上海市机动车交通排放模型构建

朱 洪，刘 娟，程 杰，刘登国，葛王琦

(1.上海市城乡建设和交通发展研究院，上海200040；2.上海市环境监测中心，上海200235)

上海市机动车交通排放模型构建

朱 洪1，刘 娟2，程 杰1，刘登国2，葛王琦1

(1.上海市城乡建设和交通发展研究院，上海200040；2.上海市环境监测中心，上海200235)

机动车交通排放污染状况和减排政策研究是交通和环境研究机构共同关注的内容，而机动车交通排放模型是开展相关工作的基础工具。上海市采用交通研究机构和环境研究机构合作开发的模式，共同开展机动车交通排放模型构建、验证和应用工作。从交通和环保双方的共同需求出发，模型侧重于排放清单核算和政策评估，并预留实时排放测算的功能。上海市机动车交通排放模型对机动车排放因子、运行工况和车辆结构等模型参数进行本地化，并根据排放模型要求对道路交通模型进行深化。上海市机动车交通排放模型已经应用于上海市机动车排放清单制定和各类交通政策的减排效果评估中。

道路交通；机动车；排放模型；合作机制；上海市

随着空气污染成为当前城市发展需要解决的重点和难点问题，机动车交通排放及其带来的空气污染也越来越受到政府和市民的关注。机动车交通排放模型可以模拟机动车排放污染的时空分布特征，是开展交通排放监测和交通政策环境影响评价的技术基础[1]。为此，中国很多大城市均构建了满足自身需求的机动车交通排放模型。

1 国内外研究概述

机动车交通排放模型是实现机动车交通排放计算的基础工具，发达国家多开发有适用于本国的机动车交通排放模型，如美国的MOVES和EMFAC(加利福尼亚州)，欧洲的HBEFA和COPERT等。这些模型的功能类似，原理大致相同。核心数据是基础排放因子，并考虑车辆技术状况、行驶状态和环境等对排放水平的影响。各模型的主要差异在于对基础排放因子的采集方法、对机动车行驶状态的描述参数选择以及参数对排放因子的修正函数[2]。

国外已有的排放模型具有以下特征[3]：1)排放模型基于交通模型，自下而上构建而成，即首先构建微观模型(基于单车的排放模型)，再构建中观模型(基于路段流量的排放模型)，最后构建宏观模型(基于区域的排放模型)；2)排放模型由环境研究部门开发，如MOVES由美国环境保护局(U.S.Environmental Protection Agency)组织开发，EMFAC由加利福尼亚州空气资源局(California Air Resources Board)组织开发，交通研究人员使用排放模型，开展交通政策和交通项目的污染物排放影响评估；3)排放模型主要用于交通项目和政策评估，如美国联邦政府要求交通项目必须进行环境影响评价才能得到联邦拨款，其中排放模型就是政策评价的基础工具；4)欧美国家的交通排放模型具有延续性、权威性，国家持续投入，全国共同使用。

2015年，中国环境保护部出台了机动车排放的核算方法[4]，依据本地注册的机动车数据而非实际的交通运行数据进行核算，核算的数值也难以进行空间化。一些大城市(如北京、深圳等)的交通研究部门在改进国外排放模型的基础上，建立本市机动车交通排放模型。但由于缺乏与环境保护部门的共建合作，本地车辆的排放因子等数据不足，同时计算结果也缺乏权威认可。

2 上海市机动车交通排放模型研究现状与合作机制

上海市自20世纪90年代开始机动车交通排放测算工作，是中国较早开展交通排放模型研制的城市。前期阶段，上海市交通研究机构和环境研究机构分别在各自工作领域探索开展相关研究。上海市环境监测中心的测算工作缺乏机动车活动量数据的支撑，只能基于机动车拥有量数据进行测算，测算结果无法细化到空间分布和时间分布。上海市城乡建设和交通发展研究院(原上海市城市综合交通规划研究所)从2010年开始研发机动车交通排放模型，交通活动量的数据掌握较为充分，但缺乏对车辆排放状况的研究资料，只能基于国外的模型参数开展测算，计算结果缺乏依据，且难以进行校核。在这期间，交通研究机构与环境研究机构也开展了诸多合作，但停留在宏观数据和少量基础数据共享，没有开展深入专业对接和底层数据共享。

