市民出行碳排放測算及基于安卓的APP開發(fā)

許倫輝,曹宇超,鄧榮峰

(1.北京理工大學珠海學院工業(yè)自動化學院，廣東 珠海 519088；2.華南理工大學土木與交通學院，廣州 510641)

0 引言

歷史經(jīng)驗表明，伴隨著一個城市的發(fā)展和社會的進步，無疑就會有更多的能源消耗和溫室氣體的產(chǎn)生，而交通作為一個城市的根基，無論是交通工具還是配套設施，它們的能源消耗以及所產(chǎn)生的污染毫無疑問也增加了能源出現(xiàn)危機的概率以及全球氣候惡化的速度。城市交通的能耗以及碳排放已經(jīng)逐漸成為我國相關行業(yè)碳排放總量增長點的主要源頭之一，所以在當今全球倡導低碳的概念下，交通領域承擔著巨大的碳排放減排的責任，倡導低碳交通的大力發(fā)展是目前交通領域研究的重要課題之一。

筆者認為，倡導低碳的前提，首先就需要對碳排放量進行一個量化的計算和認知。以大數(shù)據(jù)的事實，找到解決問題的出發(fā)點，對癥下藥，將這些數(shù)據(jù)運用到不同的對象手中，從而誘導城市交通向低碳目標發(fā)展。本文的研究對象主要以廣州市為例。

1 碳排放相關概念

1.1 低碳交通

首先對于低碳，《中國發(fā)展低碳經(jīng)濟途徑》給出了相關定義：一個新興的經(jīng)濟社會體，與傳統(tǒng)經(jīng)濟能源體相比，在生產(chǎn)和消費過程中能夠節(jié)省能源、減少有害氣體排放，同時還能保持經(jīng)濟的穩(wěn)定增長和社會的可持續(xù)發(fā)展趨勢，可以稱為低碳趨勢。整體上來說，低碳交通就是交通運輸領域的碳排放強度和居民出行之間處于一種和諧共處的狀態(tài)。本文的研究范圍，是基于居民日常出行的生活方式，所以研究涉及范圍只有道路上的交通方式。

1.2 碳足跡

目前關于碳足跡的概念,它就是表示使用者對于“碳”這個元素的使用量，而“碳”在生產(chǎn)生活中被消耗之后產(chǎn)生的便于計量的產(chǎn)物便是CO2。它的計量方法存在兩種定義，分別從不同的角度考慮，第一種是采用二氧化碳的重量表示，即環(huán)境所能容納的二氧化碳含量；第二種是采用面積表示。

由于本文研究的內(nèi)容是交通領域的碳足跡—即在交通運輸過程中居民個人產(chǎn)生排放的二氧化碳量集合。在綜合各學者見解的基礎上，結(jié)合下述具體計算方法以及研究內(nèi)容，將碳足跡的概念界定為居民出行OD這一過程所產(chǎn)生的二氧化碳總量，用質(zhì)量(這里的質(zhì)量即為物理學中的重量)來表征，單位kg，本文在后續(xù)研究中研究的居民出行碳排放量即為直接碳足跡。

1.3 碳交易

碳交易是為了適應全球低碳發(fā)展方向，減少全球二氧化碳排放所提出的一種市場交易機制，屬于市場經(jīng)濟的范疇。交易的主體中，政府屬于自愿的擁有者和價格的制定者，企業(yè)和個人屬于購買者和潛在獲利者。碳交易的基本原理是，交易雙方根據(jù)市場規(guī)則，政府可以發(fā)放一定數(shù)量的碳排放初始配額，個人和企業(yè)根據(jù)自身需求，向政府購買相應數(shù)量的碳排放額度，在其限額內(nèi)對應對溫室效應做出貢獻，同時對超過限額的部分進行懲罰。

2 交通運輸碳排放計算方法及對比

由于之前的研究受限于研究方法、環(huán)境條件等諸多因素，缺少了計算碳排放模型的基礎數(shù)據(jù)，很難直接對其進行計算，因此筆者首先計劃從交通系統(tǒng)這個宏觀角度考慮，比較精準地得到不同種類交通工具對應的不同燃料的碳排放復雜指標系數(shù)，再結(jié)合相關文獻中已采用的方法，取其精華，去其糟粕，進而估算城市交通碳排放量。

