唐天杰，陸 鍵，張 弛，張文丹，張 毅

（1.江蘇省無(wú)錫市公路管理處，江蘇 無(wú)錫 214031；2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3.上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司,上海 200125；4.上海市交通港航發(fā)展研究中心，上海 200030；5.上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

目前交通的粗獷型發(fā)展已為全球氣候帶來(lái)較大壓力，降低交通排放、走持續(xù)發(fā)展的道路已成為交通發(fā)展的必然選擇。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于綠色交通的研究大都是基于交通流特征（自由流、穩(wěn)定流上限、穩(wěn)定流下限、飽和流）、路網(wǎng)規(guī)劃與管理、道路設(shè)施、車的性能以及燃油等方面來(lái)探討公路的排放。本文選出影響公路交通尾氣排放的關(guān)鍵因素——限速來(lái)進(jìn)行具體分析。本文研究的交通尾氣包括：常規(guī)車輛排氣污染物（CO、HC和NOx）。研究首先要建立車輛尾氣的量化排放計(jì)算模型，繼而才能確定不同研究因素對(duì)于車輛排放的影響。分析國(guó)內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，車輛排放計(jì)算模型和交通仿真模型的結(jié)合是目前應(yīng)用比較廣泛，且比較適合我國(guó)國(guó)情的方法。因此，本文的研究依托工具為：基于PEMS-OBEAS-3000（Portable Emission Measurement System）所采集的數(shù)據(jù)和機(jī)動(dòng)車比功率VSP（Vehicle Specific Power）概念所建立的排放計(jì)算模型和公路交通仿真模型：VISSIM（Verkehr In St?dten-SIMulationsmodell）。

1 研究綜述

20世紀(jì)70年代末，由美國(guó)環(huán)保署EPA提出MOBILE（Mobile Source Emissions Factor）模型，是比較早期的交通排放模型，可以預(yù)測(cè)CO2、CO、 HC、NOx和顆粒物PM（Particulate Matter）等的排放［1］。而EPA開發(fā)的MOVES（Motor Vehicle Emission Simulator）模型，是現(xiàn)今比較成熟的以大量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的綜合性排放模型［2-4］。20世紀(jì)90年代末，加州大學(xué)河濱分校的Matthew Barth［5］教授等人也研究開發(fā)了綜合型式的排放模型 CMEM（Comprehensive Modal Emissions Model）。它可以處理以秒為單位的瞬時(shí)速度和瞬時(shí)加速度下的尾氣排放，能夠與像VISSIM這樣的微觀交通仿真模型結(jié)合使用。

車載尾氣檢測(cè)系統(tǒng)PEMS廣泛應(yīng)用于車輛排放的研究，PEMS可以逐秒檢測(cè)收集現(xiàn)實(shí)世界中行駛車輛的排放物、行駛工況和車速變化等信息［6-7］。由美國(guó)CATI公司開發(fā)的MOTANA OEM-2100 系統(tǒng)、SENSORS公司研發(fā)的SEMTECH-DG系統(tǒng)和由日本HORIBA 公司開發(fā)的OBS-2000系統(tǒng)是較為權(quán)威和具有代表性的系統(tǒng)［8］。

Jimenez-Palacios［9］指出，車輛的瞬時(shí)排放與其輸出功率（例，車輛比功率，單位kw/ton）高度相關(guān)。車輛比功率表示機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)克服空氣動(dòng)力阻力，輪胎滾動(dòng)阻力和道路坡度等所需要輸出的功率。VSP可以反映車輛瞬時(shí)駕駛模式下逐秒的排放，而其本身則可以通過(guò)車輛的瞬時(shí)速度、加速度和道路坡度等信息進(jìn)行計(jì)算［10］。

目前，車輛比功率已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在車輛排放的計(jì)算和預(yù)測(cè)上［11］。Christopher［12］等利用車輛比功率開發(fā)模型來(lái)研究不同車輛因素、道路條件和交通狀況等對(duì)公交車油耗的影響；Silva［13］等建立了基于車輛比功率的燃油消耗模型。

