許倫輝,曹宇超,鄧榮峰

(1.北京理工大學(xué)珠海學(xué)院工業(yè)自動化學(xué)院，廣東 珠海 519088；2.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州 510641)

0 引言

歷史經(jīng)驗表明，伴隨著一個城市的發(fā)展和社會的進步，無疑就會有更多的能源消耗和溫室氣體的產(chǎn)生，而交通作為一個城市的根基，無論是交通工具還是配套設(shè)施，它們的能源消耗以及所產(chǎn)生的污染毫無疑問也增加了能源出現(xiàn)危機的概率以及全球氣候惡化的速度。城市交通的能耗以及碳排放已經(jīng)逐漸成為我國相關(guān)行業(yè)碳排放總量增長點的主要源頭之一，所以在當(dāng)今全球倡導(dǎo)低碳的概念下，交通領(lǐng)域承擔(dān)著巨大的碳排放減排的責(zé)任，倡導(dǎo)低碳交通的大力發(fā)展是目前交通領(lǐng)域研究的重要課題之一。

筆者認(rèn)為，倡導(dǎo)低碳的前提，首先就需要對碳排放量進行一個量化的計算和認(rèn)知。以大數(shù)據(jù)的事實，找到解決問題的出發(fā)點，對癥下藥，將這些數(shù)據(jù)運用到不同的對象手中，從而誘導(dǎo)城市交通向低碳目標(biāo)發(fā)展。本文的研究對象主要以廣州市為例。

1 碳排放相關(guān)概念

1.1 低碳交通

首先對于低碳，《中國發(fā)展低碳經(jīng)濟途徑》給出了相關(guān)定義：一個新興的經(jīng)濟社會體，與傳統(tǒng)經(jīng)濟能源體相比，在生產(chǎn)和消費過程中能夠節(jié)省能源、減少有害氣體排放，同時還能保持經(jīng)濟的穩(wěn)定增長和社會的可持續(xù)發(fā)展趨勢，可以稱為低碳趨勢。整體上來說，低碳交通就是交通運輸領(lǐng)域的碳排放強度和居民出行之間處于一種和諧共處的狀態(tài)。本文的研究范圍，是基于居民日常出行的生活方式，所以研究涉及范圍只有道路上的交通方式。

1.2 碳足跡

目前關(guān)于碳足跡的概念,它就是表示使用者對于“碳”這個元素的使用量，而“碳”在生產(chǎn)生活中被消耗之后產(chǎn)生的便于計量的產(chǎn)物便是CO2。它的計量方法存在兩種定義，分別從不同的角度考慮，第一種是采用二氧化碳的重量表示，即環(huán)境所能容納的二氧化碳含量；第二種是采用面積表示。

由于本文研究的內(nèi)容是交通領(lǐng)域的碳足跡—即在交通運輸過程中居民個人產(chǎn)生排放的二氧化碳量集合。在綜合各學(xué)者見解的基礎(chǔ)上，結(jié)合下述具體計算方法以及研究內(nèi)容，將碳足跡的概念界定為居民出行OD這一過程所產(chǎn)生的二氧化碳總量，用質(zhì)量(這里的質(zhì)量即為物理學(xué)中的重量)來表征，單位kg，本文在后續(xù)研究中研究的居民出行碳排放量即為直接碳足跡。

1.3 碳交易

碳交易是為了適應(yīng)全球低碳發(fā)展方向，減少全球二氧化碳排放所提出的一種市場交易機制，屬于市場經(jīng)濟的范疇。交易的主體中，政府屬于自愿的擁有者和價格的制定者，企業(yè)和個人屬于購買者和潛在獲利者。碳交易的基本原理是，交易雙方根據(jù)市場規(guī)則，政府可以發(fā)放一定數(shù)量的碳排放初始配額，個人和企業(yè)根據(jù)自身需求，向政府購買相應(yīng)數(shù)量的碳排放額度，在其限額內(nèi)對應(yīng)對溫室效應(yīng)做出貢獻，同時對超過限額的部分進行懲罰。

2 交通運輸碳排放計算方法及對比

由于之前的研究受限于研究方法、環(huán)境條件等諸多因素，缺少了計算碳排放模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，很難直接對其進行計算，因此筆者首先計劃從交通系統(tǒng)這個宏觀角度考慮，比較精準(zhǔn)地得到不同種類交通工具對應(yīng)的不同燃料的碳排放復(fù)雜指標(biāo)系數(shù)，再結(jié)合相關(guān)文獻中已采用的方法，取其精華，去其糟粕，進而估算城市交通碳排放量。

