基于MOVES的停靠站公交尾气排放规律研究

杨晨 邓建华

摘要：为研究公交车辆在停靠站停靠时尾气排放的规律，文章通过现场调查公交车停靠过程，使用 MOVES2014a模型对公交停靠过程中尾气污染物（包括主要三种尾气污染物CO、NOx、HC）的排放规律进行模拟仿真模拟。发现在停靠过程中，三种排放物中NOx排放量最大，并随着速度的减小各污染物排放因子不断增大，尤其在怠速阶段公交车尾气排放量达到最大。在三种运行工况下，怠速工况对公交车尾气排放影响最大，加速工况下次之，减速工况下最小。

Abstract： In order to study the emission law of bus exhaust during parking， this paper investigates the process of bus parking on the spot， and simulates the emission law of exhaust pollutants （including CO， NOx， HC） in the process of bus parking using MOVES 2014a system. It is found that among the three emissions， NOx emission is the largest in the process of bus parking. As the speed decreases， the emission rate of pollutants increases， especially in the idle stage， the emission of bus exhaust reaches the maximum， and the idle situation caused by repeated car-following will significantly increase the time of the whole parking process， resulting in the increase of bus exhaust emissions. In order to study the emission law of bus exhaust during bus stopping， this paper investigates the process of bus stopping on the spot and simulates the emission law of exhaust pollutants （including CO， NOx， HC） in the process of bus parking by using MOVES2014a model. It is found that among the three emissions， NOx emission is the largest in the process of bus parking.  With the decrease of speed， the emission factors of pollutants increase continuously， especially in the idle stage， the emission of bus exhaust reaches the maximum. Under three operating conditions， idle condition has the greatest impact on bus exhaust emission， acceleration condition next， and deceleration condition least.

關键词：公交停靠站;停靠过程;尾气排放;MOVES

Key words： bus stop;parking process;exhaust emissions;MOVES

中图分类号：U467.48                                    文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）17-0241-04

0  引言

公共交通是我国城市交通的主要发展趋势，符合绿色交通发展理念。虽然发展公共交通是减少污染物排放的有效措施，但公共交通也存在着排放明显增多的阶段。对于公交车，由于需要到站停车完成接待乘客上下车的任务，此过程公交车的加减速过程以及怠速过程也愈加频繁，在此阶段尾气排放也更加严重。目前，大多数研究是针对公交停靠站处公交排放的影响因素的分析，对公交停靠时整个停靠过程的排放的精确量化研究很少[1]。因此，本文着重于研究公交启停怠速最为频繁的阶段——停靠阶段作为研究对象，主要研究公交停靠过程的污染物排放情况，分析公交停靠过程的运行特征，结合MOVES2014a[2]软件进行模拟，对公交停靠过程的污染物排放进行预测，为减少公交对城市环境的污染提供必要的依据。

1  公交停靠过程工况分析

公交车在停靠站停车，上下乘客是公交车整个行驶过程中固有的特点。公交车从进入站台到离开站台，经历了三个状态：减速进站状态、怠速停靠状态、加速出站状态，且尾气排放污染物对乘客影响最大、最直接。在这个过程中，公交车的工况（加速、减速、怠速）以及上下客人数导致的停靠时间的长短是影响停靠站处公交排放的最主要因素。

因此，为了分析进出站时公交车行驶工况对公交车尾气排放的影响，本文首先对实际数据进行了统计，并剔除了多辆公交同时进站时的相关跟车样本。其次为了排除进站时路径变化及交通量等因素对公交车运行工况的干扰，本文选取了直接式公交站台并选取了平峰时段对公交车的进出站规律进行了调查分析，以避免拥堵对整个停靠过程造成影响。

2  综合移动源排放模型MOVES

为了掌握机动车排放规律和污染特性，大量学者开展了机动车排放模型的研究，目前常用的机动车排放因子模型有MOVES[3]，MOBILE，IVE，COPERT，CMEM 等。MOVES不同于以往的MOBILE、COPERT等宏观模型，后者主要是基于机动车行驶周期进行尾气排放的测算，MOVES则通过划分不同的排放源bin区间，研究人员可以利用采集的数据计算运行工况分布代入模型运算，是一种基于运行工况的尾气排放模型。

