賈興利， 秦雪芳， 周吳嘯， 李雙慶， 陳星澎

(長安大學(xué)公路學(xué)院， 西安 710064)

生態(tài)環(huán)境部頒布的《中國機(jī)動車環(huán)境管理年報(2018)》[1]表明，機(jī)動車污染問題日益突出，機(jī)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(jī)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(jī)動車產(chǎn)生高排放的路段[2]。機(jī)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(dǎo)致車輛的運行狀況變化，進(jìn)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(yù)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(dāng)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(yù)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(jìn)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(jìn)行多指標(biāo)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(xué)者對低能耗、低污染為基礎(chǔ)的低碳公路交通進(jìn)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(dǎo)性原則，對豎曲線路段幾何指標(biāo)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(yuǎn)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(jìn)行車輛尾氣排放量預(yù)測，以凸形豎曲線路段為例，進(jìn)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(yù)測車輛尾氣排放量，用實測實驗對模型預(yù)測值進(jìn)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(jī)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(zhǔn)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(jìn)行不同坡差情況下的凸形豎曲線路段車輛尾氣排放的預(yù)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(jī)動車尾氣排放數(shù)據(jù)為依托而建立的，不適用于直接預(yù)測和分析我國機(jī)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(jī)動車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)與美國的標(biāo)準(zhǔn)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(jī)動車主導(dǎo)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(jī)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(jī)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(jī)動車的排放水平，必須結(jié)合機(jī)動車的瞬時比功率(vehicle specific power，VSP)和瞬時速度查找機(jī)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(jī)動車尾氣排放量。比功率VSP的計算表達(dá)式[16]為

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

(1)

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

1.3 速度預(yù)測及多項式模型

研究中凸形豎曲線中點運行速度的預(yù)測模型計算公式[17]為

(2)

式(2)中：K為豎曲線曲率，m/%，文獻(xiàn)[18]規(guī)定最低標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(zhǔn)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(dá)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(jī)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(yù)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(dāng)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(xì)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(jìn)行機(jī)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(yù)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(jìn)行項目級分析，采用單個運行模式分布(即目標(biāo)運行工況區(qū)間分布比例為1，其余為0)。通過改變目標(biāo)運行工況區(qū)間，重復(fù)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(jìn)行匯總得到總排放量。表達(dá)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(dāng)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(dāng)坡度差代數(shù)值大于3時，CO2排放量增加幅度變大，當(dāng)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(jī)動車的發(fā)動機(jī)負(fù)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(dāng)速度增加時，對發(fā)動機(jī)牽引力的要求也會增加，導(dǎo)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(dāng)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(jìn)行關(guān)系擬合。

2.4 碳排放預(yù)測模型建立

當(dāng)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(jìn)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(jī)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(jìn)行坡差與碳排放量的擬合關(guān)系研究，表達(dá)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(zhǔn)則(akaike information criterion,AIC)和貝葉斯信息規(guī)則(Bayesian information criterion,BIC)準(zhǔn)則對小客車的碳排放規(guī)律進(jìn)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(jìn)行擬合分析，結(jié)合AIC與BIC準(zhǔn)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(zhǔn)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(jī)選擇9個縱坡組合段，對比預(yù)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(yù)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(yù)測值的平均相對誤差為4.7%，小于10%，驗證了模型的預(yù)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(jìn)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(dāng)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(jìn)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(yù)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(jìn)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(jìn)一步的驗證。