胡啟洲　 吳　鵬　 鄧　衛(wèi)　 諸　云

(1南京理工大學自動化學院, 南京 210094)(2東南大學交通學院, 南京 210096)

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車輛排放對大氣污染的綜合測度模型

胡啟洲1吳鵬1鄧衛(wèi)2諸云1

(1南京理工大學自動化學院, 南京 210094)(2東南大學交通學院, 南京 210096)

利用功效函數(shù)研究車輛排放對大氣污染的測定問題.通過在不同地點測定車輛排放強度,構(gòu)建車輛排放強度之間的關(guān)聯(lián)函數(shù)式,探索交通運行狀況下車輛排放具有的時空相關(guān)性.在此基礎(chǔ)上,獲得機動車各種排放污染物的單車排放因子,構(gòu)建車輛排放診斷方法.并在分析機動車排放特性和規(guī)律的基礎(chǔ)上,構(gòu)建車輛排放的測度指標體系,建立基于功效函數(shù)的機動車排放綜合測度模型,提出車輛排放的測度方法.應用結(jié)果表明,該模型不但能夠界定車輛排放對大氣污染的評估問題,而且能有效評估汽車尾氣排放水平,并對解決車輛排放對大氣污染的治理問題有較好的指導意義和實用價值.

車輛排放;污染物;測度模型;功效函數(shù)

由于機動車排放已經(jīng)成為大氣污染的一個主要來源,汽車尾氣排放的有害物質(zhì)不但加重了大氣污染,而且破壞環(huán)境生態(tài)平衡.因此,國內(nèi)外學者先后對多種機動車尾氣排放進行了研究.例如,文獻[1]研究了交叉口配時對尾氣排放的影響;文獻[2]分析了高速公路在采用不同速度限制下的尾氣排放;文獻[3-4]對車輛在交叉口紅燈前的怠速和熄火后重新啟動2種情況下的各種排放物進行了比較分析;文獻[5-8]針對單點控制交叉口計算了優(yōu)化信號配時方案對減少排隊延誤和尾氣排放的作用.我國從20世紀90年代才開始進行機動車污染的早期研究,取得了一些研究成果[9-12].文獻[13]研究了不停車收費系統(tǒng)對于減少機動車排放污染的影響;文獻[14]利用車載尾氣檢測設(shè)備得到的實測數(shù)據(jù)計算了交叉口不同轉(zhuǎn)向的尾氣排放與路段的比值;文獻[15]提出了隧道測試法(tunnel test),應用污染物擴散模型推導車流平均單車排放因子.但總體上,國內(nèi)對于考慮環(huán)境因素的車輛排放研究仍然還處于起步階段.由于車輛行駛環(huán)境的多樣性,導致汽車排放的尾氣具有復雜的非線性、時變性和隨機性等特征.作為一種非線性數(shù)據(jù)分析工具,功效函數(shù)被廣泛應用于數(shù)據(jù)分析的各個領(lǐng)域,并取得良好的應用效果.本文提出一種基于功效函數(shù)的車輛排放對大氣污染評估方法.該方法通過功效函數(shù)將高維的排放數(shù)據(jù)映射到一個特征空間,綜合測度車輛排放對大氣的污染.

1　車輛排放對大氣污染的測定機理

持續(xù)增長的汽車保有量給城市發(fā)展帶來了許多問題,如交通擁堵、交通安全、環(huán)境污染等,其中車輛排放所引起的環(huán)境污染問題更為突出.在綜合分析國內(nèi)外已有研究成果的基礎(chǔ)上,本文把車輛排放的污染物分為2類,即氣體污染物和固體污染物,并構(gòu)建車輛排放對環(huán)境污染的測定指標體系，如圖1所示.

圖1　車輛排放對大氣污染的測定指標體系

我國的車輛排放法規(guī)是借鑒歐盟排放法規(guī)來制定的.參考我國制定的《大氣污染物綜合排放標準》,本文提出車輛排放的限值,如表1所示.

表1　車輛排放限值　g/km

1.1車輛排放對大氣污染的單因子測度方法

由于目前我國的大氣污染排污測定尚處于理論探討和試點階段,且主要針對SO2和CO2,故而缺乏可行性.本文參考我國排污費征收標準管理辦法,計算車輛排放到大氣中的氣體污染物和固體污染物質(zhì)量.

