李 嘉，賀寒輝，彭 勃

(1.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410082；2.湖南文理學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，湖南常德415000)

0 引言

進(jìn)行微觀層面機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放分析時(shí)，最能反映當(dāng)?shù)剀?chē)輛實(shí)際運(yùn)行狀況的數(shù)據(jù)是車(chē)輛運(yùn)行工況分布(Operating Mode Distribution)，同時(shí)這也是最難獲取的輸入?yún)?shù).對(duì)于我國(guó)道路上的車(chē)輛運(yùn)行工況分布，北京交通大學(xué)進(jìn)行了較為持續(xù)的研究.宋國(guó)華等[1]在比較高峰時(shí)段和非高峰時(shí)段快速路和非快速路的比功率(Vehicle Specific Power，VSP)分布后，展示了不同類(lèi)型道路VSP分布截然不同的特征.姚恩建等[2]分析了北京不同類(lèi)型道路在不同平均速度下的VSP分布，據(jù)其計(jì)算和比較了電動(dòng)汽車(chē)的能耗系數(shù).由于VSP分布的調(diào)查和分析需要較大工作量，一個(gè)研究方向是揭示VSP分布與平均速度等交通參數(shù)的定量關(guān)系，宋國(guó)華等[3-5]對(duì)北京等特大城市的快速路進(jìn)行了研究，在平均速度高于20 km/h和低于20 km/h的情況下分別建立了數(shù)學(xué)模型.由于在美國(guó)環(huán)境保護(hù)局開(kāi)發(fā)的MOVES(Motor Vehicle Emission Simulator)軟件中，運(yùn)行工況分布是VSP和瞬時(shí)速度的組合分布，前述模型還不能直接應(yīng)用于交通網(wǎng)絡(luò)排放測(cè)算，因此胥耀方等[6-7]分別針對(duì)路段和交叉口，研究了VSP和瞬時(shí)速度組合分布的規(guī)律，建立了相應(yīng)的運(yùn)行工況分布模型并應(yīng)用模型進(jìn)行了排放測(cè)算.

目前針對(duì)車(chē)輛運(yùn)行工況與排放測(cè)算而進(jìn)行的研究主要集中在北京市等特大城市.為探究旅游型中小城鎮(zhèn)的車(chē)輛運(yùn)行工況特征與污染物排放規(guī)律，本文以韶山為案例進(jìn)行研究，研究成果對(duì)完善我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行工況與污染物排放研究具有積極意義，同時(shí)也可以為制定旅游城鎮(zhèn)減排措施提供技術(shù)支持.

1 路網(wǎng)污染物排放測(cè)算方法

機(jī)動(dòng)車(chē)行駛過(guò)程中的污染物排放總體上按照先“按類(lèi)分解”，再“聚類(lèi)合計(jì)”的方法進(jìn)行測(cè)算.

1.1 按類(lèi)分解

(1)路網(wǎng)按類(lèi)分解.

在確定了污染物排放測(cè)算的地域范圍后，將范圍內(nèi)的路網(wǎng)按照道路等級(jí)、功能、車(chē)道數(shù)、車(chē)流量、車(chē)型構(gòu)成、運(yùn)行速度、行人干擾與交叉口情況等指標(biāo)劃分為路段.設(shè)第i個(gè)路段長(zhǎng)度為L(zhǎng)i(km)，路段平均車(chē)速為Vi(km/h)，通過(guò)該路段的車(chē)輛總數(shù)為Qi(輛)，則該路段上車(chē)輛的總運(yùn)行時(shí)間Ti(輛·h)為

(2)運(yùn)行時(shí)間按類(lèi)分解.

