上海市機動車交通排放模型構建

朱 洪，劉 娟，程 杰，劉登國，葛王琦

(1.上海市城鄉(xiāng)建設和交通發(fā)展研究院，上海200040；2.上海市環(huán)境監(jiān)測中心，上海200235)

上海市機動車交通排放模型構建

朱 洪1，劉 娟2，程 杰1，劉登國2，葛王琦1

(1.上海市城鄉(xiāng)建設和交通發(fā)展研究院，上海200040；2.上海市環(huán)境監(jiān)測中心，上海200235)

機動車交通排放污染狀況和減排政策研究是交通和環(huán)境研究機構共同關注的內(nèi)容，而機動車交通排放模型是開展相關工作的基礎工具。上海市采用交通研究機構和環(huán)境研究機構合作開發(fā)的模式，共同開展機動車交通排放模型構建、驗證和應用工作。從交通和環(huán)保雙方的共同需求出發(fā)，模型側(cè)重于排放清單核算和政策評估，并預留實時排放測算的功能。上海市機動車交通排放模型對機動車排放因子、運行工況和車輛結(jié)構等模型參數(shù)進行本地化，并根據(jù)排放模型要求對道路交通模型進行深化。上海市機動車交通排放模型已經(jīng)應用于上海市機動車排放清單制定和各類交通政策的減排效果評估中。

道路交通；機動車；排放模型；合作機制；上海市

隨著空氣污染成為當前城市發(fā)展需要解決的重點和難點問題，機動車交通排放及其帶來的空氣污染也越來越受到政府和市民的關注。機動車交通排放模型可以模擬機動車排放污染的時空分布特征，是開展交通排放監(jiān)測和交通政策環(huán)境影響評價的技術基礎[1]。為此，中國很多大城市均構建了滿足自身需求的機動車交通排放模型。

1 國內(nèi)外研究概述

機動車交通排放模型是實現(xiàn)機動車交通排放計算的基礎工具，發(fā)達國家多開發(fā)有適用于本國的機動車交通排放模型，如美國的MOVES和EMFAC(加利福尼亞州)，歐洲的HBEFA和COPERT等。這些模型的功能類似，原理大致相同。核心數(shù)據(jù)是基礎排放因子，并考慮車輛技術狀況、行駛狀態(tài)和環(huán)境等對排放水平的影響。各模型的主要差異在于對基礎排放因子的采集方法、對機動車行駛狀態(tài)的描述參數(shù)選擇以及參數(shù)對排放因子的修正函數(shù)[2]。

國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，自下而上構建而成，即首先構建微觀模型(基于單車的排放模型)，再構建中觀模型(基于路段流量的排放模型)，最后構建宏觀模型(基于區(qū)域的排放模型)；2)排放模型由環(huán)境研究部門開發(fā)，如MOVES由美國環(huán)境保護局(U.S.Environmental Protection Agency)組織開發(fā)，EMFAC由加利福尼亞州空氣資源局(California Air Resources Board)組織開發(fā)，交通研究人員使用排放模型，開展交通政策和交通項目的污染物排放影響評估；3)排放模型主要用于交通項目和政策評估，如美國聯(lián)邦政府要求交通項目必須進行環(huán)境影響評價才能得到聯(lián)邦撥款，其中排放模型就是政策評價的基礎工具；4)歐美國家的交通排放模型具有延續(xù)性、權威性，國家持續(xù)投入，全國共同使用。

2015年，中國環(huán)境保護部出臺了機動車排放的核算方法[4]，依據(jù)本地注冊的機動車數(shù)據(jù)而非實際的交通運行數(shù)據(jù)進行核算，核算的數(shù)值也難以進行空間化。一些大城市(如北京、深圳等)的交通研究部門在改進國外排放模型的基礎上，建立本市機動車交通排放模型。但由于缺乏與環(huán)境保護部門的共建合作，本地車輛的排放因子等數(shù)據(jù)不足，同時計算結(jié)果也缺乏權威認可。

