陳 蔚，段仲淵，宋家驊，丘建棟，陳 澍

(1.佛山市城市規(guī)劃設(shè)計研究院，廣東佛山5280；2.深圳市城市交通規(guī)劃設(shè)計研究中心，廣東深圳5180)

0 引言

機動車是能源消耗大戶，也是溫室氣體、污染物的主要排放源。隨著城市機動化快速發(fā)展，加強移動源排放管理、改善環(huán)境質(zhì)量，成為城市推行交通環(huán)境治理和需求管理政策的重要出發(fā)點。為提高決策科學(xué)性，國家和地方均提出建立溫室氣體排放的統(tǒng)計、核算和考核體系[1-2]，量化核算機動車能耗、排放是交通領(lǐng)域的一項基礎(chǔ)工作。

中國尚未建立成熟統(tǒng)一的機動車排放因子庫，地方普遍缺乏本地技術(shù)能力，存在方法口徑不一致、數(shù)據(jù)條塊化分散等問題。在此背景下，深圳市以整合利用多元數(shù)據(jù)為突破口，構(gòu)建了本地化的機動車能耗與排放(Vehicular Fuel Consumption and Emission,VFCE)模型與核算平臺，為政府的交通和環(huán)境管理提供決策支持[3]。相比利用便攜式排放檢測系統(tǒng)(Portable Emission Measurement System,PEMS)等車載設(shè)備實測，能夠兼顧準(zhǔn)確性和經(jīng)濟性，具有成本低、時間省、易推廣的優(yōu)勢[4]。

1 核算方法

20世紀(jì)80年代以來，歐美國家逐步建立起機動車排放因子庫和多層次核算模型，如MOBILE，MOVES(Motor Vehicle Emission Simulator)，COPERT(Computer Programme to Calculate Emissions from Road Transport)，HBEFA(Handbook Emission Factors for Road Transport)等[3,5](見表1)。近年來，中國通過引入歐美模型，開始應(yīng)用基于平均速度的宏觀模型[6]，中觀和微觀模型仍處于研究階段。由于中國汽車工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、排放標(biāo)準(zhǔn)等基本采用歐洲體系，有條件采用歐洲道路交通排放因子手冊HBEFA[7]的理論方法，結(jié)合交通狀況、車隊構(gòu)成、排放因子等本地化參數(shù)，研究適用于深圳的機動車能耗排放模型。

1.1 核算范圍

1）時空范圍。時間上分為高頻(如15min、1 h)、中頻(如每天、每月)或低頻(如每年)?？臻g上按照屬地原則，以行政區(qū)域為系統(tǒng)邊界，由細至粗分為節(jié)點或路段、交通小區(qū)、行政區(qū)、全市等(見圖1)。

2）車輛類型。包括客車(私人小汽車、公共汽車、出租汽車、長途汽車等)和貨車(大、中、小型貨車等)，并根據(jù)能源類型、排量、排放標(biāo)準(zhǔn)等進行細分(見圖2)。

3）核算過程。按照生命周期評價理論[8]，機動車能耗、排放的完整過程是油井—車輪(Well-to-Wheel,WTW)，包括油井—油箱(Well-to-Tank,WTT)和油箱—車輪(Tank-to-Wheel,TTW)兩個子過程。由于燃油產(chǎn)地復(fù)雜、生產(chǎn)運輸環(huán)節(jié)難以監(jiān)測，因此以TTW作為核算過程。

4）核算物質(zhì)。核算TTW過程中機動車的能耗與排放。其中，能耗包括汽油、柴油、天然氣等，“零排放”的電能不計入其內(nèi)。排放包括CO2，CH4，N2O，O3等影響氣候變化的溫室氣體，以及NOx，PM，HC，CO等危害健康的污染氣體。

表1 典型交通能耗排放模型Tab.1 Typical transportation energy consumption and emission models

圖1 平臺核算范圍的空間層次Fig.1 Spatial scopes of the inventory platform

圖2 機動車類型劃分Fig.2 Types of motor vehicles

1.2 精細化模型

為實現(xiàn)街區(qū)尺度的精細核算，采用自下而上的建模方法，以路段為基本單元，利用交通活動、排放因子等參數(shù)，計算路段上各類車型的能耗與排放，進而推算片區(qū)、全市指標(biāo)。