將路段總運(yùn)行時(shí)間分解為各穩(wěn)排工況(具有穩(wěn)定污染物排放速率的運(yùn)行工況)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間，穩(wěn)排工況是車(chē)輛特征、車(chē)齡與運(yùn)行狀態(tài)的組合.車(chē)輛特征主要包括對(duì)污染物排放產(chǎn)生較大影響的燃料種類(lèi)(汽油、柴油、CNG、LPG、乙醇、電動(dòng)等)、車(chē)輛類(lèi)型(摩托車(chē)、輕型客車(chē)、大巴、輕型貨車(chē)、貨車(chē)整車(chē)、拖掛車(chē))、發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)時(shí)間等.車(chē)齡是指機(jī)動(dòng)車(chē)實(shí)際使用的年限.車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)在MOVES中用瞬時(shí)速度(km/h)和比功率(VSP)的組合來(lái)表達(dá)，稱(chēng)為“運(yùn)行工況”，其中VSP為[8]

式中：A、B、C為道路荷載系數(shù)(kW-s/m、kW-s2/m2、kW-s3/m3)；M為車(chē)輛質(zhì)量(t)；g為重力加速度，取值9.8 m/s2；v為車(chē)輛瞬時(shí)速度(m/s)；a為車(chē)輛瞬時(shí)加速度(m/s2)；sinθ為道路坡度.

為便于測(cè)算，將車(chē)輛特征、車(chē)齡、運(yùn)行工況按一定區(qū)間進(jìn)行分類(lèi)，并確定相應(yīng)類(lèi)別的分布比例.設(shè)車(chē)輛特征為第j類(lèi)的比例為Sj，第j類(lèi)車(chē)輛特征下車(chē)齡為第k類(lèi)的比例為Aj,k，第j類(lèi)車(chē)輛特征、第k類(lèi)車(chē)齡下運(yùn)行工況為第n類(lèi)的比例為Oj,k,n，那么對(duì)于路段i，穩(wěn)排工況jkn(對(duì)應(yīng)車(chē)輛特征第j類(lèi)、車(chē)齡第k類(lèi)、運(yùn)行工況第n類(lèi))對(duì)應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間Ti,j,k,n(輛·h)為

且有：

式中：fj,k,n為穩(wěn)排工況jkn的運(yùn)行時(shí)間占路段i總運(yùn)行時(shí)間的比例，fj,k,n=SjAj,kOj,k,n.

對(duì)于微觀層面的排放測(cè)算，車(chē)輛特征分布和車(chē)齡分布偏靜態(tài)，其參數(shù)Sj和Aj,k可結(jié)合交通調(diào)查予以確定.運(yùn)行工況分布與路段技術(shù)等級(jí)、車(chē)道寬度、車(chē)道數(shù)、路段車(chē)流量、車(chē)型構(gòu)成、擁擠程度、交叉口控制方式等諸多因素直接相關(guān)，其參數(shù)Oj,k,n偏動(dòng)態(tài)，較難確定，但它又是項(xiàng)目層面排放測(cè)算中最能反映車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行狀況的數(shù)據(jù)，是本文的研究重點(diǎn).

1.2 聚類(lèi)合計(jì)

得出各穩(wěn)排工況的運(yùn)行時(shí)間后，根據(jù)穩(wěn)排工況的排放率，就可以累積計(jì)算得出路段排放，實(shí)現(xiàn)聚類(lèi)合計(jì).由于溫度、濕度、空調(diào)使用、燃料特征、車(chē)檢與保養(yǎng)等情況也會(huì)對(duì)污染物排放產(chǎn)生一定影響，故在聚類(lèi)合計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)污染物排放量進(jìn)行相應(yīng)修正，即路段i的污染物排放Ei(g)為

式中：Pj,k,n為穩(wěn)排工況jkn的排放率(g/h)，計(jì)算不同污染物時(shí)采用相應(yīng)的排放率；KA、KH、KC、KF、KS依次為溫度修正系數(shù)、濕度修正系數(shù)、空調(diào)使用修正系數(shù)、燃料特征修正系數(shù)、車(chē)輛檢修保養(yǎng)修正系數(shù).

最后按式(6)計(jì)算路網(wǎng)污染物總排放E(g).

實(shí)際應(yīng)用中也可在得出典型路段的排放因子后，將其推廣到類(lèi)似路段，再匯總計(jì)算路網(wǎng)污染物總排放.先在式(5)的基礎(chǔ)上，按式(7)計(jì)算得出典型路段按車(chē)公里計(jì)算的排放因子Ri(g/(輛·km)).

