基于车速-油耗模型的公路碳排放估算方法研究

2022-06-09赵军舰

交通科技与管理 2022年11期

摘要道路交通碳排放是我国碳排放的主要来源，随着社会经济发展水平的不断提高，车辆保有量进一步增大，道路交通碳排放呈现逐年上升的趋势。估算公路交通碳排放水平是交通碳减排，支持交通强国建设，实现碳达峰、碳中和的前提。文章基于车辆车速、油耗实证数据，构建了行驶车速-车辆油耗模型，并利用道路流量-密度-速度模型及碳排放换算模型，设计了公路碳排放估算方法，并对道路拥堵、畅通等交通状态下的碳排放水平进行了评估，为道路交通碳排放评估和交通碳减排提供了技术支撑。

关键词平均车速;油耗;碳排放;道路交通

中图分类号 U491 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）11-0178-03

引言

城市化发展引起的公民对出行机动化的需求增加是造成城市空气污染、交通事故、交通堵塞以及温室气体排放的主要原因。推动碳达峰、碳减排已成为我国未来社会发展的重中之重。

交通碳排放是国内主要碳排放源，而道路交通在其中占比较高。既有研究显示，道路运输占交通碳排放的比例高达77.8%[2]。降低道路交通碳排放是实现碳减排的重要路径。量化交通碳排放水平，是实现碳达峰、交通碳减排的基础。该文通过研究车辆运行车速与油耗排放关系，提出了基于速度的油耗估计模型，并在此基础上构建了公路碳排放估算模型，以支持道路拥堵、畅通等交通状态下的碳排放水平评估。

1 研究现状

1.1 车辆碳排放影响因素研究

影响车辆碳排放的因素众多，主要包括车辆特性、司机驾驶行为特性、道路条件、交通状况和环境因素[2]。车辆特性方面，发动机、车辆质量、车辆外形、轮胎等因素都会影响车辆的碳排放[3]。曾诚等对不同驾驶行为研究，提出“轻踩缓抬”加速踏板、保持经济车速行驶、一脚离合配合换挡、避免“频繁变更车道、急加速和急减速”等驾驶节能操作方法[4]。田赛男等在早期研究时，发现道路坡度、平整度及运行车速是影响道路交通碳排放的主要因素[5]。交叉口加减速[6]、道路服务水平[7]等交通因素，以及温度[8]、风速[9]等环境因素也会导致车辆碳排放产生变化。

由于影响因素众多，准确估计车辆碳排放水平十分困难。部分车载监控装置虽可以检测各影响参数来估测碳排放，但是监控成本高，且各车辆运转水平各异，监控结果重现性低，对实际道路交通碳排放估测应用较差。

1.2 道路交通碳排放模型研究现状

道路交通碳排放模型可分为车辆层面的微观模型和交通流层面的宏观模型两种。微观模型是基于特定车辆的燃料类型、重量、使用年限、车辆特征等因素所建立的模型，具体包括以ADVISOR，PSAT和EVSIM为代表的基于发动机动力分析的模型、基于驾驶模式分解的模型、以MODEM为代表的基于速度-加速度的统计模型，以及基于功率需求的物理模型四种[10]。这些模型细致地描述了车辆特征等微观因素对油耗和碳排放的影响，能准确地分析车辆运行效率。但是，此类模型参数较多，在试验中部分指标如加速度等因素难以准确获取，在分析交通碳排放上应用性较差。宏观模型如COPERT、MOVES等[11]，主要用于分析区域内由于社会政策等因素引起的宏观空间的碳排放变化，在污染控制规划上适用性较好[12]。

由于国内数据积累量不足，加之各类模型较为成熟，国内学者大多通过标定国外已有模型对国内碳排放进行分析，毕晔[13]、王文[14]分别采用MOBILE模型对北京市出租车和中巴车进行排放污染物分析，姚志良[15]、王海鯤[16]则通过标定IVE模型对北京和上海的排放分担率。但是，这些模型需要进行大量的车辆和交通参数标定，且模型设定的参数标准与国内不统一，计算结果与实际相差较大。采用这些模型来判定国内碳排放水平，只是一条暂时的途径[17]。

2 公路交通碳排放估算方法建立

2.1 建模思路说明

为了准确估计道路交通碳排放，碳排放估算模型应具备准确度高、易于计算、实用性强等特点。为此，该文考虑按照单车模型—路段车速估算—路段油耗估算—碳排放估算的技术路径设计公路交通碳排放估算方法。首先基于车辆车速、油耗实证数据，构建车辆车速-油耗估计模型，在此基础上，根据道路过车流量，利用公路交通流车速-流量实用关系模型，估算路段行程车速，并计算指定时间内路段通过车辆油耗水平。最后根据油耗与二氧化碳排放量间的换算关系，实现公路碳排放估算。碳排放模型建模思路如图1。

2.2 基于单车实验数据的车辆碳排放模型

为了测定不同交通状况下的油耗值，试验依托福特福克斯、丰田卡罗拉、大众帕萨特等试验车辆，在G318、G1501等公路开展车辆油耗测定。试验采用每1 000 m的平均油耗和平均车速作为输入参数和输出参数。为了避免路况、坡度等因素对估计结果的影响，该文剔除了坡度绝对值大于4%的油耗数据。试验车辆的平均车速-油耗散点图如图2所示。