在《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》中，為研究者提供了兩種計算方法來計算碳排放總量。第一種方法是根據(jù)區(qū)域內(nèi)交通小區(qū)燃料種類與燃料的碳排放的系數(shù)相乘得到，這種方法稱為“自上而下”的方法；第二種方法是用各交通方式的行駛里程數(shù)與燃料的單位里程消耗燃料量相乘得到交通消耗燃料的消費總量，再與各燃料的碳排放的系數(shù)相乘就可以計算得到交通碳排放量。這種方法稱為“自下而上”的方法。

筆者通過總結(jié)兩種已有方法的特點，基于為了更好地使用于大眾居民出行，通過普遍化不同交通方式的燃料類型，平均化大范圍交通方式的機器油耗等數(shù)據(jù)，結(jié)合算法的優(yōu)勢特點，提出了單位碳排放系數(shù)這一概念。

3 交通運輸碳排放資料搜集及模型創(chuàng)建

3.1 數(shù)據(jù)需求

3.1.1 出行距離

在一次OD出行中，個體的來回總行程距離即稱為出行距離。通過變量與定量分析原則來看，當(dāng)選擇的燃料種類不變的情況下，出行距離固定的情況下，所使用的交通工具對應(yīng)燃料的碳排放系數(shù)越小，所排放的碳總量越小。

3.1.2 出行方式

出行方式是一個完整交通出行過程中的重要組成部分，它的定義即出行時所選擇的交通工具種類。隨著生活質(zhì)量的不斷改善，人們開始追求更加舒適便捷的出行，于是持續(xù)購買機動車，讓機動車的尾氣排放污染成為了交通領(lǐng)域環(huán)境污染的主要源頭，導(dǎo)致城市交通的整體碳排放速度在持續(xù)增加。

3.1.3 定性影響因素

(1)城市空間布局；(2)城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)；(3)城市客運結(jié)構(gòu)；(4)車輛減排技術(shù)；(5)駕駛員技術(shù)水平；(6)公交服務(wù)管理水平。

3.1.4 碳排放系數(shù)

結(jié)合不同交通方式結(jié)合不同燃料類型的特性，將各復(fù)雜系數(shù)綜合為“碳排放系數(shù)”，通過查閱現(xiàn)有文獻，結(jié)合具體案例篩選，得到一個大數(shù)據(jù)范圍下統(tǒng)計的“碳排放系數(shù)”值(表1)。

表1 碳排放系數(shù)

3.2 碳排放計算模型構(gòu)建

由2.1節(jié)分析可知，在居民出行的碳排放行為中，碳排放量的計算跟定量因素出行距離和選擇出行方式有關(guān)。定性因素由于不確定性，無法用數(shù)學(xué)建模的形式表現(xiàn)出來，所以本文模型從定量角度入手，根據(jù)不同交通工具以及對應(yīng)燃料的碳排放系數(shù)計算居民出行的碳排放量。相應(yīng)的計算公式如下：

Ci=Li×pi

(1)

C總=∑iLi×pi

(2)

(3)

式中，C表示居民出行的碳排放量(Ci表示使用第i種交通方式所產(chǎn)生的碳排放量)，i表示第i種交通方式，分別以1表示步行，2表示自行車，3表示公共汽車，4表示電動車，5表示小汽車，6表示地鐵。

pi表示對應(yīng)第i種交通方式的對應(yīng)的人均碳排放系數(shù)(kg CO2/km·人),為使用第i種交通方式出行的距離(km)；Li為對應(yīng)交通方式的每百km耗氣量；ki為第i種交通方式所使用燃料的碳排放系數(shù);M為使用工具的載客人數(shù)(公共交通工具取平均值)。根據(jù)表1中給出的碳排放系數(shù)，再結(jié)合具體地區(qū)居民出行Li特性，給出本文所使用的具體碳排放系數(shù)。

3.2.1 公共汽車碳排放系數(shù)計算

結(jié)合廣州市公共汽車以液化石油氣為原料的前提下，關(guān)于公交汽車的碳排放系數(shù)，進行如下計算確定。

(1)百km耗氣量。廣州市的公交車型分為有軌電車、普通公交、BRT。廣州市公交公司提供數(shù)據(jù)顯示，三種車型的公交車，每百km消耗的液化石油氣約為32m3、36m3、41m3。本文的公共汽車碳排放計算模型部分，取使用最普遍的普通公交數(shù)據(jù)36m3的耗氣量作為代表。

