城市道路車輛排放對(duì)大氣污染的線性診斷模型

胡啟洲 鄧 衛(wèi) 李曉菡

(1南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院, 南京 210094)(2東南大學(xué)交通學(xué)院, 南京 210096)

從20世紀(jì)起國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣排放問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究,取得很好的研究成果.胡啟洲等[1]在研究車輛排放時(shí)空特性基礎(chǔ)上,構(gòu)建了排放強(qiáng)度函數(shù)模型,提出了車輛排放的綜合測(cè)度模型.Agarwal等[2]分析了不同速度下高速公路的車輛尾氣排放問題.吳鵬等[3]在構(gòu)建車輛排放對(duì)大氣污染的監(jiān)測(cè)指標(biāo)基礎(chǔ)上,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊識(shí)別理論,提出了車輛排放的預(yù)測(cè)模型.Elkafoury等[4]對(duì)“點(diǎn)(交叉口)”車輛排放時(shí)空特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究.Gori等對(duì)“點(diǎn)(單點(diǎn)控制交叉口)”研究了減少排隊(duì)延誤和尾氣排放的優(yōu)化信號(hào)配時(shí)方案問題.Gori等[5]研究了“線(路段)”不停車收費(fèi)路段,車輛排放對(duì)環(huán)境的污染問題.Anya等[6]研究了“面(路網(wǎng))”中的車輛排放對(duì)環(huán)境污染問題,主要利用車載尾氣檢測(cè)設(shè)備得到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來分析“點(diǎn)(交叉口)”和“線(路段)”的污染情況,并利用車輛排放測(cè)試法得到單車排放因子.由于車輛排放監(jiān)測(cè)設(shè)備的測(cè)試費(fèi)用較昂貴，且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集難度較大,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣排放監(jiān)測(cè)、測(cè)試、監(jiān)控和評(píng)估等領(lǐng)域的研究還處于探索性階段.因此,本文在考慮車輛行駛環(huán)境的多樣性基礎(chǔ)上,根據(jù)不同的道路類型(快速路、主干道、次干道和支路)和不同的車輛類型(客車和貨車),利用線性診斷函數(shù),構(gòu)建不同道路環(huán)境下車輛排放對(duì)大氣污染的線性模型.并在將污染物分為氣體和固體2類的基礎(chǔ)上,通過線性診斷模型得到車輛排放對(duì)大氣污染的準(zhǔn)確值,為科學(xué)研究車輛排放對(duì)環(huán)境污染問題提供理論支撐.

1 車輛排放對(duì)大氣污染的診斷機(jī)理

機(jī)動(dòng)車排出的尾氣中含有100種以上的不同化合物,其中對(duì)大氣的污染物主要有 一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、碳?xì)浠衔?CnHm)、二氧化硫(SO2)、鉛(Pb)和顆粒物(particulate matter, PM)等有害物質(zhì),以及光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的二次污染物[7-8].因此,根據(jù)我國(guó)實(shí)際情況,本文從氣體污染物和固體污染物2個(gè)方面,構(gòu)建車輛排放對(duì)大氣污染的診斷指標(biāo)體系, 如表1所示.

表1 車輛排放的診斷指標(biāo)體系

1.1 不同車輛排放對(duì)大氣污染的排放因子

一般機(jī)動(dòng)車排放系數(shù)是由數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)、燃料消耗估算或者遙感監(jiān)測(cè)等確定[9].為了評(píng)價(jià)城市路網(wǎng)中不同道路條件下車輛排放的不同程度,本文將機(jī)動(dòng)車分為貨車和客車兩大類.在此基礎(chǔ)上,利用函數(shù)關(guān)系定量計(jì)算車輛排放對(duì)大氣的污染程度.無論是貨車還是客車,不同的車型對(duì)環(huán)境污染程度也不相同.所以,為了研究車輛排放對(duì)大氣的污染程度,本文將貨車與客車劃分為4個(gè)類型,見表2.