在《2006年IPCC國家溫室氣體清單指南》中，為研究者提供了兩種計算方法來計算碳排放總量。第一種方法是根據(jù)區(qū)域內(nèi)交通小區(qū)燃料種類與燃料的碳排放的系數(shù)相乘得到，這種方法稱為“自上而下”的方法；第二種方法是用各交通方式的行駛里程數(shù)與燃料的單位里程消耗燃料量相乘得到交通消耗燃料的消費總量，再與各燃料的碳排放的系數(shù)相乘就可以計算得到交通碳排放量。這種方法稱為“自下而上”的方法。

筆者通過總結(jié)兩種已有方法的特點，基于為了更好地使用于大眾居民出行，通過普遍化不同交通方式的燃料類型，平均化大范圍交通方式的機器油耗等數(shù)據(jù)，結(jié)合算法的優(yōu)勢特點，提出了單位碳排放系數(shù)這一概念。

3 交通運輸碳排放資料搜集及模型創(chuàng)建

3.1 數(shù)據(jù)需求

3.1.1 出行距離

在一次OD出行中，個體的來回總行程距離即稱為出行距離。通過變量與定量分析原則來看，當選擇的燃料種類不變的情況下，出行距離固定的情況下，所使用的交通工具對應燃料的碳排放系數(shù)越小，所排放的碳總量越小。

3.1.2 出行方式

出行方式是一個完整交通出行過程中的重要組成部分，它的定義即出行時所選擇的交通工具種類。隨著生活質(zhì)量的不斷改善，人們開始追求更加舒適便捷的出行，于是持續(xù)購買機動車，讓機動車的尾氣排放污染成為了交通領域環(huán)境污染的主要源頭，導致城市交通的整體碳排放速度在持續(xù)增加。

3.1.3 定性影響因素

(1)城市空間布局；(2)城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)；(3)城市客運結(jié)構(gòu)；(4)車輛減排技術；(5)駕駛員技術水平；(6)公交服務管理水平。

3.1.4 碳排放系數(shù)

結(jié)合不同交通方式結(jié)合不同燃料類型的特性，將各復雜系數(shù)綜合為“碳排放系數(shù)”，通過查閱現(xiàn)有文獻，結(jié)合具體案例篩選，得到一個大數(shù)據(jù)范圍下統(tǒng)計的“碳排放系數(shù)”值(表1)。

表1 碳排放系數(shù)

3.2 碳排放計算模型構(gòu)建

由2.1節(jié)分析可知，在居民出行的碳排放行為中，碳排放量的計算跟定量因素出行距離和選擇出行方式有關。定性因素由于不確定性，無法用數(shù)學建模的形式表現(xiàn)出來，所以本文模型從定量角度入手，根據(jù)不同交通工具以及對應燃料的碳排放系數(shù)計算居民出行的碳排放量。相應的計算公式如下：

Ci=Li×pi

(1)

C總=∑iLi×pi

(2)

(3)

式中，C表示居民出行的碳排放量(Ci表示使用第i種交通方式所產(chǎn)生的碳排放量)，i表示第i種交通方式，分別以1表示步行，2表示自行車，3表示公共汽車，4表示電動車，5表示小汽車，6表示地鐵。

pi表示對應第i種交通方式的對應的人均碳排放系數(shù)(kg CO2/km·人),為使用第i種交通方式出行的距離(km)；Li為對應交通方式的每百km耗氣量；ki為第i種交通方式所使用燃料的碳排放系數(shù);M為使用工具的載客人數(shù)(公共交通工具取平均值)。根據(jù)表1中給出的碳排放系數(shù)，再結(jié)合具體地區(qū)居民出行Li特性，給出本文所使用的具體碳排放系數(shù)。

3.2.1 公共汽車碳排放系數(shù)計算

結(jié)合廣州市公共汽車以液化石油氣為原料的前提下，關于公交汽車的碳排放系數(shù)，進行如下計算確定。

(1)百km耗氣量。廣州市的公交車型分為有軌電車、普通公交、BRT。廣州市公交公司提供數(shù)據(jù)顯示，三種車型的公交車，每百km消耗的液化石油氣約為32m3、36m3、41m3。本文的公共汽車碳排放計算模型部分，取使用最普遍的普通公交數(shù)據(jù)36m3的耗氣量作為代表。

