基于VSP的ETC節(jié)能減排效益模型研究和效益測(cè)算

谷 巖, 李俐鋒, 張人千

(1.交通運(yùn)輸部路網(wǎng)監(jiān)測(cè)與應(yīng)急處置中心, 北京 100088; 2.北京航空航天大學(xué), 北京 100191)

0 引言

ETC(Electronic Toll Collection)不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)是目前世界上最先進(jìn)的路橋收費(fèi)方式. 不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)對(duì)于城市來(lái)說(shuō),不僅僅是1項(xiàng)先進(jìn)的收費(fèi)技術(shù),還是一種通過(guò)經(jīng)濟(jì)杠桿進(jìn)行交通流調(diào)節(jié)的切實(shí)有效地交通管理手段. 對(duì)于交通繁忙的大橋、隧道,不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)可避免月票制度和人工收費(fèi)的眾多弱點(diǎn),提高市政設(shè)施的資金回收能力. 同時(shí)也可大大降低收費(fèi)站的廢氣排放.

對(duì)于ETC收費(fèi)站所帶來(lái)的節(jié)能減排收益,目前為止國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了一定的研究. 翁劍成等[1]通過(guò)獲取收費(fèi)站區(qū)車(chē)輛行駛特性,基于整車(chē)排放測(cè)試系統(tǒng)獲取不同車(chē)型通過(guò)不同收費(fèi)車(chē)道的油耗和污染物(HC化合物、CO化合物、NOx化合物)排放監(jiān)測(cè)值,構(gòu)建了基于排隊(duì)長(zhǎng)度和車(chē)型聚類(lèi)的ETC環(huán)境效益評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算模型,但沒(méi)有考慮交通流量對(duì)車(chē)輛行駛工況的影響;肖鶴等[2]通過(guò)對(duì)ETC碳排放量影響因素的分析,建立ETC系統(tǒng)碳減排計(jì)算模型,與人工收費(fèi)車(chē)道碳排放量作對(duì)比,分析ETC在減少能耗量方面的優(yōu)越性,但其中的數(shù)據(jù)基本上都來(lái)自于文獻(xiàn)資料,多偏向于理論分析,缺乏真實(shí)微觀(guān)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證;Jie He等[3]使用三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模型與k ε湍流模型來(lái)計(jì)算ETC收費(fèi)站的污染物擴(kuò)散與車(chē)流量之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)收費(fèi)站周?chē)奈廴疚餄舛入S著交通量的增加而增加,采用電子收費(fèi)(ETC),污染物濃度會(huì)降低,但其不足之處在于未考慮不同車(chē)型在不同車(chē)流量狀態(tài)下污染物排放的差異性. 總的來(lái)說(shuō),雖然目前國(guó)內(nèi)外有一些研究初步測(cè)算了ETC收費(fèi)站的碳排放量,但是基于微觀(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、同時(shí)結(jié)合交通流量數(shù)據(jù)進(jìn)行收費(fèi)站實(shí)際交通流量數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)算的尚無(wú)前例. 本文嘗試結(jié)合我國(guó)高速公路ETC的運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀和發(fā)展規(guī)劃,在收集高速公路收費(fèi)站的實(shí)際油耗排放數(shù)據(jù)、車(chē)輛運(yùn)行特征數(shù)據(jù)及實(shí)際交通流量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)車(chē)型分類(lèi)和情景設(shè)計(jì),研究得出測(cè)算ETC不停車(chē)系統(tǒng)節(jié)能減排量測(cè)算模型,并開(kāi)展了不同類(lèi)型收費(fèi)站在不同情景下的節(jié)能減排效益測(cè)算. 本模型提供了典型收費(fèi)站的ETC節(jié)能減排效益測(cè)算方法及初步測(cè)算結(jié)果,為未來(lái)ETC收費(fèi)站設(shè)計(jì)提供支持、ETC發(fā)展相關(guān)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供理論和數(shù)據(jù)支持.

1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

為保證測(cè)算模型符合實(shí)際高速公路車(chē)輛運(yùn)行及流量分布特征,通過(guò)交通運(yùn)輸部應(yīng)急指揮與調(diào)度大廳的路網(wǎng)監(jiān)控視頻調(diào)取、交通部路網(wǎng)中心收費(fèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、多省收費(fèi)站問(wèn)卷調(diào)研等多種方式,獲取了以下9類(lèi)數(shù)據(jù),為項(xiàng)目研究提供了宏觀(guān)、中觀(guān)、微觀(guān)3層次的數(shù)據(jù)支撐.

