基于模型的交叉路口公交站臺NOx排放特性

彭琪凱， 何 超*， 李加強， 王艷艷， 譚建偉

(1.西南林業(yè)大學(xué)機械與交通學(xué)院， 昆明 650224； 2.西南林業(yè)大學(xué)云南省高校高原山區(qū)機動車環(huán)保與安全重點實驗室， 昆明 650224； 3.北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院， 北京 100081)

城市空氣污染是造成城市人群疾病和死亡率增加的一個重要風(fēng)險因素[1-2]。城市公交車尾氣污染已經(jīng)成為影響城市大氣環(huán)境的重要因素[3]。由于城市公交站臺是公交車nitrogen oxides(NOx)排放密集處，同時也是行人集中區(qū)域，這個區(qū)域的NOx污染物會對周邊待車乘客與行人造成直接的危害[4]，加強對重點危害地區(qū)NOx的研究控制是減少城市大氣污染對居住人口危害與優(yōu)化空氣質(zhì)量的有效手段。

公交停靠站作為公共交通系統(tǒng)的重要組成部分，按設(shè)置形式分為直線式和港灣式。Abou-Senna[5]基于VISSIM微觀仿真模型發(fā)現(xiàn)，當(dāng)考慮加速和減速的車輛操作的詳細和微觀分析時，速度對機動車污染物排放具有顯著影響。王亞男[6]采用交通仿真系統(tǒng)VISSIM以及尾氣排放模型MOVES(motor vehicle emission simulator)構(gòu)建了整條行駛路線中機動車尾氣排放的影響。張兵等[7]通過VISSIM仿真模擬對港灣式公交站對路段通行能力做了重點評估。季旋等[8]利用VISSIM交通仿真軟件對公交停靠站點改善和優(yōu)化做出了重要貢獻。

公交車在站點的停靠時間占其線路運行時間的19%～21%，其排放總量約占總排放的30%～40%，研究站臺的排放分布有利于減少城市公交尾氣的排放量，減少城市大氣污染。

1 研究方法與模型

為了更加深入研究城市公交站臺的NOx排放特性，總共選取6條公交路線中處于不同路段、不同類型的合計142個公交站臺，對各類直線式港灣式公交車站進行道路排放試驗。綜合考慮不同公交站臺的排放特性，并且本文中所選取的6條路線經(jīng)過了主干道、次干道、支路這三級城市道路。有利于本文進行交叉路口不同類型公交站臺排放數(shù)據(jù)的比較，從而獲得最為合適的站臺組合以達到減少城市公交車NOx排放的目的。本文所選取的車輛參數(shù)如表1所示。

表1 試驗車輛參數(shù)Table 1 Test vehicle parameters

1.1 公交站臺介紹

城市公交停靠站根據(jù)設(shè)置位置、使用方法、站臺形式等有多種類型，現(xiàn)主要研究處于交叉路口上、下游的公交站，同時研究整中間路段的NOx排放特性。根據(jù)公交站臺形式的差異，可以將現(xiàn)有的公交車站臺分為直線式和港灣式兩類，直線式與港灣式公交站臺如圖1所示。

圖1 公交站臺Fig.1 Bus station

1.2 模型介紹

將進行公交站臺的仿真模型，涉及兩個模型，一個是做實際道路仿真的VISSIM模型，另一個是做機動車尾氣排放的CMEM(comprehensive modal emissions model)排放模型。

1.2.1 VISSIM仿真模型

VISSIM是一種建立在微觀個體駕駛動作行為模型基礎(chǔ)之上的隨機的、離散的交通仿真軟件。為了保證不同公交停靠站設(shè)置方案的評價指標(biāo)具有可比性，現(xiàn)作以下設(shè)定與假設(shè)：社會車輛和公交車輛到達時距服從相同的分布；公交站臺的服務(wù)率符合相同分布；公交車輛的尺寸及性能參數(shù)相同；在相同位置公交車輛運行的道路、交通環(huán)境相同。相應(yīng)仿真參數(shù)的標(biāo)定如表2所示。

