基于LCA的高速铁路节能减排效果评价研究

2021-09-06袁振洲陈进杰李金阳王文成

交通工程 2021年4期

杨洋，袁振洲，陈进杰, 李金阳，王文成

(1.北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京 100191； 2.北京交通大学综合交通运输大数据应用技术交通运输行业重点实验室，北京 100044； 3.石家庄铁道大学交通运输学院，石家庄 050043； 4.河北省风工程和风能利用工程技术创新中心, 石家庄 050043； 5.哈尔滨工业大学交通运输学院，哈尔滨 150090; 6.北京市城市规划设计研究院，北京 100045)

能源消耗和污染物排放问题已日趋引起全球各国重视；在我国，交通运输业作为一项高能耗产业，其能耗量至2014年已达4.3×109tce，自1995年以来年均增长10.8%，而交通输产值同期年均增长率仅7.9%，其快速发展所消耗的大量能源使其成为经济社会可持续发展的主要障碍[1]；高速铁路，因其高时速、运营期低能耗排放等优势[2]，使其成为我国现阶段重点发展的交通方式之一；而高速铁路建设施工阶段高能耗和高污染物排放的特点[2]，使既有线路和未建成线路有关其能耗排放的计算和预测，以及与其他交通方式综合比较评估，成为了现阶段的研究热点.

国内外学者对于轨道交通能耗和碳排放分析和预测进行了一定研究：Andersson E和Lukaszewicz P通过对比丹麦、挪威、瑞典旧型和新型有轨电车的能耗和排放，分析了2002—2005年各车型相对于1994年单位能耗更低的原因，发现轨道交通相比于其他交通方式节能减排效果更好[3]；部分学者应用机器学习和统计理论对城市轨道交通能耗进行了预测[4]. 任福民等以调整后的2007年中国投入产出表为基础对铁路运输业的直接、完全碳排放量进行了计算，得到对总碳排放拉动作用低于其他部门的结果，同时验证了控制铁路运输业减排是发展低碳交通的关键[5].

谢汉生等[6]通过高速铁路和普通铁路及其他交通方式对比，分析了高铁的环保优点：其认为高速铁路具有客货运增量替代效应，并在土地占用和能源使用方便具有明显的节能减排效果；周新军[7]从能源消耗、污染物排放及能效等3方面将高速铁路运营阶段和普通铁路进行了比较，分析认为虽然高铁列车能耗高于普铁，但前者的能效却远高于后者，且其环保效应总体上也好于普铁列车. 同时，生命周期评价理论的应用，使得对于高速铁路环境评价相关的研究角度更加科学全面：众多学者通过建立高速铁路生命周期能耗和碳排放模型，对其进行清单分析，进行了生命周期计算[8-12]；而这样的计算，显然对于高速铁路的节能减排效果还缺乏一定说服力. 密切值法作为系统工程中多目标决策的一种优选方法，在交通运输节能减排评价研究中应用较少，一般忽略了其在节能减排评价中，矩阵易数值化，计算结果精度高的优点；杨洋等根据密切值法原理，对我国近年交通运输业节能减排效果进行评价和探讨，首次将密切值法应用于交通运输领域[13].

影响某种交通方式节能减排评估效果的因素，其运营阶段的运输效率及不同生命周期阶段的能耗排放情况都是至关重要的，目前关于高速铁路节能减排相关的研究，多集中于对绝对值和总量的计算比较，同时缺乏不同交通方式的综合对比. 本文通过考察多种交通方式能源消耗和污染物排放程度，并结合其运力贡献和运输效率等正向贡献指标，从生命周期全局视角，应用熵权密切值法方法对多交通方式进行综合对比；所建立的评价体系更全面，采用的方法简单、便捷，取得的结果较为可靠.

1 基于LCA的高速铁路节能减排评价建模依据

1.1 LCA理论简介

生命周期评价理论(Life Cycle Assessment LCA)，UNEP对其的定义核心是一种用于评价工艺过程或产品对环境影响的方法，其评价时长范围涉及产品生命周期全过程[12].

在环评多交通方式的目标优选决策过程中，其最核心工作即为对现有几种交通方式节能减排效果优劣排序的比选. 生命周期评价理论将产品的全生命周期各阶段看成一个系统，因此进行高速铁路的节能减排效果评估及与其他交通方式的比选评价时，LCA是一种更为全面客观的资源环境性能评估方法；应用生命周期评价理论对高速铁路进行环境评价，从全生命周期角度对其节能减排效果进行分析，有助于更全面客观的认识其环境友好性. LCA技术框架分为3个步骤：目标边界认定、清单分析、结果评价.

1.2 高速铁路生命周期阶段划分及清单边界

高速铁路生命周期指从高铁的规划设计、生产建设、运营维护及处置回收的整个过程. 对于全交通方式节能减排效果评价，本文选取了普铁，航空，水运，高速公路等作为对照组进行了评价比较，根据生命周期理论及交通运输方式特征，将各待比选交通方式生命周期皆分为：规划设计阶段、生产建设阶段、运营维护阶段及报废回收阶段.