1.1.1氣體污染物的單因子測度方法

通過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),氣體排放物測定時,排放的氣體質(zhì)量和測量到的排氣體積成正比.車輛的氣體污染物排放量計算公式為

(1)

式中,Mgas,i為氣體污染物i的排放量,g/km;Vmix為標準狀態(tài)下流經(jīng)顆粒物濾紙的排氣容積,m3;Qi為在標準溫度和壓力下污染物i的密度,g/L;α為計算NOX排放質(zhì)量的濕度修正系數(shù);Ci為稀釋排氣中污染物i的質(zhì)量濃度,用稀釋空氣中所含污染物i的含量進行修正,10-6;d為車輛運行的實際距離,km;i=1,2,3,4分別表示氣體污染物COX,THC,NOX和SOX.

1.1.2固體污染物的單因子測度方法

一定里程內(nèi)排放固體污染物數(shù)量和采集的排氣體積成正比,和標準狀態(tài)下測量到的固體污染物粒子濃度成正比,并和固體污染物儀器的標定系數(shù)、揮發(fā)性粒子的平均揮發(fā)系數(shù)有關(guān).車輛的固體污染物排放量計算公式為

(2)

式中,Msolid,i為固體污染物的排放量,g/km;Vep為標準狀態(tài)下稀釋排氣的容積,m3;i=5,6,7分別表示固體污染物Pb、顆粒物和硫化物.

1.2車輛排放對大氣污染的綜合測度方法

為了計算車輛排放對大氣污染的嚴重程度,需要對多種污染物進行綜合測度,得到污染控制的決策依據(jù).本文從氣體和固體角度分別計算車輛排放對大氣污染的綜合測度值.

1.2.1車輛排放氣體污染物的綜合測度方法

基于圖1中車輛排放對大氣污染的測定指標體系,車輛排放到大氣中的氣體污染物質(zhì)量為

Pgas=w1m(COX)+w2m(THC)+w3m(NOX)+

w4m(SOX)

(3)

式中,m(COX),m(THC),m(NOX),m(SOX)分別為車輛的COX,THC,NOX和SOX的排放質(zhì)量,kg;w1,w2,w3和w4分別為COX,THC,NOX和SOX的效果系數(shù),采用改進的層次分析法進行確定[16].

1.2.2車輛排放固體污染物的綜合測度方法

基于圖1中車輛排放對大氣污染的測定指標體系,車輛排放到大氣中的固體污染物質(zhì)量為

Psolid=λ1m(Pb)+λ2m(顆粒物)+λ3m(硫化物)

(4)

式中,m(Pb)、m(顆粒物)、m(硫化物)分別為車輛的Pb、顆粒物和硫化物的排放質(zhì)量,kg;λ1,λ2,λ3分別為Pb、顆粒物和硫化物的效果系數(shù),同樣采用改進的層次分析法進行確定.

2　基于功效函數(shù)的車輛排放測度模型

功效函數(shù)是按目標值的“好”或“壞”(即功效)設(shè)計出對各個目標評價的標準,即給出功效函數(shù).這種通過各目標的功效函數(shù)進行求解的方法,稱作功效函數(shù)法.本文將利用功效函數(shù)來研究車輛排放對大氣污染的量化問題.

2.1車輛排放對大氣污染的測定原理

依據(jù)圖1,將7個測度指標作為車輛排放對大氣污染的測度目標函數(shù).則有如下定義:

定義1車輛排放對大氣污染測度目標函數(shù)fi的功效函數(shù)為di=di[fi],i=1,2,…,7.

定義2車輛排放對大氣污染測度的單調(diào)函數(shù)di[fi]在[0,1]中取值,并規(guī)定

(5)

則各目標函數(shù)fi的最小值和最大值定義如下:

(6)

為了建立車輛排放測定的數(shù)學模型,使車輛排放多目標問題變得簡單化,把車輛排放對大氣污染問題中的各目標利用線性函數(shù)進行轉(zhuǎn)化,得到車輛排放對大氣污染測度的功效函數(shù).

考慮極大幾何平均功效的情況下,構(gòu)造直接求解模型的評價函數(shù),即車輛排放對大氣污染測度的功效函數(shù)為

(7)

2.2基于功效函數(shù)的車輛排放對大氣污染測度算法

基于功效函數(shù)的測度模型適合用于車輛排放對大氣污染的量化問題研究.該模型計算過程如下:

① 依據(jù)式(6),可求得車輛排放對大氣污染測度各目標函數(shù)的最小值和最大值.