表2 不同類型車輛的排放因子

1.2 不同道路上車輛排放對(duì)大氣污染的診斷函數(shù)

機(jī)動(dòng)車污染物排放總量與城市路網(wǎng)的車流量、車型結(jié)構(gòu)、平均行駛里程、單車排放因子等有著密切關(guān)系,特別是不同道路等級(jí)對(duì)車輛排放的影響.這是因?yàn)椋孩?由于車輛無法保持在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)高加速行駛,因此怠速和低速行駛是造成車輛單位距離排放污染的主要原因[8],本文將城市路網(wǎng)中車輛運(yùn)營(yíng)速度分為低速、普速、中速和高速4個(gè)速度區(qū)間[10-11],分析速度對(duì)車輛排放的影響機(jī)理;② 車輛在不同道路上的運(yùn)行狀態(tài)有很大差異,不同道路條件下同一輛車污染程度也不同,因此行駛狀況也是影響車輛排放污染的主要因素.本文基于城市道路劃分標(biāo)準(zhǔn)(快速路、主干道、次干道、支路4類),將城市道路分為4個(gè)等級(jí),用以界定各類道路類型各自運(yùn)營(yíng)速度區(qū)間(見表3).

為了計(jì)算城市路網(wǎng)中不同道路上不同類型車輛對(duì)大氣的污染程度,本文構(gòu)建如下函數(shù)關(guān)系式：

表3 不同道路類型分析

fi(vk)=vikdikuij

(1)

式中,fi(vk)為第i類車輛在第k類路上的第j類污染物的排放量,g;vik為第i類車輛在第k類路上的平均速度,km/h;dik為第i類車輛的平均行駛里程,km;uij為第i類車輛關(guān)于第j類污染物的排放因子, g/(km2·h).

1.3 車輛排放對(duì)大氣污染的綜合診斷模型

為了計(jì)算不同道路環(huán)境下車輛排放對(duì)大氣污染的嚴(yán)重程度,需要對(duì)車輛排放中的多種污染物進(jìn)行綜合計(jì)算.本文在診斷車輛排放對(duì)大氣污染的各個(gè)污染物時(shí),分別計(jì)算車輛排放中氣體污染物和固體污染物對(duì)大氣污染的診斷值.

1) 氣體污染物的診斷模型.根據(jù)表1,車輛排放中氣體污染物主要有SOx,COx,THC,NOx等.為了計(jì)算成本效益,利用氣體診斷指標(biāo)函數(shù)將各種氣體污染物的診斷值量進(jìn)行歸一化處理后再進(jìn)行加權(quán)計(jì)算.本文利用車輛排放中的氣體污染物量,來反映車輛排放對(duì)大氣污染的綜合效應(yīng).因此,車輛排放中氣體污染物量的函數(shù)關(guān)系式為

(2)

式中,Fk(g)為在第k類路上運(yùn)行車輛對(duì)大氣污染的氣體污染物排放量,g;nike為第i類車輛在第k類路上的行駛車輛數(shù),輛;vike為第e輛車在第k類路上第i類車輛的平均速度,km/h;dike為第e輛車在第i類車輛中平均行駛里程,km.

2) 固體污染物的診斷模型.根據(jù)表1,車輛排放中固體污染物主要有Pb,PM10,PM2.5,TSP等.為了計(jì)算成本效益,利用固體診斷指標(biāo)函數(shù)f5(Pb),f6(PM10),f7(PM2.5),f8(TSP) 將各種固體污染物的診斷值量進(jìn)行歸一化處理后,再進(jìn)行加權(quán)計(jì)算.測(cè)算車輛排放中固體污染物排時(shí),由于百公里污染物排放量數(shù)據(jù)可以獲得,因此本文利用與行駛里程有關(guān)的排放測(cè)算方法,車輛排放中固體污染物量的函數(shù)關(guān)系式為

(3)

式中,Fk(s)為在第k類路上運(yùn)行車輛對(duì)大氣污染的固體污染物排放量,g.