2 上海市機動車交通排放模型研究現(xiàn)狀與合作機制

上海市自20世紀90年代開始機動車交通排放測算工作，是中國較早開展交通排放模型研制的城市。前期階段，上海市交通研究機構和環(huán)境研究機構分別在各自工作領域探索開展相關研究。上海市環(huán)境監(jiān)測中心的測算工作缺乏機動車活動量數(shù)據(jù)的支撐，只能基于機動車擁有量數(shù)據(jù)進行測算，測算結(jié)果無法細化到空間分布和時間分布。上海市城鄉(xiāng)建設和交通發(fā)展研究院(原上海市城市綜合交通規(guī)劃研究所)從2010年開始研發(fā)機動車交通排放模型，交通活動量的數(shù)據(jù)掌握較為充分，但缺乏對車輛排放狀況的研究資料，只能基于國外的模型參數(shù)開展測算，計算結(jié)果缺乏依據(jù)，且難以進行校核。在這期間，交通研究機構與環(huán)境研究機構也開展了諸多合作，但停留在宏觀數(shù)據(jù)和少量基礎數(shù)據(jù)共享，沒有開展深入專業(yè)對接和底層數(shù)據(jù)共享。

上海市交通研究機構和環(huán)境研究機構逐步意識到，機動車交通排放模型研發(fā)的主要工作不是編程和嫁接，而是各類參數(shù)的本地化以及交通和環(huán)境兩個部門的專業(yè)對接；機動車交通排放模型的輸出結(jié)果不應是一套可以自圓其說的數(shù)據(jù)，而是經(jīng)過論證校核后交通管理部門和環(huán)境保護部門均認可的成果。為此，上海市交通研究機構和環(huán)境研究機構通過合理分工，共同推進機動車交通排放模型的研制工作。

1）模型構建需要合作。機動車交通排放模型的核心工作包括兩個部分。一是基于環(huán)境研究需求的交通模型(信息化數(shù)據(jù))的深化研究工作，排放和環(huán)境研究對交通模型的深度要求很高，對數(shù)據(jù)顆粒度的要求更細，需要實現(xiàn)描述所有道路不同時段的交通運行狀況。這需要交通研究者對交通模型進行大量的細化和深化工作。二是交通排放模型的各類參數(shù)獲取，如排放因子、工況影響系數(shù)、油品影響系數(shù)等，專業(yè)性較強，需要環(huán)境研究機構為主完成。

2）模型驗證需要合作。機動車交通排放進入大氣后立即擴散并反應，城市或者區(qū)域范圍內(nèi)機動車排放計算結(jié)果無法通過實測數(shù)據(jù)進行校核，交通排放模型測算結(jié)果的準確性只能通過模型數(shù)據(jù)輸入和相關參數(shù)的準確性來保證，因此需要交通研究機構和環(huán)境研究機構共同對基礎數(shù)據(jù)的準確性進行檢查和確認。交通排放模型的測算結(jié)果需要在全市污染物總量中加以分析，需要交通和環(huán)境兩個專業(yè)研究部門反復科學運算核準修訂，最終共同確認。

3）模型應用需要合作。交通排放的測算結(jié)果應用服務于交通和環(huán)境兩個行政主管部門，應用推廣來自于政府的決策需求和支持。交通排放模型可以對政策的實施進行預測、預判、預警，對已實施的政策實現(xiàn)措施效果評估，尤其在政府重大環(huán)境或交通政策的預測應用上能夠為重污染天氣防范應對預案提供技術支持。而這些應用需要交通和環(huán)境行政管理部門的支持以及研究部門的分工合作。

3 排放模型功能需求

上海市機動車交通排放模型需要滿足交通研究機構和環(huán)境研究機構對于機動車交通排放的計算需求。

機動車交通排放模型在環(huán)境領域的功能需求包括：1)機動車排放污染物排放清單時空分布特征的直觀表征，在大數(shù)據(jù)處理技術得到進一步開發(fā)應用的前提下，實現(xiàn)交通實時動態(tài)污染影響時空跟蹤；2)典型污染氣象條件下機動車交通污染控制措施的預警以及防范措施的環(huán)境影響和評估；3)機動車環(huán)境保護措施的可行性技術評估和實施效果評估，例如上海市清潔空氣三年行動計劃編制過程中，需要開展機動車交通排放的預測和相關減排措施的效果評估。

交通研究部門對于機動車交通排放模型的功能需求包括：1)各類交通政策的交通環(huán)境影響后評估，如黃標車淘汰和限行政策的效果評估、新車國V排放標準實施效果分析、國III貨運車限行政策的效果評估等；2)減排方案預評估，如老舊車淘汰政策、貨運車限行政策的預評估等；3)交通排放預測和政策儲備研究，如“十三五”的交通排放狀況以及減排政策空間，轉(zhuǎn)換交通發(fā)展方式及調(diào)控交通結(jié)構的效果等。

總之，環(huán)境研究側(cè)重于在污染物排放清單時空分布方面的動態(tài)應用，交通研究側(cè)重于交通政策的減排效果評價。因此，機動車交通排放模型的功能主要包括排放清單核算、政策評估和實時排放監(jiān)測(包括道路交通排放和單車交通排放)3項內(nèi)容。