② 利用求得的各目標最小值和最大值,構(gòu)建各目標的功效函數(shù).

③ 依據(jù)定義3,得到各功效函數(shù)的計算值.

④ 依據(jù)式(3)、(4),分別獲得固體污染的量化值和氣體污染的量化值.

⑤ 依據(jù)綜合測度模型,得到車輛排放對大氣污染的綜合測度值.

3　案例分析

課題組于2015年6月對江蘇省某段高速公路進行調(diào)查分析,獲得了大量有關(guān)車輛排放對大氣污染的數(shù)據(jù).本文在對這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上,利用功效函數(shù)進行定量測度研究.

依據(jù)式(6),計算得到江蘇省某段高速公路車輛排放對大氣污染測度各目標函數(shù)的最小值和最大值,見表2.依據(jù)式(1),得到江蘇省某段高速公路車輛排放對大氣污染的氣體污染物測度值為

f1=8.32×10-2g/km,f2=8.01×10-2g/km

f3=7.12×10-2g/km,f4=4.68×10-2g/km

依據(jù)式(2),得到江蘇省某段高速公路車輛排放對大氣污染的固體污染物測度值為

f5=6.27×10-5g/km,f6=2.73×10-3g/km

f7=4.09×10-4g/km

依據(jù)式(3),得到江蘇省某段高速公路車輛排放的氣體污染物綜合測度值為Pgas=79.83 g.依據(jù)式(4),得到固體污染物綜合測度值為Psolid=2.633 1 g.

依據(jù)式(7),得到車輛排放對大氣污染測度模型的最佳值為G(f(x))=7.35×10-4.

表2　車輛排放測度目標函數(shù)的考察值　g/km

因此,從減排成本效益角度,江蘇省某段高速公路車輛排放基本屬于中等水平,對大氣污染有一定影響,特別是固體污染物(容易產(chǎn)生霧霾)對環(huán)境影響較大.

4　結(jié)語

從大數(shù)據(jù)的角度研究汽車尾氣污染的評估問題是一個新的研究方向.本文在探索車輛排放具有的內(nèi)在規(guī)律基礎(chǔ)上,利用功效函數(shù)構(gòu)造從微觀車輛排放單因子測度到車輛排放綜合測度的函數(shù)模型,實現(xiàn)車輛排放對大氣污染的定量測度.研究成果為改善空氣質(zhì)量、減少大氣污染、建設(shè)低碳交通提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐,而且也為車輛排放的相關(guān)研究提供了新方法.

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第46卷第4期2016年7月7月東南大學學報(自然科學版)JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITY (Natural Science Edition)Vol.46No.4July 2016

Comprehensive measure model for air pollution due to vehicle emissions

Hu Qizhou1Wu Peng1Deng Wei2Zhu Yun1

(1School of Automation, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China) (2School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China)

The efficacy influence function was used to monitor air pollution due to vehicle emissions. The vehicle emission intensities at different locations were measured to construct the function formula of the vehicle emission intensity for the purpose of studying the spatial-temporal correlation of vehicle emissions under certain traffic conditions. On this basis, the emission factors of various emissions for every vehicle were obtained, and the determination method for vehicle emissions was constructed. Based on the analysis on the characteristics and laws of vehicle emissions, the measurement index system of vehicle emissions was constructed, a comprehensive measurement model for vehicle emissions was proposed by using the efficacy influence function, and the measurement method for vehicle emissions was set up. The application results show that the model can define the measurements of vehicle emissions on air pollution and assess the level of vehicle emissions. It also has good guiding significance and practical value for solving the pollution control of vehicle emissions.

vehicle emissions; pollutant; measure model; efficacy influence function

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.035

2016-01-18.作者簡介: 胡啟洲(1975—),男,博士,副教授,qizhouhu@163.com.

國家自然科學基金資助項目(51178157,51208256)、國家統(tǒng)計科研計劃資助項目(2012LY150)、中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(30916011338).

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.04.035.

TP311

A

1001-0505(2016)04-0884-04

引用本文: 胡啟洲,吳鵬,鄧衛(wèi),等.車輛排放對大氣污染的綜合測度模型[J].東南大學學報(自然科學版),2016,46(4):884-887.