(2)燃料的碳排放系數(shù)。根據(jù)IPCC給出的燃料CO2排放系數(shù)表，目前國內(nèi)公交使用的燃料分兩種，其一是液化石油氣(LPG)，它的建議排放系數(shù)為1.75kgCO2/L；其二是液化天然氣(LNG)，它建議排放系數(shù)為2.33kgCO2/m3。廣州市大部分公共汽車采用液化石油氣(LPG)作為燃料使用，因此下列F取1.75kgCO2/L。

(3)高峰平均載客人數(shù)。根據(jù)公交管理部門的管理細(xì)則，公交車的載客人數(shù)有一個最大值，按照國家建設(shè)部對公交車限載的國家標(biāo)準(zhǔn)是8人/m2，對于普遍使用最多車型的普通公交車來說，其最大載客人數(shù)約為80人。

從廣州市交通部門的信息來看：廣州公交車可載客90人和100人。按照國家相關(guān)規(guī)定，城市公共汽車及軌道交通列車人均站立面積約為每人0.125m2。

因此，本文M的確定，按照最大載客量90人的80%計算，即72人。

(4)公共汽車個人出行單位公里CO2排放系數(shù)。

廣州市公共汽車人均單位公里CO2排放系數(shù)計算公式：

(4)

再根據(jù)一天中時間分布，高峰小時約是從6:30～9:30,16:30～19:30，按照12:6的比例：

p平均=p高峰×1/3+p平峰×2/3=0.0134

(5)

其中：p為廣州市公共汽車的人均單位公里CO2排放系數(shù)(kg CO2/km·人)；L為公共汽車每百公里耗氣量(L)；k為液化石油氣的碳排放系數(shù)(kg CO2/L)；M為廣州市公共汽車平均載客人數(shù)。由上述數(shù)值代入公式算得0.0134(kg CO2/km·人)。

3.2.2 電動車碳排放系數(shù)計算

關(guān)于電動自行車的碳排放系數(shù)，進行如下計算確定：

(1)電動車每km耗電量的確定。根據(jù)筆者到相關(guān)電動車銷售部門的走訪調(diào)查，以及對電動車出廠參數(shù)的相關(guān)資料查閱，一般電動車的電池容量為0.576kwh，一輛全新電動車的最大行駛里程數(shù)約為50km，每km耗電量為11.52wh。

(2)電力碳排放系數(shù)的確定?？偨Y(jié)國內(nèi)外文獻中的取值，列如表2所示。

表2 電力碳排放系數(shù)

目前只是為了建立適用于我國的碳排放量計算模型，因此表2采用國內(nèi)公司的統(tǒng)計值，取均值計算得0.8667(kg CO2/kwh)，作為電力的碳排放系數(shù)。

(3)電動車碳排放系數(shù)的確定。綜上所述，將采用下述公式計算電動車的人均單位公里碳排放系數(shù)：

p電動車=P×E

(6)

式中，p為電動車的人均單位里程碳排放系數(shù)(kg CO2/km·人)(默認(rèn)電動自行車的載客人數(shù)為1人)；P為電動車每km的耗電量；E為電力的碳排放系數(shù)(kg CO2/kwh)。

上式中，取P為11.52wh/km，E為0.8667 kg CO2/kwh，算得電動車的碳排放系數(shù)為0.01 kgCO2/km·人。

3.2.3 小汽車碳排放系數(shù)的確定

目前，在新能源汽車尚未普及的背景下，廣州市的小汽車仍然大部分采用化石燃料-汽油作為基本燃料，故根據(jù)表1的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，本文采用0.18kg CO2/km作為小汽車碳排放模型的計算依據(jù)。

3.2.4 地鐵碳排放系數(shù)的計算

一般我國的地鐵采用電力作為能源供給,供電方式大致分為架空電纜和軌道供電兩種。

根據(jù)查閱相關(guān)文獻，以廣州市為例，A、B車型的平均單位電耗指標(biāo)為11.17kwh/km，由上述可知，電力的碳排放系數(shù)取0.8667(kg CO2/kwh)。

(1)采用下述公式計算地鐵的碳排放系數(shù)：

k地鐵=S×E

(7)

式中，k地鐵為地鐵的碳排放系數(shù)(kg CO2/km)，S為地鐵每km的耗電量，E為電力的碳排放系數(shù)(kg CO2/kwh)。

上式中，取S為11.17kwh/km，E為0.8667 kg CO2/kwh，算得地鐵的單位公里碳排放系數(shù)為9.68kg CO2/km·人。

(2)平均載客人數(shù)的確定。以出行客流量最大的線路為例，廣州市地鐵三號線運營中的列車為B型車，當(dāng)三號線最初開始運營的時候，采用3節(jié)編組的列車。之后隨著地鐵的不斷發(fā)展，客流量的增加，2010年將原有的3節(jié)編組模式全部改為6節(jié)編組。根據(jù)相關(guān)資料，3車廂編組列車長約60m，載客量滿載為675人，所以估算目前3號線最大載客量為675×2=1350人。此外，三號線其最高時速可達120km/h[34]。

