面向公路坡度設計的汽車排放影響的研究

楊亞萍，王敏

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

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面向公路坡度設計的汽車排放影響的研究

楊亞萍，王敏

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

文章應用速度預測模型及非均勻加速度模型得到坡度道路的機動車速度分布及運行模式分布，進而得到公路坡度和機動車運行工況的相關性?；诟叻直媛式煌ㄅ欧拍Ｐ蚆OVES，明確不同公路坡度設計對交通排放的量化影響程度，為道路規劃/設計中的環保決策提供技術支持。

公路坡度；運行速度；MOVES模型；排放評估

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.025

CLC NO.: U467.2+1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)06-72-02

背景

公路是關系國民經濟與社會發展的重要基礎設施，同時，公路的建成和運營也帶來了大氣環境污染問題。由于車輛的持續增加，致使擁堵嚴重，排放增加。盡管長期資金不足，新建或重建來增加容量和減少交通擁堵的策略卻未停止。當前在公路規劃到建成投入運營的過程中，針對環境的控制環節主要是通過環境評價來反饋和改進。如在公路規劃和初步設計階段需要對公路大氣環境影響進行預測評估，在建成投入運營之后還需要進行大氣環境后評價，便于提出改進措施。但這些評價是面向移動源排放清單總量的，其估算依據是基于速度相關的機動車排放因子。而實際上，影響機動車排放因子的因素除車速之外，還與路面幾何設計諸多參數（如路面坡度、水平曲線、垂直曲線等）有關。當前公路設計規范或導則尚未考慮幾何線形設計對機動車排放的量化影響。而在幾何設計中，坡度是最為常見的線形，故此次主要針對坡度設計對排放的影響進行研究。

1、速度模型

因為在不同坡度的設置中，在實際中，極限情況很難獲得，比如 9%的坡度，因此采用速度預測模型和非均勻加減速模型可以預測在這種情形下的速度分布，進而得到運行模式分布，進行油耗和排放的計算。

設計速度是公路設計中的基本參數，并且影響其他設計特征。設計速度是當條件非常有利時，可以在公路一個指定的部分保持最大安全速度，設計功能占主導地位(AASHTO，2004)。需要注意，選擇一個速度作為設計速度時，應該反映車輛在高速公路上可以操作或實際操作的速度。通過設計車速，可以得到標準的公路最大縱坡與最小坡長，規定如表1。

1.1線形減小加速度模型

線性減小加速度模型，先假設最大加速度為零，然后線性減少為零的最大速度，而且它可以由式（2.1）、（2.2）制定。線性減小加速度模型用于貨車在坡度上的實時速度，因為高速公路設計坡度和坡度上的臨界長度是基于貨車最大加速度和爬行速度的性能。

1.2多項式模型

其中，為最大加速度；θ為開始加速度時刻與加速總時間的比值；m、r為參數。

2、坡度仿真

選用貨車車型，對公路坡度變化進行仿真模擬，圖1描述了仿真的基本情況。

圖1　給定初速度、坡度和臨界坡長的公路坡度仿真

在公路坡度設計中主要有三個影響因素：坡度、初速度、坡度的臨界長度。首先，以固定的初速度110km/h,分別在0 —9%的坡度運行1km，得到相應的油耗和排放。依據坡度的臨界長度，將總長分為兩段：縱坡坡長（d1）和水平坡長（d2）。縱坡坡長依據10km/h或20km/h的速度減少量來劃分。水平坡長則由總長1km減去縱坡長度得到。

最近，一些研究人員在研究中使用特種車輛動力(VSP)，因為 VSP能量化各種車輛的特點和操作條件下的車輛排放和燃料消耗。VSP(kw/t)被定義為每單位質量的車輛的瞬時功率，可以根據速度、加速度、滾動阻力、空氣動力阻力和道路等級來計算，如公式(3.1)所示。

其中，v表示機動車的車速（m/s）；a表示機動車的加速度（m/s2）；Ar表示滾動阻力系數（kW/(m/s)2）；B表示速度修正的滾動阻力系數；C表示空氣阻力系數； M 為車的質量；g為引力常量；θ為道路坡度。貨車車型的VSP具體計算公式如（3.2）所示。

其中，grade的取值區間為（0—9）。

3、MOVES模型及修正

目前，EPA 已經將MOVES 和EMFAC 確定為美國（除加州）和美國加州地區對運輸工程項目進行PM2.5和CO 量化熱點分析的排放計算官方模型。MOVES模型包括許多輸入類型，如區域、車輛類型、道路類型、操作模式分布、年齡分布等。在瞬時車速和VSP的基礎上，MOVES將運行模式分為23個bins。將運行模式分布輸入到MOVES中，得出油耗和污染物CO2、 NOX的含量，跟坡度比對，得出圖2、圖3。

圖2　不同坡度下的油耗

圖3　不同坡度下CO2和NOX的排放

由圖可知，貨車在坡度為 9%的路面上行駛時，比平坦路面上多消耗三倍的燃油，排出的CO2也接近三倍，NOX將近兩倍。隨著坡度的遞增，油耗在增加，CO2也在增加，NOX增加的比較緩。這說明公路坡度強烈的影響了燃油消耗和排放，在保持其他條件不變的情況下，坡度增加，使機動車負荷增加，從而增加了油耗和排放。

4、小結

研究表明，機動車排放和坡度之間是相關的，所以通過分析公路設計方案的環境友好性可以達到消減機動車排放、降低環境污染的目的。它可以減少公路設計在工程判斷中對環保方面的不確定性。這項研究顯示了公路坡度設計對環境影響的重要性，為公路設計師在設計過程提供一定的參考。

[1] AASHTO,2011. GreenBook-A Policy on Geometric Design of Highways and Streets (6th ed.).American Association of State and Highway Transportation Officials, Washington, D.C.

[2] Akcelik, R., and D. C. Biggs. Acceleration Profile Models for Vehicles in Road Traffic [J]. Transportation. Science, Vol. 21, No. 1, 1987, pp. 36-54.

[3] Akcelik, R., and M. Besley. Acceleration and Deceleration Models [J]. Presented at 23rd Conference ofthe Australian Institute of Transpor tation Research, Monash University, Melbourne, Australia, 2001.

[4] 公路線形設計規范（JTG D20-2006）[S],人民交通出版社，2006.09.

[5] 楊少偉，張弛，王海君等. 公路線形設計中的可能預測模型[J]. 環境科學,2006,27（10）：1928- 1933.

The Research of the Effects on Vehicle Emission Under the Highway GradeDesign

Yang Yaping, Wang Min
（Automobile Faculty, Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064）

Applyingspeed prediction model and non-uniform acceleration model to motor vehicle speed distribution and run mode distribution of road grade, the correlation of highway slope and motor vehicle operation condition can be obtained.Based on high resolution traffic emission model MOVES, we can obtain different highway grade design quantitative influence on traffic emission, to provide technical support for road planning or design of environmental decision-making.

Highway grade; Running speed; MOVES model; Emissions assessment

楊亞萍，就讀于長安大學載運工具運用工程專業。

U467.2+1

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1671-7988 （2016）06-72-02