基于車速-油耗模型的公路碳排放估算方法研究

摘要 道路交通碳排放是我國碳排放的主要來源，隨著社會經(jīng)濟發(fā)展水平的不斷提高，車輛保有量進一步增大，道路交通碳排放呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。估算公路交通碳排放水平是交通碳減排，支持交通強國建設(shè)，實現(xiàn)碳達峰、碳中和的前提。文章基于車輛車速、油耗實證數(shù)據(jù)，構(gòu)建了行駛車速-車輛油耗模型，并利用道路流量-密度-速度模型及碳排放換算模型，設(shè)計了公路碳排放估算方法，并對道路擁堵、暢通等交通狀態(tài)下的碳排放水平進行了評估，為道路交通碳排放評估和交通碳減排提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞 平均車速;油耗;碳排放;道路交通

中圖分類號 U491 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）11-0178-03

引言

城市化發(fā)展引起的公民對出行機動化的需求增加是造成城市空氣污染、交通事故、交通堵塞以及溫室氣體排放的主要原因。推動碳達峰、碳減排已成為我國未來社會發(fā)展的重中之重。

交通碳排放是國內(nèi)主要碳排放源，而道路交通在其中占比較高。既有研究顯示，道路運輸占交通碳排放的比例高達77.8%[2]。降低道路交通碳排放是實現(xiàn)碳減排的重要路徑。量化交通碳排放水平，是實現(xiàn)碳達峰、交通碳減排的基礎(chǔ)。該文通過研究車輛運行車速與油耗排放關(guān)系，提出了基于速度的油耗估計模型，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了公路碳排放估算模型，以支持道路擁堵、暢通等交通狀態(tài)下的碳排放水平評估。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 車輛碳排放影響因素研究

影響車輛碳排放的因素眾多，主要包括車輛特性、司機駕駛行為特性、道路條件、交通狀況和環(huán)境因素[2]。車輛特性方面，發(fā)動機、車輛質(zhì)量、車輛外形、輪胎等因素都會影響車輛的碳排放[3]。曾誠等對不同駕駛行為研究，提出“輕踩緩抬”加速踏板、保持經(jīng)濟車速行駛、一腳離合配合換擋、避免“頻繁變更車道、急加速和急減速”等駕駛節(jié)能操作方法[4]。田賽男等在早期研究時，發(fā)現(xiàn)道路坡度、平整度及運行車速是影響道路交通碳排放的主要因素[5]。交叉口加減速[6]、道路服務(wù)水平[7]等交通因素，以及溫度[8]、風(fēng)速[9]等環(huán)境因素也會導(dǎo)致車輛碳排放產(chǎn)生變化。

由于影響因素眾多，準(zhǔn)確估計車輛碳排放水平十分困難。部分車載監(jiān)控裝置雖可以檢測各影響參數(shù)來估測碳排放，但是監(jiān)控成本高，且各車輛運轉(zhuǎn)水平各異，監(jiān)控結(jié)果重現(xiàn)性低，對實際道路交通碳排放估測應(yīng)用較差。

1.2 道路交通碳排放模型研究現(xiàn)狀

道路交通碳排放模型可分為車輛層面的微觀模型和交通流層面的宏觀模型兩種。微觀模型是基于特定車輛的燃料類型、重量、使用年限、車輛特征等因素所建立的模型，具體包括以ADVISOR，PSAT和EVSIM為代表的基于發(fā)動機動力分析的模型、基于駕駛模式分解的模型、以MODEM為代表的基于速度-加速度的統(tǒng)計模型，以及基于功率需求的物理模型四種[10]。這些模型細致地描述了車輛特征等微觀因素對油耗和碳排放的影響，能準(zhǔn)確地分析車輛運行效率。但是，此類模型參數(shù)較多，在試驗中部分指標(biāo)如加速度等因素難以準(zhǔn)確獲取，在分析交通碳排放上應(yīng)用性較差。宏觀模型如COPERT、MOVES等[11]，主要用于分析區(qū)域內(nèi)由于社會政策等因素引起的宏觀空間的碳排放變化，在污染控制規(guī)劃上適用性較好[12]。

由于國內(nèi)數(shù)據(jù)積累量不足，加之各類模型較為成熟，國內(nèi)學(xué)者大多通過標(biāo)定國外已有模型對國內(nèi)碳排放進行分析，畢曄[13]、王文[14]分別采用MOBILE模型對北京市出租車和中巴車進行排放污染物分析，姚志良[15]、王海鯤[16]則通過標(biāo)定IVE模型對北京和上海的排放分擔(dān)率。但是，這些模型需要進行大量的車輛和交通參數(shù)標(biāo)定，且模型設(shè)定的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)不統(tǒng)一，計算結(jié)果與實際相差較大。采用這些模型來判定國內(nèi)碳排放水平，只是一條暫時的途徑[17]。

