基于車(chē)速-油耗模型的公路碳排放估算方法研究

摘要 道路交通碳排放是我國(guó)碳排放的主要來(lái)源，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高，車(chē)輛保有量進(jìn)一步增大，道路交通碳排放呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)。估算公路交通碳排放水平是交通碳減排，支持交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的前提。文章基于車(chē)輛車(chē)速、油耗實(shí)證數(shù)據(jù)，構(gòu)建了行駛車(chē)速-車(chē)輛油耗模型，并利用道路流量-密度-速度模型及碳排放換算模型，設(shè)計(jì)了公路碳排放估算方法，并對(duì)道路擁堵、暢通等交通狀態(tài)下的碳排放水平進(jìn)行了評(píng)估，為道路交通碳排放評(píng)估和交通碳減排提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞 平均車(chē)速;油耗;碳排放;道路交通

中圖分類(lèi)號(hào) U491 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）11-0178-03

引言

城市化發(fā)展引起的公民對(duì)出行機(jī)動(dòng)化的需求增加是造成城市空氣污染、交通事故、交通堵塞以及溫室氣體排放的主要原因。推動(dòng)碳達(dá)峰、碳減排已成為我國(guó)未來(lái)社會(huì)發(fā)展的重中之重。

交通碳排放是國(guó)內(nèi)主要碳排放源，而道路交通在其中占比較高。既有研究顯示，道路運(yùn)輸占交通碳排放的比例高達(dá)77.8%[2]。降低道路交通碳排放是實(shí)現(xiàn)碳減排的重要路徑。量化交通碳排放水平，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、交通碳減排的基礎(chǔ)。該文通過(guò)研究車(chē)輛運(yùn)行車(chē)速與油耗排放關(guān)系，提出了基于速度的油耗估計(jì)模型，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了公路碳排放估算模型，以支持道路擁堵、暢通等交通狀態(tài)下的碳排放水平評(píng)估。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 車(chē)輛碳排放影響因素研究

影響車(chē)輛碳排放的因素眾多，主要包括車(chē)輛特性、司機(jī)駕駛行為特性、道路條件、交通狀況和環(huán)境因素[2]。車(chē)輛特性方面，發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)輛質(zhì)量、車(chē)輛外形、輪胎等因素都會(huì)影響車(chē)輛的碳排放[3]。曾誠(chéng)等對(duì)不同駕駛行為研究，提出“輕踩緩抬”加速踏板、保持經(jīng)濟(jì)車(chē)速行駛、一腳離合配合換擋、避免“頻繁變更車(chē)道、急加速和急減速”等駕駛節(jié)能操作方法[4]。田賽男等在早期研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)道路坡度、平整度及運(yùn)行車(chē)速是影響道路交通碳排放的主要因素[5]。交叉口加減速[6]、道路服務(wù)水平[7]等交通因素，以及溫度[8]、風(fēng)速[9]等環(huán)境因素也會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛碳排放產(chǎn)生變化。

由于影響因素眾多，準(zhǔn)確估計(jì)車(chē)輛碳排放水平十分困難。部分車(chē)載監(jiān)控裝置雖可以檢測(cè)各影響參數(shù)來(lái)估測(cè)碳排放，但是監(jiān)控成本高，且各車(chē)輛運(yùn)轉(zhuǎn)水平各異，監(jiān)控結(jié)果重現(xiàn)性低，對(duì)實(shí)際道路交通碳排放估測(cè)應(yīng)用較差。