(2)燃料的碳排放系數(shù)。根據(jù)IPCC給出的燃料CO2排放系數(shù)表，目前國內(nèi)公交使用的燃料分兩種，其一是液化石油氣(LPG)，它的建議排放系數(shù)為1.75kgCO2/L；其二是液化天然氣(LNG)，它建議排放系數(shù)為2.33kgCO2/m3。廣州市大部分公共汽車采用液化石油氣(LPG)作為燃料使用，因此下列F取1.75kgCO2/L。

(3)高峰平均載客人數(shù)。根據(jù)公交管理部門的管理細則，公交車的載客人數(shù)有一個最大值，按照國家建設部對公交車限載的國家標準是8人/m2，對于普遍使用最多車型的普通公交車來說，其最大載客人數(shù)約為80人。

從廣州市交通部門的信息來看：廣州公交車可載客90人和100人。按照國家相關規(guī)定，城市公共汽車及軌道交通列車人均站立面積約為每人0.125m2。

因此，本文M的確定，按照最大載客量90人的80%計算，即72人。

(4)公共汽車個人出行單位公里CO2排放系數(shù)。

廣州市公共汽車人均單位公里CO2排放系數(shù)計算公式：

(4)

再根據(jù)一天中時間分布，高峰小時約是從6:30～9:30,16:30～19:30，按照12:6的比例：

p平均=p高峰×1/3+p平峰×2/3=0.0134

(5)

其中：p為廣州市公共汽車的人均單位公里CO2排放系數(shù)(kg CO2/km·人)；L為公共汽車每百公里耗氣量(L)；k為液化石油氣的碳排放系數(shù)(kg CO2/L)；M為廣州市公共汽車平均載客人數(shù)。由上述數(shù)值代入公式算得0.0134(kg CO2/km·人)。

3.2.2 電動車碳排放系數(shù)計算

關于電動自行車的碳排放系數(shù)，進行如下計算確定：

(1)電動車每km耗電量的確定。根據(jù)筆者到相關電動車銷售部門的走訪調(diào)查，以及對電動車出廠參數(shù)的相關資料查閱，一般電動車的電池容量為0.576kwh，一輛全新電動車的最大行駛里程數(shù)約為50km，每km耗電量為11.52wh。

(2)電力碳排放系數(shù)的確定。總結(jié)國內(nèi)外文獻中的取值，列如表2所示。

表2 電力碳排放系數(shù)

目前只是為了建立適用于我國的碳排放量計算模型，因此表2采用國內(nèi)公司的統(tǒng)計值，取均值計算得0.8667(kg CO2/kwh)，作為電力的碳排放系數(shù)。

(3)電動車碳排放系數(shù)的確定。綜上所述，將采用下述公式計算電動車的人均單位公里碳排放系數(shù)：

p電動車=P×E

(6)

式中，p為電動車的人均單位里程碳排放系數(shù)(kg CO2/km·人)(默認電動自行車的載客人數(shù)為1人)；P為電動車每km的耗電量；E為電力的碳排放系數(shù)(kg CO2/kwh)。

上式中，取P為11.52wh/km，E為0.8667 kg CO2/kwh，算得電動車的碳排放系數(shù)為0.01 kgCO2/km·人。

3.2.3 小汽車碳排放系數(shù)的確定

目前，在新能源汽車尚未普及的背景下，廣州市的小汽車仍然大部分采用化石燃料-汽油作為基本燃料，故根據(jù)表1的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，本文采用0.18kg CO2/km作為小汽車碳排放模型的計算依據(jù)。

3.2.4 地鐵碳排放系數(shù)的計算

一般我國的地鐵采用電力作為能源供給,供電方式大致分為架空電纜和軌道供電兩種。

根據(jù)查閱相關文獻，以廣州市為例，A、B車型的平均單位電耗指標為11.17kwh/km，由上述可知，電力的碳排放系數(shù)取0.8667(kg CO2/kwh)。

(1)采用下述公式計算地鐵的碳排放系數(shù)：

k地鐵=S×E

(7)

式中，k地鐵為地鐵的碳排放系數(shù)(kg CO2/km)，S為地鐵每km的耗電量，E為電力的碳排放系數(shù)(kg CO2/kwh)。

上式中，取S為11.17kwh/km，E為0.8667 kg CO2/kwh，算得地鐵的單位公里碳排放系數(shù)為9.68kg CO2/km·人。

(2)平均載客人數(shù)的確定。以出行客流量最大的線路為例，廣州市地鐵三號線運營中的列車為B型車，當三號線最初開始運營的時候，采用3節(jié)編組的列車。之后隨著地鐵的不斷發(fā)展，客流量的增加，2010年將原有的3節(jié)編組模式全部改為6節(jié)編組。根據(jù)相關資料，3車廂編組列車長約60m，載客量滿載為675人，所以估算目前3號線最大載客量為675×2=1350人。此外，三號線其最高時速可達120km/h[34]。