然后統(tǒng)計(jì)與典型路段具有相似特征的路段長(zhǎng)度L0i(km)和通過(guò)該路段的車(chē)輛總數(shù)Q0i(輛)，按式(8)計(jì)算路網(wǎng)污染物總排放E(g).

路網(wǎng)污染物排放測(cè)算技術(shù)路徑如圖1所示.

圖1 路網(wǎng)污染物排放測(cè)算流程圖Fig.1 Emission estimate roadmap

2 運(yùn)行工況調(diào)查分析

2.1 運(yùn)行工況調(diào)查與數(shù)據(jù)處理

如前所述，運(yùn)行工況分布是本文研究的重點(diǎn)，選擇湖南韶山作為案例，于2016年11月18～21日在典型道路上進(jìn)行了運(yùn)行工況調(diào)查.

基于排放測(cè)算，將韶山市的主要道路按功能、車(chē)道數(shù)、速度限制、行人干擾、車(chē)型構(gòu)成、交叉口信號(hào)控制情況等特征分為城鎮(zhèn)中心干道、城鎮(zhèn)外圍干道、景區(qū)主線、景區(qū)支線等4種類(lèi)型.調(diào)查測(cè)試路線根據(jù)道路類(lèi)型設(shè)計(jì)，覆蓋的城鎮(zhèn)中心干道主要有英雄路、韶山路、車(chē)站路、新顏路、迎賓路等，城鎮(zhèn)外圍干道主要有韶山大道、外環(huán)路、韶峰大道等，景區(qū)主線主要有韶峰路、X037線等，景區(qū)支線主要有X039、X040、滴水洞路等.

運(yùn)行工況調(diào)查針對(duì)小客車(chē)展開(kāi)，測(cè)試車(chē)型為雪鐵龍C4L，2014自動(dòng)款，排量1.8 L，選擇韶山本地駕駛員與外地駕駛員各10名，各駕駛員對(duì)每條線路往返測(cè)試2次.車(chē)輛行駛過(guò)程中的逐秒位置、瞬時(shí)速度、移動(dòng)方向等GPS信息采用手機(jī)百度地圖采集.

車(chē)輛逐秒VSP值采用式(2)計(jì)算，本文不考慮道路坡度影響，取sinθ=0，系數(shù)A、B、C采用平均值，依次為0.156 5、0.002 0、0.000 5，M采用調(diào)查車(chē)輛實(shí)際值1.58 t.

為批量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和相關(guān)計(jì)算，編制了excel VBA宏程序，最終得到有效數(shù)據(jù)122 083條，每條記錄對(duì)應(yīng)1 s的瞬時(shí)工況.

2.2 速度分布特征

按駕駛員類(lèi)型與道路類(lèi)型統(tǒng)計(jì)瞬時(shí)速度的算術(shù)平均值，結(jié)果如圖2所示.可以看出，在各種類(lèi)型道路上，本地駕駛員的平均車(chē)速全部高于外地駕駛員，在景區(qū)道路上這種差別更明顯，這一點(diǎn)也可從瞬時(shí)速度分布圖(圖3)中看出.城鎮(zhèn)中心干道上，本地駕駛員與外地駕駛員兩條曲線的差異并不大；城鎮(zhèn)外圍干道上，兩者的差別也主要只是本地駕駛員的瞬時(shí)速度分布更為集中；而在景區(qū)道路上，兩者則出現(xiàn)了明顯的偏移.

圖2 平均速度Fig.2 Average speeds

圖3 瞬時(shí)速度分布圖Fig.3 Distributions of instantaneous speed

2.3 VSP分布特征

機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放率與瞬時(shí)速度和VSP值的組合直接有關(guān)，因此分析VSP分布時(shí)，需要先將其按對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)速度劃分開(kāi)來(lái).MOVES中將車(chē)輛瞬時(shí)速度分為4個(gè)區(qū)間：〈1.6，[1.6，40)，[40，80)，≥80 km/h.瞬時(shí)速度〈1.6 km/h時(shí)，不管VSP為何值，均對(duì)應(yīng)唯一的運(yùn)行工況“怠速”和較為一致的排放率，故不需分析VSP分布；由于本文所研究的道路實(shí)測(cè)速度均小于80 km/h，故分析VSP分布時(shí)，僅涉及[1.6，40)，[40，80)兩個(gè)速度區(qū)間，以下依次簡(jiǎn)稱(chēng)“低速區(qū)間”“高速區(qū)間”.