高速铁路规划设计阶段工作主要为调研，设计等，尽管消耗了一定的人力物力，产生了一定排放，但相比其建设运营等阶段，其在全生命周期内能耗排放忽略不计[17]；而按照规划设计方案建成后，土地占用的植被取代效应将在生命周期中有一定碳排放负贡献，故而规划设计阶段的能耗排放取以土地占用为指标. 其他交通方式皆同.

生产建设阶段本文考虑为2部分：原材料开采运输产生的能耗排放和施工作业过程产生的能耗和排放；运营维护阶段的节能减排评价指标除了运输方式在全生命周期运营阶段的站点线路维护和运营产生的能耗排放外，还应考虑其生命周期内总共的客货运周转量，运输效率(运输速率)等正向贡献指标；对于报废回收的阶段，除考虑对其进行处置过程中产生的能耗排放外，还应将各交通方式在处置后的回收利用率作为评价指标.

1.3 评价矩阵建立

基于以上分析，建立全交通方式全生命周期节能减排效果评价矩阵，见表1.

表1 交通运输节能减排评价指标体系

策略层中投入指向的指标：土地占用、原材料开采运、施工作业、运营与维护、处置等作为评价的负向指标；策略层产出指向的指标：货运周转量. 客运周转量、运输效率、回收利用达标率等作为评价的正向指标.

2 熵权密切值法评价模型

2.1 密切值法概述

密切值法为系统工程中多目标决策的一种优选方法，其计算灵活，结果直观，分辨率高，近来已普遍应用于经济、环保等领域，是综合评价中行之有效的一种方法. 密切值法将待价指标分为正向(即数值越高越好，如运力贡献)和负向指标(数值越低越好，如能耗)，对指标进行同向标准化处理，找出各待评指标“最优”和“最劣点”，计算各评价单元与“最优点”和“最劣点”距离(密切系数)，将这些距离转化为综合反映各样本优劣的综合指标—密切值，并以其值大小决定各待评单元优劣顺序.

本文所建立熵权改进密切值法评价模型中，以信息熵权重法确定指标权重，利用密切值中最优最劣点代替熵权法中期望值，将两者结合并互相弥补，使评价结果更为客观准确.

2.2 信息熵理论及权重函数

Shannon为解决对信息量化度量问题，以信息熵来描述信源的不确定度[13]. 熵值越大表明信息无序化程度越高，信息效用就越低，对应指标权重值也越小.

当各待评样本在对应评价指标上的值完全等同时，其熵值即为最大值1，熵权则为0，表明该指标未对评价体系提供有价值信息，评价时可忽略；而待评样本在对应指标熵值较小时，意味着各样本在该评价指标差异明显，应重点考察. 熵权计算步骤如下.

2.2.1 标准化矩阵

设n个待评对象，每个对象有m个评价指标，将原始数据写为指标矩阵：

A={aij}n×m

(1)

原始矩阵标准化处理，令

(2)

式中，Ai为正向指标；Aj为负向.

(3)

得标准化矩阵C={Cij}n×m.

2.2.2 熵值函数

玻尔兹曼(Boltzmann)公式[18]：

E=klnΩ

(4)

(5)

斯梯林公式[10]：

lnni!=nilnni-ni

(6)

由(4)～(6)式，并扩展到多元(m元)系统，得其单位熵值函数：

(7)

即指标j的信息熵值为

(8)

(9)

于是有

(10)

2.2.3 权重函数

信息熵值ej用以度量指标j信息效用价值，完全无序时ej=1，此时j指标数据对评价效用值为0,则有，指标信息效用价值为该指标的信息熵值与1的差值hj，即：

hj=1-ej

(11)

熵权法计算指标权重，实质为利用评价指标信息效用价值系数来确定指标权重，价值系数越高，其指标对评价工作的贡献度就越大，则指标j权重函为：

(12)

2.3 熵权密切值法评价建模

根据本文所建信息熵权重改进密切值法模型，建立交通运输节能减排评价体系，并对其进行评价，流程如图1；其中，椭圆形符号表示联系；圆形符号表示汇总连接；矩形符号表示过程中的单独一个步骤.具体模型和步骤如下：

1)原始矩阵数值化

建立原始矩阵：

Aij={aij}n×m

(13)

2)各待评指标物理意义决定其数值正负号，见式(14)、图1：

图1 熵权改进密切值法评价流程

(14)

式中，+aij为待评价指标为正向指标时；-aij为当待评指标为负向指标时.

则矩阵A转换为数值化矩阵模型S：

S={sij}n×m

(15)

式中，sij为正向指标，数值越大评价结果越好；sij为负向指标, 其值越大结果就越差.引入负号, 令矩阵A与矩阵S的评价结果保持一致，又使矩阵S失去原物理意义.

3)数值矩阵模型的规范化

(16)

规范化后：

(17)

4)选取最优评价点和最劣评价点

确定数值矩阵中各待评指标最优评价点和最劣评价点.