特定時段和路段上機動車排放量

式中：Eij為路段i第 j類車型的排放量/g；VKTi為路段 i的自然車公里/(輛·km)； αij為第 j類車型占路段i所有自然車的比例；EF(λj,ρi)為第 j類車在路段i當(dāng)前服務(wù)水平(LOS)下的排放因子/(g·輛-1·km-1)； λj為車輛影響因素，包括車型、燃油類型、車齡、發(fā)動機排量、排放標(biāo)準(zhǔn)等；ρi為道路影響因素，包括交通運行狀況、道路坡度等。

路段i上所有自然車的排放量

表2 路段服務(wù)水平劃分Tab.2 Road level of service

路網(wǎng)中所有車型的交通排放

1.3 本地化參數(shù)

1.3.1 本地化交通活動

1）交通需求：路段周轉(zhuǎn)量。結(jié)合交通調(diào)查、流量反推，按照四階段法建立涵蓋小汽車、公共汽車、貨車等多方式的交通需求模型[9]，獲取路段上分車型的交通周轉(zhuǎn)量。通過浮動車(手機)GPS、車牌識別、固定線圈、公交IC卡等動態(tài)數(shù)據(jù)，以及車公里調(diào)查，標(biāo)定校核流密速函數(shù)、分布與方式劃分等參數(shù)，并利用OD反推更新交通模型。

2）車隊構(gòu)成：平均車型比例。通過匹配車牌識別與機動車年檢數(shù)據(jù)，計算平均車型比例。其中，車牌識別系統(tǒng)覆蓋全市主要干路25個點位，可獲取時間、監(jiān)測點ID、車牌號(加密)、車道號等信息。年檢數(shù)據(jù)包括車牌號(加密)、檢測日期、注冊年份、排量、車型等。通過關(guān)聯(lián)分析，獲得對應(yīng)路段上機動車構(gòu)成，并計算各行政區(qū)平均車隊構(gòu)成。

圖3 深圳市主干路典型工況Fig.3 Typical driving conditions of major roads in Shenzhen

圖4 利用PHEM模型獲取本地化能耗/排放因子Fig.4 Determining localized fuel consumption and emission factors using PHEM

3）交通運行：路段服務(wù)水平。依托深圳市道路交通運行指數(shù)系統(tǒng)，基于全市1.8萬臺出租汽車和導(dǎo)航APP的逐秒GPS數(shù)據(jù)，計算全市各路段平均行程車速。按照文獻[10]的方法，計算期望車速與平均行程車速比值，換算路段交通指數(shù)，確定對應(yīng)的服務(wù)水平(見表2)。

4）典型工況：時間-速度曲線。行駛工況(driving-cycle)是機動車行駛中的時間-速度曲線。典型工況是針對不同等級、不同服務(wù)水平的道路，代表機動車平均行駛狀態(tài)的時間-速度曲線。獲取步驟如下[3,1]：

第一步：數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理。通過車載設(shè)備采集約6 0 h逐秒GPS數(shù)據(jù)，覆蓋全市各等級道路和不同服務(wù)水平。將GPS數(shù)據(jù)進行清洗，并與基礎(chǔ)地圖和服務(wù)水平進行匹配。

第二步：工況單元劃分與特征值計算。利用交叉分類法，根據(jù)道路等級和服務(wù)水平，將一次行駛過程的時間-速度曲線劃分為若干個不同單元。計算各工況單元的平均行程車速v、停車時間比例、相對正加速度RPA等特征值，并進行Z標(biāo)準(zhǔn)化。

第三步：確定典型工況。利用最小二乘法篩選4種道路等級(高(快)速路、主干路、次干路、支路)、5種服務(wù)水平共20個典型工況曲線。例如，深圳市主干路典型工況見圖3。

