面向集裝箱碼頭重載車輛排隊系統(tǒng)的碳排放仿真研究

李兵兵，于 堯，肖中新*，葛穎恩

(1.安徽省環(huán)境監(jiān)測中心站，安徽 合肥 230071；2.上海海事大學(xué) 交通運輸學(xué)院，上海 201306)

隨著我國貨運交通的快速發(fā)展，重型車輛在公路物流運輸中所占比例日益增加.上海港作為全球吞吐量排名第一的港口[1]，其集裝箱的運輸與轉(zhuǎn)運需求巨大.而在滿足貨運需求的同時，大量的集裝箱卡車(以下簡稱集卡)所排放的尾氣對港口乃至臨近腹地區(qū)域都產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境污染.單輛集卡的尾氣排放幾乎相當(dāng)于30輛輕型車輛排放總和[2]，因此探討如何降低港口區(qū)域集卡車輛的碳排放，真正實現(xiàn)“資源節(jié)約、環(huán)境友好型交通發(fā)展”[3]非常必要.

碼頭閘口是審驗、分配(堆場備位)集卡車輛進(jìn)出的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時也是造成集卡車輛排隊的交通瓶頸.相比于行駛狀態(tài)，集卡車輛在閘口排隊等候過程中，會排放出更多的碳?xì)浠?THC)和碳氧化物(COx).根據(jù)洛杉磯港調(diào)查報告(2012)可知，全港年度CO2排放總量為8.57×105t，其中集卡車輛碳排放量為3.72×105t，占CO2排放總量的比例達(dá)43.4%[4].為解決高效的港口運作與集卡車輛污染排放之間的矛盾，達(dá)到降低港口的總能耗與碳排放總量下降的目標(biāo)，亟須對碼頭能耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即碼頭閘口集卡排隊時的碳排放量進(jìn)行控制.因此，明確閘口集卡排隊過程的內(nèi)在演化規(guī)律，解析集卡車輛的碳排放規(guī)律已成為集裝箱碼頭亟待解決的問題.

1 現(xiàn)有研究趨勢

1.1 集裝箱碼頭閘口排隊

集裝箱碼頭閘口是碼頭與港區(qū)道路的連接節(jié)點，是外部集卡轉(zhuǎn)運集裝箱進(jìn)出堆場必經(jīng)的作業(yè)通道.現(xiàn)有研究多集中在以提高閘口作業(yè)能力、縮短集卡車輛等待時間為目的的優(yōu)化問題領(lǐng)域.如國外一些學(xué)者提出了采取預(yù)約制以降低閘口擁堵的方法[5-7]，并證明了預(yù)約的實施可有效降低集卡排隊的數(shù)量；Guan等[8]則從排隊論角度出發(fā)，利用M/Ek/c排隊模型計算集卡排隊的平均隊長，并構(gòu)建了優(yōu)化模型；此外，曾慶成、許巧莉等[9-10]也分別建立了排隊網(wǎng)絡(luò)模型，以此估算集卡車輛在閘口需要排隊等待的時間.而劉翠蓮等[11]采用排隊論方法提出了M/G/S/∞/∞/FCFS排隊系統(tǒng)模型，并對閘口流程進(jìn)行了優(yōu)化，該排隊系統(tǒng)模型表示為集卡車輛的到達(dá)服從泊松分布(Poisson)，服務(wù)時間服從一般隨機分布，服務(wù)臺數(shù)為S且滿足先到先服務(wù)的規(guī)則，符合當(dāng)前碼頭預(yù)約制下集卡車輛排隊規(guī)律.但上述研究多以總的時間成本最小或總費用最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，尚未從低碳約束的角度出發(fā)以碳排放總量最小進(jìn)行研究.

1.2 碳排放仿真研究方法

董崗和王文淵等[12-13]曾基于對國內(nèi)外減排措施的分析，提出了集裝箱碼頭碳排放量理論計算公式，但缺少集卡車輛的碳排放量化方法，且所提出的理論模型與實際有較大的差異；而盧毅勤等[14]則兼顧CO2排放和集卡多目標(biāo)調(diào)度兩個目的，給出了多目標(biāo)優(yōu)化模型，但未對集卡車輛在閘口階段的實際等待和低速行駛過程中的碳排放情況進(jìn)行考量.綜上，這些研究為碼頭集卡車輛碳排放的仿真和計算提供了堅實的理論依據(jù).筆者基于上述研究成果，首次面向碼頭閘口關(guān)鍵環(huán)節(jié)，采用MOVES仿真手段，對集卡車輛在排隊過程中的碳排放進(jìn)行仿真，并深入剖析實際排隊規(guī)則下不同速度區(qū)與碳排放二者間的交互關(guān)系.