表2 VISSIM仿真參數(shù)標(biāo)定Table 1 Calibration of VISSIM simulation parameters

1.2.2 CMEM排放模型

現(xiàn)選取基于物理意義的排放模型，是由加州大學(xué)河邊分校于20世紀90年代中期開發(fā)的CMEM模型[9]。在運用該模型時輸入實際參數(shù)，各測試車輛瞬時行駛工況參數(shù)包括每秒的速度、加速度、道路坡度、空調(diào)啟用/關(guān)閉設(shè)置參數(shù)，行駛工況數(shù)據(jù)采用GPS設(shè)備采集，能夠連續(xù)測定機動車行駛過程中每秒所在位置的三維坐標(biāo)(即經(jīng)度、緯度和海拔高度)、行駛速度、時間、衛(wèi)星接收狀態(tài)。經(jīng)過對這些數(shù)據(jù)的處理, 可以得到車輛行駛的加速度以及道路坡度。昆明市區(qū)內(nèi)道路基本較為平坦, 一般只在上、下立交橋時有輕微坡度變化, 所以在輸入工況參數(shù)時可以忽略道路行駛坡度的變化。

CMEM模型將變量(速度、加速度和道路等級)和模型參數(shù)(冷啟動系數(shù)、發(fā)動機摩擦系數(shù)) 作為模型的輸入，并且把機動車整個排放過程分解為與之對應(yīng)的車輛操作和排放相關(guān)的物理過程的片段。因此CMEM 模型在評估城市公交的NOx污染物排放率和燃料消耗率的準確性方面高于MOVES 模型，CMEM 作為物理模型，對機動車的瞬態(tài)操作更敏感，該模型更能準確評價機動車的微觀排放。

1.3 研究站臺形式

本文通過仿真模型設(shè)置交叉路口上、下游站臺，然后進行不同地點的站臺替換，并將仿真模型與排放模型相結(jié)合，計算NOx的排放量及相應(yīng)的排放因子，從而降低污染物排放的目的。不同類型的停靠站都有其自身的特點，現(xiàn)主要研究處于雙向6車道上的交叉口公交站臺。

在進行模型仿真過程中將根據(jù)實際路況進行道路仿真，對于雙向6車道，由于交通壓力大，基本所有路段的站臺都是港灣式公交站臺，但是關(guān)于交叉路口上、下游的站臺布置形式還存在爭議。對于交叉路口的仿真如圖2所示，實際道路交叉路口下游公交站臺設(shè)置為港灣式，但本文所做的改變在于：將去掉下游綠化帶位置，增加交叉路口下游道路寬度并與公交站臺相連接，定義為拓寬式公交站臺，以方便于提高車流量。另外，交叉路口上游公交站臺僅按照實際道路仿真并不做改變，方便收集數(shù)據(jù)做對比說明。其中仿真圖以中間隔離帶為界限，上、下車道輸入相同車速分布、公交流量、紅路燈與交叉口車流量從而方便進行數(shù)據(jù)對比。

圖2 交叉路口上、下游站臺對比Fig.2 Comparison of upstream and downstream bus stops at intersections

2 結(jié)果與討論

將基于排放量與排放因子探討公交站臺污染物排放問題，先做整條公交路線實際道路NOx污染物數(shù)據(jù)收集，然后通過VISSIM建立仿真模型，進而在實際模型上進行兩類公交站臺替換，輸入相同的車速分布，信號調(diào)控，車流量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，最后進行實測數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)的對比，與不同類型站臺計算數(shù)據(jù)的對比，找處最佳方案，減少NOx污染物的實際排放量。

2.1 雙向6車道交叉路口上、下游公交站臺NOx排放特性

本文所選擇的交叉路口整個路段做仿真模型，主要研究在這段路上NOx根據(jù)公交站的調(diào)整所產(chǎn)的變化。傳統(tǒng)交叉路口與新型交叉路口NOx排放量示意圖如圖3所示，排放量變化與排放因子變化如表3所示。