根据图2可知，车辆平均速度小于20 km/h时，随着速度的降低油耗迅速增大，车速在0～10 km/h内，下降幅度最大。随着速度的增加，油耗逐步降低。在速度超过50 km/h后，油耗随速度的变化趋于平缓。车辆在60～100 km/h的速度区间内，油耗较低，当车速超过90 km/h时，油耗呈增长趋势。

根据试验数据分布，该文基于广义线性回归模型理论，利用数据分析软件SPSS对试验结果进行回归分析，以确定试验车辆油耗-平均车速的分布关系，并以拟合优度最高的估计模型，作为试验车辆的油耗-车速模型，模型形式如式（1）所示。

（1）

式中，FC——百千米油耗（km/h）;

Speed——平均车速（km/h）。

在此基础上，该文根据公路交通运行实际情况，以平均车速为分析指标，将交通状况分为极度拥挤、拥挤、较畅通、畅通和非常畅通五类，对应速度范围为<10 km/h、10～20 km/h、20～40 km/h、40km/h～60km/h、>60km/h，并依托油耗-平均车速模型评估不同拥挤情况下的车辆油耗，统计结果如表1所示。计算结果显示，极度拥挤情况下的油耗是畅通时油耗的2.5倍以上，拥挤造成的油耗约为畅通时的2倍。该结果说明，保持公路交通畅通，在提高出行效率及服务水平的基础上，车辆的碳排放也相对降低，对于实现道路交通碳减排有着较大的实际意义。

2.3 公路碳排放估算模型

基于文章2.2中的试验车辆油耗-平均车速模型，假定公路车辆仅由小汽车构成，且不同车辆的油耗-平均车速模型与所述模型一致，并利用公路交通流车速-流量实用关系模型[14]以及二氧化碳排放换算系数，实现公路交通碳排放估算。公路碳排放估算模型如下：

（2）

（3）

（4）

式中，v——车辆平均速度（km/h）;

vs——道路设计速度（km/h）;

V——小时交通量（pcu/h）;

C——道路通行能力（pcu/h）;

L——行驶里程（km）;

p——油耗-二氧化碳排放量换算系数，对于汽油取2.254;

F——行驶车辆总燃油消耗量（kg）;

E——二氧化碳排放量（t）。

根据上述模型，假定某两车道高速公路长30 km，限速100 km/h，最大通行能力为3 600 pcu/h，计算不同交通量情况下一小时内道路碳排放水平，计算结果如图3所示。在交通流量低于道路通行能力时，公路二氧化碳碳排放量基本呈现线性增长态势，而随着交通需求量的进一步增加，道路通过效率降低，单车油耗水平提升，碳排放水平显著增高。该案例结果也证明了模型的可靠性。

3 总结

该文首先基于车辆车速、油耗实证数据，构建车辆车速-油耗估计模型，并极度拥挤情况下的油耗是畅通时油耗的2.5倍以上。在此基础上，利用公路交通流车速-流量实用关系模型以及汽油-二氧化碳排放换算系数，构建了公路碳排放估算方法。通过数值分析案例显示，在公路流量低于通行能力时，公路二氧化碳碳排放量呈现线性增长态势，而随着交通需求量的进一步增加，路段车速迅速降低，单车油耗水平提升，将导致公路交通碳排放迅速升高。研究成果可为道路碳排放估算提供依据和支持。

参考文献

[1]International Energy Agency （IEA）. Key world energy statistics 2012[M]. OECD/IEA. 2012.

[2]潘玉利，程珊珊. 运行速度和发动机油耗预测模拟技术研究[J]. 公路交通科技， 2004（5）：96-99.

[3]蔡凤田，谢元芒. 汽车运行油耗的影响因素与汽车节能技术[J]. 交通节能与环， 2006（1）：28-33.

[4]曾诚，蔡凤田，刘莉，等. 不同驾驶操作方法下的汽车运行燃料消耗量分析[J]. 交通节能与环保， 2011（2）：23-26.

[5]田赛男，姚祖康，黄美德，等. 路面平整度对油耗的影响[J]. 中国公路学报， 1990（1）：1-14.

[6]张健，李小平. 城市道路交叉口处的车辆运行燃油消耗[J]. 北华大学学报（自然科学版），2000（5）： 460.

[7]冯雨芹，冷军强，张亚平，等. 城市道路路段燃油经济性评价模型[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）， 2011（39）：106.

[8]张健，王永清. 低温对车辆燃油消耗的影响规律[J]. 吉林大学学报（工学版）， 2003（3）：41.

[9]赵志国，王生昌. 浅析应该向汽车燃油消耗的外界因素[J]. 物流技术与应用（货运车辆）， 2008（2）：54.

[10]宋国华. 道路交通油耗与排放的微观测算模型综述[J]. 交通节能与环保， 2010（1）： 28.

[11]U. S. EPA. User Guide for MOVES2010a[R]. United States Environment Protection Agency， 2010.