基于MOVES的微观层次路段交通排放研究

周璇 李水富

摘  要：微观层次交通排放模型是量化机动车尾气排放、评价交通管理产生节能减排效果的重要手段，在分析MOVES（motor vehicle emission simulator）模型计算原理与输入参数的基础上，提出了微观层次输入参数的本地化获取方法。本文基于实践调查获取的相关数据，结合微观仿真软件VISSIM，对交叉口临近路段进行交通仿真，输出路段上距离停车线等距检测点位置的速度和加速度等交通评价指标，然后使用美国环保局（EPA）开发的排放模型MOVES，以VISSIM的输出作为输入，计算相应的平均HC、CO和NOx排放因子和平均能源消耗率等环境评价指标，通过对各项指标进行分析，得出与交叉口不同距离处的交通排放污染物的变化情况，对现状道路做出评价。

关键词：微观层次;VISSIM;MOVES;交通排放

一、引言

机动车保有量的日益增加导致了愈发严重的城市交通拥堵和空气污染问题，我国当前交通问题研究的关注点正由集中治堵转向治堵与减排兼顾，采用的交通管理与控制策略也在缓解交通拥堵、疏导交通流的同时考虑其对减少尾气排放的作用。交通管理与控制措施会改变路网中车辆的行驶工况，而不同的行驶工况将导致不同的尾气排放。微观层次交通排放模型是量化机动车排放、评价交通管理产生节能减排效果的重要手段。

近年来，国外专家学者基于机动车排放数据开发了大量的尾气量化模型，在国内外应用比较广泛的有：MOBILE，COPERT，CMEM和MOVES等。其中MOBILE，COPERT等是宏观模型，可以用来测算国家或城市的交通油耗排放总量和发展趋势，但不能用于微观层次的排放评价。Barth等建立的基于功率需求的CMEM模型，它通过车辆行驶模式和发动机运行参数计算逐秒排放。尽管CMEM是微观模型中应用较为广泛的模型，但其复杂的单车参数设置和计算需求局限了其用于测算和评价交通项目的排放影响，MOVES模型是美国环保署从2001年开始研发的新一代综合排放模型。它基于功率需求变化及其分布，实现了排放模型在微观、中观和宏观不同集计层次的统一。目前，MOVES已成为美国加州以外地区用于交通排放评估的法规模型。MOVES模型中的默认工况和基本排放功率主要针对美国本土，且相对固话。由于我国与美国在车型类型划分标准，道路交通状况等方面的差异，因此将MOVES模型引入我国进行排放测算时，需要对模型中的参数进行本地化修正。

在此背景下，通过分析MOVES模型的计算原理与输入参数，提出微观层次输入参数的本地化获取方法，结合实际调查数据，利用VISSIM微观仿真软件，获得MOVES所需的输入参数，进行排放测算，分析现状路段不同位置处的污染水平。

二、基于MOVES的微观层次交通排放评价参数获取方法

（1）微观层次排放评价的主要原理

MOVES模型包含了宏观（National）、中观（County）和微观（Project）3种情况，在方法上代表了排放模型研究的最新进展和发展方向。此外，由于该模型采用的是开放性的数据库管理系统，可由用户自己定义各个参数，因此该模型对不同地区也有较强的适应性。具体计算原理为：给定预测时间、地点、车辆类型和排放过程后，污染物排放可以按照以下四步进行计算：

1.计算车辆所有行驶特征信息，即基于不同排放过程的行驶特征信息如排放源运行时间（SHO）、机动车启动数量、排放源停车时间（SHP）和排放源时间（SH）等。

2.把所有的车辆运行信息分布到排放源和运行工况区间上，每个区间对应不同的排放过程是唯一的。

3.计算排放速率，排放速率在给定排放过程、排放源区间和运行工况区间的基础上表征排放源的排放特征，但同时排放速率也会受到额外因素的影响，比如燃油和温度等。

4.把分布在排放源和运行工况区间（来自第2步）上的所有排放相加。用数学表达式如下

（2）MOVES模型的输入参数

在微观层次的计算中需要的参数有车龄分布、燃油类型、燃油信息、天气信息、检测维护制度（I/M）、运行工况分布、道路排放源类型、道路行驶周期和平均速度等。

1.运行工况分布参数：

运行工况分布是MOVES模型中平均速度参数和行驶周期参数转化的最终结果。运行工况分布这个参数是由多个排放过程的工况分布组合而成。这些排放过程包括：匀速、加速、减速、怠速和刹车等。其中每个排放过程都被分成了一个个的小区间对应到VSP中，然后再利用给定的机动车瞬时速度、加速度来分别计算排放源运行工况BinID。使用VISSIM的车辆记录评价功能，仿真输出试验车的逐秒速度和加速度等数据，计算逐秒的VSP，再按照运行工况分布表中VSP和速度区间的划分分别统计不同OpModelD的数据，然后计算不同ID下的比例，即可得到各运行工况区间的比例，经格式转换后作为MOVES的工况分布参数输入文件。

