)據(jù)，使用CAN總線專(zhuān)用調(diào)試分析軟件ECAN tools軟件獲取車(chē)輛速度、油耗量。采用使用IPCC方法將試驗(yàn)收集到的油耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為碳排放量。

IPCC碳排放核算公式為

W=NPCKρ

(10)

XCO2=EW

(11)

式中：XCO2為二氧化碳核算值，kg；E為燃料消耗量，L；N為平均低位發(fā)熱量，kJ/kg；P為潛在碳排放系數(shù)，t/TJ；W為碳排放因子，kgCO2/kg；C為碳氧化率，%；K為轉(zhuǎn)換系數(shù)，K=44/12；ρ為密度參數(shù)，kg/L。

中國(guó)汽油碳排放系數(shù)及相關(guān)數(shù)值的計(jì)算公式為

F=PCK=68 607 kg/TJ

(12)

W=NF=2.954 9

(13)

每升汽油的碳排放系數(shù)為

q=Wρ=2.216

(14)

2 基于MOVES的尾氣排放數(shù)據(jù)庫(kù)模擬

2.1 方案設(shè)計(jì)

凸形豎曲線路段的運(yùn)行工況與前后線型有關(guān)，為反映坡差對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放量的影響，本文中假定凸形豎曲線路段處的線型形式為直線-豎曲線-直線。運(yùn)用速度預(yù)測(cè)模型和多項(xiàng)式模型得到車(chē)輛在豎曲線路段瞬時(shí)速度和加速度。

Barth等[20]研究表明：當(dāng)車(chē)輛速度高于105 km/h或低于72 km/h時(shí)，比以穩(wěn)態(tài)速度行駛(72～80 km/h)時(shí)的油耗和尾氣排放量高。故本文將起始速度設(shè)置為105 km/h，研究小客車(chē)在不同坡差下凸形豎曲線路段的尾氣排放，規(guī)定凸形豎曲線的路段長(zhǎng)度為300 m，其中前后坡長(zhǎng)度分別設(shè)置為150 m。不同的坡差對(duì)應(yīng)不同的坡度組合，根據(jù)不同坡差制定詳細(xì)的模擬方案，如表2所示。

表2 坡差模擬方案

2.2 速度和運(yùn)行工況分布

以起始速度為105 km/h的小客車(chē)作為研究對(duì)象，在坡度組合為-2-6.5的縱坡上行駛。運(yùn)用式(12)計(jì)算小客車(chē)在豎曲線路段的逐秒速度，運(yùn)用式(1)得到小客車(chē)逐秒VSP，然后進(jìn)行機(jī)動(dòng)車(chē)的運(yùn)行工況區(qū)間的劃分。以坡差為-3%，坡度組合為前坡1.5%、后坡-1.5%為例，逐秒的速度與運(yùn)行工況分布如表3所示。

表3 坡度組合為1.5-1.5的運(yùn)行工況分布

2.3 坡差與車(chē)輛尾氣排放關(guān)系

MOVES是基于瞬時(shí)車(chē)速和車(chē)輛比功率，將運(yùn)行廢氣排放預(yù)測(cè)的運(yùn)行模式分為23個(gè)運(yùn)行工況區(qū)間。由于MOVES沒(méi)有直接報(bào)告每個(gè)運(yùn)行工況的排放量，本研究采用微觀層次進(jìn)行項(xiàng)目級(jí)分析，采用單個(gè)運(yùn)行模式分布(即目標(biāo)運(yùn)行工況區(qū)間分布比例為1，其余為0)。通過(guò)改變目標(biāo)運(yùn)行工況區(qū)間，重復(fù)操作獲得了所需的各個(gè)運(yùn)行工況的排放率。根據(jù)對(duì)行駛時(shí)間內(nèi)逐秒的速度曲線下每個(gè)運(yùn)行工況區(qū)間的尾氣排放進(jìn)行匯總得到總排放量。表達(dá)式為

(15)

式(15)中：Etype是二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氮?dú)浠衔?NH3)、氮氧化物(NOx)的總排放量；Etype,bin是時(shí)間t內(nèi)小客車(chē)所在運(yùn)行工況的廢氣排放量?；贛OVES模型得到高速公路不同坡差情況下豎曲線段的尾氣排放數(shù)據(jù)庫(kù)。圖1為不同坡度組合下CO2、CO、NH3、NOx排放量對(duì)比圖。

圖1 不同坡差下各氣體排放量

從圖1(a)可以看出，當(dāng)前坡坡度一定時(shí)，在坡度差小于-3時(shí)小客車(chē)在規(guī)定長(zhǎng)度豎曲線上的CO2排放量隨著坡度差代數(shù)值的增大而增大。當(dāng)坡度差代數(shù)值大于3時(shí)，CO2排放量增加幅度變大，當(dāng)坡度差為-6時(shí)，CO2排放量突然下降，然后繼續(xù)上升且上升幅度變小。從圖1中可以看出，4種排放物的排放量均隨坡差代數(shù)值的增大而上升。主要是由于在凸形豎曲線段前后坡度差越大，機(jī)動(dòng)車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載越大，行駛過(guò)程中產(chǎn)生的CO2等尾氣排放量就越多。小客車(chē)在不同坡差的豎曲線行駛會(huì)極大地影響尾氣排放，當(dāng)速度增加時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力的要求也會(huì)增加，導(dǎo)致汽車(chē)的尾氣排放量大幅度的上升。在四種主要排放物中，CO2排放量最大，依次是CO、NOx、NH3排放量。

