許曉秦，任朝陽(yáng)，邱兆文

(長(zhǎng)安大學(xué)，西安 710064)

道路平面交叉口是城市交通網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)，交叉口處機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車、行人最為集中，交通狀況比較復(fù)雜，常常發(fā)生交通擁堵。機(jī)動(dòng)車作為交叉口交通流的重要組成部分，在此狀態(tài)下行駛時(shí)運(yùn)行工況頻繁變化，導(dǎo)致路網(wǎng)運(yùn)行效率降低，并造成大氣污染、噪音污染以及資源浪費(fèi)[1]。中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院丁焰[2]等進(jìn)行的汽車污染物排放特性研究指出，機(jī)動(dòng)車運(yùn)行過(guò)程中平均車速的變化對(duì)各種污染物的排放量有著直接的影響，道路擁擠，機(jī)動(dòng)車平均行駛速度下降，使得CO、HC污染物排放量增加。因此，疏導(dǎo)交通、提高車速是減少CO、HC排放的有效手段；但與此同時(shí)，會(huì)造成NOx排放量的增高，空氣中NOx濃度超標(biāo)已經(jīng)是我國(guó)一些大城市普遍的污染現(xiàn)狀。Kai Zhang等[3]將機(jī)動(dòng)車在施工區(qū)，高峰時(shí)間和暢通情況下的排放情況進(jìn)行對(duì)比。尚大偉[4]等對(duì)交通擁堵狀態(tài)下信號(hào)交叉口的車輛運(yùn)行特性進(jìn)行了研究，從車輛在信號(hào)交叉口的到達(dá)特性，停車特性，排隊(duì)與延誤情況等方面分析了產(chǎn)生這些車流現(xiàn)象的原因，并針對(duì)此提出了改善交通狀態(tài)的措施，但并沒有進(jìn)一步研究運(yùn)行特性對(duì)機(jī)動(dòng)車排放的影響。

本文在以上研究提供的方法及理論的基礎(chǔ)上，將信號(hào)交叉口交通擁堵狀況下的車輛排放作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)西安市小寨典型信號(hào)交叉口交通及氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，分析車輛運(yùn)行模式分布規(guī)律，運(yùn)用高分辨率排放模型MOVES對(duì)排放狀況進(jìn)行測(cè)算。根據(jù)測(cè)算結(jié)果分析污染物總量變化，各類污染物的變化情況，信號(hào)交叉口機(jī)動(dòng)車運(yùn)行特性對(duì)污染物排量的影響。以期更好的為交通管控、交通組織提供理論依據(jù)，有效地緩解信號(hào)交叉口交通擁堵，提高路網(wǎng)運(yùn)行效率，減少污染物的排放。

1 研究方法

1.1 MOVES模型

MOVES(Motor Vehicle Emission Simulator)模型[5]是由美國(guó)EPA的OTAQ(Office of Transportation and Air Quality)組織開發(fā)的集宏觀、中觀、微觀為一體的基于機(jī)動(dòng)車比功率(VSP， Vehicle-Specific Power)原理的機(jī)動(dòng)車尾氣排放量化模型。VSP[6]綜合考慮了機(jī)動(dòng)車動(dòng)能和勢(shì)能的變化，克服車輛滾動(dòng)阻力及空氣阻力做功等。VSP公式如式(1)所示：

(1)

簡(jiǎn)化后如式(2)所示：

VSP=v(1.1a+0.132)+0.302×10-3v3

(2)

式中，v為車速；a為加速度。

在城市道路交叉口路段，多向交通流在此匯集，車型比較復(fù)雜。對(duì)于大巴、公交車等重型車輛，由于機(jī)動(dòng)車質(zhì)量(M)、車輛的風(fēng)阻系數(shù)(CD)、迎風(fēng)面積(A)等與輕型車存在很大的差異，因此，輕型車VSP計(jì)算公式(2)不能用于重型車的VSP計(jì)算。2001年，Andrei在研究重型車排放的建模過(guò)程中綜合考慮了重型車與輕型車在車重、尺寸等方面的差異，將公式(2)針對(duì)重型車輛進(jìn)行了參數(shù)標(biāo)定，從而得到了相應(yīng)的重型車VSP計(jì)算公式(3)，得到了相關(guān)學(xué)者的認(rèn)可。

