賈興利， 秦雪芳， 周吳嘯， 李雙慶， 陳星澎

(長安大學公路學院， 西安 710064)

生態(tài)環(huán)境部頒布的《中國機動車環(huán)境管理年報(2018)》[1]表明，機動車污染問題日益突出，機動車尾氣排放已成為中國交通大氣污染的主要來源之一。與平坡路段相比，機動車在縱坡路段行駛時，需要克服高差，會消耗更多的油耗，排放更多的尾氣，對生態(tài)環(huán)境造成很大威脅，高速公路縱斷面是機動車產(chǎn)生高排放的路段[2]。機動車在不同的道路線形上行駛時，通過不斷地調(diào)整車輛運行狀況以適應(yīng)道路線形的變化。道路線形的差異會導致車輛的運行狀況變化，進而會影響車輛的尾氣排放狀況。因此，研究道路線形變化對車輛尾氣排放的影響是十分有必要的。

Dong等[2]通過實際數(shù)據(jù)研究圓曲線半徑大小對碳排的影響，得到影響車輛碳排的最小圓曲線半徑大小為500 m的結(jié)論。許金良等[3]運用MOVES(motor vehicle emission simulator)模型得到載重柴油車在小半徑圓曲線路段上的累積碳排放量預測模型。Jia等[4-5]通過研究縱坡與碳排之間的量化關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)當縱坡坡度值大于3%之后碳排顯著增加，并通過實例研究提出一種碳排與縱坡之間的預測模型。Kang[6]通過研究路線幾何設(shè)計的方法來降低汽車油耗并增加車輛的行駛安全性。Ko等[7-8]分別對縱坡坡度大小以及豎曲線曲率對車輛碳排進行了研究，并得出幾何線形對碳排有著重要影響。Loulizi等[9]研究量化燃油消耗和坡度之間的關(guān)系，并利用GIS工具在設(shè)計階段對公路進行多指標的評價篩選，最后通過實例證明過篩選而建設(shè)的公路燃油消耗會有所降低。

中外學者對低能耗、低污染為基礎(chǔ)的低碳公路交通進行了大量的研究。明確道路平面路段和縱坡路段對汽車尾氣排放水平的影響規(guī)律，對于綠色公路設(shè)計有著重要意義。但是關(guān)于低碳公路路線優(yōu)化設(shè)計研究成果多是定性、宏觀層面的指導性原則，對豎曲線路段幾何指標與碳排放映射關(guān)系分析缺乏。此外考慮到中國小客車數(shù)量遠大于貨車數(shù)量，因此以小客車為研究對象，從微觀視角出發(fā)，選擇MOVES模型進行車輛尾氣排放量預測，以凸形豎曲線路段為例，進行不同坡差與車輛尾氣排放水平相關(guān)關(guān)系的探究。

1 數(shù)據(jù)獲取及MOVES參數(shù)修正

1.1 MOVES模型

鑒于實驗道路線形樣本數(shù)量的局限性，本文中采用實驗仿真的手段預測車輛尾氣排放量，用實測實驗對模型預測值進行驗證。

美國環(huán)保局開發(fā)的綜合移動源排放MOVES模型與COPERT(computer program to calculate emissions from road transport)、MOBILE(the MOBILE highway vehicle emission factor model)及IVE(international vehicle emission model)等機動車排放模型相比，將瞬時加速度與瞬時速度相結(jié)合來反映車輛的運行狀況，更準確地反映了車輛在實際操作中的排放特征。故本文中選擇MOVES模型進行不同坡差情況下的凸形豎曲線路段車輛尾氣排放的預測[10-12]。

1.2 參數(shù)本地化修正

由于MOVES模型中的數(shù)據(jù)庫是以美國各州縣機動車尾氣排放數(shù)據(jù)為依托而建立的，不適用于直接預測和分析我國機動車碳排放水平。故本文通過調(diào)查我國實際的交通狀況、道路類型、車輛、燃油等信息，修正了MOVES模型在微觀層次上所需輸入的參數(shù)[13-15]。其修正后參數(shù)設(shè)置如下。

