王彩鳳, 祁昊, 吳忠宜, 李成, 智涵禎

(1.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院, 北京 100029;2.百度在線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(北京)有限公司, 北京 100085)

目前,主要從微觀、中觀、宏觀3個(gè)層次進(jìn)行城市交通碳排放研究。在微觀層面,Abou-Senna H.等通過(guò)VISSIM和移動(dòng)源排放測(cè)算模型(MOVES)對(duì)交通量、速度、載質(zhì)量、道路狀態(tài)等與碳排放之間的關(guān)系進(jìn)行了研究[1];Ahn K.等基于全球定位系統(tǒng)信息,對(duì)道路類型和碳排放之間的關(guān)系進(jìn)行了研究[2]。研究發(fā)現(xiàn),僅選擇高速道路行駛并不能有效降低交通排放量,建議在路徑選擇中適當(dāng)選取一定比例的低速路段并減少激進(jìn)駕駛行為,以實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)能減排效果。在中觀層面,程穎等利用車載排氣排放物檢測(cè)設(shè)備采集的不同道路等級(jí)下汽車排氣排放物排放數(shù)據(jù),對(duì)不同模型計(jì)算的碳排放因子精度進(jìn)行了對(duì)比分析[3]。在宏觀層面,Burón J. M.等利用NEI體系,將交通規(guī)劃模型EMME/2和排放模型MOBILE整合,建立了加拿大宏觀層次下路網(wǎng)機(jī)動(dòng)車排放測(cè)算模型CALMOB6,該模型能反映真實(shí)的當(dāng)?shù)靥寂欧艔?qiáng)度[4];李健等采用IPCC自上而下方法,分析了京津冀地區(qū)機(jī)動(dòng)車常規(guī)污染物(CO、NOx、HC、PM2.5等)的排放特征及不同省市的排放物貢獻(xiàn)度[5]。目前關(guān)于碳排放的研究主要集中在模型利用及改進(jìn)方面,對(duì)結(jié)合先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行碳排放評(píng)估的研究較少。為此,本文從智能網(wǎng)聯(lián)交通系統(tǒng)碳減排原理入手,結(jié)合現(xiàn)有研究建立典型交通場(chǎng)景下智能網(wǎng)聯(lián)交通系統(tǒng)碳排放測(cè)算模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)城市智能網(wǎng)聯(lián)交通系統(tǒng)碳減排的測(cè)算與評(píng)估。

1 智能網(wǎng)聯(lián)交通系統(tǒng)碳減排基本原理

普通城市道路交叉口和道路路段對(duì)城市交通運(yùn)行通暢、能源消耗和碳排放等具有重要影響。缺乏智能技術(shù)支持的情況下,駕駛?cè)穗y以準(zhǔn)確獲知交通流和信號(hào)燈情況,導(dǎo)致不必要的駕駛行為,增加延誤時(shí)間、燃油消耗和污染物排放量。異常情況下,駕駛?cè)藷o(wú)法及時(shí)獲取相關(guān)信息,影響車輛行駛效率和安全性,降低交通流量和行駛速度,進(jìn)一步增加能源消耗和污染物排放量。

智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的快速發(fā)展在改善城市道路交通狀況和降低污染物排放方面起到重要作用。如圖1所示,智能網(wǎng)聯(lián)交通系統(tǒng)基于路側(cè)感知設(shè)備和智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù)[6-7],實(shí)現(xiàn)對(duì)城市道路交叉口信號(hào)配時(shí)的優(yōu)化,同時(shí)對(duì)城市道路和交叉口內(nèi)通行的車輛進(jìn)行路徑規(guī)劃及車速引導(dǎo),減小排隊(duì)長(zhǎng)度,減少停車時(shí)間及停車次數(shù)等,從而提高城市道路通行能力,提升車輛通行效率,避免交通事故及事故導(dǎo)致的道路擁堵,有效緩解交通擁堵,促進(jìn)城市交通碳減排。

圖1 智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)碳減排基本原理

2 智能網(wǎng)聯(lián)交通系統(tǒng)碳減排效益評(píng)估方法

2.1 信號(hào)交叉口碳排放測(cè)算方法

根據(jù)智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)碳減排原理,車輛在交叉口會(huì)產(chǎn)生急加減速變換、起/停操作及怠速等駕駛行為。車輛在不同運(yùn)行狀況下的碳排放不同,交叉口碳排放主要有三方面[8]:

(1) 減速階段。減速階段的碳排放是指車輛即將到達(dá)交叉口之前因前方為紅燈由城市平均運(yùn)營(yíng)時(shí)速開(kāi)始剎車減速至停駛過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放,計(jì)算公式如下:

(1)

式中:QQE, y1為第y年車輛進(jìn)入交叉口時(shí)減速階段的碳排放量(t);qPN,i,j,p為第j天通過(guò)第i個(gè)交叉口的單日交通量(輛);p為車輛類型;QPA,i,p為車輛進(jìn)入第i個(gè)交叉口時(shí)減速階段的碳排放量(g/輛)。

(2) 怠速階段。怠速階段的碳排放是指車輛在交叉口因紅燈停車怠速過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放,計(jì)算公式如下:

(2)

式中:QQE,y2為第y年車輛在交叉口怠速過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放量(t);RMP,i,p為第i個(gè)交叉口進(jìn)口道單車怠速溫室氣體排放速率[g/(s·輛)];Ti,j,p為第j天第i個(gè)交叉口各進(jìn)口道車輛的平均延誤時(shí)間(s)。

(3) 加速階段。加速階段的碳排放是指車輛起動(dòng)加油時(shí)產(chǎn)生的碳排放,計(jì)算公式如下:

(3)

式中:QQE,y3為第y年車輛在交叉口起動(dòng)加油時(shí)產(chǎn)生的碳排放量(t);QPD,i,p為車輛在第i個(gè)交叉口等待紅燈結(jié)束后駛出交叉口的過(guò)程中加速階段的碳排放量(g/輛)。

綜上,交叉口的碳排放為:

QQE,y=QQE,y1+QQE,y2+QQE,y3

(4)

式中:QQE,y為第y年交叉口的碳排放量(t)。

2.2 道路路段碳排放測(cè)算方法

根據(jù)已有研究成果,影響城市道路路段碳排放的因素主要包括道路通行量、車輛行駛里程、行駛速度、碳排放因子等。基于城市交通運(yùn)輸活動(dòng)碳排放評(píng)估ASIF法,結(jié)合路段碳排放計(jì)算方法[9-10],考慮項(xiàng)目路段運(yùn)行數(shù)據(jù)等,路段日碳排放量計(jì)算公式為:

Ki,j=qVT,i,j,p,d×DBD,i,d×FEF,i,p,d

(5)

式中:Ki,j為第y年第j天第i個(gè)路段的日碳排放量(t);qVT,i,j,p,d為第j天第i個(gè)路段的單日交通量(輛);d為道路等級(jí);DBD,i,d為第i個(gè)路段的行駛距離(km);FEF,i,p,d為第i個(gè)路段車輛行駛時(shí)的碳排放因子(g/km),根據(jù)機(jī)動(dòng)車速度、道路條件、車輛載質(zhì)量、車型等因素確定。

路段的年碳排放量為:

(6)

式中:QOE,y為第y年路段的碳排放量(t)。

2.3 智能網(wǎng)聯(lián)交通系統(tǒng)碳減排效益評(píng)估

在已知智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)實(shí)施前后各信號(hào)交叉口與道路路段碳排放量的基礎(chǔ)上,可按下式計(jì)算城市道路網(wǎng)的碳減排總量QSE,y:

QSE,y=(QQE,y,u-QQE,y,v)+(QOE,y,u-QOE,y,v)

(7)

式中:QQE,y,u、QQE,y,v分別為第y年智能網(wǎng)聯(lián)項(xiàng)目實(shí)施前后信號(hào)交叉口的碳排放總量;QOE,y,u、QOE,y,v分別為第y年智能網(wǎng)聯(lián)項(xiàng)目實(shí)施前后道路路段的碳排放量。

3 實(shí)例驗(yàn)證

北京市高級(jí)別自動(dòng)駕駛示范區(qū)位于北京大興亦莊,是全球首個(gè)高級(jí)別自動(dòng)駕駛示范區(qū),預(yù)計(jì)3年內(nèi)鋪設(shè)網(wǎng)聯(lián)道路300 km,完成332個(gè)路口的智能化改造。