VSP=v(a+0.091 99)+0.169×10-3v3

(3)

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析VSP變量和與之相對(duì)應(yīng)的排放數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，相同VSP所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)離散度很大，難以準(zhǔn)確得出兩者之間的聯(lián)系。為了更加準(zhǔn)確的研究VSP與機(jī)動(dòng)車排放之間的關(guān)系，F(xiàn)rey[7]等提出了VSP聚類方法，將VSP按照一定的間隔劃分成不同的Bin區(qū)間，以每個(gè)VSP Bin下的瞬時(shí)排放率的均值作為該區(qū)間的機(jī)動(dòng)車排放率。MOVES模型根據(jù)VSP和速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將機(jī)動(dòng)車所有的VSP分成了23個(gè)Bin，即23個(gè)運(yùn)行工況區(qū)間。機(jī)動(dòng)車活動(dòng)信息分布到不同的運(yùn)行模式區(qū)間上，MOVES給每一個(gè)唯一的排放源和運(yùn)行模式組合分配一個(gè)排放率，以計(jì)算該運(yùn)行模式下的排放，然后修正溫度、空調(diào)狀況、燃油等因子，得到總排放率，如式(4)所示。MOVES具有以下特點(diǎn)：基于MySQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建、具有替代燃料和車輛類型、計(jì)算排放因子和總排放清單、評(píng)估能源消耗、模擬計(jì)算多種污染物和各種排放過(guò)程。

總排放process, source type=(∑排放速率process, bin×行駛特征Bin)×調(diào)整因子process

(4)

式中，process為排放過(guò)程，source type為排放源類型；Bin為排放源和工況區(qū)間。

1.2 數(shù)據(jù)調(diào)查

2016年5月26日(周二)、31日(周日)的8:00～9:00、12:00～13:00、18:00～19:00 3個(gè)時(shí)段在小寨十字進(jìn)行交通量調(diào)查、車速調(diào)查和氣象數(shù)據(jù)調(diào)查, 天氣狀況均為良好。交通量調(diào)查采用人工計(jì)數(shù)法，車速調(diào)查采用追蹤法，在長(zhǎng)安中路從長(zhǎng)安立交出發(fā)，向小寨方向的1 000多米范圍內(nèi)開展GPS數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)，儲(chǔ)存在電腦上的數(shù)據(jù)可以導(dǎo)入Google Earth軟件，查看試驗(yàn)車輛的行車軌跡以及瞬時(shí)速度。氣象數(shù)據(jù)利用便攜式氣象站獲得。

對(duì)采集的交通量數(shù)據(jù)按需求進(jìn)行處理后，剔除了部分偏差較大的數(shù)據(jù)。5月26日8:00～9:00、18:00～19:00是上下班高峰期，交通量大，中午明顯減少。5月26日的車流量總體高于5月31日，因?yàn)?月31日是周末，沒有上下班高峰，三個(gè)時(shí)段交通量變化不大。故本文選取5月26日早高峰進(jìn)行研究，這時(shí)擁堵比較嚴(yán)重，機(jī)動(dòng)車運(yùn)行工況頻繁變化，有利于分析評(píng)估。

研究路段小轎車最多，其次是公交，中巴，垃圾車，小貨車偶爾有之。小轎車和小貨車是汽油車，公交車使用壓縮天然氣，中巴和垃圾車是柴油車。

將GPS測(cè)得的車速數(shù)據(jù)剔除異常值，進(jìn)行質(zhì)量控制后，通過(guò)EXCEL軟件對(duì)原始速度進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后計(jì)算逐秒加速度。

2 機(jī)動(dòng)車運(yùn)行模式分布

運(yùn)用運(yùn)行模式分布測(cè)算車輛排放相對(duì)于基于平均速度以及行駛周期的測(cè)算結(jié)果更加詳細(xì)準(zhǔn)確，同時(shí)將平均速度或者行駛周期作為交通參數(shù)輸入MOVES模型后，最終還是要轉(zhuǎn)換為運(yùn)行模式分布進(jìn)行計(jì)算[8]。因此，本文選擇運(yùn)行模式分布作為本地化的交通參數(shù)輸入。