不同功能需求對于模型的輸入要求不同，對機動車交通排放模型的要求也有所區(qū)別(見圖1)。從功能需求來看，上海市需要構建宏觀、中觀和微觀的交通模型體系。但是，單車排放模型的需求度不高，而基于路段的中觀排放模型的需求度最高，同時經(jīng)過集計，還可以形成宏觀排放模型。為此，基于路段的中觀排放模型成為模型構建的重點。

4 排放模型構建

上海市中觀排放模型采用IVE模型(International Vehicle Emissions Model)，原因在于：1)該模型是專門開發(fā)用于發(fā)展中國家的機動車交通排放模型；2)上海市使用時間長，具有較好的數(shù)據(jù)基礎；3)模型對于交通狀態(tài)的劃分很細，可擴展性較好。在機動車交通排放模型的構建過程中，重點工作是模型參數(shù)的本地化和基于排放需求的交通模型深化研究。

4.1 模型參數(shù)的本地化

1）車輛結(jié)構的本地化。

交通模型的輸出結(jié)果中已經(jīng)有車型劃分，但根據(jù)排放研究的要求，對于某類車型還需要根據(jù)排放標準、使用年限、燃油類型等進行細化。上海市的外地牌照車輛眾多，車輛細化時要同時關注本地車輛和外地車輛的情況。在具體工作中，運用本地注冊車輛數(shù)據(jù)庫對本地車輛進行細化，針對常駐上海的外地牌照小客車主要根據(jù)交通強制險的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，外地牌照貨車主要根據(jù)機動車檢測站的調(diào)查數(shù)據(jù)。由于上海市根據(jù)排放標準劃分了諸多的限行區(qū)域(如黃標車限行、國I汽油車外環(huán)內(nèi)限行，10年以上國II汽油車外環(huán)內(nèi)限行，國III柴油車中環(huán)內(nèi)通行時間壓縮，外地牌照貨車通行管制政策等)，因此還需要考慮道路交通管理政策對于機動車交通排放標準的影響。

2）運行工況的本地化。

通過車載GPS對機動車運行工況進行數(shù)據(jù)采集，分快速路、主干路、次干路和支路四種類型對機動車運行工況進行調(diào)查，構建道路平均行程車速與機動車運行工況的關系。IVE模型利用VSP和ES兩個參數(shù)，將車輛運行工況劃分為60個bin單元。不同行程車速狀態(tài)下，機動車運行工況在60個bin單元中的分布結(jié)構有所不同。首先計算車輛在每個bin單元對排放因子的校正系數(shù)，再根據(jù)運行工況在60個bin單元的分布結(jié)構，計算車輛運行工況對排放因子的整體校正系數(shù)。圖2為上海市小客車和大客車運行工況調(diào)查的部分數(shù)據(jù)。

圖1 機動車交通排放模型的輸入和輸出Fig.1 Inputsand outputsof Shanghaivehicleemissionmodel

3）排放因子的本地化。

排放因子的本地化需要進行大量的實驗工作，僅靠一個城市難以實現(xiàn)排放因子庫的構建。目前主要應用國家排放因子與本地車載尾氣檢測實驗相結(jié)合的方式，通過獲得實驗數(shù)據(jù)，對重點車型(如公共汽車、出租汽車等)進行實驗，獲得實驗數(shù)據(jù)，開展分析研究，并對國家排放因子庫的部分因子進行修正。

4）其他參數(shù)的本地化。

主要包括溫度和濕度環(huán)境、燃油品質(zhì)等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)參數(shù)可以通過公開資料查詢得到。

圖2 上海市小客車和大客車行程車速為10～20 km·h-1時的bin單元分布結(jié)構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

排放和環(huán)境研究需要將排放研究數(shù)據(jù)進行深化和細化，在時段上，至少需要細化到24 h內(nèi)，而在空間覆蓋上，需要覆蓋所有道路。然而，交通信息化數(shù)據(jù)雖然在時間粒度上可以滿足要求，但城市的信息化數(shù)據(jù)采集設備無法覆蓋所有道路。交通模型模擬的數(shù)據(jù)在空間覆蓋上可以實現(xiàn)所有路段流量的模擬，但模擬結(jié)果的時間粒度很粗，無法達到排放研究的需求。為此，需要將交通模型和信息化數(shù)據(jù)進行結(jié)合。

