基于MOVES的微觀層次路段交通排放研究

周璇 李水富

摘? 要：微觀層次交通排放模型是量化機動車尾氣排放、評價交通管理產生節能減排效果的重要手段，在分析MOVES（motor vehicle emission simulator）模型計算原理與輸入參數的基礎上，提出了微觀層次輸入參數的本地化獲取方法。本文基于實踐調查獲取的相關數據，結合微觀仿真軟件VISSIM，對交叉口臨近路段進行交通仿真，輸出路段上距離停車線等距檢測點位置的速度和加速度等交通評價指標，然后使用美國環保局（EPA）開發的排放模型MOVES，以VISSIM的輸出作為輸入，計算相應的平均HC、CO和NOx排放因子和平均能源消耗率等環境評價指標，通過對各項指標進行分析，得出與交叉口不同距離處的交通排放污染物的變化情況，對現狀道路做出評價。

關鍵詞：微觀層次;VISSIM;MOVES;交通排放

一、引言

機動車保有量的日益增加導致了愈發嚴重的城市交通擁堵和空氣污染問題，我國當前交通問題研究的關注點正由集中治堵轉向治堵與減排兼顧，采用的交通管理與控制策略也在緩解交通擁堵、疏導交通流的同時考慮其對減少尾氣排放的作用。交通管理與控制措施會改變路網中車輛的行駛工況，而不同的行駛工況將導致不同的尾氣排放。微觀層次交通排放模型是量化機動車排放、評價交通管理產生節能減排效果的重要手段。

近年來，國外專家學者基于機動車排放數據開發了大量的尾氣量化模型，在國內外應用比較廣泛的有：MOBILE，COPERT，CMEM和MOVES等。其中MOBILE，COPERT等是宏觀模型，可以用來測算國家或城市的交通油耗排放總量和發展趨勢，但不能用于微觀層次的排放評價。Barth等建立的基于功率需求的CMEM模型，它通過車輛行駛模式和發動機運行參數計算逐秒排放。盡管CMEM是微觀模型中應用較為廣泛的模型，但其復雜的單車參數設置和計算需求局限了其用于測算和評價交通項目的排放影響，MOVES模型是美國環保署從2001年開始研發的新一代綜合排放模型。它基于功率需求變化及其分布，實現了排放模型在微觀、中觀和宏觀不同集計層次的統一。目前，MOVES已成為美國加州以外地區用于交通排放評估的法規模型。MOVES模型中的默認工況和基本排放功率主要針對美國本土，且相對固話。由于我國與美國在車型類型劃分標準，道路交通狀況等方面的差異，因此將MOVES模型引入我國進行排放測算時，需要對模型中的參數進行本地化修正。

在此背景下，通過分析MOVES模型的計算原理與輸入參數，提出微觀層次輸入參數的本地化獲取方法，結合實際調查數據，利用VISSIM微觀仿真軟件，獲得MOVES所需的輸入參數，進行排放測算，分析現狀路段不同位置處的污染水平。

二、基于MOVES的微觀層次交通排放評價參數獲取方法

（1）微觀層次排放評價的主要原理

MOVES模型包含了宏觀（National）、中觀（County）和微觀（Project）3種情況，在方法上代表了排放模型研究的最新進展和發展方向。此外，由于該模型采用的是開放性的數據庫管理系統，可由用戶自己定義各個參數，因此該模型對不同地區也有較強的適應性。具體計算原理為：給定預測時間、地點、車輛類型和排放過程后，污染物排放可以按照以下四步進行計算：