根據(jù)信號(hào)交叉口擁堵狀態(tài)下機(jī)動(dòng)車運(yùn)行工況將整個(gè)運(yùn)行過(guò)程劃分為6個(gè)Link，其長(zhǎng)度分別為340 m、170 m、30 m、20 m、310 m、170 m，如圖1所示。圖中，Link1是在道路通暢的情況下的車速變化，Link2是前方有擁堵發(fā)生，所以機(jī)動(dòng)車慢慢減速的過(guò)程，Link3是因?yàn)榍胺綋矶聦?dǎo)致暫時(shí)怠速等候，Link6是機(jī)動(dòng)車緩慢向前移動(dòng)的過(guò)程，Link4表示機(jī)動(dòng)車運(yùn)行到了前方擁堵路段，停車等候，Link5是擁堵緩解，機(jī)動(dòng)車加速通過(guò)。

圖1 Link劃分依據(jù)

利用式(2)計(jì)算對(duì)應(yīng)的VSP，按照運(yùn)行模式分布表中的VSP以及對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度區(qū)間，分別統(tǒng)計(jì)各路段OpMode ID的數(shù)量，得到各個(gè)路段不同OpMode ID所占的比例，該比例就是擁擠狀態(tài)下運(yùn)行模式分布比例。圖2給出了部分輕型車在Link1、Link2、Link3的運(yùn)行模式分布，其他Link和重型車的運(yùn)行模式分布數(shù)據(jù)處理方法相同，此處不再贅述。

圖2 部分輕型車運(yùn)行模式(Op Mode)分布

3 排放評(píng)估結(jié)果與分析

3.1 排放結(jié)果

在運(yùn)用運(yùn)行模式分布研究交叉口車輛排放的過(guò)程中，對(duì)模型所需要輸入的交通參數(shù)(運(yùn)行模式分布)、車型比例、車齡分布、氣象參數(shù)(溫度、濕度)、燃油等參數(shù)按照西安市實(shí)際情況進(jìn)行了本地化修正。但是，由于開發(fā)MOVES的宗旨是為美國(guó)量身定做的，在進(jìn)行機(jī)動(dòng)車排放測(cè)算的過(guò)程中無(wú)法將所需要輸入的參數(shù)全面的本地化。同時(shí)，由于美國(guó)的I/M制度以及汽車排放標(biāo)準(zhǔn)與中國(guó)存在一定的差異，通過(guò)對(duì)比中美兩國(guó)現(xiàn)行的輕型車和重型車的排放標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，中國(guó)的機(jī)動(dòng)車排放標(biāo)準(zhǔn)限值要比美國(guó)落后3～5年，因此運(yùn)用MOVES模型進(jìn)行測(cè)算時(shí)，可以通過(guò)提前3～5年作為模擬年來(lái)縮小由于排放法規(guī)的不同帶來(lái)的排放差異，使測(cè)算結(jié)果更加接近我國(guó)機(jī)動(dòng)車實(shí)際排放狀況，本文選擇2011年作為模擬年。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 總量分析

整個(gè)研究路段，包括暢通和擁堵情況下，CO排量最大，NOx、HC相對(duì)于CO排放量較少，PM10和PM2.5排放量最少。

汽油車排放物中有較多的CO、HC，而顆粒物排放低，NOx排放與柴油車基本相同。柴油車排放的顆粒物和NOx較多，而CO和HC較少，結(jié)合表1車型比例和汽油車、柴油車的排放特點(diǎn)，可以解釋此路段各種污染物的排放量產(chǎn)生差異的現(xiàn)象。

3.2.2 各種污染物變化

NOx、PM10、PM2.5、HC、CO五種污染物各自的變化情況，可以通過(guò)計(jì)算各污染物擁堵情況相對(duì)于暢通情況下的排量增幅來(lái)分析。如圖4所示。