1.2 道路交通碳排放模型研究現(xiàn)狀

道路交通碳排放模型可分為車(chē)輛層面的微觀(guān)模型和交通流層面的宏觀(guān)模型兩種。微觀(guān)模型是基于特定車(chē)輛的燃料類(lèi)型、重量、使用年限、車(chē)輛特征等因素所建立的模型，具體包括以ADVISOR，PSAT和EVSIM為代表的基于發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力分析的模型、基于駕駛模式分解的模型、以MODEM為代表的基于速度-加速度的統(tǒng)計(jì)模型，以及基于功率需求的物理模型四種[10]。這些模型細(xì)致地描述了車(chē)輛特征等微觀(guān)因素對(duì)油耗和碳排放的影響，能準(zhǔn)確地分析車(chē)輛運(yùn)行效率。但是，此類(lèi)模型參數(shù)較多，在試驗(yàn)中部分指標(biāo)如加速度等因素難以準(zhǔn)確獲取，在分析交通碳排放上應(yīng)用性較差。宏觀(guān)模型如COPERT、MOVES等[11]，主要用于分析區(qū)域內(nèi)由于社會(huì)政策等因素引起的宏觀(guān)空間的碳排放變化，在污染控制規(guī)劃上適用性較好[12]。

由于國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)積累量不足，加之各類(lèi)模型較為成熟，國(guó)內(nèi)學(xué)者大多通過(guò)標(biāo)定國(guó)外已有模型對(duì)國(guó)內(nèi)碳排放進(jìn)行分析，畢曄[13]、王文[14]分別采用MOBILE模型對(duì)北京市出租車(chē)和中巴車(chē)進(jìn)行排放污染物分析，姚志良[15]、王海鯤[16]則通過(guò)標(biāo)定IVE模型對(duì)北京和上海的排放分擔(dān)率。但是，這些模型需要進(jìn)行大量的車(chē)輛和交通參數(shù)標(biāo)定，且模型設(shè)定的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)內(nèi)不統(tǒng)一，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相差較大。采用這些模型來(lái)判定國(guó)內(nèi)碳排放水平，只是一條暫時(shí)的途徑[17]。

2 公路交通碳排放估算方法建立

2.1 建模思路說(shuō)明

為了準(zhǔn)確估計(jì)道路交通碳排放，碳排放估算模型應(yīng)具備準(zhǔn)確度高、易于計(jì)算、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。為此，該文考慮按照單車(chē)模型—路段車(chē)速估算—路段油耗估算—碳排放估算的技術(shù)路徑設(shè)計(jì)公路交通碳排放估算方法。首先基于車(chē)輛車(chē)速、油耗實(shí)證數(shù)據(jù)，構(gòu)建車(chē)輛車(chē)速-油耗估計(jì)模型，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)道路過(guò)車(chē)流量，利用公路交通流車(chē)速-流量實(shí)用關(guān)系模型，估算路段行程車(chē)速，并計(jì)算指定時(shí)間內(nèi)路段通過(guò)車(chē)輛油耗水平。最后根據(jù)油耗與二氧化碳排放量間的換算關(guān)系，實(shí)現(xiàn)公路碳排放估算。碳排放模型建模思路如圖1。

2.2 基于單車(chē)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的車(chē)輛碳排放模型

為了測(cè)定不同交通狀況下的油耗值，試驗(yàn)依托福特?？怂埂⒇S田卡羅拉、大眾帕薩特等試驗(yàn)車(chē)輛，在G318、G1501等公路開(kāi)展車(chē)輛油耗測(cè)定。試驗(yàn)采用每1 000 m的平均油耗和平均車(chē)速作為輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)。為了避免路況、坡度等因素對(duì)估計(jì)結(jié)果的影響，該文剔除了坡度絕對(duì)值大于4%的油耗數(shù)據(jù)。試驗(yàn)車(chē)輛的平均車(chē)速-油耗散點(diǎn)圖如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，車(chē)輛平均速度小于20 km/h時(shí)，隨著速度的降低油耗迅速增大，車(chē)速在0～10 km/h內(nèi)，下降幅度最大。隨著速度的增加，油耗逐步降低。在速度超過(guò)50 km/h后，油耗隨速度的變化趨于平緩。車(chē)輛在60～100 km/h的速度區(qū)間內(nèi)，油耗較低，當(dāng)車(chē)速超過(guò)90 km/h時(shí)，油耗呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布，該文基于廣義線(xiàn)性回歸模型理論，利用數(shù)據(jù)分析軟件SPSS對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，以確定試驗(yàn)車(chē)輛油耗-平均車(chē)速的分布關(guān)系，并以擬合優(yōu)度最高的估計(jì)模型，作為試驗(yàn)車(chē)輛的油耗-車(chē)速模型，模型形式如式（1）所示。