統(tǒng)計(jì)各VSP分布的變異系數(shù)，如表1所示，不同駕駛員類(lèi)型、不同道路類(lèi)型對(duì)應(yīng)的VSP分布如圖4所示.

表1 VSP分布的變異系數(shù)Table 1 Coefficient of variation of VSP distributions

從表1可以看出，對(duì)于道路類(lèi)型和瞬時(shí)速度區(qū)間的任意組合，本地駕駛員對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)均大于外地駕駛員，表明本地駕駛員的VSP分布比外地駕駛員普遍更為離散，景區(qū)道路上這種趨勢(shì)更為明顯，例如，低速區(qū)間下景區(qū)主線和景區(qū)支線的VSP分布，本地駕駛員對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)分別為7.874和6.135，明顯高于外地駕駛員相應(yīng)的4.500和2.962.這種趨勢(shì)也直觀地體現(xiàn)在VSP分布圖中，如圖4(c)和圖4(d)中，本地駕駛員對(duì)應(yīng)的分布曲線比外地駕駛員，峰值更小，形狀更扁平，大VSP值區(qū)間(VSP值大于10)具有更高的頻率.決定VSP值大小的主要因素為車(chē)輛的速度和加速度，從式(2)可以看出，速度、加速度越大，VSP值越大.本地駕駛員更加熟悉路況，車(chē)速更高，而在追求更高速度的情況下需要頻繁的加減速，大VSP值相對(duì)較多；外地駕駛員則由于不熟悉路況，平均車(chē)速較低，行車(chē)不如本地駕駛員激進(jìn)，大VSP值相對(duì)較少.在景區(qū)，由于路況的復(fù)雜性、出行目的的差異性，這種差別更為突出.

綜上，不同駕駛員類(lèi)型、不同道路類(lèi)型的速度和VSP分布均存在一定的差異，這種差異勢(shì)必帶來(lái)污染物排放因子的差別.

圖4 VSP分布圖Fig.4 VSP distributions

3 污染物排放因子

為便于比較，除運(yùn)行工況以外，其他參數(shù)如車(chē)輛特征、車(chē)齡分布、溫度、濕度均采用統(tǒng)一輸入值，燃料數(shù)據(jù)、空調(diào)使用、車(chē)輛檢修保養(yǎng)等參數(shù)，以及各穩(wěn)排工況對(duì)應(yīng)的排放率均采用默認(rèn)值.

將韶山市典型道路上本地駕駛員、外地駕駛員運(yùn)行工況分布導(dǎo)入MOVES模型，運(yùn)行后即可得到相應(yīng)的排放因子(依次簡(jiǎn)稱(chēng)“修正本地”“修正外地”).本文選擇CO、NOx、HC和PM2.5這4種主要污染物進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示.圖中還列出了采用MOVES默認(rèn)運(yùn)行工況得出的排放因子(依次簡(jiǎn)稱(chēng)“默認(rèn)本地”“默認(rèn)外地”).

圖5 污染物排放因子Fig.5 Emission factors

從圖5可以看出：

(1)采用實(shí)際運(yùn)行工況分布和MOVES默認(rèn)運(yùn)行工況分布得出的排放因子存在較大差異.采用實(shí)際運(yùn)行工況得出的污染物排放因子中，除本地駕駛員在景區(qū)道路上的排放因子與默認(rèn)工況得出的排放因子相近外，其余均明顯低于默認(rèn)工況得出的排放因子.因此，在應(yīng)用MOVES時(shí)，直接采用默認(rèn)的運(yùn)行工況分布，得出的排放結(jié)果將產(chǎn)生較大誤差，據(jù)統(tǒng)計(jì)，CO和PM2.5的排放可能會(huì)比實(shí)際排放值平均高出30%左右，HC可能高出50%左右，而NOx誤差最大，可能高出80%左右.