1.3.2 本地化能耗//排放因子

客車和重型車排放模型(Passenger Car and Heavy-Duty Emission Model,PHEM)是歐洲以行駛工況、道路坡度、換擋模式等大量實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立發(fā)動機排放瞬態(tài)地圖，模擬發(fā)動機轉(zhuǎn)速、功率和排放關(guān)系的微觀模型[12]。由于中、歐汽車標(biāo)準(zhǔn)基本一致，利用PHEM模型，可將深圳本地的典型工況、車輛性能數(shù)據(jù)等參數(shù)，轉(zhuǎn)換為發(fā)動機轉(zhuǎn)速和功率等指標(biāo)，并通過發(fā)動機排放瞬態(tài)地圖獲得對應(yīng)的能耗和排放，得到以g·km-1為單位的因子(見圖4)。

圖5 典型乘用車型的CO2排放因子Fig.5 CO2emission factors of typical passenger vehicles

按照車型、核算物、道路等級、服務(wù)水平等因素交叉分類，深圳市共確定4 50項能耗與排放因子。以小汽車為例，包括＜1.4 L，1.4～2.0 L，＞2.0 L等3種發(fā)動機排量，國I、國II、國III、國IV、國V等5種排放標(biāo)準(zhǔn)，高(快)速路、主干路、次干路、支路等4種道路等級，表2中的5種路段服務(wù)水平，以及燃油量，CO2，CO，HC，NOX等9種核算物，共確定2 70項排放因子。典型車型CO2排放因子見圖5。實驗表明，模型核算與PEMS實測結(jié)果偏差約5%，能夠滿足城市層面的整體核算、政策評估的精度要求。

核算模型原理與數(shù)據(jù)流程見圖6。

2 平臺建設(shè)

在模型應(yīng)用上，既有工作以開發(fā)離線軟件工具為主。例如，HBEFA基于微軟Access二次開發(fā)專門軟件[12]，但數(shù)據(jù)管理分散、操作過程復(fù)雜，難以滿足動態(tài)評估、快速響應(yīng)的要求。深圳在全市綜合交通決策評估系統(tǒng)[9]的框架下，建設(shè)動態(tài)核算機動車能耗與排放的專業(yè)化、自動化平臺。

2.1 需求分析

平臺以評估交通環(huán)境影響、支持政府決策為建設(shè)目標(biāo)，由交通部門牽頭，兼顧多部門職責(zé)訴求。其中，交通部門承擔(dān)交通建設(shè)管理工作，量化評估交通設(shè)施建設(shè)和機動車管理政策對環(huán)境的影響；發(fā)改部門統(tǒng)籌節(jié)能減排工作，建立源頭清單、預(yù)測減排潛力；環(huán)境部門負(fù)責(zé)機動車排放污染防治工作，動態(tài)掌握排放源時空分布及對大氣環(huán)境的影響。

2.2 工作模式

文獻[4]指出，缺少跨部門協(xié)作和數(shù)據(jù)共享，是同類研究的最大障礙。為保證可靠性、權(quán)威性，平臺在立項之初就確立了跨部門協(xié)作的工作模式，實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的共享共用(見表3)。

1）平臺納入全市ITS框架，作為城市綜合交通決策評估系統(tǒng)的子模塊，與其他模塊共享數(shù)據(jù)和結(jié)果；2）確立交通部門牽頭，環(huán)境、交警、發(fā)改等部門聯(lián)合建設(shè)、共同使用的工作模式，跨部門整合技術(shù)資源、共享基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、會商發(fā)布結(jié)果、協(xié)同制定政策；3）采取開放式架構(gòu)，預(yù)留接入軌道交通、對外交通等其他數(shù)據(jù)的接口。

圖6 核算模型原理與數(shù)據(jù)流程Fig.6 Theory and data flow of the inventory model

2.3 平臺架構(gòu)

平臺總體功能架構(gòu)包括三層(見圖7)：

1）數(shù)據(jù)層。構(gòu)建統(tǒng)一共用或相互映射的GIS基礎(chǔ)地圖，建立標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫及接口，實現(xiàn)跨部門、多元數(shù)據(jù)的自動接入與集中管理，以及數(shù)據(jù)清洗、融合等預(yù)處理。