2 碼頭閘口作業(yè)流程分析

閘口集卡車輛排隊主要分為進(jìn)入閘口的排隊等待、出閘口的排隊等待兩部分.依據(jù)碼頭閘口服務(wù)規(guī)則以及集卡在碼頭閘口系統(tǒng)的排隊被服務(wù)過程，可將其歸為典型的多級排隊網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示.

在圖1所示的排隊網(wǎng)絡(luò)中，集卡車輛到港后等待進(jìn)入閘口，若入閘口通道空閑則接受服務(wù)，通道忙碌則進(jìn)入隊列1按先到先服務(wù)(first come first served, 簡稱FCFS)規(guī)則排隊等待.閘口服務(wù)完畢后，集卡車輛進(jìn)入碼頭堆場進(jìn)行裝卸作業(yè).隨后集卡車輛進(jìn)入出閘口通道，同理，若出閘口通道空閑則立即接受服務(wù)，否則進(jìn)入隊列2按FCFS規(guī)則排隊等待.集卡車輛在出閘口通道接受服務(wù)完畢后駛離閘口，從而退出整個閘口系統(tǒng)，至此面向該車輛的閘口系統(tǒng)服務(wù)完畢.在該流程中，若閘口出/入通道忙碌，極易造成碼頭服務(wù)效率下降，成為影響碼頭通過能力的瓶頸；并且由于排隊車輛處在怠速狀態(tài)，大量未經(jīng)完全燃燒的污染氣體會產(chǎn)生嚴(yán)重的污染，而這種狀態(tài)在現(xiàn)行的閘口預(yù)約制下較為常見.此外，由于集卡車輛送箱和提箱不同作業(yè)過程中存在差異，因此服務(wù)時間更符合一般隨機分布，即滿足M/G/S/∞/∞/FCFS排隊規(guī)則.

圖1 集卡車輛碼頭閘口作業(yè)流程

筆者以上海港集裝箱碼頭閘口為研究對象，通過觀測、調(diào)查及統(tǒng)計得到，該閘口共有24條通道，并滿足M/G/24/∞/∞/ FCFS的排隊系統(tǒng)，其閘口作業(yè)流程符合圖1所示標(biāo)準(zhǔn)集卡車輛作業(yè)流程，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示.根據(jù)實測數(shù)據(jù)，構(gòu)建該碼頭的閘口集卡車輛排隊模型，并基于排隊論模型要素(輸入過程、排隊規(guī)則和服務(wù)機構(gòu))，對所提出的碼頭集卡車輛閘口排隊系統(tǒng)做出以下服務(wù)規(guī)則的制定：

(1) 集卡是閘口作業(yè)系統(tǒng)中的“顧客”，數(shù)量無限制；

(2) 集卡車輛到達(dá)閘口是獨立的、隨機性的事件，滿足到達(dá)時間間隔獨立要求；

(3) 集卡車輛到達(dá)服從FCFS規(guī)則，閘口系統(tǒng)處于實時等待狀態(tài)；

(4) 碼頭的閘口通道(24條)作業(yè)相互獨立，每條通道的服務(wù)能力一樣，并且每條通道每次只能服務(wù)一輛集卡；

(5) 集卡到達(dá)閘口的時間間隔與集卡在通道接受服務(wù)時間兩者相互獨立；

(6) 閘口系統(tǒng)運行時間長，可達(dá)到穩(wěn)態(tài).

表1 上海港集裝箱某頭閘口排隊系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

由表1可知，所構(gòu)建的閘口服務(wù)系統(tǒng)滿足多服務(wù)臺等待機制，且交箱作業(yè)和提箱作業(yè)都存在車輛排隊情況.其中交箱作業(yè)中的平均隊長約為提箱作業(yè)中平均隊長的2.2倍；交箱作業(yè)中的平均停留時間和平均等待時間均高于提箱作業(yè),可知集卡車輛到達(dá)閘口的排隊等待比裝卸后出閘口排隊等待的時間更長；由于進(jìn)港集卡車輛的重載箱率比出港要高，因此進(jìn)港排隊階段的碳排放污染更為嚴(yán)重.因此，解析集卡車輛在閘口排隊等待過程中的碳排放變化率，是有效制定策略、控制港區(qū)碳排放的重要依據(jù).