按照公共交通飽和度統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，高峰時期80%飽和度、平峰時期50%飽和度計算:

(8)

再根據(jù)一天中時間分布，按照12:6的比例:

p平均=p高峰×1/3+p平峰×2/3=0.0125

(9)

3.2.5 步行與自行車碳排放系數(shù)計算

當(dāng)排除人體呼吸，以及身體機體活動所產(chǎn)生的微量二氧化碳之后，定義步行和騎自行車的碳排放量均為0 kg CO2/km·人。

3.2.6 計算結(jié)果匯總

通過前面計算，匯總得到人均單位里程碳排放系數(shù)表。

4 app的實現(xiàn)及應(yīng)用

4.1 需求分析

從低碳環(huán)保的角度出發(fā)，針對不同使用對象進行分析。首先就個體而言，目前用戶缺少一種簡便的自我評價自身碳排放影響的途徑和方法；就政府而言，為了更有效地制定低碳減排的相關(guān)措施，同樣也缺少獲取居民出行時的具體碳排放數(shù)據(jù)的途徑和方法。通過面向?qū)ο蟮男枨罂紤]，由此確定app的面向?qū)ο鬄槌鞘谐鲂行枨筝^大的居民以及政府交通、環(huán)境工作的相關(guān)部門。

4.2 程序語言

首先通過本文的計算模型，定義了人均單位里程碳排放系數(shù)p，i表示第i種交通方式(代碼中的p用k代替)；然后定義了Li為使用第i種交通方式行駛的距離；定義了Ci為使用第i種交通方式碳排放量；最后使用公式Ci=Li×ki分別根據(jù)交通方式的不同計算出相應(yīng)的碳排放量。

(ki為本文中計算得出的對應(yīng)第i種交通方式的人均單位里程碳排放系數(shù))。

圖1 程序語言

4.3 界面設(shè)計

界面包含了左側(cè)的Lable框-出行方式(六種)，中間的輸入框-出行距離，右邊的輸出框-碳排放量，Button-計算按鈕。

使用流程：用戶通過在出行距離一欄處輸入使用出行方式的出行距離-單擊“計算”按鈕-輸出本次出行對應(yīng)方式的碳排放量，以及總和。后續(xù)將建立與導(dǎo)航軟件數(shù)據(jù)庫的連接，通過智能路徑規(guī)劃，通過選擇OD點，以及不同交通方式組合，自動鏈接到相應(yīng)的交通方式欄目，以及生成對應(yīng)的距離值，進而計算得到碳排放量。

圖2 eclipse界面

圖3是通過模擬器實際運行圖。

圖3 安卓軟件實際界面

4.4 軟件開發(fā)的意義

該軟件的開發(fā)，在一定程度上可以為用戶及時反饋出行選擇對環(huán)境所造成的影響，從碳排放的角度為用戶的出行選擇提供一個建議，誘導(dǎo)用戶使用低碳排放工具出行。

5 低碳交通發(fā)展對策探索與創(chuàng)新

5.1 城市低碳交通發(fā)展的宏觀技術(shù)布局層面應(yīng)對措施

5.1.1 誘導(dǎo)交通消費需求與倡導(dǎo)低碳出行

一方面，相關(guān)部門要積極宣傳低碳理念。另一方面，通過財政手段，例如對公共交通的補貼，以及對私家車稅費的增收等方式，誘導(dǎo)居民出行方式的選擇。

5.1.2 機動車節(jié)能減排技術(shù)的創(chuàng)新

(1)車輛角度。政府應(yīng)鼓勵居民購買低能耗、低碳排放的小汽車，必要時可以給予一定的經(jīng)濟補助，減征車輛購置稅等。通過借鑒國外相關(guān)經(jīng)驗，對某些造成惡性環(huán)境污染的車主征收環(huán)境污染費用。

(2)燃油經(jīng)濟性角度。根本上就是改善現(xiàn)有技術(shù)，提高使用效率。國家應(yīng)加大對燃料使用的完全性技術(shù)的研究力度。

(3)清潔能源的研發(fā)與推廣。加快新能源汽車的研發(fā)以及逐步拓展其使用范圍，同時不斷改進發(fā)動機技術(shù)，提高燃料的使用效率，即提高其燃燒效率比例。與此同時，加大這些新能源的產(chǎn)量和供應(yīng)，同時降低新能源的成本，進而代替現(xiàn)有的化石燃料，步入燃料新時代。

