實際行駛污染物排放窗口法的排放數(shù)據(jù)使用特征＊

馬志磊 何超 李加強(qiáng) 劉學(xué)淵

（西南林業(yè)大學(xué)，云南省高校高原山區(qū)機(jī)動車環(huán)保與安全重點(diǎn)實驗室，昆明 650224）

主題詞：輕型車 實際行駛污染物排放 移動平均窗口法 數(shù)據(jù)使用特征

1 前言

輕型車國家第六階段污染物排放標(biāo)準(zhǔn)自2020年起全面實施，因試驗室測得的汽車污染物排放結(jié)果與實際道路行駛排放結(jié)果存在較大差異，該標(biāo)準(zhǔn)參考?xì)W盟的實際行駛污染物排放（Real Driving Emissions，RDE）法規(guī)，加入了實際道路行駛排放的測試要求，并規(guī)定使用移動平均窗口法進(jìn)行污染物排放因子的計算。

目前，RDE 窗口法已被用于進(jìn)行各類道路排放研究。同時，研究人員也針對RDE 窗口法在使用過程中存在的問題進(jìn)行了探討。鄭思凱等人對窗口法中剔除數(shù)據(jù)的要求進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)剔除冷起動、怠速、熄火數(shù)據(jù)對排放因子影響較大。葛蘊(yùn)珊等人對窗口法中正常性驗證所使用的、、參考點(diǎn)系數(shù)進(jìn)行了研究，提出將系數(shù)降低更符合中國實際路況。馬志成等人提出隨著擴(kuò)展公差帶擴(kuò)大，正常性驗證通過概率增大。禹文林等人討論了市區(qū)、市郊、高速行程的加權(quán)系數(shù)與實際各路段行駛里程占比存在較大偏差的問題。

窗口法以窗口為單元計算各行程、總行程的污染物排放因子，因此不易直觀地觀察到各排放數(shù)據(jù)點(diǎn)在窗口法中的使用情況，為研究其使用特征，本文引入數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率的概念，根據(jù)各數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)入窗口的次數(shù)計算其在各行程排放因子計算中的參與率，將使用參與率對各數(shù)據(jù)點(diǎn)加權(quán)計算得到的排放因子與窗口法得到的排放因子進(jìn)行對比，驗證各數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率能否反映出數(shù)據(jù)點(diǎn)在窗口法計算中的使用情況，并根據(jù)參與率分析各數(shù)據(jù)點(diǎn)在窗口法計算中的使用特征。

2 道路試驗與研究方法

2.1 道路試驗

使用4輛輕型渦輪增壓汽油車進(jìn)行道路排放試驗，試驗車輛的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗車輛主要參數(shù)

采用美國SEMTECH 公司生產(chǎn)的ECOSTAR 作為測試設(shè)備，采集道路試驗中產(chǎn)生的CO、CO、NO、顆粒物排放數(shù)據(jù)。使用GPS 采集汽車運(yùn)行時的位置與車速數(shù)據(jù)。通過安裝在車身外部的氣象站采集環(huán)境溫度、濕度等數(shù)據(jù)。采樣頻率均為1 Hz。

參考國家第六階段污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中“實際行駛污染物排放試驗”要求的方法進(jìn)行道路試驗，試驗路段數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 試驗路段數(shù)據(jù)

2.2 研究方法

按照RDE 窗口法的要求對排放數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算得到試驗車輛市區(qū)、市郊、高速、總行程的各污染物排放因子。

2.2.1 參與率計算

為研究各數(shù)據(jù)點(diǎn)在窗口法中的使用特征，統(tǒng)計市區(qū)、市郊、高速行程中各數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)入窗口的次數(shù)。參考徐澍敏等人提出的單工況分擔(dān)率（各工況排放量與總排放量的比值，表征某工況排放量對總排放量的貢獻(xiàn)大?。┑母拍?，引入各數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率的概念，定義為各數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)入窗口次數(shù)與行程范圍內(nèi)所有數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)入窗口次數(shù)總和的比值，代表某數(shù)據(jù)點(diǎn)在計算各行程排放因子時的貢獻(xiàn)大小，各數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率的計算公式為：