2 不同類型道路不同車輛排放的綜合診斷模型

車輛排放是影響空氣質(zhì)量的重要因素,在交通環(huán)境不變的情況下,同一區(qū)域內(nèi)不同時(shí)間的車輛排放量之間存在著某種線性聯(lián)系.所以,基于氣體污染物的測(cè)算函數(shù)關(guān)系式(2)和固體污染物的測(cè)算函數(shù)關(guān)系式(3),第k類路車輛排放的函數(shù)關(guān)系式為

Fk(x)=αFk(g)+βFk(s)=

(4)

式中，F(xiàn)k(x)為第k類路車輛排放的總污染量,g;Fk(g)為第k類路車輛排放的氣體污染量,g;Fk(s)為第k類路車輛排放的固體污染量,g;α,β為效果系數(shù),借鑒國(guó)外、國(guó)內(nèi)其他部門的研究成果[12-13],參考《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》及《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,給出效果系數(shù)的建議值,見表4.

表4 效果系數(shù)的建議值

3 基于BP網(wǎng)絡(luò)的車輛排放診斷算法

為了提高不同道路環(huán)境下車輛排放的線性診斷模型的計(jì)算效率,本文融合模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù),引入逐層分布綜合診斷思想.車輛排放診斷算法步驟如下：

② 車輛排放的輸出信息轉(zhuǎn)化.當(dāng)車輛排放bd大于神經(jīng)元興奮閾值時(shí),車輛排放神經(jīng)元信息轉(zhuǎn)換函數(shù)對(duì)bd轉(zhuǎn)化得到輸出信息yz,則輸出信息yz=e(bd-0.01)[1+e(bd-0.01)]-1.

④ 車輛排放的權(quán)重和閥值.繼續(xù)輸入車輛排放樣本訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),直到達(dá)到極小值則停止計(jì)算,輸出此時(shí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)重和閥值.

4 案例分析

2016年課題組對(duì)南京市道路網(wǎng)中車輛排放態(tài)勢(shì)進(jìn)行調(diào)查分析,獲得了大量有關(guān)車輛排放對(duì)大氣污染的數(shù)據(jù),并根據(jù)有關(guān)部門公布的數(shù)據(jù)[14],本文在對(duì)這些采集數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析的基礎(chǔ)上,利用線性函數(shù)進(jìn)行定量計(jì)算,診斷南京道路網(wǎng)中不同道路類型不同車輛的排放程度.本文選取南京市的48個(gè)區(qū)段作為車輛排放的劣化診斷學(xué)習(xí)樣本(44個(gè)為車輛排放訓(xùn)練樣本,4個(gè)為車輛排放檢測(cè)樣本),運(yùn)用所建模型對(duì)車輛排放進(jìn)行模擬訓(xùn)練.

1) 車輛排放的訓(xùn)練樣本劣化目標(biāo)真實(shí)值XZ=(0.362 8,0.312 0,0.372 9,0.386 3,0.376 4,0.416 4,0.387 9,0.373 3,0.424 1,0.464 4,0.387 4,0.327 9,0.403 1,0.381 8,0.437 4,0.483 8,0.439 1,0.331 1,0.306 4,0.307 4,0.313 2,0.383 0,0.341 7,0.363 3,0.348 0,0.420 9,0.389 8,0.378 4,0.336 3,0.313 8, 0.367 6,0.362 3,0.396 2,0.388 4,0.391 1,0.414 8,0.390 2,0.392 8,0.419 1,0.461 3,0.390 7,0.326 9,0.403 3,0.381 6).

2) 車輛排放的檢測(cè)樣本劣化目標(biāo)真實(shí)值JZ=(0.216 2,0.236 3,0.267 8,0.298 9).