大量的研究证明了MOVES软件模拟数据的准确性：Golnaz Ghafghazi[4]等人利用MOVES软件，运用模型中的link-level模块对蒙特利尔市进行了尾气排放预测，并对交通量与尾气排放的影响进行了相关研究，通过实测数据与模拟数据的对比分析，发现模拟数据与实际数据较为拟合。H.Christopher Frey[5]等人通过PEMS的使用，对小型车实际行驶时尾气排放量进行了测取，同时运用MOVES设定了与实测相同的运行工况参数，通过对比分析，验证了MOVES模型中运行工况等因素对尾气排放预测的重要性和准确性。Sri Harsha Kota[6]等人对道路上车辆行驶产生的尾气进行了实地检测，对MOVES模型得到的尾气排放与MOBILE模型所预测数据进行对比，发现MOVES对尾气排放的预测结果更加精确，且与实际数据更加切合。因此在缺乏相关实验设备时，使用MOVES模型来评价和预测车辆尾气排放，不仅可以摆脱没有实验条件的局限性，同时也能获得较为精确的结论。

在MOVES中，运行工况分布是MOVES的核心参数[7]。运行工况bin是MOVES软件中基于机动车比功率（VSP）与车辆运行速度结合而得到的数据参数，是衡量车辆运行工况的指标之一，其运行工况bin定义表见表1。MOVES中机动车比功率可根据下式进行计算：

式中：v为车辆运行速度，m/s;为车辆加速度，m/s2。

3  公交车停靠过程行驶速度采集

本文对苏州几个主要干道上的直接式公交站台进行了调查，通过在高处架设照相机拍摄视频[8]，获取公交站台50m范围内公交车的整个停靠过程，在进站35m处与出站15m处进行了观测线的标定，当公交车进入进站观测线时拍摄开始，离开出站观测线时拍摄结束。

通过视频截取软件，对所拍摄视频进行逐秒截取。以公交车尾排气管为参照点，根据所截取照片，画出tk时刻公交车所处位置L1，并画出下一帧图片tk+1时刻公交车所处位置L2，如图1。

根据图1所示方法，可求出tk时刻车辆的运行速度，其计算公式如（2）：

经过实际调查，并对数据进行统计分析。因为调查的数据量很大，而分析公交车的减速进站时间只需要有一定的代表性即可，因此没有把所有的数据进行全部统计，选取了16辆公交车的减速进站样本及加速样本进行了相关分析，如图2、图5所示。

根據式（2）可求得公交车进入观测线时的行驶速度。在所调查的样本中，进入观测线时，车速最大的为10.67m/s，最小的为7.59m/s。

在全国多个大城市常规公交平均运行速度调查中发现[9]：公交车运行速度较低，目前全国公交车平均时速在20km/h左右;此外，相关研究发现[10]，对于一般封闭式公交专用道上公交车运营车速可达到30-40km/h，非封闭式的公交专用道可达到20km/h以上。因此所设观测线处公交车速度区间满足[20km/h，40km/h]的平均运行速度区间，因此在35m处设置观测线是合理的。

此外，由于公交车停靠（服务）时间的长短主要由上下公交车的人数决定[11-13]，因此，本文通过视频计时，对进入该停靠站的公共汽车的停车怠速时间进行测定。在所测得的样本中，停靠时间最短的为3.15s，停靠时间最长的为18.33s。将所有样本求和取平均值，得到公交车的平均停靠时间为9.35s。

4  不同运行工况下的排放规律

4.1 减速进站

对于公交车减速进站过程，根据所测得数据，其速度变化形式如图2。

由图2可知，公交车从观测线减速进站至停车所需时间大致为6-7s。因此对于公交车进站减速时，尾气排放速率主要与进入车站的初速度与减速度有关。对初始速度为7-8m/s、8-9m/s、9-10m/s、10-11m/s的进站减速样本进行模拟，可得公交车进站减速过程的平均排放因子如图3。

由图3可知，在减速过程中，各污染物平均排放因子受初始速度及减速度大小影响较小。三种污染物的平均排放因子变化不大，基本保持在同一水平上。

根据上文介绍，可计算公交减速进站状态下的VSP值，根据所得减速度值及速度值，计算所测样本减速状态下VSP<0。计算结果表明，减速进站过程的主要工况为低速运行，对应bin区间为bin11。因此当公交车为减速状态时，车辆所处bin区间相同，且当VSP<0时，车辆尾气排放较为稳定[14]，因此在减速状态下，车辆尾气排放因子变化不大。