（1）

式中，F(xiàn)C——百千米油耗（km/h）;

Speed——平均車(chē)速（km/h）。

在此基礎(chǔ)上，該文根據(jù)公路交通運(yùn)行實(shí)際情況，以平均車(chē)速為分析指標(biāo)，將交通狀況分為極度擁擠、擁擠、較暢通、暢通和非常暢通五類(lèi)，對(duì)應(yīng)速度范圍為<10 km/h、10～20 km/h、20～40 km/h、40km/h～60km/h、>60km/h，并依托油耗-平均車(chē)速模型評(píng)估不同擁擠情況下的車(chē)輛油耗，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。計(jì)算結(jié)果顯示，極度擁擠情況下的油耗是暢通時(shí)油耗的2.5倍以上，擁擠造成的油耗約為暢通時(shí)的2倍。該結(jié)果說(shuō)明，保持公路交通暢通，在提高出行效率及服務(wù)水平的基礎(chǔ)上，車(chē)輛的碳排放也相對(duì)降低，對(duì)于實(shí)現(xiàn)道路交通碳減排有著較大的實(shí)際意義。

2.3 公路碳排放估算模型

基于文章2.2中的試驗(yàn)車(chē)輛油耗-平均車(chē)速模型，假定公路車(chē)輛僅由小汽車(chē)構(gòu)成，且不同車(chē)輛的油耗-平均車(chē)速模型與所述模型一致，并利用公路交通流車(chē)速-流量實(shí)用關(guān)系模型[14]以及二氧化碳排放換算系數(shù)，實(shí)現(xiàn)公路交通碳排放估算。公路碳排放估算模型如下：

（2）

（3）

（4）

式中，v——車(chē)輛平均速度（km/h）;

vs——道路設(shè)計(jì)速度（km/h）;

V——小時(shí)交通量（pcu/h）;

C——道路通行能力（pcu/h）;

L——行駛里程（km）;

p——油耗-二氧化碳排放量換算系數(shù)，對(duì)于汽油取2.254;

F——行駛車(chē)輛總?cè)加拖牧浚╧g）;

E——二氧化碳排放量（t）。

根據(jù)上述模型，假定某兩車(chē)道高速公路長(zhǎng)30 km，限速100 km/h，最大通行能力為3 600 pcu/h，計(jì)算不同交通量情況下一小時(shí)內(nèi)道路碳排放水平，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。在交通流量低于道路通行能力時(shí)，公路二氧化碳碳排放量基本呈現(xiàn)線(xiàn)性增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，而隨著交通需求量的進(jìn)一步增加，道路通過(guò)效率降低，單車(chē)油耗水平提升，碳排放水平顯著增高。該案例結(jié)果也證明了模型的可靠性。

3 總結(jié)

該文首先基于車(chē)輛車(chē)速、油耗實(shí)證數(shù)據(jù)，構(gòu)建車(chē)輛車(chē)速-油耗估計(jì)模型，并極度擁擠情況下的油耗是暢通時(shí)油耗的2.5倍以上。在此基礎(chǔ)上，利用公路交通流車(chē)速-流量實(shí)用關(guān)系模型以及汽油-二氧化碳排放換算系數(shù)，構(gòu)建了公路碳排放估算方法。通過(guò)數(shù)值分析案例顯示，在公路流量低于通行能力時(shí)，公路二氧化碳碳排放量呈現(xiàn)線(xiàn)性增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，而隨著交通需求量的進(jìn)一步增加，路段車(chē)速迅速降低，單車(chē)油耗水平提升，將導(dǎo)致公路交通碳排放迅速升高。研究成果可為道路碳排放估算提供依據(jù)和支持。

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收稿日期：2022-03-22

作者簡(jiǎn)介：趙軍艦（1980—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：道路。