3.1 數(shù)據(jù)采集

研究所采集數(shù)據(jù)主要包括智能網(wǎng)聯(lián)實(shí)施前后信號(hào)交叉口和道路路段的相關(guān)數(shù)據(jù),共收集3個(gè)交叉口和5條路段信息,數(shù)據(jù)時(shí)間維度為2022年智能網(wǎng)聯(lián)項(xiàng)目實(shí)施前后各一周(2022年6月8—14日、2022年9月19—25日)的數(shù)據(jù)。3個(gè)信號(hào)交叉口分別為科創(chuàng)八街與經(jīng)海路交叉口(交叉口1)、科創(chuàng)八街與經(jīng)海三路交叉口(交叉口2)、中和街與永昌北路交叉口(交叉口3),5條道路路段分別為經(jīng)海路中段路段(科創(chuàng)六街—科創(chuàng)八街,路段1)、經(jīng)海三路路段(科創(chuàng)六街—科創(chuàng)八街,路段2)、經(jīng)海一路路段(科創(chuàng)六街—科創(chuàng)八街,路段3)、榮京東街—科創(chuàng)五街路段(榮京東街與榮華路交叉口—科創(chuàng)五街與經(jīng)海路交叉口,路段4)、永昌北路路段(萬(wàn)源街—中和街,路段5),交叉口和路段實(shí)景見(jiàn)圖2。

①～⑧分別為交叉口1、交叉口2、交叉口3、路段1、路段2、路段3、路段4、路段5

3.1.1 交叉口數(shù)據(jù)分析

信號(hào)交叉口相關(guān)數(shù)據(jù)主要包括交叉口名稱、日期、時(shí)間、交通量、平均排隊(duì)長(zhǎng)度和平均延誤等(見(jiàn)表1)。

主要以小汽車為研究對(duì)象,由于缺少小汽車車型數(shù)據(jù),暫不考慮車型類別,只考慮汽油小汽車。根據(jù)已有車載排放測(cè)試和MOVES 模型,計(jì)算交叉口碳排放評(píng)估模型中參數(shù)值,結(jié)果見(jiàn)表2。

對(duì)交叉口采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,智能網(wǎng)聯(lián)項(xiàng)目實(shí)施前后平均排隊(duì)長(zhǎng)度和延誤時(shí)間對(duì)比分別見(jiàn)圖3、圖4,智能網(wǎng)聯(lián)項(xiàng)目實(shí)施后交叉口平均排隊(duì)長(zhǎng)度和延誤時(shí)間的變化見(jiàn)表3。由圖3、圖4、表3可知:智能網(wǎng)聯(lián)項(xiàng)目實(shí)施后3個(gè)交叉口的平均排隊(duì)長(zhǎng)度和平均延誤時(shí)間都得到改善。

表1 交叉口采集數(shù)據(jù)樣例

表2 相關(guān)參數(shù)描述[11]

圖3 智能網(wǎng)聯(lián)項(xiàng)目實(shí)施前后交叉口排隊(duì)長(zhǎng)度對(duì)比

圖4 智能網(wǎng)聯(lián)項(xiàng)目實(shí)施前后交叉口延誤時(shí)間對(duì)比

表3 智能網(wǎng)聯(lián)項(xiàng)目實(shí)施后交叉口排隊(duì)長(zhǎng)度和延誤時(shí)間的變化 單位:%

3.1.2 路段數(shù)據(jù)分析

道路路段數(shù)據(jù)主要包括路段名稱、起終點(diǎn)交叉口名稱、日期、時(shí)間、交通量、平均車速和平均行程時(shí)間等(見(jiàn)表4)。

表4 路段采集數(shù)據(jù)樣例

由于缺少小汽車車型數(shù)據(jù)和道路等級(jí)數(shù)據(jù),計(jì)算時(shí)不考慮車型類別和道路等級(jí),代表車型統(tǒng)一為1.6 L排量小汽車,其單車行駛速度與二氧化碳排放強(qiáng)度的關(guān)系見(jiàn)圖5[12]。參考城市交通碳排放因子數(shù)據(jù)庫(kù)等[13],確定代表車型行駛速度為15 km/h、20 km/h、25 km/h、30 km/h時(shí)的碳排放強(qiáng)度分別為362 g/km、342 g/km、312 g/km、280 g/km。

圖5 1.6 L排量小汽車行駛速度與二氧化碳排放

對(duì)道路路段采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,智能網(wǎng)聯(lián)項(xiàng)目實(shí)施前后經(jīng)海路中段、經(jīng)海三路、榮京東街—科創(chuàng)五街3個(gè)路段的交通量和平均車速對(duì)比見(jiàn)圖6,智能網(wǎng)聯(lián)項(xiàng)目實(shí)施后路段交通量和平均車速的變化見(jiàn)表5。由圖6、表5可知:智能網(wǎng)聯(lián)項(xiàng)目實(shí)施后路段交通量和平均車速都得到提升。