圖3 交叉路口排放量變化Fig.3 Changes in emissions at intersections

表3 排放量與排放因子Table 3 Emissions and emission factors

本文所設(shè)計交叉路口仿真模型與實際比例為1∶1，交叉口路段整段排放量變化如圖3所示，所做的變化是交叉口下游公交站臺是港灣式與拓寬港灣式的區(qū)別，由圖3可知，基于傳統(tǒng)交叉路口的模擬值與實測值其變化趨勢類似，最大的變化在于交叉路口與下游公交站臺之間，站臺的改變可以影響整個路段的污染物排放，具體差別在于圖3所示的路口與下游站臺的排放量差異。

本研究對于交叉路口的仿真模擬結(jié)果顯示，傳統(tǒng)式交叉路口NOx實測數(shù)據(jù)是模擬傳統(tǒng)路口數(shù)據(jù)排放量的1.28倍，是模擬新型路口的1.38倍。將實際數(shù)據(jù)排放計算結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)結(jié)果做對比，結(jié)果表明實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)NOx排放的相對誤差分別為22.18%，相關(guān)系數(shù)分別為0.88。整體的排放量表明采用拓寬港灣式公交站臺會整體降低交叉路口的污染物排放量，從而降低整條路線的NOx排放量，減少對周圍人群的危害。

2.2 交叉口港灣式與拓寬港灣式站臺排放特性

公交站臺是城市公交在各路段交叉路口NOx排放密集處，進行上下游站臺的形式改變，有利于降低污染物排放并減少對周圍人群的危害。基于對交叉路口下游公交站臺形式的變化，進而討論整個運行路線的NOx排放變化。其上、下游港灣式公交站臺污染物排放隨時間變化如圖4所示。

圖4 交叉口港灣式公交站臺NOx排放Fig.4 NOx emisson at intersection bay-type bus stops

圖4(a)與圖4(b)顯示交叉口下游與交叉口上游港灣式公交站臺的NOx排放變化，其模擬值與實測值變化趨勢基本相同，但由排放量變化示意圖可知交叉口上游港灣式公交站臺污染物排放量在這個站臺的變化趨勢高于下游站臺。圖4(c)所示為交叉路口下游設(shè)計為拓寬港灣式公交站臺，相當(dāng)于下游道路直連公交站臺，公交車進站方便快捷所以排放量隨加速度的變化進行明顯的變化。由圖4(a)與圖4(c)可知拓寬式公交站臺較傳統(tǒng)公交站臺排放量低。

表4所示為交叉口公交站臺排放量與排放因子的變化，其中公交車在交叉口上游港灣式、下游港灣式與下游拓寬港灣式站臺的NOx實測數(shù)據(jù)是模型數(shù)據(jù)的1.14、1.28和1.24倍。將實際數(shù)據(jù)排放計算結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)結(jié)果做對比：結(jié)果表明在交叉口上游港灣式、下游港灣式與下游拓寬港灣式站臺的NOx排放的相對誤差分別為12.5%、22.91%和19.3%。相關(guān)系數(shù)分別為0.91、0.82和0.70。在模擬實驗中，NOx污染物在下游相同區(qū)域排放量降低15.07%，排放因子降低14.67%，說明替換成拓寬港灣式公交站臺有利于減少相同區(qū)域NOx排放量，降低城市污染，有效減少對行人的危害。

表4 排放量與排放因子比較Table 4 Comparison of emissions and emission factors

3 結(jié)論

現(xiàn)階段中外針對公交站臺對城市公交車污染物排放影響的研究還比較少。基于VISSIM仿真模型與EMCM排放模型相結(jié)合，進而研究處于交叉路口的不同公交站臺對到達公交車NOx排放的影響，得到以下結(jié)論。

(1)模擬實驗結(jié)果表明公交站臺對交叉路口的NOx排放具有明顯影響，傳統(tǒng)式交叉路口NOx實測數(shù)據(jù)是模擬傳統(tǒng)路口數(shù)據(jù)排放量的1.28倍，是模擬新型路口的1.38倍。

(2)NOx污染物在下游相同公交站臺區(qū)域排放量降低15.07%，排放因子降低14.67%。

(3)不同類型的公交站臺對公交車排放具有明顯影響，使用合適的公交車站有利于減少城市公交NOx污染，改善城市大氣環(huán)境。