1.1 路網(wǎng)中心聯(lián)網(wǎng)結(jié)算中心數(shù)據(jù)

路網(wǎng)中心聯(lián)網(wǎng)結(jié)算結(jié)算數(shù)據(jù)主要包括全國(guó)收費(fèi)站類(lèi)型及分類(lèi)車(chē)道數(shù)、全國(guó)收費(fèi)站類(lèi)型及分類(lèi)車(chē)道數(shù)、六省市典型收費(fèi)站分時(shí)段進(jìn)出站流量表、全國(guó)客貨車(chē)用戶(hù)量、2018分月各省交易數(shù)據(jù)等,該類(lèi)數(shù)據(jù)主要用途有3點(diǎn):

1)分析ETC聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀及發(fā)展情況,主要應(yīng)用靜態(tài)數(shù)據(jù)及流量數(shù)據(jù).

2)分析各省市ETC建設(shè)情況、用戶(hù)注冊(cè)及流量差異,主要用于建模前期的因素分析.

3)作為模型效益測(cè)算的輸入,用于典型收費(fèi)站和全國(guó)的ETC節(jié)能減排效益分析.

1.2 交通部應(yīng)急指揮與調(diào)度大廳視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)

項(xiàng)目組赴交通部應(yīng)急指揮與處置大廳,調(diào)取視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),觀(guān)測(cè)北京、上海、天津、遼寧、陜西、貴州、廣東共7個(gè)省份,根據(jù)視頻質(zhì)量各隨機(jī)選取1個(gè)主線(xiàn)收費(fèi)站和1個(gè)匝道收費(fèi)站. 觀(guān)測(cè)平日早高峰、平峰、晚高峰,以及節(jié)假日全天等時(shí)段,以每小時(shí)10 min觀(guān)測(cè)的頻度和時(shí)長(zhǎng)來(lái)統(tǒng)計(jì)車(chē)站的實(shí)時(shí)排隊(duì)次數(shù)及排隊(duì)長(zhǎng)度,作為模型中4種情景下排隊(duì)長(zhǎng)度的默認(rèn)輸入值.

1.3 分車(chē)型進(jìn)出站速度變化數(shù)據(jù)

基于北京市交通領(lǐng)域節(jié)能減排統(tǒng)計(jì)與監(jiān)測(cè)平臺(tái),可實(shí)時(shí)獲取客1～客4車(chē)型通過(guò)收費(fèi)站的逐秒速度、加速度、經(jīng)緯度、北斗時(shí)間等逐秒工況數(shù)據(jù). 通過(guò)在地圖上選取典型收費(fèi)站附近的經(jīng)緯度,將地圖上的LINK與車(chē)輛LINK ID進(jìn)行匹配,分別獲取了白鹿收費(fèi)站和京良收費(fèi)站2條收費(fèi)站的所有監(jiān)測(cè)車(chē)輛通過(guò)的速度變化數(shù)據(jù).

表2 4種情景下排隊(duì)長(zhǎng)度默認(rèn)輸入值 輛

當(dāng)模型中無(wú)法實(shí)時(shí)獲得車(chē)輛工況數(shù)據(jù)時(shí),可用此套數(shù)據(jù)作為不同收費(fèi)站類(lèi)型、不同情景、不同交通流量下,ETC和MTC的能耗排放測(cè)算輸入默認(rèn)參考值.

表3(a) 客1車(chē)輛通過(guò)主線(xiàn)站狀態(tài)平均速度表 km·h-1

1.4 車(chē)輛OBD油耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

基于北京市交通領(lǐng)域節(jié)能減排統(tǒng)計(jì)與監(jiān)測(cè)平臺(tái),在車(chē)輛的OBD接口處采集油耗、里程、速度、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)等數(shù)據(jù).

利用OBD接口采集的工況數(shù)據(jù)、減排狀態(tài)數(shù)據(jù)及能耗數(shù)據(jù)情況如下.

