面向公路坡度设计的汽车排放影响的研究

杨亚萍，王敏

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）



面向公路坡度设计的汽车排放影响的研究

杨亚萍，王敏

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

文章应用速度预测模型及非均匀加速度模型得到坡度道路的机动车速度分布及运行模式分布，进而得到公路坡度和机动车运行工况的相关性。基于高分辨率交通排放模型MOVES，明确不同公路坡度设计对交通排放的量化影响程度，为道路规划/设计中的环保决策提供技术支持。

公路坡度；运行速度；MOVES模型；排放评估

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

公路是关系国民经济与社会发展的重要基础设施，同时，公路的建成和运营也带来了大气环境污染问题。由于车辆的持续增加，致使拥堵严重，排放增加。尽管长期资金不足，新建或重建来增加容量和减少交通拥堵的策略却未停止。当前在公路规划到建成投入运营的过程中，针对环境的控制环节主要是通过环境评价来反馈和改进。如在公路规划和初步设计阶段需要对公路大气环境影响进行预测评估，在建成投入运营之后还需要进行大气环境后评价，便于提出改进措施。但这些评价是面向移动源排放清单总量的，其估算依据是基于速度相关的机动车排放因子。而实际上，影响机动车排放因子的因素除车速之外，还与路面几何设计诸多参数（如路面坡度、水平曲线、垂直曲线等）有关。当前公路设计规范或导则尚未考虑几何线形设计对机动车排放的量化影响。而在几何设计中，坡度是最为常见的线形，故此次主要针对坡度设计对排放的影响进行研究。

1、速度模型

因为在不同坡度的设置中，在实际中，极限情况很难获得，比如 9%的坡度，因此采用速度预测模型和非均匀加减速模型可以预测在这种情形下的速度分布，进而得到运行模式分布，进行油耗和排放的计算。

设计速度是公路设计中的基本参数，并且影响其他设计特征。设计速度是当条件非常有利时，可以在公路一个指定的部分保持最大安全速度，设计功能占主导地位(AASHTO，2004)。需要注意，选择一个速度作为设计速度时，应该反映车辆在高速公路上可以操作或实际操作的速度。通过设计车速，可以得到标准的公路最大纵坡与最小坡长，规定如表1。

1.1线形减小加速度模型

线性减小加速度模型，先假设最大加速度为零，然后线性减少为零的最大速度，而且它可以由式（2.1）、（2.2）制定。线性减小加速度模型用于货车在坡度上的实时速度，因为高速公路设计坡度和坡度上的临界长度是基于货车最大加速度和爬行速度的性能。

1.2多项式模型

其中，为最大加速度；θ为开始加速度时刻与加速总时间的比值；m、r为参数。

2、坡度仿真

选用货车车型，对公路坡度变化进行仿真模拟，图1描述了仿真的基本情况。

图1　给定初速度、坡度和临界坡长的公路坡度仿真

在公路坡度设计中主要有三个影响因素：坡度、初速度、坡度的临界长度。首先，以固定的初速度110km/h,分别在0 —9%的坡度运行1km，得到相应的油耗和排放。依据坡度的临界长度，将总长分为两段：纵坡坡长（d1）和水平坡长（d2）。纵坡坡长依据10km/h或20km/h的速度减少量来划分。水平坡长则由总长1km减去纵坡长度得到。

最近，一些研究人员在研究中使用特种车辆动力(VSP)，因为 VSP能量化各种车辆的特点和操作条件下的车辆排放和燃料消耗。VSP(kw/t)被定义为每单位质量的车辆的瞬时功率，可以根据速度、加速度、滚动阻力、空气动力阻力和道路等级来计算，如公式(3.1)所示。

其中，v表示机动车的车速（m/s）；a表示机动车的加速度（m/s2）；Ar表示滚动阻力系数（kW/(m/s)2）；B表示速度修正的滚动阻力系数；C表示空气阻力系数； M 为车的质量；g为引力常量；θ为道路坡度。货车车型的VSP具体计算公式如（3.2）所示。

其中，grade的取值区间为（0—9）。

3、MOVES模型及修正

目前，EPA 已经将MOVES 和EMFAC 确定为美国（除加州）和美国加州地区对运输工程项目进行PM2.5和CO 量化热点分析的排放计算官方模型。MOVES模型包括许多输入类型，如区域、车辆类型、道路类型、操作模式分布、年龄分布等。在瞬时车速和VSP的基础上，MOVES将运行模式分为23个bins。将运行模式分布输入到MOVES中，得出油耗和污染物CO2、 NOX的含量，跟坡度比对，得出图2、图3。

图2　不同坡度下的油耗

图3　不同坡度下CO2和NOX的排放

由图可知，货车在坡度为 9%的路面上行驶时，比平坦路面上多消耗三倍的燃油，排出的CO2也接近三倍，NOX将近两倍。随着坡度的递增，油耗在增加，CO2也在增加，NOX增加的比较缓。这说明公路坡度强烈的影响了燃油消耗和排放，在保持其他条件不变的情况下，坡度增加，使机动车负荷增加，从而增加了油耗和排放。

4、小结

研究表明，机动车排放和坡度之间是相关的，所以通过分析公路设计方案的环境友好性可以达到消减机动车排放、降低环境污染的目的。它可以减少公路设计在工程判断中对环保方面的不确定性。这项研究显示了公路坡度设计对环境影响的重要性，为公路设计师在设计过程提供一定的参考。

[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] 公路线形设计规范（JTG D20-2006）[S],人民交通出版社，2006.09.

[5] 杨少伟，张弛，王海君等. 公路线形设计中的可能预测模型[J]. 环境科学,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

杨亚萍，就读于长安大学载运工具运用工程专业。

U467.2+1

A

1671-7988 （2016）06-72-02