最优点选取原则：

(18)

最劣点选取原则：

(19)

则最优点集合为：

G={gj},j=(1,2,3…m)

(20)

最劣点集合为：

B={bj},j=(1,2,3…m)

(21)

5)计算密切系数

最优评价点密切系数为：

(22)

最劣评价点密切系数为：

(23)

式中wj为指标j的权重值.

6)计算密切值并得出最优评价单元

各评价单元密切值为：

(24)

(25)

密切值法评价结果以各待评单元与最优点最小距离和与最劣点最大距离为参比，综合比较其对于最优和最劣点的亲疏程度.c值越小，待评单元与最优点的关系就越密切，与最劣点关系就更为疏远；当c=0，待评单元指标值在所有参评单元中达最优.

3 算例分析

3.1 基础数据

京沪高速铁路线路全长1 318 km，全线设车站24座，桥梁长度1 140 km，占正线长度86.5%；隧道16 km；路基长162 km. 全线铺设无砟轨道1 268 km，有砟轨道50 km. 京沪普铁路全长1 462 km，于1968年建成；南京长江大桥通车后，沪宁和津浦铁路接轨，改名京沪铁路. 京沪高速公路全长全长1 262 km，纵贯北京、天津、河北、山东、江苏、上海六省市；国家高速公路网编号：G2. 根据文献[14-16]，航空运输和水运算例以京杭运河与首都机场- 虹桥机场航段为算例.

基于以上数据并结合文献[17-18]，对各交通方式生命周期内节能减排评价指标数据进行计算和汇总. 其中，根据各交通方式建成后站点及线路占地面积，取其生命周期使用年限，按照植被单位面积的二氧化碳吸收量，进行计算生命周期内的土地占用效应造成的碳排放增加. 基于以上文献基础数据、以及分析和计算，得全交通方式生命周期节能减排评价体系基本数据，如表2所示.

以其能耗排放的负向指标，建立各交通方式全生命周期3D数据图，以期直观反映各交通方式在生命周期各阶段能源消耗和污染物排放的情况. 如图2所示，可知高速铁路在其运营维护阶段的能耗排放总量最低，但最终结果需结合其运输贡献等其他正向指标进行综合评价分析，才能决定其节能减排效果的优劣.

以各交通方式正项指标中的客货运周转量、运输效率以及回收达标率为主要参考依据进行比较，如图3所示. 其中水运和铁路、公路、航空旅客周转量分别以1、10、13.89人km 换算为1 tkm[24]，得到第i种交通方式生命周期周转换总量，其各交通方式周转总量定义为，其中为第i种交通方式回收处置达标率.

图3 各交通方式正向指标对比

3.2 结果与讨论

根据式(1)，得规范化后矩阵，基于其数据而后根据式(1)～(12)，得评价矩阵中各指标权重值如表3、图4所示.

图4 评价指标权重分布/%

表3 各评价指标权重系数

根据信息熵权重计算模型得到全交通方式各评价指标的权重值，根据图表可知，评价体系中，各影响因素的影响程度比重分别为7%～16%. 权重值最高的4个指标为：客运周转量(16%)、货运周转量(14%)、运输效率(12%)和因土地占用植被减少产生的碳排放(10%)，这四项对评价结果也是影响最大；评价体系中权重值最低的3个指标分别为：调研与设计、施工作业以及原材料开采及运输中产生的能耗排放，这三项对评价结果也是影响最低的. 根据式(13)～(17)得规范化矩阵，基于规范化矩阵数据，根据式(18)～(25)，计算可得全生命周期各交通方式熵权密切值评价结果(表4、图5)及生命周期分阶段各交通方式节能减排效果密切值(图6)，其中o为交通方式.

表4 各待评单元密切值

图5 各交通方式全生命周期节能减排熵权密切值评价结果

图6 全交通方式各阶段节能减排效果对比

在全生命周期视角下，应用熵权密切值法进行全交通方式节能减排效果评价，根据计算结果可知，各交通方式节能减排效果顺序由优到劣依次为：高速铁路，水运，普铁，航空，高速公路；其中高速铁路节能减排效果最好，高速公路最差. 究其原因，不仅在于高速铁路运营阶段单位运量的低能耗排放特点，更是其运输效率和容量的优势，使得高铁在综合评价结果中显示出优势；而传统的高速公路运输方式，虽然可实现点对点运输，但因为其单位运量在节能减排评价中并没有优势，同时其建设运营的高污染和能耗使得其在评价结果中显示为密切值最高，节能减排效果最低. 而根据图6显示，各交通方式在不同的生命周期阶段，亦有不同于生命周期视角的结果输出，其节能减排效果分别为：规划设计阶段，水运最优，高速公路最差；施工建设阶段，航空最优，高速铁路最差；运营维护阶段，高铁最优，高速公路最差；报废回收阶段，水运最优，高速公路最差. 评价结果基于各交通方式在不同阶段的不同能耗排放特点以及运输效率的不同特征，得到不同结果.