由此可知，公交进站过程的减速工况对公交车尾气排放影响较小。

4.2 怠速停靠

公交车在怠速停靠过程中，其运行速度较小，根据MOVES中运行工况定义，当车辆速度0

由图4可知，车辆在怠速停靠状态下尾气排放增长迅速，三种污染物平均排放因子增长均较为明显，且对于公交车，NOx变化最明显，增长量最大。

当车辆停车上下客时，停靠时间是导致排放增多的最主要因素。

4.3 加速出站

本文还统计了公交车加速出站15m范围内的公交车速度变化，对于加速出站的典型样本进行数据处理分析，得到加速出站时速度变化如图5。

由图5可知，公交车加速出站主要分成三种形式：①加速至期望速度;②先加速后匀速再加速;③先加速后减速。对于第二第三种形式，根据视频拍摄结果，主要是由于前方存在其他社会车辆，驾驶员通过自身驾驶操作进行的匀速跟车或减速行为。因此对于无车干扰下，驾驶员一般以某一加速度加速至期望速度行驶，只是加速度大小有所不同。由于加速出站时初速度为0，因此排放因子只受加速度大小影响。在所测的样本中，加速度范围在[0.2m/s2，1.5m/s2]之间，假定公交车期望驾驶速度为30km/h（即8.3m/s），因此确定MOVES模拟方案如表2。

运用MOVES进行模拟，可得各加速度下，公交车加速至期望速度时的平均排放速率如图6。

由图6可知，在不同加速度下，公交车尾气排放速率不同。加速度大小对加速过程中，CO与NOx的平均排放因子影响较大，且随着加速度的增加，排放因子逐渐增大，且在加速度为1.4m/s2时，排放因子达到最大。

对于高峰时段，由于社会车辆较多、道路拥挤，势必会造成车辆行驶速度的降低，根据MOVES模拟运行速度与排放因子的关系，可得其变化规律如图7。

根据图7可知，车速越低，公交尾气排放因子越大，因此高峰时段必然会造成公交尾气排放的增多。

5  结论与展望

根据上文研究所得结论，公交车的排放因子随着速度的变化而不断变化，并在怠速工况下排放因子达到最大。在三种污染物中，NOx排放因子最大。在整个停靠过程的三种工况下，怠速工况对公交车尾气排放影响最大，加速工况下次之，减速工况下最小。因此针对以上排放规律，可给出相关建议：合理安排各列班车的出发及到站时间，避免或减少多辆车同时到站造成的频繁加减速及多次怠速情况，通过降低由于跟车造成的怠速时间，可有效降低公交车的尾气排放。此外车辆在加速出站过程中，应避免急加速情况，以免造成排放增大。对于高峰时段，公交车辆由于同时进站辆数过多，减速、怠速、加速过程也更加频繁，且高峰时段乘客较多，势必也会造成停车时间的延长，因此错峰出行、减少在高峰时段出行的频率，可显著降低由于上下客造成的停车延误，有效减小公交车的尾气污染。加大新能源汽车的使用也是降低排放的一大措施。

参考文献：

[1]贡玮.公交停靠站公交排放预测模型研究[D].东南大学，2017.

[2]黄冠涛，宋国华.综合移动源排放模型——MOVES[J].交通信息与安全，2010.

[3]黄冠涛，宋国华，于雷，胥耀方.综合移动源排放模型—MOVES[J].交通信息与安全，2010，28（04）：49-53.

[4]Golnaz Ghafghazi，Marianne Hatzopoulou.Simulating the environment effects of isolated and area-traffic schemes using simulation and microscopic emission modeling.Transportation.2014，41（3）.

[5]H.Christopher Frey，Bin Liu.Comparison of driving schedule project level MOVES emission factor to empirical data.Air and waste management association annual and exhibition 104th.2011.vol.3.

[6]Sri Harsha Kota.Evaluation of on-road vehicle CO and NOx national emission inventories using an urban-scale source-oriented air quality model.Atmospheric environment.2014，85（Mar）.

[7]EPA. Draft Motor Vehicle Emission Simulator（MOVES）2014a： User Guide. Environmental Protection Agency，2013.

[8]袁何洋.基于視频的车辆速度检测方法研究[D].大连海事大学， 2013.

[9]全国多个大城市常规公交平均运行速度.https：//www.docin.com/p-1799257149.html.2016.

[10]杨超群.提高城市公交车运行速度的措施[J].城市公共交通，2014，5.

[11]许秀华.公交车在公交停靠站的停靠时间研究[D].北京交通大学，2015.

[12]王鑫.基于GPS数据的公交车停靠时间预测研究[D].重庆大学，2015.

[13]樊晓超，惠英.高频率发车条件下快速公交停靠时间分布[J].交通与运输，2013（12）：91-94.

[14]陈秋燕.基于VSP的城市公交动态排放与油耗特征研究[D].东南大学，2012，5.

作者简介：杨晨（1994-），男，江苏常熟人，硕士研究生，研究方向为交通规划与控制;邓建华（通讯作者）（1972-），男，湖南永兴人，副教授，硕士，研究方向为交通仿真。