3) 車輛排放的訓(xùn)練樣本劣化目標(biāo)擬合值XN=(0.367 5,0.362 5,0.396 2,0.385 4,0.395 1,0.415 8,0.350 2,0.395 8,0.415 1,0.451 3,0.390 7,0.326 9,0.405 3,0.351 6,0.435 3,0.485 7,0.439 6,0.332 8,0.302 3,0.306 4,0.317 8,0.387 1,0.344 3,0.364 8,0.360 2,0.426 4,0.390 4,0.372 2,0.337 8,0.315 1, 0.363 6,0.365 3,0.395 2,0.385 4,0.395 1,0.415 8,0.370 2,0.352 8,0.459 1,0.451 3,0.395 7,0.326 9,0.403 5,0.351 6).

由2組數(shù)據(jù)知,車輛排放的樣本劣化目標(biāo)擬合值與樣本劣化目標(biāo)真實(shí)值接近,精度達(dá)到了車輛排放的監(jiān)控要求.運(yùn)用訓(xùn)練后達(dá)到要求的函數(shù)對(duì)檢測(cè)樣本進(jìn)行擬合,得到車輛排放的檢測(cè)樣本擬合值JN=(0.213 7,0.239 5, 0.261 9,0.296 5),精度同樣達(dá)到了車輛排放的監(jiān)控要求.車輛排放的真實(shí)值與擬合值的擬合結(jié)果如圖1所示.

圖1 車輛排放的真實(shí)值與擬合值

4) 車輛排放的檢測(cè)樣本誤差分析.以南京市48個(gè)區(qū)段作為車輛排放的劣化診斷的學(xué)習(xí)樣本, 4個(gè)車輛排放檢測(cè)樣本的真實(shí)值JZ=(0.216 2,0.236 3, 0.267 8,0.298 9),4個(gè)車輛排放檢測(cè)樣本的擬合值JN=(0.213 7,0.239 5, 0.261 9,0.296 5),4個(gè)車輛排放檢測(cè)樣本的有效誤差為1.16%，1.35%，2.20%和0.80%,如圖2所示.

圖2 預(yù)測(cè)有效誤差分析

根據(jù)圖1和圖2,從減排成本效益評(píng)價(jià)上來看,以目前的技術(shù)發(fā)展水平和規(guī)模,南京市車輛排放對(duì)大氣污染屬于中等水平,南京市車輛排放對(duì)大氣污染有一定影響,其中固體污染物(容易產(chǎn)生霧霾)對(duì)南京環(huán)境影響較大.所以,為了減少車輛排放對(duì)大氣污染,本文建議：一方面,從政策上推廣低污染能源,建議使用清潔能源車輛,如電動(dòng)汽車等;另一方面,從教育上提高居民環(huán)保意識(shí),鼓勵(lì)居民乘公共交通出行,減少私家車出行等.

5 結(jié)論

1) 針對(duì)不同的城市道路,本文從快速路、主干道、次干道和支路4個(gè)方面構(gòu)建了車輛排放的大氣污染模型,通過定量計(jì)算可知,在同等條件下支路的污染最嚴(yán)重.

2) 針對(duì)不同的車輛類型,本文從重型、中型、輕型和微型4個(gè)類型建立了車輛排放對(duì)大氣污染的數(shù)學(xué)關(guān)系式,計(jì)算表明不同車型排放差別較大,即使同一車型在不同速度下排放量也不同,速度越大，污染物排放量越小.

3) 通過對(duì)真實(shí)行駛條件下車輛排放的大數(shù)據(jù)分析,不但可以評(píng)估車輛排放對(duì)城市環(huán)境的影響程度,而且為新標(biāo)準(zhǔn)的有效執(zhí)行提供決策依據(jù).因此,本文在探索車輛排放具有的內(nèi)在規(guī)律基礎(chǔ)上,從不同道路環(huán)境(快速路、主干道、次干道和支路)和不同車輛(貨車和客車)類型條件下,利用線性函數(shù)構(gòu)造車輛排放的線性診斷模型,實(shí)現(xiàn)了車輛排放對(duì)大氣污染的定量監(jiān)控目標(biāo).研究成果為改善城市空氣質(zhì)量、減少空氣污染提供了新方法、新思路.