在我國(guó)，關(guān)于排放計(jì)算模型的研究相對(duì)較少，目前還沒(méi)有建立起普遍適用于中國(guó)國(guó)情的車輛排放計(jì)算模型。王云鵬等［14］利用PEMS得到長(zhǎng)春市車輛在不同工況下的排放速率于雷等［15］利用數(shù)學(xué)模型描述不同交通狀態(tài)下VSP分布的可能性，該模型可以有效地與交通數(shù)據(jù)或模型相結(jié)合，繼而量化分析車輛的燃油消耗和其本身尾氣排放之間的關(guān)系。

在道路限速與排放方面，王軼［16］發(fā)現(xiàn)在排放方面，輕型車對(duì)CO和HC的排放量貢獻(xiàn)較大，整體排放隨限速值增大而升高。張翊［17］則運(yùn)用TSIS-CORSIM軟件研究給出城市主干路的合理的限速值范圍。Ahn［18］利用MOBILE和 TRANSIMS得出限速值的具體變化對(duì)排放物排放量的減少值。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于限速方面的研究主要集中于限速對(duì)于排放的影響，并沒(méi)有以減排為目標(biāo)來(lái)獲取公路網(wǎng)的最佳限速值。因此本文通過(guò)大規(guī)模檢測(cè)數(shù)據(jù)，研究公路網(wǎng)的最佳限速值，以獲得最少的交通尾氣排放（CO，HC和NOx），該研究有利于限速政策的制訂。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)域

文章研究區(qū)域信息如表1所示。

表1 研究區(qū)域信息

2.2 微觀仿真模型

本文使用的版本為VISSIM（4.3版）。PTV-VISSIM由德國(guó)的PTV公司研究生產(chǎn)的，它是一種微觀的、基于時(shí)間間隔（0.1 s時(shí)間為步長(zhǎng)）和駕駛行為的仿真建模工具，可以研究不同的交通運(yùn)行情況。另外，VISSIM可為用戶提供2D或3D圖形化的界面。 VISSIM中模型中關(guān)于機(jī)動(dòng)車行駛期間的縱向運(yùn)動(dòng)，是采用了Wiedemann于1974年建立的涉及到心理和生理的跟車模型。該模型的基本思路是：車輛的駕駛員根據(jù)其與前面的車輛的距離來(lái)調(diào)整自己的車速。

本文根據(jù)無(wú)錫市公路局提供的道路幾何線型資料和交叉口信號(hào)燈配時(shí)信息結(jié)合實(shí)地觀測(cè)的交通流量，利用VISSIM建立了研究對(duì)象的仿真路網(wǎng)。最后從車輛記錄的配置參數(shù)中選擇了需要的14個(gè)參數(shù)進(jìn)行輸出。

2.3 基于排放測(cè)試的排放模型

2.3.1 車載排放設(shè)備

本文案例地區(qū)機(jī)動(dòng)車尾氣的實(shí)時(shí)實(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集設(shè)備，采用的是國(guó)內(nèi)的廈門通創(chuàng)的OBEAS-3000系統(tǒng)。OBEAS-3000便攜式排放測(cè)試儀，具有集成化、高精度的特點(diǎn)，是測(cè)試實(shí)際道路行駛工況下的輕型車、重型車和其他機(jī)動(dòng)車等的有利工具。

在實(shí)地測(cè)試時(shí)，將設(shè)備連接完畢，在測(cè)試前要首先進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定，同時(shí)需要處理數(shù)據(jù)延時(shí)情況，并剔除異常數(shù)據(jù)。由此得到可用的車輛行駛中的排放的真實(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)而建立較為精確的機(jī)動(dòng)車排放計(jì)算模型，為本文后續(xù)的研究打下基礎(chǔ)。

2.3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于車輛種類眾多，因?yàn)樾枰业杰囕v選擇的依據(jù)，根據(jù)無(wú)錫市相關(guān)政府部門（公路管理處）提供的在類似時(shí)間段預(yù)檢車輛信息，分析出車重0~10 t的車輛占約80%，10~30 t車輛占約20%，故選取如表2所示的車輛。