表4(a) 客1車(chē)輛通過(guò)主線(xiàn)站狀態(tài)平均速度表

表5 駕駛工況數(shù)據(jù)格式表

表6 工作狀態(tài)數(shù)據(jù)格式表

表7 能耗數(shù)據(jù)格式表

1.5 車(chē)輛尾氣檢測(cè)數(shù)據(jù)

車(chē)輛排放數(shù)據(jù),是利用實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行尾氣排放檢測(cè),收集機(jī)動(dòng)車(chē)實(shí)際的排放數(shù)據(jù). 這部分?jǐn)?shù)據(jù)是一切有關(guān)機(jī)動(dòng)車(chē)排放研究的基礎(chǔ),也是建立排放因子庫(kù)的基本依據(jù).

表8 車(chē)輛排放數(shù)據(jù)樣例

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 基于交通流量的收費(fèi)站情景分析-觀(guān)測(cè)、歸納出4種情景

基于交易數(shù)據(jù)和M/M/C排隊(duì)論模型,將2種站點(diǎn)類(lèi)型(主線(xiàn)站、匝道站)、4種交通流情景(情景1、情景2、情景3、情景4)、4種工況狀態(tài)(減速、加速、服務(wù)、排隊(duì))進(jìn)行交叉組合,得出32種細(xì)化情景. 通過(guò)測(cè)算每種細(xì)化情景下的ETC、MTC的平均速度、服務(wù)時(shí)間和排隊(duì)車(chē)輛數(shù),以此來(lái)測(cè)算ETC車(chē)輛和MTC車(chē)輛的總能耗排放量,并分析收費(fèi)站的節(jié)能減排效果.

圖1 工況情景交叉聚合圖

在模型構(gòu)建過(guò)程中,各收費(fèi)站減速、加速、服務(wù)這3種狀態(tài)下工況差異不大,可通過(guò)大數(shù)據(jù)擬合設(shè)定平均速度、服務(wù)時(shí)間等參數(shù)(表9中“√”部分). 但排隊(duì)工況的能耗排放量隨著排隊(duì)車(chē)輛數(shù)的不同而差異顯著,因此本模型認(rèn)為,單一車(chē)型在同一類(lèi)型的收費(fèi)站、同一情景下、排隊(duì)一次產(chǎn)生的油耗和排放量是固定的,在本級(jí)模型中,應(yīng)用高速公路的聯(lián)網(wǎng)結(jié)算數(shù)據(jù),應(yīng)用排隊(duì)論,獲取各收費(fèi)站分小時(shí)的排隊(duì)長(zhǎng)度,從而推算車(chē)輛在排隊(duì)狀態(tài)下的能耗排放情況(表9中“o”部分).

表9 各情景下?tīng)顟B(tài)統(tǒng)計(jì)表

2.2 面向多情景的收費(fèi)站ETC節(jié)能減排測(cè)算模型

2.2.1 計(jì)算過(guò)程設(shè)計(jì)

結(jié)算數(shù)據(jù)即高速公路收費(fèi)聯(lián)網(wǎng)結(jié)算數(shù)據(jù),主要包括收費(fèi)站類(lèi)型及分類(lèi)車(chē)道數(shù)、收費(fèi)站分時(shí)段進(jìn)出站流量表、客貨車(chē)用戶(hù)量、交易數(shù)據(jù)等,本模型中需要用到每個(gè)收費(fèi)站的ETC車(chē)道和MTC車(chē)道數(shù)、每小時(shí)交易數(shù)據(jù).

平臺(tái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括車(chē)牌、GPS時(shí)間、瞬時(shí)油耗、緯度、經(jīng)度、速度、鏈路編號(hào)及鏈路等級(jí)等,本模型應(yīng)用平臺(tái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲得32種典型情景的工況關(guān)鍵參數(shù),包括各種收費(fèi)站、各種情景、各種狀態(tài)下的平均速度、運(yùn)行時(shí)間等. 也可協(xié)助獲取因子庫(kù)(不在本專(zhuān)利模型范圍內(nèi))數(shù)據(jù).

圖2 收費(fèi)站模型架構(gòu)圖

視頻數(shù)據(jù)用于校核車(chē)站的實(shí)時(shí)排隊(duì)次數(shù)及排隊(duì)長(zhǎng)度.

測(cè)試數(shù)據(jù)可對(duì)排放因子庫(kù)(不在本專(zhuān)利模型范圍內(nèi))中的數(shù)據(jù)進(jìn)行校核.