(2)采用實(shí)際運(yùn)行工況得出的本地駕駛員污染物排放因子全部高于外地駕駛員，在景區(qū)道路上尤其明顯.例如，景區(qū)主線上，本地駕駛員的CO、NOx、HC和PM2.5排放因子比外地駕駛員分別高出46.9%、71.7%、73.6%和46.2%.從前面運(yùn)行工況的分析可知，相對(duì)于外地駕駛員，本地駕駛員平均車(chē)速更高，VSP分布更離散，正是這種駕駛行為和運(yùn)行工況的差異帶來(lái)了污染物排放因子的差別.這對(duì)于環(huán)保駕駛的啟示是，駕駛員在熟悉的道路上更容易偏激進(jìn)地駕駛，從而造成更高的污染物排放量.

4 污染物排放計(jì)算實(shí)例

為了減少韶山市核心景區(qū)道路的交通擁堵與機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放污染環(huán)境問(wèn)題，韶山景區(qū)于2016年3月25日啟動(dòng)游客換乘方案(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“換乘方案”)，具體為外地游客自駕車(chē)輛駛?cè)霌Q乘中心停車(chē)場(chǎng)，換乘景區(qū)環(huán)保車(chē)進(jìn)入景區(qū).

經(jīng)調(diào)查，換乘中心啟用前，景區(qū)內(nèi)小客車(chē)在景區(qū)主線上的平均行駛距離為9.7 km，支線平均行駛距離為5.8 km.在景區(qū)主線、景區(qū)支線本地駕駛員及外地駕駛員對(duì)應(yīng)的污染物排放因子基礎(chǔ)上，依據(jù)2016年8月1～30日換乘中心停車(chē)場(chǎng)、景區(qū)卡口交通量數(shù)據(jù)，按式(8)計(jì)算路網(wǎng)污染物排放量和減排量，以CO和NOx為例，結(jié)果如圖6所示.

圖6 換乘方案的污染物減排效益Fig.6 Emission reduction by the transfer project

由圖6可見(jiàn)，減排量在1個(gè)月之內(nèi)呈周期性變化，周末(8月6、7、13、14、20、21、27、28日)減排量大.CO每天的減排比例為70%～85%，NOx的減排比例為65%～80%.

將8月1～30日韶山景區(qū)內(nèi)CO、NOx、HC和PM2.5的總排放量匯總于表2，可以看出換乘方案具有較好的減排效益，各污染物總減排比例為73%～78%.

5 結(jié)論

通過(guò)在韶山市不同道路類(lèi)型上調(diào)查本地駕駛員和外地駕駛員駕駛小客車(chē)的逐秒GPS數(shù)據(jù)并進(jìn)行計(jì)算處理，分析對(duì)應(yīng)的運(yùn)行工況分布情況，并將運(yùn)行工況分布數(shù)據(jù)導(dǎo)入MOVES軟件，測(cè)算相應(yīng)的污染物排放因子，據(jù)此研究韶山市游客換乘方案的污染物減排效益.研究發(fā)現(xiàn)：

表2 污染物排放匯總表Table 2 Total Emission

(1)相對(duì)于外地駕駛員，本地駕駛員平均車(chē)速更高，VSP分布更離散，這在景區(qū)道路上尤其明顯.運(yùn)行工況的差別使得本地駕駛員的污染物排放因子在所有道路類(lèi)型上全部高于外地駕駛員，景區(qū)道路上高出更多.

(2)在應(yīng)用MOVES軟件時(shí)，若不進(jìn)行運(yùn)行工況調(diào)查而直接采用默認(rèn)的運(yùn)行工況分布，得出的排放結(jié)果將會(huì)產(chǎn)生較大誤差.

(3)根據(jù)得出的排放因子和韶山景區(qū)的車(chē)流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)算，發(fā)現(xiàn)實(shí)行游客換乘方案對(duì)景區(qū)污染物減排有較好效果.