(1)模擬層次：微觀層次。

(2)模型年份：將中國第六階段機動車污染物排放標準與美國的標準做對比，確定模擬年份為2009年。

(3)道路類型：本文中選擇MOVES模型中代碼為2的道路類型，代表道路為高速公路。

(4)地理信息：本研究從影響模型計算的年均降水量、海拔、經(jīng)緯度、平均氣溫、相對濕度等因素出發(fā)，將陜西省西安市與美國各州的情況做對比，確定以Georgia的Fulton縣作為模擬地理區(qū)域，氣候?qū)Ρ纫姳?。

表1 西安與Fulton氣候?qū)Ρ?/p>

(5)排放源類型：據(jù)統(tǒng)計汽車占中國機動車主導地位[1]，故文中選擇小客車作為主要排放源，對應(yīng)MOVES模型中排放源類型代碼為21。

(6)燃油類型：據(jù)年報統(tǒng)計[1]，中國機動車按燃料類型分類，汽車是污染物排放總量的主要來源之一，故本文中選擇汽油作為燃油類型。

(7)車齡：選擇機動車的平均車齡為3年，對應(yīng)MOVES模型中的車齡代碼為3。

(8)運行工況：為了估算機動車的排放水平，必須結(jié)合機動車的瞬時比功率(vehicle specific power，VSP)和瞬時速度查找機動車的逐秒運行狀況代碼，將車輛的運行狀態(tài)與運行工況相匹配。最后運用MOVES模型獲得每個運行工況下機動車尾氣排放量。比功率VSP的計算表達式[16]為

PVS=v(1.1a+0.132)+0.000 302v3

(1)

式(1)中：PVS為機動車比功率，kW/t；a為機動車瞬時加速度，m/s2；v為機動車瞬時速度，m/s。

1.3 速度預測及多項式模型

研究中凸形豎曲線中點運行速度的預測模型計算公式[17]為

(2)

式(2)中：K為豎曲線曲率，m/%，文獻[18]規(guī)定最低標準K=39 m/%。

然而車輛不會在豎曲線上以恒定速度行駛。為了考慮曲線上的速度變化，利用多項式模型得到沿行駛距離和時間的逐秒速度[19-20]，即

a(t)=ramaxθ(1-θm),m>-0.5

(3)

式(3)中:a(t)為車輛逐秒加速度, m/s2；amax為最大加速度，m/s2；θ=t/ta，為自開始加速的時間t與總加速時間(ta)的比值；總加速時間可由加速度時間回歸方程求得，即

(4)

m、r為參數(shù)。m、r和am的計算公式為

(5)

(6)

(7)

式中：Va、Vi和Vf分別表示機動車加速行駛中的平均速度、初始速度和最終速度，km/h；x(t)表示時間t小客車行駛距離，m。時間t的速度和距離公式為

(8)

(9)

1.4 試驗方案

為了驗證仿真試驗數(shù)據(jù)的有效性，取西安繞城高速公路K0-100～K29+100段為試驗路段。為了保證速度與油耗實測數(shù)據(jù)的準確性，所選試驗路段縱坡度應(yīng)保持一致，縱坡段越長越好，以求能達到穩(wěn)定車速﹔車輛運行處于自由流狀態(tài);試驗日選擇天氣狀況良好的氣候條件，盡量消除道路平面、橫斷面及其他影響因素的影響。

試驗車輛選擇寶沃BX5作為試驗車，選擇沈陽廣成科技有限公司研發(fā)的USBCAN(universal serial BUS controller area network)總線分析儀，讀取汽車CAN(universal serial BUS)總線原始數(shù)據(jù)，使用CAN總線專用調(diào)試分析軟件ECAN tools軟件獲取車輛速度、油耗量。采用使用IPCC方法將試驗收集到的油耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為碳排放量。

IPCC碳排放核算公式為

W=NPCKρ

(10)

XCO2=EW

(11)

式中：XCO2為二氧化碳核算值，kg；E為燃料消耗量，L；N為平均低位發(fā)熱量，kJ/kg；P為潛在碳排放系數(shù)，t/TJ；W為碳排放因子，kgCO2/kg；C為碳氧化率，%；K為轉(zhuǎn)換系數(shù)，K=44/12；ρ為密度參數(shù)，kg/L。