表2 試驗(yàn)車輛基本信息

2.3.3 排放模型和VSP區(qū)間

在1999年，Jimenez-Palacios［9］給出VSP的概念，用以分析車輛排放與駕駛行為間的關(guān)系。本文通過(guò)VSP將車輛信息和道路信息與機(jī)動(dòng)車尾氣排放建立聯(lián)系，并給VSP分化區(qū)間，將車輛排放與其各個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)起來(lái)，建立基于PEMS和VSP的排放計(jì)算模型。

為了更好地理解VSP的排放特性，VSP值通常被劃分到不同的區(qū)間，同一個(gè)區(qū)間內(nèi)的尾氣排放量取平均值［14］。通過(guò)2.3.2排放試驗(yàn)，共有超過(guò)16 000組有效數(shù)據(jù)收集上來(lái)，95.3%的數(shù)據(jù)落在［-20，20］的VSP區(qū)間內(nèi)。本文借鑒Frey［19］提出的區(qū)間劃分原則，此原則主要考慮以下3點(diǎn)：各比功率區(qū)間排放分擔(dān)率的均衡問(wèn)題、各區(qū)間排放速率的差異性和將相鄰比功率歸納落在相同或相鄰的區(qū)間內(nèi)。

在VSP的計(jì)算公式方面，對(duì)于輕型車，研究成果較為廣泛，以美國(guó)環(huán)境保護(hù)局為代表，對(duì)其計(jì)算公式中的各個(gè)系數(shù)的取值認(rèn)識(shí)都比較一致［20］，取值后簡(jiǎn)化為公式（1）；

式中：VSP為比功率；v為瞬時(shí)車速；a為瞬時(shí)加速度；grade為坡度；m為車重。

對(duì)于重型車，由于車輛本身的物理性質(zhì)、燃油等因素，其VSP公式中各種系數(shù)的取值均與輕型車有較大的差異，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外并沒(méi)有較為權(quán)威或者較為統(tǒng)一的重型車的VSP計(jì)算公式。國(guó)際上，2001年，Andrei對(duì)重型車的VSP計(jì)算公式進(jìn)行了相應(yīng)的參數(shù)標(biāo)定，并獲得了一定的研究成果［21,22］。而在國(guó)內(nèi)，針對(duì)我國(guó)國(guó)情，2011年，王宏圖等人探討了適合我國(guó)重型車的比功率計(jì)算方法，并針對(duì)重型車的車重，將車輛分為不同區(qū)間，每個(gè)區(qū)間都有各自對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式［23］。綜合以上研究，將系數(shù)取值簡(jiǎn)化后為公式（2）。

將輕型車的每條有效數(shù)據(jù)的速度和加速度代入公式（1）、將重型車的每條有效數(shù)據(jù)的速度、加速度和車重等代入公式（2），計(jì)算每條數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的VSP值。對(duì)所得到的VSP值統(tǒng)計(jì)分析，可看到數(shù)據(jù)的頻數(shù)分布情況如圖1所示。

圖1 VSP的頻數(shù)分布情況

研究發(fā)現(xiàn)隨著比功率的增加，無(wú)論是輕型車還是重型車，其污染物質(zhì)量排放率均呈現(xiàn)出波動(dòng)上漲的趨勢(shì)?；诒裙β剩捎门欧欧謸?dān)率均衡的建模原則，劃分了10個(gè)比功率區(qū)間，建立了輕型車和重型車CO、HC和NOx的量化排放模型。輕型車和重型車的VSP的BIN區(qū)間所對(duì)應(yīng)CO、HC和NOx質(zhì)量排放率如表3和表4所示。

表3 輕型車VSP的BIN區(qū)間所對(duì)應(yīng)的尾氣排放率

表4 重型車VSP的BIN區(qū)間所對(duì)應(yīng)的尾氣排放率

3 仿真結(jié)果分析

3.1 仿真方案設(shè)置

S342限速80 km/h，其相交道路路振胡路、錫陸路限速60 km/h。仿真設(shè)置時(shí)，設(shè)置S342限速50~90 km/h，振胡路、錫陸路限速30~70 km/h， 兩組限速變化間隔均為5 km/h。不同限速對(duì)應(yīng)不同的期望車速，見表5。