1.計算車輛所有行駛特征信息，即基于不同排放過程的行駛特征信息如排放源運行時間（SHO）、機動車啟動數量、排放源停車時間（SHP）和排放源時間（SH）等。

2.把所有的車輛運行信息分布到排放源和運行工況區間上，每個區間對應不同的排放過程是唯一的。

3.計算排放速率，排放速率在給定排放過程、排放源區間和運行工況區間的基礎上表征排放源的排放特征，但同時排放速率也會受到額外因素的影響，比如燃油和溫度等。

4.把分布在排放源和運行工況區間（來自第2步）上的所有排放相加。用數學表達式如下

（2）MOVES模型的輸入參數

在微觀層次的計算中需要的參數有車齡分布、燃油類型、燃油信息、天氣信息、檢測維護制度（I/M）、運行工況分布、道路排放源類型、道路行駛周期和平均速度等。

1.運行工況分布參數：

運行工況分布是MOVES模型中平均速度參數和行駛周期參數轉化的最終結果。運行工況分布這個參數是由多個排放過程的工況分布組合而成。這些排放過程包括：勻速、加速、減速、怠速和剎車等。其中每個排放過程都被分成了一個個的小區間對應到VSP中，然后再利用給定的機動車瞬時速度、加速度來分別計算排放源運行工況BinID。使用VISSIM的車輛記錄評價功能，仿真輸出試驗車的逐秒速度和加速度等數據，計算逐秒的VSP，再按照運行工況分布表中VSP和速度區間的劃分分別統計不同OpModelD的數據，然后計算不同ID下的比例，即可得到各運行工況區間的比例，經格式轉換后作為MOVES的工況分布參數輸入文件。

MOVES是基于機動車比功率（VSP）的尾氣量化排放模型，機動車比功率（Vehicle Specific Power）的概念由麻省理工學院的Jimenez-Palacios于1999年在其博士論文中首次提出，其定義為單位質量機動車的瞬時功率，是發動機為了克服滾動摩擦阻力和空氣阻力，增加機動車動能和勢能所需要輸出的功率，單位為kw/t或w/kg，簡化的城市機動車VSP計算公式如下：

VSP變量是目前的機動車模型化參數中最為接近實際情況的參數之一。由于它全面地考慮了車輛的實際行駛中的功率輸出情況，與油耗排放密切相關，并且可以利用外部易于獲得的參數進行計算，所以近年來在各種機動車尾氣量化排放模型中用的越來越廣泛。

2.模型預測年：由于中國和美國在不同的年份采用的排放標準不同，故而各國采取的控制排放措施也不同，所以首先要對模型預測年根據排放控制標準的不同進行確定，同時考慮MOVES模型里面輸入的要求，確定1990年為MOVES模型計算排放的計算年份;

3.排放源類型：根據實際調查數據選取MOVES模型里面的輕型汽油小客車、柴油小貨車、汽油公交車為交叉口臨近路段的主要排放源，各占比例為：88.8%、5.6%、5.6%;

4.天氣信息：天氣參數主要包括溫度和相對濕度。當天測試時溫度為28攝氏度，相對濕度為60%;

5.道路類型：根據選取路段的道路等級與MOVES進行匹配選取;

6.I/M檢測維護制度：由于影響不大，故采用默認情況;

7.燃油類型：根據當地執行的油品地方標準或國家標準進行參數的設置。

三、方法應用與實例分析

（1）構建微觀交通尾氣模擬平臺

采用微觀仿真軟件VISSIM和美國環保局（EPA）開發的MOVES（Motor Vehicle Emission Simulator）排放模型這兩種已經被實驗證實為有效的軟件，通過將VISSIM 的輸出文件與MOVES的輸入文件相結合，構建能夠進行微觀交通尾氣模擬分析的平臺。此模擬平臺既能輸出整個交通系統各種污染物的排放，又能計算機動車的能源消耗。

根據以上排放含量和排放變化折線圖4所示，可以看出排放因子排放量有很大差距，CO2排放量最大，其他的相對較小;隨著車輛駛向交叉口，各種排放因子有不同程度的變化，CO2和CO變化趨勢相似，隨著車輛的穩定運行排放減少，在加速階段，排放量上升;NOx排放量波動較大，加速也會使其排放增多;HC排放量隨著車輛運行變化不大，較為平穩。

四、結論

本文通過實踐調查，收集了詳細的交通數據，采用VISSIM和MOVES兩大先進軟件相結合的方法，仿真模擬了不同位置處的污染物排放狀態，并且說明了隨著車輛運行狀況的變化，污染物排放的趨勢變化。本文的方法和模型具有很高的靈活性，只需修改交通條件及相關參數，輸入調查數據，便可適用于其他情況對其進行微觀層次的分析評價。但MOVES模型所用的基本排放參數和應用數據庫都是基于美國的排放數據，我國沒有標準的數據收集程序，所以應用過程中會產生一定誤差。

參考文獻

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作者簡介：周璇（1991-），女，漢族，山東淄博人，助教，工學碩士，單位：西南交通大學希望學院軌道交通學院交通運輸系，研究方向：交通規劃、城市群交通、生態交通。