式中，w為在市區(qū)、市郊、高速行程中數(shù)據(jù)點(diǎn)的參與率；N為各行程中數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)入窗口的次數(shù)；urm分別代表市區(qū)、市郊、高速行程；為各行程的起始數(shù)據(jù)點(diǎn)；為各行程的末位數(shù)據(jù)點(diǎn)。

2.2.2 各行程排放因子計算

為驗證各數(shù)據(jù)參與率能否反映數(shù)據(jù)點(diǎn)在窗口法計算中的使用情況，使用參與率對各數(shù)據(jù)點(diǎn)加權(quán)，計算市區(qū)、市郊、高速行程的污染物排放因子、CO排放因子、顆粒物排放因子，并與窗口法計算得到的排放因子進(jìn)行對比。計算公式為：

式中，M為依據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率加權(quán)計算得到的市區(qū)、市郊、高速行程氣態(tài)污染物、CO、顆粒物排放因子；m為各行程中數(shù)據(jù)點(diǎn)的氣態(tài)污染物、CO、顆粒物排放速率；v為各行程中數(shù)據(jù)點(diǎn)的車速；gas、CO、PN 分別代表氣態(tài)污染物、CO、顆粒物排放。

2.2.3 總行程排放因子計算

依據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率加權(quán)計算得到各行程排放因子后，參考RDE窗口法計算總行程排放因子：

式中，M為依據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率加權(quán)計算得到的總行程氣態(tài)污染物、CO、顆粒物排放因子；分別為市區(qū)、市郊、高速行程的加權(quán)系數(shù)，參考窗口法，取=0.34=0.33=0.33，作為式（2）中計算得到的市區(qū)、市郊、高速行程排放因子的權(quán)重，計算總行程排放因子。

若通過數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率計算得到的排放因子與窗口法得到的排放因子一致性較高，則說明窗口法實際使用數(shù)據(jù)的情況與各數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率相似，可以使用數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率來分析窗口法在進(jìn)行排放因子計算時的排放數(shù)據(jù)使用特征。

3 基于參與率的排放因子計算

3.1 各數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)入窗口的次數(shù)統(tǒng)計

自第1 個數(shù)據(jù)點(diǎn)向后劃分窗口。市區(qū)行程窗口內(nèi)平均車速小于45 km/h；市郊行程窗口內(nèi)平均車速不小于45 km/h且小于80 km/h；高速行程窗口內(nèi)平均車速不小于80 km/h。統(tǒng)計市區(qū)、市郊、高速、總行程中數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)入窗口被使用的次數(shù)，如圖1 所示。圖中，、、點(diǎn)分別為市區(qū)、市郊、高速行程起始點(diǎn)，即各行程的第1個窗口的起始數(shù)據(jù)點(diǎn)，、、點(diǎn)分別為各行程最后一個窗口的末位數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖1 窗口法中各行程排放數(shù)據(jù)點(diǎn)的使用情況

市區(qū)行程中，起始數(shù)據(jù)點(diǎn)靠近的市區(qū)窗口在向后囊括數(shù)據(jù)點(diǎn)以滿足窗口的CO累計排放量（Ⅰ型試驗CO排放量的一半）要求時，使市區(qū)窗口使用的數(shù)據(jù)點(diǎn)向后延伸至后的處。計算市區(qū)行程各污染物排放因子時，使用至的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

同理，市郊窗口使用的數(shù)據(jù)點(diǎn)向后延伸至后的處。計算市郊行程各污染物排放因子時，使用至的數(shù)據(jù)點(diǎn)。計算高速行程各污染物排放因子時，使用至末位數(shù)據(jù)。