上海市交通研究机构和环境研究机构逐步意识到，机动车交通排放模型研发的主要工作不是编程和嫁接，而是各类参数的本地化以及交通和环境两个部门的专业对接；机动车交通排放模型的输出结果不应是一套可以自圆其说的数据，而是经过论证校核后交通管理部门和环境保护部门均认可的成果。为此，上海市交通研究机构和环境研究机构通过合理分工，共同推进机动车交通排放模型的研制工作。

1）模型构建需要合作。机动车交通排放模型的核心工作包括两个部分。一是基于环境研究需求的交通模型(信息化数据)的深化研究工作，排放和环境研究对交通模型的深度要求很高，对数据颗粒度的要求更细，需要实现描述所有道路不同时段的交通运行状况。这需要交通研究者对交通模型进行大量的细化和深化工作。二是交通排放模型的各类参数获取，如排放因子、工况影响系数、油品影响系数等，专业性较强，需要环境研究机构为主完成。

2）模型验证需要合作。机动车交通排放进入大气后立即扩散并反应，城市或者区域范围内机动车排放计算结果无法通过实测数据进行校核，交通排放模型测算结果的准确性只能通过模型数据输入和相关参数的准确性来保证，因此需要交通研究机构和环境研究机构共同对基础数据的准确性进行检查和确认。交通排放模型的测算结果需要在全市污染物总量中加以分析，需要交通和环境两个专业研究部门反复科学运算核准修订，最终共同确认。

3）模型应用需要合作。交通排放的测算结果应用服务于交通和环境两个行政主管部门，应用推广来自于政府的决策需求和支持。交通排放模型可以对政策的实施进行预测、预判、预警，对已实施的政策实现措施效果评估，尤其在政府重大环境或交通政策的预测应用上能够为重污染天气防范应对预案提供技术支持。而这些应用需要交通和环境行政管理部门的支持以及研究部门的分工合作。

3 排放模型功能需求

上海市机动车交通排放模型需要满足交通研究机构和环境研究机构对于机动车交通排放的计算需求。

机动车交通排放模型在环境领域的功能需求包括：1)机动车排放污染物排放清单时空分布特征的直观表征，在大数据处理技术得到进一步开发应用的前提下，实现交通实时动态污染影响时空跟踪；2)典型污染气象条件下机动车交通污染控制措施的预警以及防范措施的环境影响和评估；3)机动车环境保护措施的可行性技术评估和实施效果评估，例如上海市清洁空气三年行动计划编制过程中，需要开展机动车交通排放的预测和相关减排措施的效果评估。

交通研究部门对于机动车交通排放模型的功能需求包括：1)各类交通政策的交通环境影响后评估，如黄标车淘汰和限行政策的效果评估、新车国V排放标准实施效果分析、国III货运车限行政策的效果评估等；2)减排方案预评估，如老旧车淘汰政策、货运车限行政策的预评估等；3)交通排放预测和政策储备研究，如“十三五”的交通排放状况以及减排政策空间，转换交通发展方式及调控交通结构的效果等。

总之，环境研究侧重于在污染物排放清单时空分布方面的动态应用，交通研究侧重于交通政策的减排效果评价。因此，机动车交通排放模型的功能主要包括排放清单核算、政策评估和实时排放监测(包括道路交通排放和单车交通排放)3项内容。

不同功能需求对于模型的输入要求不同，对机动车交通排放模型的要求也有所区别(见图1)。从功能需求来看，上海市需要构建宏观、中观和微观的交通模型体系。但是，单车排放模型的需求度不高，而基于路段的中观排放模型的需求度最高，同时经过集计，还可以形成宏观排放模型。为此，基于路段的中观排放模型成为模型构建的重点。

4 排放模型构建

上海市中观排放模型采用IVE模型(International Vehicle Emissions Model)，原因在于：1)该模型是专门开发用于发展中国家的机动车交通排放模型；2)上海市使用时间长，具有较好的数据基础；3)模型对于交通状态的划分很细，可扩展性较好。在机动车交通排放模型的构建过程中，重点工作是模型参数的本地化和基于排放需求的交通模型深化研究。