在上海市的實踐中，首先對交通模型進一步深化，要求交通模型輸出早高峰、晚高峰和平峰3個時段的交通數(shù)據(jù)，相應形成3個時段的出行產(chǎn)生、出行吸引、方式劃分和交通分配；同時交通量輸出結(jié)果也產(chǎn)生3個時段不同方向的流量，包含車速、車種情況。然后對模型輸出結(jié)果進行再處理，運用部分點位的道路流量和車速數(shù)據(jù)對交通模型輸出結(jié)果進行再細化，將3個時段的流量數(shù)據(jù)繼續(xù)細化成全天24 h的數(shù)據(jù)。

5 案例應用

5.1 排放清單的時空分布

運用機動車交通排放模型，可以將各類機動車的排放情況進一步細化。上海市機動車交通排放模型將計算結(jié)果細化到全天24個時段，全網(wǎng)7.2萬條路段，計算7種車型、4種主要污染物的排放情況。圖3為24個時段的機動車氮氧化物(NOX)排放情況。

5.2 交通政策的減排效果評估

運用上海市機動車交通排放模型可以開展各類交通政策的減排效果評估。例如在上海市高污染車輛限行政策的減排效果預評估中，其中一項內(nèi)容是對10年以上國III柴油車中環(huán)以內(nèi)全面限行政策的減排效果預評估。目前，上海市已經(jīng)實施國III柴油貨運車19 h限行，需要研究對10年以上的國III柴油貨運車實施全天限行的減排效果。評估工作需要首先研究貨運交通活動量的時空分布變化，再研究運輸車輛的技術結(jié)構變化，進而進行減排量測算。經(jīng)模型測算，該政策預計可以減少上海市中環(huán)以內(nèi)機動車細顆粒物(PM 2.5)年排放量100 t，占區(qū)域機動車交通排放總量的5%，減少中環(huán)以內(nèi)NOX年排放量800 t，占區(qū)域機動車交通排放總量的6%。

從管理部門對于政策評估的需求來看，交通政策的環(huán)境影響評價需要評估對污染物濃度的影響。因此未來還需要進一步應用擴散模型，從減排效果評估進一步拓展到空氣質(zhì)量影響評價。該環(huán)節(jié)需要更多地借助環(huán)境研究機構的力量。該階段還可以設置不同氣象方案，如極端天氣下的污染物濃度情況。

圖3 上海市域機動車各時段NOX排放強度Fig.3 NOX emission density ofmotorized traffic in each time period in Shanghai

6 結(jié)語

通過交通研究機構和環(huán)境研究機構的通力合作，上海市初步建立了機動車交通排放模型，實現(xiàn)了較好的應用效果。但模型仍需要雙方部門共同研究和深化，還需要開展大量工作。在機動車交通排放模型的構建過程中認識到，有必要加快構建全國統(tǒng)一的機動車交通排放模型。中國對于機動車交通排放僅有一個清單編制辦法，沒有構建基于交通模型的排放模型。一些大城市依托國外模型，自行建立基于交通模型的排放模型，由于各個城市使用的模型類型不一致，導致各個城市計算結(jié)果的可比性較差。從長遠來看，應當由國家環(huán)境保護部門組織構建全國統(tǒng)一的、基于交通模型的機動車交通排放模型，并出臺使用手冊。而模型的應用，特別是交通政策的減排效果評價，應由交通研究機構來開展。

[1]朱洪，程杰.機動車交通政策的環(huán)境影響評價技術研究[C].中國城市規(guī)劃學會城市交通規(guī)劃學術委員會.新型城鎮(zhèn)化與交通發(fā)展：2013年中國城市交通規(guī)劃年會暨第27次學術研討會論文集.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014：4.

[2]馬因韜，劉啟漢，雷國強，等.機動車排放模型的應用及其適用性比較[J].北京大學學報(自然科學版)，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]上海機動車交通排放模型研究課題組.上海機動車交通排放模型建立[R].上海：上海市城鄉(xiāng)建設和交通發(fā)展研究院，2015.

[4]中華人民共和國環(huán)境保護部.道路機動車大氣污染物排放清單編制技術指南(試行)[R].北京：中華人民共和國環(huán)境保護部，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

上海市科學技術委員會科研計劃項目“在用柴油車排放檢測關鍵技術研發(fā)”(15DZ1205502)

朱洪(1973—)，男，江蘇無錫人，碩士，高級工程師，上海城市綜合交通規(guī)劃研究所副所長，主要研究方向：交通規(guī)劃、交通政策和交通環(huán)境研究。E-mail∶simonwx@126.com