2 公路交通碳排放估算方法建立

2.1 建模思路說明

為了準(zhǔn)確估計道路交通碳排放，碳排放估算模型應(yīng)具備準(zhǔn)確度高、易于計算、實用性強等特點。為此，該文考慮按照單車模型—路段車速估算—路段油耗估算—碳排放估算的技術(shù)路徑設(shè)計公路交通碳排放估算方法。首先基于車輛車速、油耗實證數(shù)據(jù)，構(gòu)建車輛車速-油耗估計模型，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)道路過車流量，利用公路交通流車速-流量實用關(guān)系模型，估算路段行程車速，并計算指定時間內(nèi)路段通過車輛油耗水平。最后根據(jù)油耗與二氧化碳排放量間的換算關(guān)系，實現(xiàn)公路碳排放估算。碳排放模型建模思路如圖1。

2.2 基于單車實驗數(shù)據(jù)的車輛碳排放模型

為了測定不同交通狀況下的油耗值，試驗依托福特福克斯、豐田卡羅拉、大眾帕薩特等試驗車輛，在G318、G1501等公路開展車輛油耗測定。試驗采用每1 000 m的平均油耗和平均車速作為輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)。為了避免路況、坡度等因素對估計結(jié)果的影響，該文剔除了坡度絕對值大于4%的油耗數(shù)據(jù)。試驗車輛的平均車速-油耗散點圖如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，車輛平均速度小于20 km/h時，隨著速度的降低油耗迅速增大，車速在0～10 km/h內(nèi)，下降幅度最大。隨著速度的增加，油耗逐步降低。在速度超過50 km/h后，油耗隨速度的變化趨于平緩。車輛在60～100 km/h的速度區(qū)間內(nèi)，油耗較低，當(dāng)車速超過90 km/h時，油耗呈增長趨勢。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分布，該文基于廣義線性回歸模型理論，利用數(shù)據(jù)分析軟件SPSS對試驗結(jié)果進行回歸分析，以確定試驗車輛油耗-平均車速的分布關(guān)系，并以擬合優(yōu)度最高的估計模型，作為試驗車輛的油耗-車速模型，模型形式如式（1）所示。

（1）

式中，F(xiàn)C——百千米油耗（km/h）;

Speed——平均車速（km/h）。

在此基礎(chǔ)上，該文根據(jù)公路交通運行實際情況，以平均車速為分析指標(biāo)，將交通狀況分為極度擁擠、擁擠、較暢通、暢通和非常暢通五類，對應(yīng)速度范圍為<10 km/h、10～20 km/h、20～40 km/h、40km/h～60km/h、>60km/h，并依托油耗-平均車速模型評估不同擁擠情況下的車輛油耗，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。計算結(jié)果顯示，極度擁擠情況下的油耗是暢通時油耗的2.5倍以上，擁擠造成的油耗約為暢通時的2倍。該結(jié)果說明，保持公路交通暢通，在提高出行效率及服務(wù)水平的基礎(chǔ)上，車輛的碳排放也相對降低，對于實現(xiàn)道路交通碳減排有著較大的實際意義。

2.3 公路碳排放估算模型

基于文章2.2中的試驗車輛油耗-平均車速模型，假定公路車輛僅由小汽車構(gòu)成，且不同車輛的油耗-平均車速模型與所述模型一致，并利用公路交通流車速-流量實用關(guān)系模型[14]以及二氧化碳排放換算系數(shù)，實現(xiàn)公路交通碳排放估算。公路碳排放估算模型如下：

（2）

（3）

（4）

式中，v——車輛平均速度（km/h）;

vs——道路設(shè)計速度（km/h）;

V——小時交通量（pcu/h）;

C——道路通行能力（pcu/h）;

L——行駛里程（km）;

p——油耗-二氧化碳排放量換算系數(shù)，對于汽油取2.254;

F——行駛車輛總?cè)加拖牧浚╧g）;

E——二氧化碳排放量（t）。

根據(jù)上述模型，假定某兩車道高速公路長30 km，限速100 km/h，最大通行能力為3 600 pcu/h，計算不同交通量情況下一小時內(nèi)道路碳排放水平，計算結(jié)果如圖3所示。在交通流量低于道路通行能力時，公路二氧化碳碳排放量基本呈現(xiàn)線性增長態(tài)勢，而隨著交通需求量的進一步增加，道路通過效率降低，單車油耗水平提升，碳排放水平顯著增高。該案例結(jié)果也證明了模型的可靠性。

3 總結(jié)

該文首先基于車輛車速、油耗實證數(shù)據(jù)，構(gòu)建車輛車速-油耗估計模型，并極度擁擠情況下的油耗是暢通時油耗的2.5倍以上。在此基礎(chǔ)上，利用公路交通流車速-流量實用關(guān)系模型以及汽油-二氧化碳排放換算系數(shù)，構(gòu)建了公路碳排放估算方法。通過數(shù)值分析案例顯示，在公路流量低于通行能力時，公路二氧化碳碳排放量呈現(xiàn)線性增長態(tài)勢，而隨著交通需求量的進一步增加，路段車速迅速降低，單車油耗水平提升，將導(dǎo)致公路交通碳排放迅速升高。研究成果可為道路碳排放估算提供依據(jù)和支持。

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收稿日期：2022-03-22

作者簡介：趙軍艦（1980—），男，本科，高級工程師，研究方向：道路。