4.1 模型参数的本地化

1）车辆结构的本地化。

交通模型的输出结果中已经有车型划分，但根据排放研究的要求，对于某类车型还需要根据排放标准、使用年限、燃油类型等进行细化。上海市的外地牌照车辆众多，车辆细化时要同时关注本地车辆和外地车辆的情况。在具体工作中，运用本地注册车辆数据库对本地车辆进行细化，针对常驻上海的外地牌照小客车主要根据交通强制险的统计数据，外地牌照货车主要根据机动车检测站的调查数据。由于上海市根据排放标准划分了诸多的限行区域(如黄标车限行、国I汽油车外环内限行，10年以上国II汽油车外环内限行，国III柴油车中环内通行时间压缩，外地牌照货车通行管制政策等)，因此还需要考虑道路交通管理政策对于机动车交通排放标准的影响。

2）运行工况的本地化。

通过车载GPS对机动车运行工况进行数据采集，分快速路、主干路、次干路和支路四种类型对机动车运行工况进行调查，构建道路平均行程车速与机动车运行工况的关系。IVE模型利用VSP和ES两个参数，将车辆运行工况划分为60个bin单元。不同行程车速状态下，机动车运行工况在60个bin单元中的分布结构有所不同。首先计算车辆在每个bin单元对排放因子的校正系数，再根据运行工况在60个bin单元的分布结构，计算车辆运行工况对排放因子的整体校正系数。图2为上海市小客车和大客车运行工况调查的部分数据。

图1 机动车交通排放模型的输入和输出Fig.1 Inputsand outputsof Shanghaivehicleemissionmodel

3）排放因子的本地化。

排放因子的本地化需要进行大量的实验工作，仅靠一个城市难以实现排放因子库的构建。目前主要应用国家排放因子与本地车载尾气检测实验相结合的方式，通过获得实验数据，对重点车型(如公共汽车、出租汽车等)进行实验，获得实验数据，开展分析研究，并对国家排放因子库的部分因子进行修正。

4）其他参数的本地化。

主要包括温度和湿度环境、燃油品质等数据，这些数据参数可以通过公开资料查询得到。

图2 上海市小客车和大客车行程车速为10～20 km·h-1时的bin单元分布结构Fig.2 The bin unitdistribution of passenger carand busw ith a travelspeed of 10～20 km/h

4.2 基于排放需求的交通模型深化研究

排放和环境研究需要将排放研究数据进行深化和细化，在时段上，至少需要细化到24 h内，而在空间覆盖上，需要覆盖所有道路。然而，交通信息化数据虽然在时间粒度上可以满足要求，但城市的信息化数据采集设备无法覆盖所有道路。交通模型模拟的数据在空间覆盖上可以实现所有路段流量的模拟，但模拟结果的时间粒度很粗，无法达到排放研究的需求。为此，需要将交通模型和信息化数据进行结合。

在上海市的实践中，首先对交通模型进一步深化，要求交通模型输出早高峰、晚高峰和平峰3个时段的交通数据，相应形成3个时段的出行产生、出行吸引、方式划分和交通分配；同时交通量输出结果也产生3个时段不同方向的流量，包含车速、车种情况。然后对模型输出结果进行再处理，运用部分点位的道路流量和车速数据对交通模型输出结果进行再细化，将3个时段的流量数据继续细化成全天24 h的数据。

5 案例应用

5.1 排放清单的时空分布

运用机动车交通排放模型，可以将各类机动车的排放情况进一步细化。上海市机动车交通排放模型将计算结果细化到全天24个时段，全网7.2万条路段，计算7种车型、4种主要污染物的排放情况。图3为24个时段的机动车氮氧化物(NOX)排放情况。

5.2 交通政策的减排效果评估

运用上海市机动车交通排放模型可以开展各类交通政策的减排效果评估。例如在上海市高污染车辆限行政策的减排效果预评估中，其中一项内容是对10年以上国III柴油车中环以内全面限行政策的减排效果预评估。目前，上海市已经实施国III柴油货运车19 h限行，需要研究对10年以上的国III柴油货运车实施全天限行的减排效果。评估工作需要首先研究货运交通活动量的时空分布变化，再研究运输车辆的技术结构变化，进而进行减排量测算。经模型测算，该政策预计可以减少上海市中环以内机动车细颗粒物(PM 2.5)年排放量100 t，占区域机动车交通排放总量的5%，减少中环以内NOX年排放量800 t，占区域机动车交通排放总量的6%。