MOVES是基于机动车比功率（VSP）的尾气量化排放模型，机动车比功率（Vehicle Specific Power）的概念由麻省理工学院的Jimenez-Palacios于1999年在其博士论文中首次提出，其定义为单位质量机动车的瞬时功率，是发动机为了克服滚动摩擦阻力和空气阻力，增加机动车动能和势能所需要输出的功率，单位为kw/t或w/kg，简化的城市机动车VSP计算公式如下：

VSP变量是目前的机动车模型化参数中最为接近实际情况的参数之一。由于它全面地考虑了车辆的实际行驶中的功率输出情况，与油耗排放密切相关，并且可以利用外部易于获得的参数进行计算，所以近年来在各种机动车尾气量化排放模型中用的越来越广泛。

2.模型预测年：由于中国和美国在不同的年份采用的排放标准不同，故而各国采取的控制排放措施也不同，所以首先要对模型预测年根据排放控制标准的不同进行确定，同时考虑MOVES模型里面输入的要求，确定1990年为MOVES模型計算排放的计算年份;

3.排放源类型：根据实际调查数据选取MOVES模型里面的轻型汽油小客车、柴油小货车、汽油公交车为交叉口临近路段的主要排放源，各占比例为：88.8%、5.6%、5.6%;

4.天气信息：天气参数主要包括温度和相对湿度。当天测试时温度为28摄氏度，相对湿度为60%;

5.道路类型：根据选取路段的道路等级与MOVES进行匹配选取;

6.I/M检测维护制度：由于影响不大，故采用默认情况;

7.燃油类型：根据当地执行的油品地方标准或国家标准进行参数的设置。

三、方法应用与实例分析

（1）构建微观交通尾气模拟平台

采用微观仿真软件VISSIM和美国环保局（EPA）开发的MOVES（Motor Vehicle Emission Simulator）排放模型这两种已经被实验证实为有效的软件，通过将VISSIM 的输出文件与MOVES的输入文件相结合，构建能够进行微观交通尾气模拟分析的平台。此模拟平台既能输出整个交通系统各种污染物的排放，又能计算机动车的能源消耗。

根据以上排放含量和排放变化折线图4所示，可以看出排放因子排放量有很大差距，CO2排放量最大，其他的相对较小;随着车辆驶向交叉口，各种排放因子有不同程度的变化，CO2和CO变化趋势相似，随着车辆的稳定运行排放减少，在加速阶段，排放量上升;NOx排放量波动较大，加速也会使其排放增多;HC排放量随着车辆运行变化不大，较为平稳。

四、结论

本文通过实践调查，收集了详细的交通数据，采用VISSIM和MOVES两大先进软件相结合的方法，仿真模拟了不同位置处的污染物排放状态，并且说明了随着车辆运行状况的变化，污染物排放的趋势变化。本文的方法和模型具有很高的靈活性，只需修改交通条件及相关参数，输入调查数据，便可适用于其他情况对其进行微观层次的分析评价。但MOVES模型所用的基本排放参数和应用数据库都是基于美国的排放数据，我国没有标准的数据收集程序，所以应用过程中会产生一定误差。

参考文献

[1]黄冠涛，宋国华，于雷.综合移动源排放模型：MOVES[J].交通信息与安全，2010.28（4）：49-53

[2]岳园圆，MOVES在微观层次交通排放评价中的应用研究[A].北京：北京交通大学，2013

[3]吕宁宁，基于MOVES的交通排放评价系统及优化[U].长安大学，2009

[4]黄冠涛，基于MOVES的微观层次交通排放评价[U].北京：北京交通大学，2011

作者简介：周璇（1991-），女，汉族，山东淄博人，助教，工学硕士，单位：西南交通大学希望学院轨道交通学院交通运输系，研究方向：交通规划、城市群交通、生态交通。