各數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)入窗口的次數(shù)分為3種情況：

a.各行程早期，即各行程第1 個窗口所包含的數(shù)據(jù)點(diǎn)范圍。劃分完第1個窗口后，數(shù)據(jù)點(diǎn)后移1位劃分第2個窗口，第1個數(shù)據(jù)點(diǎn)即被移出窗口外不再被使用，則第1 個數(shù)據(jù)點(diǎn)僅使用1 次。以此類推，在各行程第1個窗口所使用的數(shù)據(jù)點(diǎn)范圍內(nèi)，各數(shù)據(jù)點(diǎn)的使用次數(shù)依次增加。

b.各行程中期數(shù)據(jù)點(diǎn)，在成為某窗口的末位數(shù)據(jù)點(diǎn)時即開始進(jìn)入窗口被使用。隨著窗口起始點(diǎn)逐漸后移，該數(shù)據(jù)點(diǎn)在窗口中的位置逐漸前移。至該數(shù)據(jù)點(diǎn)成為窗口的起始數(shù)據(jù)點(diǎn)時，該數(shù)據(jù)點(diǎn)最后一次進(jìn)入窗口。中期數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)入窗口的次數(shù)為：第1次作為末位數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)入某窗口時，該窗口中包含的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量。

c.各行程末期，即各行程最后一個窗口所包含的數(shù)據(jù)點(diǎn)范圍。因下一窗口已是其他行程，或者窗口已使用到試驗的末位數(shù)據(jù)，窗口起始點(diǎn)不能再向后移。各行程最后一個窗口的起始數(shù)據(jù)點(diǎn)被使用的次數(shù)為：第1次作為末位數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)入某窗口時該窗口中包含的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量。由于窗口起始點(diǎn)不能再向后移，窗口的第2個數(shù)據(jù)點(diǎn)失去1次作為窗口起始點(diǎn)進(jìn)入窗口的機(jī)會，窗口第2個數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)入窗口次數(shù)為：作為末位數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)入某窗口時窗口中包含的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量減1。以此類推，末期數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)入窗口的次數(shù)為：作為末位數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)入某窗口時窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量減去該數(shù)據(jù)點(diǎn)與最后一個窗口起始數(shù)據(jù)點(diǎn)相差的位數(shù)。

可以看出，窗口法使用至、至、至這3段數(shù)據(jù)計算各行程的污染物排放因子時，早期前端、末期后端的部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)使用次數(shù)較少，中期數(shù)據(jù)點(diǎn)使用次數(shù)較為穩(wěn)定。同時，這3段數(shù)據(jù)進(jìn)入窗口的次數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢。主要原因是市區(qū)、市郊、高速路段試驗車速依次上升，CO排放速率有增加的趨勢，窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量減少后仍能滿足CO累計排放量的要求，使窗口末位數(shù)據(jù)點(diǎn)不需要太多次移動即可移動到起始數(shù)據(jù)點(diǎn)位置，然后在下一個窗口中被移出窗外，令數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)入窗口次數(shù)下降。

3.2 排放因子對比驗證

根據(jù)各數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)入窗口的次數(shù)，計算得到各數(shù)據(jù)點(diǎn)的參與率，并使用數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率對各數(shù)據(jù)點(diǎn)加權(quán)計算出市區(qū)、市郊、高速行程的排放因子，與窗口法計算得到的排放因子進(jìn)行對比，如圖2所示，圖中加入=作為參考線。由式（4）～式（7）可看出，2 種方法計算得到的CO、NO、顆粒物排放因子相關(guān)系數(shù)十分接近1，CO排放因子相關(guān)系數(shù)高于0.99，呈顯著線性相關(guān)關(guān)系。排放因子基本沿=線分布，可看出2 種方法計算得到的排放因子具有高度的一致性，說明數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率能夠反映窗口法計算時各數(shù)據(jù)的實際使用情況。

圖2 中2 種方法計算得到的CO、NO、顆粒物、CO排放因子關(guān)系的線性回歸方程與相關(guān)系數(shù)分別為：

圖2 窗口法、參與率加權(quán)方法得到的排放因子對比

數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率加權(quán)的方法實際上是在窗口法的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡化，僅保留各數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率這一主要特征。這也使部分排放因子偏離=線，產(chǎn)生偏差的主要原因有：