按照公共交通飽和度統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，高峰時期80%飽和度、平峰時期50%飽和度計算:

(8)

再根據(jù)一天中時間分布，按照12:6的比例:

p平均=p高峰×1/3+p平峰×2/3=0.0125

(9)

3.2.5 步行與自行車碳排放系數(shù)計算

當排除人體呼吸，以及身體機體活動所產(chǎn)生的微量二氧化碳之后，定義步行和騎自行車的碳排放量均為0 kg CO2/km·人。

3.2.6 計算結(jié)果匯總

通過前面計算，匯總得到人均單位里程碳排放系數(shù)表。

4 app的實現(xiàn)及應用

4.1 需求分析

從低碳環(huán)保的角度出發(fā)，針對不同使用對象進行分析。首先就個體而言，目前用戶缺少一種簡便的自我評價自身碳排放影響的途徑和方法；就政府而言，為了更有效地制定低碳減排的相關措施，同樣也缺少獲取居民出行時的具體碳排放數(shù)據(jù)的途徑和方法。通過面向?qū)ο蟮男枨罂紤]，由此確定app的面向?qū)ο鬄槌鞘谐鲂行枨筝^大的居民以及政府交通、環(huán)境工作的相關部門。

4.2 程序語言

首先通過本文的計算模型，定義了人均單位里程碳排放系數(shù)p，i表示第i種交通方式(代碼中的p用k代替)；然后定義了Li為使用第i種交通方式行駛的距離；定義了Ci為使用第i種交通方式碳排放量；最后使用公式Ci=Li×ki分別根據(jù)交通方式的不同計算出相應的碳排放量。

(ki為本文中計算得出的對應第i種交通方式的人均單位里程碳排放系數(shù))。

圖1 程序語言

4.3 界面設計

界面包含了左側(cè)的Lable框-出行方式(六種)，中間的輸入框-出行距離，右邊的輸出框-碳排放量，Button-計算按鈕。

使用流程：用戶通過在出行距離一欄處輸入使用出行方式的出行距離-單擊“計算”按鈕-輸出本次出行對應方式的碳排放量，以及總和。后續(xù)將建立與導航軟件數(shù)據(jù)庫的連接，通過智能路徑規(guī)劃，通過選擇OD點，以及不同交通方式組合，自動鏈接到相應的交通方式欄目，以及生成對應的距離值，進而計算得到碳排放量。

圖2 eclipse界面

圖3是通過模擬器實際運行圖。

圖3 安卓軟件實際界面

4.4 軟件開發(fā)的意義

該軟件的開發(fā)，在一定程度上可以為用戶及時反饋出行選擇對環(huán)境所造成的影響，從碳排放的角度為用戶的出行選擇提供一個建議，誘導用戶使用低碳排放工具出行。

5 低碳交通發(fā)展對策探索與創(chuàng)新

5.1 城市低碳交通發(fā)展的宏觀技術布局層面應對措施

5.1.1 誘導交通消費需求與倡導低碳出行

一方面，相關部門要積極宣傳低碳理念。另一方面，通過財政手段，例如對公共交通的補貼，以及對私家車稅費的增收等方式，誘導居民出行方式的選擇。

5.1.2 機動車節(jié)能減排技術的創(chuàng)新

(1)車輛角度。政府應鼓勵居民購買低能耗、低碳排放的小汽車，必要時可以給予一定的經(jīng)濟補助，減征車輛購置稅等。通過借鑒國外相關經(jīng)驗，對某些造成惡性環(huán)境污染的車主征收環(huán)境污染費用。

(2)燃油經(jīng)濟性角度。根本上就是改善現(xiàn)有技術，提高使用效率。國家應加大對燃料使用的完全性技術的研究力度。

(3)清潔能源的研發(fā)與推廣。加快新能源汽車的研發(fā)以及逐步拓展其使用范圍，同時不斷改進發(fā)動機技術，提高燃料的使用效率，即提高其燃燒效率比例。與此同時，加大這些新能源的產(chǎn)量和供應，同時降低新能源的成本，進而代替現(xiàn)有的化石燃料，步入燃料新時代。