2.2.2 計(jì)算公式

(1)

式中,ΔSG為收費(fèi)站節(jié)能減排效益;ΔSVj為某種類(lèi)型收費(fèi)站,在當(dāng)前交通流下,平均單車(chē)的節(jié)能減排效益;Qj為通過(guò)ETC收費(fèi)的交易量;γj為修正系數(shù),每種情景的占比情況說(shuō)明:

圖3 區(qū)域模型架構(gòu)圖

1)ΔSVj：

當(dāng)交易量較小,無(wú)排隊(duì)情況時(shí),ΔSVj=EMTC-EETC=(EM減速+EM加速+EM服務(wù))-(EE減速+EE加速+EE服務(wù)),公式中各參數(shù)均由大數(shù)據(jù)擬合給出給定值;

當(dāng)交易量較大,有排隊(duì)情況時(shí),排隊(duì)狀態(tài)的排放量均應(yīng)考慮實(shí)際車(chē)流量,EM排隊(duì)=車(chē)輛單次排隊(duì)油耗/排放量*排隊(duì)車(chē)輛數(shù)Lq;2)Lq：

以M/M/C(單隊(duì)、并列的多服務(wù)臺(tái)的排隊(duì)模型)排隊(duì)論模型為基礎(chǔ)計(jì)算ETC系統(tǒng)未實(shí)施條件下,MTC系統(tǒng)中的平均等待車(chē)輛數(shù)Lq為:

(2)

式中,P0為人工收費(fèi)車(chē)道沒(méi)有車(chē)輛的概率;λ為平均來(lái)車(chē)強(qiáng)度,(輛/h);μ為單條車(chē)道的平均服務(wù)率,單位時(shí)間內(nèi)服務(wù)車(chē)輛數(shù),(輛/h);c為收費(fèi)車(chē)道數(shù);Lq為平均排隊(duì)車(chē)輛數(shù),(輛).式中輸入為:P0、λ、μ、c;輸出為:Lq.

2.3 區(qū)域ETC節(jié)能減排測(cè)算模型

圖4 ETC比MTC節(jié)能減排率

在宏觀(guān)層,在計(jì)算資源充足的情況下,可采用中觀(guān)模型對(duì)收費(fèi)站逐個(gè)測(cè)算再匯總的形式. 但考慮到計(jì)算資源不足的問(wèn)題,現(xiàn)階段可建立區(qū)域ETC節(jié)能減排測(cè)算模型,即. 考慮通過(guò)區(qū)域的收費(fèi)站數(shù)量、類(lèi)型、平均流量、車(chē)輛結(jié)構(gòu),通過(guò)平均流量匹配交通流情景及排放強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)關(guān)系,進(jìn)而建立基于交通流情景的區(qū)域測(cè)算模型. 也可用于新建站點(diǎn)或既有站開(kāi)通ETC的效果預(yù)測(cè)和分析.

2.3.1 計(jì)算過(guò)程設(shè)計(jì)

針對(duì)區(qū)域ETC節(jié)能減排效果測(cè)算,以宏觀(guān)測(cè)算為主. 通過(guò)分析收費(fèi)站數(shù)量、通過(guò)的交通流量及車(chē)輛類(lèi)型構(gòu)成,可將收費(fèi)站的運(yùn)行工況歸類(lèi)為4種交通流情景之一. 在此基礎(chǔ)上,可匡算該情境下的收費(fèi)站的節(jié)能減排效果.

2.3.2 計(jì)算公式

(3)

式中,ΔSGi,處于i情景下的收費(fèi)站的節(jié)能減排量Ni,處于i情景下的收費(fèi)站的數(shù)量.

3 案例分析

3.1 不同情景節(jié)能減排效益分析

不同情景下,ETC車(chē)輛節(jié)能減排效果呈現(xiàn)明顯差異,情景4的效果最明顯,污染物減排為69%～74%,節(jié)油74%.

情景4下,交通流量較大,節(jié)能減排效果最為明顯,可根據(jù)其產(chǎn)生的原因,采取不同的管理策略:

1)如果為常發(fā)性(例如京承高速),應(yīng)綜合考慮交通流量和車(chē)道數(shù),考慮在該站增加ETC車(chē)道,提高通行效率,減少擁堵;2)如果為偶發(fā)性(例如只在高峰時(shí)段出現(xiàn)),可增開(kāi)混合車(chē)道,在擁堵出現(xiàn)時(shí),臨時(shí)改ETC車(chē)道為MTC.