从管理部门对于政策评估的需求来看，交通政策的环境影响评价需要评估对污染物浓度的影响。因此未来还需要进一步应用扩散模型，从减排效果评估进一步拓展到空气质量影响评价。该环节需要更多地借助环境研究机构的力量。该阶段还可以设置不同气象方案，如极端天气下的污染物浓度情况。

图3 上海市域机动车各时段NOX排放强度Fig.3 NOX emission density ofmotorized traffic in each time period in Shanghai

6 结语

通过交通研究机构和环境研究机构的通力合作，上海市初步建立了机动车交通排放模型，实现了较好的应用效果。但模型仍需要双方部门共同研究和深化，还需要开展大量工作。在机动车交通排放模型的构建过程中认识到，有必要加快构建全国统一的机动车交通排放模型。中国对于机动车交通排放仅有一个清单编制办法，没有构建基于交通模型的排放模型。一些大城市依托国外模型，自行建立基于交通模型的排放模型，由于各个城市使用的模型类型不一致，导致各个城市计算结果的可比性较差。从长远来看，应当由国家环境保护部门组织构建全国统一的、基于交通模型的机动车交通排放模型，并出台使用手册。而模型的应用，特别是交通政策的减排效果评价，应由交通研究机构来开展。

[1]朱洪，程杰.机动车交通政策的环境影响评价技术研究[C].中国城市规划学会城市交通规划学术委员会.新型城镇化与交通发展：2013年中国城市交通规划年会暨第27次学术研讨会论文集.北京：中国建筑工业出版社，2014：4.

[2]马因韬，刘启汉，雷国强，等.机动车排放模型的应用及其适用性比较[J].北京大学学报(自然科学版)，2008，44(2)：308-316.Ma Yintao,Lau Alexis K H,Louie Peter K K,et al.Application of Vehicular Emission Models and Comparison of Their Adaptability[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis,2008,44(2)∶308-316.

[3]上海机动车交通排放模型研究课题组.上海机动车交通排放模型建立[R].上海：上海市城乡建设和交通发展研究院，2015.

[4]中华人民共和国环境保护部.道路机动车大气污染物排放清单编制技术指南(试行)[R].北京：中华人民共和国环境保护部，2015.

Vehicle Em ission Modelling in Shanghai

Zhu Hong1,Liu Juan2,Cheng Jie1,Liu Dengguo2,GeWangqi1
(1.Shanghai Urban-Rural Construction and Transportation Development Research Institute,Shanghai 200040,China;2.ShanghaiEnvironmentalMonitoring Center,Shanghai200235,China)

∶Studies on vehicle em ission and emission reduction policies draw a high attention from both transportation and environment research institutes in which the vehicle emissionmodel is the fundamental tool for these studies.Based on a cooperationmechanism between transportation and environment research institutes,Shanghaiapplies the vehicle em ission model development and test.Thismodel benefit both of involved parts in static em ission calculation,policy evaluation aswell asmonitoring a real time emission in shanghai.Moreover,the key parameters,such as emission factors,operation performance and vehicle fleets,aremodified to fit into local conditions and meet the needs of em issions forecasting.Themodel is currently applied in vehicle em ission inventory and em issions reduction policy evaluation in Shanghai.

∶roadway traffic;motorized traffic;emissionmodel;cooperationmechanism;Shanghai

∶

1672-5328（2016）06-0017-06

U491

A DOI∶10.13813/j.cn11-5141/u.2016.0603

2016-07-01

上海市科学技术委员会科研计划项目“在用柴油车排放检测关键技术研发”(15DZ1205502)

朱洪(1973—)，男，江苏无锡人，硕士，高级工程师，上海城市综合交通规划研究所副所长，主要研究方向：交通规划、交通政策和交通环境研究。E-mail∶simonwx@126.com