圖4 各污染物排量增幅

通過(guò)分析各污染物排量增幅，可以得出擁堵狀況對(duì)HC和PM10的影響最大，其次是PM2.5， NOx和CO的影響較小。HC和NOx在陽(yáng)光作用下發(fā)生反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生光化學(xué)煙霧，導(dǎo)致能見度下降，PM10和PM2.5直接影響人的呼吸系統(tǒng)健康，CO和NO2濃度達(dá)到一定濃度值后，會(huì)對(duì)人的身體健康造成影響。所以，交通擁堵緩解，首先能夠很有效地減少光化學(xué)煙霧，其次能夠有效減少顆粒物的排放，降低呼吸道疾病的發(fā)病率。(注：各類污染物排放量在通暢情況下和擁堵情況下的評(píng)估條件是一致的，增幅是一個(gè)相對(duì)值，可以用來(lái)粗略比較各污染物的變化情況)。

3.2.3 各階段分析

根據(jù)圖3所示的速度變化趨勢(shì)，研究發(fā)現(xiàn)：

(1) 紅燈亮，機(jī)動(dòng)車停車等候時(shí)(Link3、Link 4)，各污染物的排放量最大，同時(shí)，Link4代表的擁堵路段比Link3路段各污染物排放量大。

(2) Link1是通暢情況，Link5是綠燈初亮擁堵得以緩解后的情況，兩者均有加速過(guò)程，但是擁堵緩解后，加速階段各種污染物排放量比通暢情況下的大。

(3) Link6是機(jī)動(dòng)車隨車流緩緩前行，此過(guò)程交替伴隨加速減速，各污染物的排量同通暢情況下的排量差異不大，但高于純減速過(guò)程。

結(jié)合速度變化趨勢(shì)分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：

(1) 機(jī)動(dòng)車怠速等候時(shí)，怠速工況下污染物排放濃度較大，同時(shí)等待的車輛多、時(shí)間長(zhǎng)，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣量也比較大，造成污染物排放總量大。Link4路段相比Link3路段排放量大，初步分析，一方面，由于擁堵路段上游等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，部分車輛短暫熄火；另一方面，由于Link6路段車輛緩慢前行，不按車道行駛，見縫就插，造成車流密度大。

(2) 在道路通暢情況下，車輛加速比較平穩(wěn)，加速距離較長(zhǎng)，排放少。但是綠燈亮后，為了爭(zhēng)取時(shí)間，車輛加速比較塊，加速距離短，排放多。

(3) 機(jī)動(dòng)車隨車流移動(dòng)，加減速都比較突然，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，所以排放也比較大。而且，如果車輛不按車道行駛，見縫就插，會(huì)導(dǎo)致停車等候車流密度大，排放多。

4 結(jié)論

(1) 信號(hào)交叉口紅燈亮?xí)r，會(huì)產(chǎn)生暫時(shí)擁堵，機(jī)動(dòng)車在此狀態(tài)下行駛會(huì)經(jīng)歷減速、怠速、加速通過(guò)這幾個(gè)過(guò)程。減速路段若減速平緩，排量會(huì)有所減少；怠速、加速通過(guò)兩個(gè)過(guò)程相對(duì)通暢路段排量都會(huì)增大，怠速狀況下排放最大。所以在信號(hào)交叉口，駕駛員應(yīng)提前觀察前方路況，增大加減速距離以保持機(jī)動(dòng)車平穩(wěn)加減速；擁堵情況下，駕駛員要遵守交通秩序，按車道依次停車等候，這樣不僅有利于交通快速順暢，而且會(huì)減少車輛在擁堵路段的排放；交管部門要根據(jù)路段車流大小改進(jìn)信號(hào)配時(shí)，減少機(jī)動(dòng)車怠速時(shí)間。

(2) 排放物中，HC、PM10變化程度最大，其次是PM2.5，NOx和CO較小。緩解交通擁堵，首先能夠很有效地減少光化學(xué)煙霧，其次能夠有效減少顆粒物的排放，降低呼吸道疾病的發(fā)病率。