3.2 效果評(píng)估

3.2.1 交叉口碳減排分析

核算3個(gè)交叉口的碳排放情況,智能網(wǎng)聯(lián)項(xiàng)目實(shí)施前后交叉口日均碳排放量對(duì)比見(jiàn)圖7。由圖7可知:智能網(wǎng)聯(lián)項(xiàng)目實(shí)施后3個(gè)交叉口的日均碳排放量都明顯降低,其中中和街與永昌北路交叉口的日均碳減排量最大。智能網(wǎng)聯(lián)項(xiàng)目實(shí)施前后3個(gè)交叉口的年碳排放量分別為283.61 t、128.48 t,智能網(wǎng)聯(lián)項(xiàng)目實(shí)施后實(shí)現(xiàn)的年碳減排量為155.13 t,交叉口的平均年碳減排量為51.71 t。北京市高級(jí)別自動(dòng)駕駛示范區(qū)一期和二期共建設(shè)332個(gè)路口,據(jù)此估算,該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的年碳減排量為17 167.72 t,交叉口碳減排率為54.70%。

圖6 智能網(wǎng)聯(lián)項(xiàng)目實(shí)施前后部分路段交通量和平均車速對(duì)比

表5 智能網(wǎng)聯(lián)項(xiàng)目實(shí)施后道路路段交通和平均車速的變化 單位:%

圖7 智能網(wǎng)聯(lián)項(xiàng)目實(shí)施前后交叉口日均碳排放量對(duì)比

3.2.2 路段碳減排分析

核算5個(gè)路段的碳排放情況,智能網(wǎng)聯(lián)項(xiàng)目實(shí)施前后路段日均碳排放量對(duì)比見(jiàn)圖8。

圖8 智能網(wǎng)聯(lián)項(xiàng)目實(shí)施前后路段日均碳排放量對(duì)比

由圖8可知:路段4(榮京東街—科創(chuàng)五街)的碳排放量較大,該路段為主要交通走廊,交通量較大,因而碳排放量也較大。智能網(wǎng)聯(lián)項(xiàng)目實(shí)施后,5個(gè)路段的日均碳排放量都有所降低,其中榮京東街—科創(chuàng)五街路段的日均碳減排量為1.58 t,其他4個(gè)路段的平均日均碳減排量為0.24 t。考慮交通走廊及普通道路長(zhǎng)度的影響,通過(guò)加權(quán)的方式,根據(jù)特征路段長(zhǎng)度占比測(cè)算北京市高級(jí)別自動(dòng)駕駛示范區(qū)智能網(wǎng)聯(lián)項(xiàng)目實(shí)施后年碳排放量為70 132.54 t,項(xiàng)目實(shí)施前年碳排放量為103 699.27 t,預(yù)計(jì)每年實(shí)現(xiàn)碳減排量33 566.73 t,碳減排率為32.37%。

3.2.3 項(xiàng)目碳減排分析

綜上所述,北京市高級(jí)別自動(dòng)駕駛示范區(qū)智能網(wǎng)聯(lián)項(xiàng)目全部建成后,預(yù)計(jì)每年實(shí)現(xiàn)碳減排量50 734.45 t,智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)在降低城市交通碳排放方面具有顯著效果。

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析智能網(wǎng)聯(lián)交通系統(tǒng)的基本特征與碳減排基本原理,提出基于信號(hào)交叉口與道路路段的智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)碳排放測(cè)算模型,并以北京市高級(jí)別自動(dòng)駕駛示范區(qū)為例進(jìn)行碳減排效益實(shí)例驗(yàn)證,預(yù)估其智能網(wǎng)聯(lián)交通系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)年碳減排量約5.1萬(wàn)t,碳減排效益顯著。其中信號(hào)交叉口預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)年碳減排量約1.7萬(wàn)t,道路路段預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)年碳減排量約3.4萬(wàn)t,約為信號(hào)交叉口的2倍,智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)對(duì)優(yōu)化道路路段通行效率和減少碳排放的效果更突出。但由于當(dāng)前未能獲取車輛組成、燃料類型等詳細(xì)數(shù)據(jù),僅通過(guò)假設(shè)采用標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值,后續(xù)研究中須進(jìn)一步細(xì)化,提升智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)碳減排效益評(píng)估方法的精度與準(zhǔn)確性。