3.2 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖2所示。污染氣體隨限速值增加而產(chǎn)生的變化趨勢(shì)，即先減后增。且不同污染氣體對(duì)應(yīng)的最低點(diǎn)不同，CO最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)80 km/h限速，而HC和NOx的最優(yōu)限速值為75 km/h。

圖2 污染氣體排放量與限速關(guān)系

3.3 結(jié)果分析

研究通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析不同限速下的汽車尾氣排放量，得出了交通車輛排放污染物與道路限速之間的關(guān)系，具體值如表6所示。

表6 主路限速變化對(duì)應(yīng)的污染氣體排放量和行駛里程

首先分析CO的情況，可以看到，仿真時(shí)間相同，在限速不斷增加的同時(shí)，CO的排放量“先減后增”，而行駛里程則一直增加。原因?yàn)樵谳^低的限速情況下，車輛燃油燃燒不充分，氧氣不足或局部低溫而生成較多的中間產(chǎn)物CO。而當(dāng)限速值不斷提高之后，燃料和空氣混合逐漸均勻，缸體內(nèi)溫度逐漸提升，CO排放量逐漸減少。同時(shí)不能忽視的是，限速值的提升使得平均車速提高，車輛加減速活動(dòng)頻繁，對(duì)比限速值為50 km/h和90 km/h的兩個(gè)場(chǎng)景，可以看到，加速度大于2 m/s2或小于-2 m/s2的比例分別為2.18%和5.39%，CO總排放量從限速值75 km/h場(chǎng)景開始逐漸增加。限速值從75 km/h提高至80 km/h時(shí)，CO排放總量的增速小于行駛里程的，而80 km/h到90 km/h區(qū)間，CO排放總量的增速大于行駛里程的，所以80 km/h成了CO污染物的最佳限速值點(diǎn)。

HC排放主要是由于缸內(nèi)混合氣過(guò)濃、過(guò)稀或局部混合不均引起燃燒不完全而導(dǎo)致的，造成燃燒不完全的因素大致有混合氣的質(zhì)量、發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行條件、燃燒室結(jié)構(gòu)參數(shù)及點(diǎn)火與配氣正時(shí)等，其產(chǎn)生機(jī)理和變化規(guī)律均較為復(fù)雜。其中空燃比對(duì)HC排放濃度的影響較大。本研究得出的HC排放量與NOx變化情況較為接近，分析如下。

NOx污染物的生成機(jī)理也較為復(fù)雜，受溫度、氧濃度、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、轉(zhuǎn)速等因素影響。本研究得出的NOx排放量在限速不斷增加的同時(shí)，NOx的排放量“先減后增”。首先解釋一下“先減”，為了確保研究的嚴(yán)謹(jǐn)性，限速值的下限設(shè)置較低，導(dǎo)致最開始排放較大，車速提升之后，燃燒逐漸充分，排放逐漸下降；“后增”則是因?yàn)橄匏倏刂铺?，車輛速度變化會(huì)增大，即加減速增多，而加速度變化是影響汽車排放的關(guān)鍵因素，所以會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)。

因此，針對(duì)車輛排放，應(yīng)采用可變限速，即最優(yōu)的限速取值應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w的路況環(huán)境設(shè)置；且車輛不同的排放氣體對(duì)應(yīng)的最優(yōu)限速值也不盡相同，需要的時(shí)候可以分開逐一對(duì)應(yīng)的去考慮。

4 結(jié)論

本文通過(guò)結(jié)合微觀仿真模型和瞬時(shí)排放模型研究了公路限速和交通排放的關(guān)系，探討了以減排為目標(biāo)的最優(yōu)限速值設(shè)置。研究結(jié)果表明，在研究選定的路段，不同限速值對(duì)應(yīng)不同的排放量，CO，HC和NOx排放最低點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)的限速值為80、75、75 km/h。本文為政府工作部門提供了一套以減排為目標(biāo)來(lái)制定限速政策的研究方法，具有實(shí)際的操作意義。

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