中國汽油碳排放系數(shù)及相關(guān)數(shù)值的計算公式為

F=PCK=68 607 kg/TJ

(12)

W=NF=2.954 9

(13)

每升汽油的碳排放系數(shù)為

q=Wρ=2.216

(14)

2 基于MOVES的尾氣排放數(shù)據(jù)庫模擬

2.1 方案設(shè)計

凸形豎曲線路段的運行工況與前后線型有關(guān)，為反映坡差對機動車尾氣排放量的影響，本文中假定凸形豎曲線路段處的線型形式為直線-豎曲線-直線。運用速度預測模型和多項式模型得到車輛在豎曲線路段瞬時速度和加速度。

Barth等[20]研究表明：當車輛速度高于105 km/h或低于72 km/h時，比以穩(wěn)態(tài)速度行駛(72～80 km/h)時的油耗和尾氣排放量高。故本文將起始速度設(shè)置為105 km/h，研究小客車在不同坡差下凸形豎曲線路段的尾氣排放，規(guī)定凸形豎曲線的路段長度為300 m，其中前后坡長度分別設(shè)置為150 m。不同的坡差對應(yīng)不同的坡度組合，根據(jù)不同坡差制定詳細的模擬方案，如表2所示。

表2 坡差模擬方案

2.2 速度和運行工況分布

以起始速度為105 km/h的小客車作為研究對象，在坡度組合為-2-6.5的縱坡上行駛。運用式(12)計算小客車在豎曲線路段的逐秒速度，運用式(1)得到小客車逐秒VSP，然后進行機動車的運行工況區(qū)間的劃分。以坡差為-3%，坡度組合為前坡1.5%、后坡-1.5%為例，逐秒的速度與運行工況分布如表3所示。

表3 坡度組合為1.5-1.5的運行工況分布

2.3 坡差與車輛尾氣排放關(guān)系

MOVES是基于瞬時車速和車輛比功率，將運行廢氣排放預測的運行模式分為23個運行工況區(qū)間。由于MOVES沒有直接報告每個運行工況的排放量，本研究采用微觀層次進行項目級分析，采用單個運行模式分布(即目標運行工況區(qū)間分布比例為1，其余為0)。通過改變目標運行工況區(qū)間，重復操作獲得了所需的各個運行工況的排放率。根據(jù)對行駛時間內(nèi)逐秒的速度曲線下每個運行工況區(qū)間的尾氣排放進行匯總得到總排放量。表達式為

(15)

式(15)中：Etype是二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氮氫化合物(NH3)、氮氧化物(NOx)的總排放量；Etype,bin是時間t內(nèi)小客車所在運行工況的廢氣排放量?；贛OVES模型得到高速公路不同坡差情況下豎曲線段的尾氣排放數(shù)據(jù)庫。圖1為不同坡度組合下CO2、CO、NH3、NOx排放量對比圖。

圖1 不同坡差下各氣體排放量

從圖1(a)可以看出，當前坡坡度一定時，在坡度差小于-3時小客車在規(guī)定長度豎曲線上的CO2排放量隨著坡度差代數(shù)值的增大而增大。當坡度差代數(shù)值大于3時，CO2排放量增加幅度變大，當坡度差為-6時，CO2排放量突然下降，然后繼續(xù)上升且上升幅度變小。從圖1中可以看出，4種排放物的排放量均隨坡差代數(shù)值的增大而上升。主要是由于在凸形豎曲線段前后坡度差越大，機動車的發(fā)動機負載越大，行駛過程中產(chǎn)生的CO2等尾氣排放量就越多。小客車在不同坡差的豎曲線行駛會極大地影響尾氣排放，當速度增加時，對發(fā)動機牽引力的要求也會增加，導致汽車的尾氣排放量大幅度的上升。在四種主要排放物中，CO2排放量最大，依次是CO、NOx、NH3排放量。