第一，窗口法計算排放因子時，各窗口中數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量并不一致。窗口中數(shù)據(jù)點(diǎn)少，則該窗口中各數(shù)據(jù)點(diǎn)在計算窗口排放因子時的權(quán)重較高，反之，則各數(shù)據(jù)點(diǎn)的權(quán)重相對減少。在使用數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率加權(quán)的方法計算排放因子時，僅考慮了數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)入窗口次數(shù)，未考慮數(shù)據(jù)點(diǎn)在每次進(jìn)入窗口時，其所在窗口中數(shù)據(jù)量的大小。但該誤差并不大，因為同一行程內(nèi)車速變化不大，CO排放速率沒有明顯的上升或下降趨勢，窗口中的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量變化不大，使同一行程內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)在各窗口中的權(quán)重基本相當(dāng)。

第二，窗口法計算排放因子時，若CO特性曲線上的窗口落在基本公差帶外，在計算各行程污染物排放因子時，則要將窗口內(nèi)的污染物排放因子乘以取值范圍為0～1的加權(quán)系數(shù)，相當(dāng)于該窗口中的每個數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率都下降了。但在使用數(shù)據(jù)點(diǎn)加權(quán)的方法計算排放因子時，未考慮部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)乘以加權(quán)系數(shù)的因素。但該誤差同樣不大，因為各數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)入窗口次數(shù)較多，僅出現(xiàn)1次或幾次數(shù)據(jù)點(diǎn)所在窗口落在基本公差帶外使加權(quán)系數(shù)下降的情況，對該數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率的影響較小。

窗口法計算排放因子時，計算的單元是劃分好的各窗口，不能直觀地觀察到各數(shù)據(jù)點(diǎn)在計算排放因子時的使用情況。雖然受以上2點(diǎn)因素影響，使各數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率與窗口法中各數(shù)據(jù)點(diǎn)實際使用情況有一定的誤差，但誤差較小，因此，可以使用各數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率分析窗口法在進(jìn)行排放因子計算時各排放數(shù)據(jù)點(diǎn)的使用特征。

4 各行程數(shù)據(jù)點(diǎn)的使用特征

各行程中的數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率如圖3所示。在圖中加入市區(qū)、市郊、高速路段的道路試驗區(qū)間劃分線，道路試驗各路段的車速定義與窗口法中各行程的車速定義不同，道路試驗時，市區(qū)路段車速在60 km/h以下，市郊路段車速在60～90 km/h范圍內(nèi)，高速路段車速大于90 km/h。

圖3 各行程中數(shù)據(jù)點(diǎn)的參與率

各行程數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率主要呈現(xiàn)出以下4種特征：

a.計算市區(qū)、市郊、高速行程排放因子時，各行程數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率有上升的趨勢，部分計算高速行程的數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率較高。主要原因是：法規(guī)中市區(qū)、市郊、高速路段行駛里程占比的基本要求分別為34%、33%、33%，基本相當(dāng)，高速路段車速較高，使高速路段的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量較少。因此，在計算高速行程排放因子時，數(shù)據(jù)點(diǎn)的參與率相對升高。

得到各行程排放因子后，窗口法參照各路段行駛里程占比，按照0.34、0.33、0.33 的權(quán)重對各行程加權(quán)得到總行程排放因子，由于各行程權(quán)重基本相當(dāng)，高速路段參與率較高的部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)對總行程排放因子的影響較大。

b.各行程的早期、末期部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)參與率較低。其中，市區(qū)行程早期的部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)、高速行程末期的部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)參與率較低，對總行程排放因子的影響最小。