3 MOVES仿真模型參數(shù)修正

MOVES[15]是美國環(huán)保署(EPA)開發(fā)的一款可用于機動車輛污染排放測算的新一代仿真模型.相比于MOBILE、CMEM以及COPERT等軟件在應(yīng)用過程中難以對微觀環(huán)境進(jìn)行定義，導(dǎo)致仿真結(jié)果與我國道路和車輛的實際情況不相符、結(jié)論難以應(yīng)用等，MOVES則提供了國家、區(qū)域和項目級3種層次，分別從宏觀、中觀、微觀的層次對機動車排放進(jìn)行仿真測算，并可根據(jù)我國道路和車輛屬性等實際情況進(jìn)行情景設(shè)置，極大地提高了排放測算結(jié)果的真實性.

考慮到MOVES中車輛的運行工況和基本排放率僅針對美國本土區(qū)域，且我國在車型劃分、道路狀態(tài)等方面與美國有較大的差異，因此結(jié)合《中國能源統(tǒng)計年檢2010》和《2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories》[16-17]，分別對柴油和汽油相關(guān)燃燒系數(shù)進(jìn)行修訂，如表2所示.

表2 我國不同燃油類型下碳排放系數(shù)

4 算例分析

將表1和表2作為MOVES仿真環(huán)境輸入?yún)?shù)；仿真時長設(shè)置為1 h(9:00—10:00)，溫度為25 ℃，華氏77 ℉，相對濕度72%.到港車輛車型為組合長途集裝箱卡車 (combination long-haul truck)和組合短途集裝箱卡車(combination short-haul truck)，燃料為汽油，其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)平均車速bin值范圍為9.28～114.7 km·h-1，由于該研究面向集裝箱碼頭閘口，所以選取集卡車輛速度區(qū)間為9.28～60.28 km·h-1.分別對CO2、CO、THC三種碳排放化合物以及能耗進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖2所示.

圖2 60 km·h-1以下速度區(qū)間內(nèi)集卡車輛單車碳排放變化

由圖2可知，速度對集卡車輛的排放有著較大的影響.當(dāng)速度小于或等于9.28 km·h-1時，車輛能耗較大，相應(yīng)地CO2、CO和THC等污染物的排放量也處于最高位.但隨著速度的遞增，CO2、CO和THC等污染物排放量呈現(xiàn)了一個單調(diào)的遞減趨勢，能源消耗也相應(yīng)下降；尤其當(dāng)速度從0增加至15.28 km·h-1時，碳污染排放量和能源消耗下降梯度明顯，當(dāng)速度高于15.28 km·h-1時，碳污染排放量下降趨勢趨于平穩(wěn).各污染物的排放增長率如圖3所示.

圖3 碳排放污染增長率變化曲線

由圖3可以看出，隨著平均速度的增加，CO2、CO、THC相對于基礎(chǔ)排放量，增長率分別達(dá)到了-61.93%，-32.10%，-19.88%.整體分析可知，在低速范圍內(nèi)(速度小于等于60 km·h-1)集卡車輛的碳排放總量更大，但是隨著平均速度逐漸提高，各污染物排放增長率顯著降低，該研究所取速度區(qū)間范圍較小，隨著后期速度持續(xù)增加，污染物的排放量最終并不是持續(xù)降低的，如圖4所示.

圖4 不同速度區(qū)間下集卡車輛的燃料消耗與碳排放污染量

由圖4可知，隨著通過閘口期間平均速度的提升，總的碳排放污染量呈現(xiàn)先降低后增高的趨勢，當(dāng)集卡車輛速度高于60 km·h-1，碳排放污染有顯著增加，但總的燃油消耗量依舊維持單調(diào)遞減的變化趨勢.因此，當(dāng)重載車輛屬性不變的前提下，速度是影響其尾氣排放的重要因素.

5 結(jié)束語

筆者以集裝箱重載卡車為例，對集卡車輛進(jìn)出港口/碼頭閘口過程中的碳排放變化情況進(jìn)行了分析.首先考慮集卡車輛在閘口排隊等待的實際情況，基于排隊理論，以上海港碼頭閘道數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對平均隊長、平均等待隊長、平均停留時間以及平均等待時間4個指標(biāo)進(jìn)行解析，構(gòu)建了M/G/24/ ∞/∞/ FCFS排隊系統(tǒng)；并結(jié)合MOVES仿真模型，對重載車輛在該排隊系統(tǒng)下的CO2、CO、THC三種碳排放化合物以及燃油能耗進(jìn)行了仿真分析，得到不同速度區(qū)間下上述4種指標(biāo)的變化趨勢.可知集卡車輛平均行駛速度低于60 km·h-1時，其各項碳排放污染呈單調(diào)遞減變化，當(dāng)速度高于60 km·h-1，碳排放總量出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)增加的變化趨勢，表明當(dāng)重載車輛屬性不變的情況下，速度是影響其尾氣排放的重要因素.