從圖1中還能夠看出，當坡差一定時，隨著前坡坡度的增加，CO2、NOx、CO、NH3排放量基本不變，其中CO2最多增加14.7%，CO排放量最多增加23.3%。CO2、NOx、CO、NH3排放量隨著坡差代數(shù)值的增加均呈上升趨勢。其中，CO2排放量最大，其次依次是CO、NOx，NH3排放量最少。因此，本文中只對坡差和CO2排放量進行關(guān)系擬合。

2.4 碳排放預測模型建立

當坡差一定時，隨著前坡坡度的增加，CO2、NOx、CO、NH3排放量幾乎不變。故本文中取前坡坡度1.5%為例，用SPSS軟件對坡差和CO2排放量的關(guān)系進行擬合分析，擬合關(guān)系對比如表4所示，坡差與碳排放擬合曲線如圖2所示。為了更直觀的展示凸形豎曲線路段，不同坡差對機動車碳排放量影響規(guī)律，本文中以單位豎曲線長度上的碳排放量作為因變量，進行坡差與碳排放量的擬合關(guān)系研究，表達式為

圖2 坡差和碳排放量擬合曲線

(16)

式(16)中：E0為單位豎曲線長度上CO2排放量，g/km；Ec為豎曲線長度范圍內(nèi)小客車的總碳排放量，g；L為豎曲線長度，km。

根據(jù)赤池信息準則(akaike information criterion,AIC)和貝葉斯信息規(guī)則(Bayesian information criterion,BIC)準則對小客車的碳排放規(guī)律進行分析，結(jié)果顯示坡差與小客車的碳排放量的擬合關(guān)系中，其非線性回歸模型的擬合度較高。通過對單位豎曲線長度上小客車碳排量與坡差的關(guān)系進行擬合分析，結(jié)合AIC與BIC準則得到精度較高的一元回歸模型。如表4所示，三種函數(shù)的F值較大，R2都接近1，方程回歸顯著擬合優(yōu)度滿足要求。

表4 坡差和碳排放量回歸模型擬合效果對比

從表4可以看出，二次函數(shù)的AIC和BIC值較小，F(xiàn)值較大，能夠確保擬合準確性。因此得到單位豎曲線長度上小客車碳排量與坡差的二次擬合關(guān)系，即

Ec=-493.105ω-22.955ω2+268.17

(17)

式中：Ec為不同坡差下單位凸形豎曲線長度上碳排放量；ω為坡差，ω=i2-i1。

2.5 模型驗證

為了驗證模型的適用性，取西安繞城高速公路K0-100～K29+100段的19個縱坡組合段，依據(jù)我國汽油車現(xiàn)狀對應(yīng)的碳排放核算方法，核算出實測油耗值相應(yīng)的碳排放量。隨機選擇9個縱坡組合段，對比預測值與實測值，確切地評價該路段實際車輛的碳排放狀況，如表5所示。

表5 模型預測值與實測值對比

通過計算，小汽車單位長度碳排放量實測值與模型預測值的平均相對誤差為4.7%，小于10%，驗證了模型的預測的有效性。

3 結(jié)論

(1)為適用于中國的實際道路交通與車輛條件，從地理信息、氣候狀況、車輛燃油特性等角度出發(fā)，對MOVES模型中的參數(shù)進行了本地化修正。

(2)以MOVES模型為基礎(chǔ)，建立了小客車在凸形豎曲線路段不同坡差情況下的碳排放數(shù)據(jù)庫，得出坡差代數(shù)值越大，小客車的尾氣排放量越大；當高速公路坡差一定時，前坡坡度對小客車的尾氣排放影響較小。在四種主要排放物中，CO2排放量最大，依次是CO、NOx、NH3排放量。

(3)利用SPSS軟件對單位距離凸形豎曲線上CO2排放量與坡差進行關(guān)系擬合，得到單位豎曲線長度上坡度差與碳排放量的映射關(guān)系，以簡便預測不同坡差情況下單位豎曲線路段的CO2排放量，最后利用實測數(shù)據(jù)驗證了的模型的有效性。

(4)論文主要針對小客車進行凸形豎曲線路段坡差對車輛尾氣排放量的影響，是否適用于其他類型的車輛和其他線形路段有待進一步的驗證。