(4)改善汽車尾氣排放的治理。應加強汽車尾氣的檢測，通過統(tǒng)計大數(shù)據(jù)，作為以后制定相關標準的依據(jù)。禁止尾氣排放超標的車輛上路。

5.1.3 從城市規(guī)劃和布局入手

根據(jù)生態(tài)城市伯克利在建設規(guī)劃中歷史經(jīng)驗表明，一個綠色城市的規(guī)劃布局應采取高密度規(guī)劃，城市之間應該建立起一個高效的交通運輸體 系，不僅可以提高交通量的周轉(zhuǎn)，同時降低整個交通系統(tǒng)的碳排放總量。因此，發(fā)展低碳交通不能單一只從路網(wǎng)規(guī)劃出發(fā)，還必須同步結(jié)合城市的產(chǎn)業(yè)規(guī)劃和布局。

5.1.4 穩(wěn)步推進公共交通的建設

在出行人口總數(shù)一定的前提下，交通碳排放總量與使用公交出行的人數(shù)呈負相關關系，基于此關系，應推進公共交通的發(fā)展，從經(jīng)濟性、舒適性、便捷性三個角度做出相應的提高。要擴大快速公共交通運營系統(tǒng)(BRT)的建設范圍，并逐步取代普通的慢行公交。

5.2 城市交通碳交易市場方案構(gòu)想

(1)管控范圍與對象。該方案的交易面向?qū)ο螅菍τ诰用駛€人而制定的政策方法。其范圍包括了大部分居民的出行活動(上班，出游等)，研究探索將步行、自行車、電動車、小汽車、公共汽車和地鐵碳排放納入管控范圍。

(2)配額分配。針對目前初始配額難以確定，本文以所研究的app為基礎，在目前互聯(lián)網(wǎng)+ 大數(shù)據(jù)的背景下，在獲得用戶許可以及法律允許的前提下，通過app獲取并且后臺計算出用戶日均、月均、年均出行的碳排放量。以廣州市為例，通過采集個人數(shù)據(jù)，得出全市碳排放量的各項均值，在合理的波動范圍內(nèi)(通過調(diào)查得出)，制定分發(fā)給每個人初始基礎配額。

波動范圍的確定：通過去掉調(diào)查得到的碳排放數(shù)據(jù)，去掉最大和最小的10%以及以內(nèi)的數(shù)據(jù)，在剩余數(shù)據(jù)中，取均值作為初始基礎配額。

(3)核算方法。目前的app需要手動輸入以計算出相應交通出行方式的碳排放量，下一步研究的方向，在后臺根據(jù)不同的交通方式進行計算得出日均、月均、年均碳排放總量，依托軟件進行碳排放的計算。

(4)獎懲機制。目前碳交易市場已有的基本標準是以基本配額的5%作為最大額度限定，本文建議參考此標準。對于超過配額5%以內(nèi)的居民，無懲罰措施；對于超過配額5%的居民，進行(100元)/kg的綠化費治理收??；對于碳排放低于初始配額5%以下的，予以(50元)/kg的環(huán)保獎勵。

6 結(jié)語

本文主要從居民個人的交通行為出發(fā)進行研究，旨在促進城市交通向綠色低碳發(fā)展，為與需要的相關人群提供了一個計算碳排放量的途徑和方法。

(1)分析并定義低碳交通。通過查閱國內(nèi)外關于低碳研究的相關資料，筆者總結(jié)了國內(nèi)外低碳交通研究的背景和現(xiàn)狀，介紹了低碳的概念，進而解釋了城市低碳交通的含義。

(2)研究居民個體出行的碳排放量計算模型，總結(jié)了國內(nèi)外已有對碳排放計算的模型，分析了其優(yōu)缺點。根據(jù)實際狀況，對于使用不同的交通工具，總結(jié)出一套新的城市交通的碳排放量計算模型。

(3)計算機語言的研發(fā)及應用。通過上述已有模型，實現(xiàn)在Andriod上的應用，通過接收出行距離的數(shù)據(jù)源，進而實現(xiàn)不同種交通方式的碳排放量計算。

(4)提出了未來應對交通碳排放的意見與建議，并期望結(jié)合碳排放軟件提供的量化數(shù)據(jù)，制定一個碳排放市場的交易規(guī)則，進而促進低碳交通的建設。