2）模型層。接入數(shù)據(jù)層參數(shù)，基于核算模型開發(fā)數(shù)據(jù)處理與計算模塊。利用分區(qū)表、空間索引、并行運算等快速計算技術(shù)，平臺依托動態(tài)數(shù)據(jù)可進行最小15 min間隔的在線計算，也可實現(xiàn)每月或每年的定期離線核算。

圖7 平臺總體功能架構(gòu)Fig.7 Overall functional architecture of the platform

圖8 平臺專題網(wǎng)站部分界面Fig.8 Website interface of the platform

3）應(yīng)用層。開發(fā)規(guī)劃決策支持與公眾信息服務(wù)的應(yīng)用模塊，實現(xiàn)可視化展示，以及統(tǒng)計查詢、預(yù)警提示、關(guān)聯(lián)分析等應(yīng)用功能。建立平臺專題網(wǎng)站(見圖8)，顯示燃油量、溫室氣體、污染物等3類總體指標(biāo)，以及熱力圖、網(wǎng)格圖、片區(qū)圖、路網(wǎng)圖等4種專題圖。

在硬件上，平臺由外場采集設(shè)備、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、通信網(wǎng)絡(luò)等組成。國家超級計算深圳中心(深圳云計算中心)統(tǒng)一提供計算資源。

3 平臺應(yīng)用

平臺自2014年試運行，在深圳市構(gòu)建綠色交通體系、實施交通需求管理、引導(dǎo)市民綠色出行等方面起到重要的決策支持作用。①建立城市交通排放權(quán)威清單，經(jīng)計算，市域機動車每天消耗燃油約7 0 t，排放CO2約2.3萬t，為制定交通節(jié)能減排目標(biāo)提供量化依據(jù)。②衡量重大交通基建的環(huán)境影響，以新彩隧道建成通車前后為例，梅林關(guān)晚高峰車速環(huán)比提高7%，機動車碳排放總量下降12%。③評估交通管理政策實施的環(huán)境效益，以全市停車收費調(diào)整方案為例，預(yù)測收費提高后深圳市機動車碳排放減少近20%[13](見圖9)。④改進規(guī)劃技術(shù)方法，增加環(huán)境承載力的約束目標(biāo)，為交通設(shè)施和土地利用規(guī)劃提供參考。

圖9 停車收費調(diào)整前后機動車CO2排放測試Fig.9 CO2emissions before&after parking rate adjustments

此外，面向企業(yè)，平臺能夠為環(huán)境敏感的商業(yè)選址以及企業(yè)參與交通排放權(quán)交易、推進用車節(jié)能減排等提供參考。面向市民，平臺通過電視、手機APP等多種渠道發(fā)布交通能耗與排放信息(如個人碳足跡)，引導(dǎo)市民關(guān)注交通環(huán)境、使用健康綠色的出行方式。

4 結(jié)語

深圳市機動車能耗排放核算平臺的建設(shè)充分體現(xiàn)了多元數(shù)據(jù)環(huán)境下資源整合與技術(shù)創(chuàng)新的重要性。其中，交通、環(huán)境跨學(xué)科的知識整合，保證了技術(shù)方法的科學(xué)性；多部門開放共享的協(xié)作模式是工作推進的首要保障；良好的交通模型與信息化基礎(chǔ)，多元數(shù)據(jù)的融合處理，提高了信息資源的綜合利用效率；扎實推進本地能力建設(shè)，為平臺持續(xù)運作提供保障。

下階段的工作展望至少包括以下方面：①進一步優(yōu)化核算模型與因子庫，如細化考慮氣候條件、道路狀況(如坡度、平整度)等復(fù)雜因素，加入軌道交通以及海陸空鐵等綜合運輸方式，研究排放物傳播與擴散模型等；②其他城市可根據(jù)數(shù)據(jù)和技術(shù)條件，因地制宜地建設(shè)本地化的核算模型與應(yīng)用平臺，逐步構(gòu)建起全國范圍的因子庫與排放清單；③加強環(huán)境評估與運行監(jiān)測、土地開發(fā)、安全管理、經(jīng)濟分析等其他信息系統(tǒng)的深度整合，形成涵蓋更多維度的城市交通綜合評估體系。