從圖1中還能夠看出，當(dāng)坡差一定時(shí)，隨著前坡坡度的增加，CO2、NOx、CO、NH3排放量基本不變，其中CO2最多增加14.7%，CO排放量最多增加23.3%。CO2、NOx、CO、NH3排放量隨著坡差代數(shù)值的增加均呈上升趨勢(shì)。其中，CO2排放量最大，其次依次是CO、NOx，NH3排放量最少。因此，本文中只對(duì)坡差和CO2排放量進(jìn)行關(guān)系擬合。

2.4 碳排放預(yù)測(cè)模型建立

當(dāng)坡差一定時(shí)，隨著前坡坡度的增加，CO2、NOx、CO、NH3排放量幾乎不變。故本文中取前坡坡度1.5%為例，用SPSS軟件對(duì)坡差和CO2排放量的關(guān)系進(jìn)行擬合分析，擬合關(guān)系對(duì)比如表4所示，坡差與碳排放擬合曲線如圖2所示。為了更直觀的展示凸形豎曲線路段，不同坡差對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)碳排放量影響規(guī)律，本文中以單位豎曲線長(zhǎng)度上的碳排放量作為因變量，進(jìn)行坡差與碳排放量的擬合關(guān)系研究，表達(dá)式為

圖2 坡差和碳排放量擬合曲線

(16)

式(16)中：E0為單位豎曲線長(zhǎng)度上CO2排放量，g/km；Ec為豎曲線長(zhǎng)度范圍內(nèi)小客車(chē)的總碳排放量，g；L為豎曲線長(zhǎng)度，km。

根據(jù)赤池信息準(zhǔn)則(akaike information criterion,AIC)和貝葉斯信息規(guī)則(Bayesian information criterion,BIC)準(zhǔn)則對(duì)小客車(chē)的碳排放規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)果顯示坡差與小客車(chē)的碳排放量的擬合關(guān)系中，其非線性回歸模型的擬合度較高。通過(guò)對(duì)單位豎曲線長(zhǎng)度上小客車(chē)碳排量與坡差的關(guān)系進(jìn)行擬合分析，結(jié)合AIC與BIC準(zhǔn)則得到精度較高的一元回歸模型。如表4所示，三種函數(shù)的F值較大，R2都接近1，方程回歸顯著擬合優(yōu)度滿足要求。

表4 坡差和碳排放量回歸模型擬合效果對(duì)比

從表4可以看出，二次函數(shù)的AIC和BIC值較小，F(xiàn)值較大，能夠確保擬合準(zhǔn)確性。因此得到單位豎曲線長(zhǎng)度上小客車(chē)碳排量與坡差的二次擬合關(guān)系，即

Ec=-493.105ω-22.955ω2+268.17

(17)

式中：Ec為不同坡差下單位凸形豎曲線長(zhǎng)度上碳排放量；ω為坡差，ω=i2-i1。

2.5 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的適用性，取西安繞城高速公路K0-100～K29+100段的19個(gè)縱坡組合段，依據(jù)我國(guó)汽油車(chē)現(xiàn)狀對(duì)應(yīng)的碳排放核算方法，核算出實(shí)測(cè)油耗值相應(yīng)的碳排放量。隨機(jī)選擇9個(gè)縱坡組合段，對(duì)比預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值，確切地評(píng)價(jià)該路段實(shí)際車(chē)輛的碳排放狀況，如表5所示。

表5 模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

通過(guò)計(jì)算，小汽車(chē)單位長(zhǎng)度碳排放量實(shí)測(cè)值與模型預(yù)測(cè)值的平均相對(duì)誤差為4.7%，小于10%，驗(yàn)證了模型的預(yù)測(cè)的有效性。

3 結(jié)論

(1)為適用于中國(guó)的實(shí)際道路交通與車(chē)輛條件，從地理信息、氣候狀況、車(chē)輛燃油特性等角度出發(fā)，對(duì)MOVES模型中的參數(shù)進(jìn)行了本地化修正。

(2)以MOVES模型為基礎(chǔ)，建立了小客車(chē)在凸形豎曲線路段不同坡差情況下的碳排放數(shù)據(jù)庫(kù)，得出坡差代數(shù)值越大，小客車(chē)的尾氣排放量越大；當(dāng)高速公路坡差一定時(shí)，前坡坡度對(duì)小客車(chē)的尾氣排放影響較小。在四種主要排放物中，CO2排放量最大，依次是CO、NOx、NH3排放量。

(3)利用SPSS軟件對(duì)單位距離凸形豎曲線上CO2排放量與坡差進(jìn)行關(guān)系擬合，得到單位豎曲線長(zhǎng)度上坡度差與碳排放量的映射關(guān)系，以簡(jiǎn)便預(yù)測(cè)不同坡差情況下單位豎曲線路段的CO2排放量，最后利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了的模型的有效性。

(4)論文主要針對(duì)小客車(chē)進(jìn)行凸形豎曲線路段坡差對(duì)車(chē)輛尾氣排放量的影響，是否適用于其他類(lèi)型的車(chē)輛和其他線形路段有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。