雖然市區(qū)行程末期與市郊行程早期部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)、市郊行程末期與高速行程早期部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)也存在參與率較低的情況，但存在行程交叉使用數(shù)據(jù)點(diǎn)的情況，在總行程排放因子的計算中，這部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)的參與率會被相應(yīng)拉高。

c.窗口法計算市區(qū)、市郊、高速路段的排放因子時，均用到了相鄰試驗路段的排放數(shù)據(jù)。向后劃分窗口時，隨著市區(qū)窗口逐漸向后劃分，將逐步把市郊路段的數(shù)據(jù)點(diǎn)包含進(jìn)窗口中，由于市郊路段試驗車速高于60 km/h，因此在某個時刻，將把窗口內(nèi)平均車速拉高至45 km/h 以上，形成市郊窗口，使市區(qū)行程結(jié)束，市郊行程開始。該窗口即為出現(xiàn)的第1個市郊窗口，此窗口起始點(diǎn)仍然位于市區(qū)路段的數(shù)據(jù)點(diǎn)范圍內(nèi)，即點(diǎn)。而市區(qū)靠后的窗口已經(jīng)使用了市郊路段的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

同理，高速窗口起始點(diǎn)位于市郊路段的數(shù)據(jù)點(diǎn)范圍內(nèi)，即點(diǎn)。而市郊靠后的窗口已經(jīng)使用了高速路段的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

d.市區(qū)、市郊、高速行程中均存在參與率較高的區(qū)域，如圖3中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)域。其中Ⅱ、Ⅲ參與率較高的區(qū)域較為明顯，且出現(xiàn)的特征相同，均出現(xiàn)在行程第1個窗口的末端區(qū)域。各試驗車輛市郊、高速行程數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均參與率與Ⅱ、Ⅲ區(qū)域中的最高參與率對比如表3所示。

表3 平均參與率、最高參與率對比 %

第1個市郊窗口的起始點(diǎn)落在市區(qū)路段，因此第1 個市郊窗口中包含的市區(qū)路段數(shù)據(jù)點(diǎn)較其他的市郊窗口多，由于市區(qū)路段車速低，CO排放速率相對較低，因此，第1 個市郊窗口必須包含更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)以滿足CO累計排放量要求，使第1 個窗口末位數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)入窗口次數(shù)最多，形成了參與率較高的Ⅱ區(qū)域。隨著市郊窗口向后移動，窗口內(nèi)包含的市郊路段數(shù)據(jù)點(diǎn)逐漸增多，使窗口內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量減少，因此Ⅱ區(qū)域后方數(shù)據(jù)的使用次數(shù)降低。市郊行程第1 個窗口的末位數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率比市郊行程數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均參與率平均高出60.459%。

同理，第1個高速窗口包含較多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，使第1個窗口的末位數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)入窗口次數(shù)最多，形成了參與率較高的Ⅲ區(qū)域。這也使高速行程第1 個窗口的末位數(shù)據(jù)點(diǎn)對總行程污染物排放因子的影響最大。高速行程第1 個窗口的末位數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率比高速行程數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均參與率平均高出76.381%。

市區(qū)行程參與率較高區(qū)域的出現(xiàn)規(guī)律與Ⅱ、Ⅲ區(qū)域不同，需要依據(jù)市區(qū)道路的實際行駛情況來判斷。若市區(qū)道路早期數(shù)據(jù)點(diǎn)CO排放速率較低，則Ⅰ區(qū)域容易出現(xiàn)在市區(qū)行程的早、中期；若市區(qū)道路中期數(shù)據(jù)點(diǎn)CO排放速率較低，則Ⅰ區(qū)域容易出現(xiàn)在市區(qū)行程的中、后期。

5 結(jié)論

a.使用數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率對數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行加權(quán)計算得到的市區(qū)、市郊、高速、總行程的CO、NO、顆粒物、CO排放因子與窗口法計算得到的各排放因子具有高度的一致性，可使用數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率分析窗口法對數(shù)據(jù)點(diǎn)的使用特征。

b.高速路段參與率較高的數(shù)據(jù)點(diǎn)對總行程排放因子的影響較大；市區(qū)行程早期部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)、高速行程末期部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)參與率較低，對總行程排放因子的影響最小。

c.市郊、高速行程第1 個窗口的末位數(shù)據(jù)點(diǎn)參與率比市郊、高速行程數(shù)據(jù)點(diǎn)平均參與率高60.459%和76.381%，高參與率區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)對市郊、高速行程排放因子的影響最大。