(4)改善汽車尾氣排放的治理。應(yīng)加強汽車尾氣的檢測，通過統(tǒng)計大數(shù)據(jù)，作為以后制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。禁止尾氣排放超標(biāo)的車輛上路。

5.1.3 從城市規(guī)劃和布局入手

根據(jù)生態(tài)城市伯克利在建設(shè)規(guī)劃中歷史經(jīng)驗表明，一個綠色城市的規(guī)劃布局應(yīng)采取高密度規(guī)劃，城市之間應(yīng)該建立起一個高效的交通運輸體 系，不僅可以提高交通量的周轉(zhuǎn)，同時降低整個交通系統(tǒng)的碳排放總量。因此，發(fā)展低碳交通不能單一只從路網(wǎng)規(guī)劃出發(fā)，還必須同步結(jié)合城市的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和布局。

5.1.4 穩(wěn)步推進公共交通的建設(shè)

在出行人口總數(shù)一定的前提下，交通碳排放總量與使用公交出行的人數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，基于此關(guān)系，應(yīng)推進公共交通的發(fā)展，從經(jīng)濟性、舒適性、便捷性三個角度做出相應(yīng)的提高。要擴大快速公共交通運營系統(tǒng)(BRT)的建設(shè)范圍，并逐步取代普通的慢行公交。

5.2 城市交通碳交易市場方案構(gòu)想

(1)管控范圍與對象。該方案的交易面向?qū)ο螅菍τ诰用駛€人而制定的政策方法。其范圍包括了大部分居民的出行活動(上班，出游等)，研究探索將步行、自行車、電動車、小汽車、公共汽車和地鐵碳排放納入管控范圍。

(2)配額分配。針對目前初始配額難以確定，本文以所研究的app為基礎(chǔ)，在目前互聯(lián)網(wǎng)+ 大數(shù)據(jù)的背景下，在獲得用戶許可以及法律允許的前提下，通過app獲取并且后臺計算出用戶日均、月均、年均出行的碳排放量。以廣州市為例，通過采集個人數(shù)據(jù)，得出全市碳排放量的各項均值，在合理的波動范圍內(nèi)(通過調(diào)查得出)，制定分發(fā)給每個人初始基礎(chǔ)配額。

波動范圍的確定：通過去掉調(diào)查得到的碳排放數(shù)據(jù)，去掉最大和最小的10%以及以內(nèi)的數(shù)據(jù)，在剩余數(shù)據(jù)中，取均值作為初始基礎(chǔ)配額。

(3)核算方法。目前的app需要手動輸入以計算出相應(yīng)交通出行方式的碳排放量，下一步研究的方向，在后臺根據(jù)不同的交通方式進行計算得出日均、月均、年均碳排放總量，依托軟件進行碳排放的計算。

(4)獎懲機制。目前碳交易市場已有的基本標(biāo)準(zhǔn)是以基本配額的5%作為最大額度限定，本文建議參考此標(biāo)準(zhǔn)。對于超過配額5%以內(nèi)的居民，無懲罰措施；對于超過配額5%的居民，進行(100元)/kg的綠化費治理收??；對于碳排放低于初始配額5%以下的，予以(50元)/kg的環(huán)保獎勵。

6 結(jié)語

本文主要從居民個人的交通行為出發(fā)進行研究，旨在促進城市交通向綠色低碳發(fā)展，為與需要的相關(guān)人群提供了一個計算碳排放量的途徑和方法。

(1)分析并定義低碳交通。通過查閱國內(nèi)外關(guān)于低碳研究的相關(guān)資料，筆者總結(jié)了國內(nèi)外低碳交通研究的背景和現(xiàn)狀，介紹了低碳的概念，進而解釋了城市低碳交通的含義。

(2)研究居民個體出行的碳排放量計算模型，總結(jié)了國內(nèi)外已有對碳排放計算的模型，分析了其優(yōu)缺點。根據(jù)實際狀況，對于使用不同的交通工具，總結(jié)出一套新的城市交通的碳排放量計算模型。

(3)計算機語言的研發(fā)及應(yīng)用。通過上述已有模型，實現(xiàn)在Andriod上的應(yīng)用，通過接收出行距離的數(shù)據(jù)源，進而實現(xiàn)不同種交通方式的碳排放量計算。

(4)提出了未來應(yīng)對交通碳排放的意見與建議，并期望結(jié)合碳排放軟件提供的量化數(shù)據(jù)，制定一個碳排放市場的交易規(guī)則，進而促進低碳交通的建設(shè)。