3.2 不同收費(fèi)站類(lèi)型ETC節(jié)能減排效益分析

匝道站的節(jié)能減排率平均比主線(xiàn)站高出28%,主要原因在于匝道站曲率較大,車(chē)輛運(yùn)行速度較低,且排隊(duì)長(zhǎng)度高于主線(xiàn)站,因此可根據(jù)匝道站車(chē)流量適當(dāng)增設(shè)ETC車(chē)道.

圖5 主線(xiàn)站和匝道站碳排放情況對(duì)比

圖8 主線(xiàn)站和匝道站HC情況對(duì)比

圖9 主線(xiàn)站和匝道站油耗情況對(duì)比

3.3 全國(guó)ETC綜合效益分析

全國(guó)ETC綜合節(jié)能減排效益,應(yīng)是各省份節(jié)能減排效益之和. 而在實(shí)際測(cè)算中,難以獲取各省所有收費(fèi)站分小時(shí)的進(jìn)出口流量數(shù)據(jù),因此,鑒于數(shù)據(jù)的保密性、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間及處理能力的局限性等原因,應(yīng)用部分省份、典型車(chē)站、典型時(shí)段的1 h流量數(shù)據(jù),提取所獲取數(shù)據(jù)的情景比例,進(jìn)行擴(kuò)算. 情景比例說(shuō)明如下:

在測(cè)算區(qū)域級(jí)節(jié)能減排效益時(shí),判斷收費(fèi)站1 h內(nèi)所處的場(chǎng)景十分重要,本模型中需要基于1 h車(chē)流量進(jìn)行情景區(qū)分(具體區(qū)分方法詳見(jiàn)6.3節(jié)). 在本次測(cè)算中,根據(jù)對(duì)典型省份、典型收費(fèi)站的1 h流量數(shù)據(jù)的分析,情景1、2、3、4的出現(xiàn)概率設(shè)置為:主線(xiàn)收費(fèi)站情景1∶情景2∶情景3∶情景4=5∶3∶1∶1,匝道收費(fèi)站情景1∶情景2∶情景3∶情景4=4∶4∶1∶1.

經(jīng)擴(kuò)算,2017年度,全國(guó)含ETC車(chē)道的 8 258個(gè)收費(fèi)站ETC車(chē)道污染物減排量達(dá)51.4萬(wàn)t,按照螞蟻森林中單棵樹(shù)吸收二氧化碳17.9 kg測(cè)算,ETC減排量可用于種樹(shù)2 853萬(wàn)棵;2017年所有ETC通行車(chē)輛共節(jié)約汽油16.1萬(wàn)t,按照油價(jià)7元/L計(jì)算,相當(dāng)于節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本15.2億元.

圖10 全國(guó)節(jié)能減排量測(cè)算結(jié)果

4 結(jié)論與展望

4.1 研究結(jié)論

不同情景下,ETC車(chē)輛節(jié)能減排效果呈現(xiàn)明顯差異,情景4(流量超飽和,MTC排隊(duì)量堵住整個(gè)收費(fèi)廣場(chǎng))的效果最明顯,污染物減排在69%～74%之間,節(jié)油74%. 情景4下,交通流量較大,節(jié)能減排效果最為明顯,可根據(jù)其產(chǎn)生的原因,采取不同的管理策略. 如果為常發(fā)性(例如京承高速),應(yīng)增開(kāi)ETC車(chē)道,提高通行效率,減少擁堵;如果為偶發(fā)性(例如只在高峰時(shí)段出現(xiàn)),可增開(kāi)混合車(chē)道,在擁堵出現(xiàn)時(shí),臨時(shí)改ETC車(chē)道為MTC.

綜合考慮交通流量、服務(wù)時(shí)間、排隊(duì)時(shí)間,4種情境下,MTC通道車(chē)輛通過(guò)整個(gè)收費(fèi)站廣場(chǎng)的時(shí)間分別為68、158、232、324 s,平均196 s. 而ETC車(chē)輛在4種情境下通過(guò)收費(fèi)廣場(chǎng)的時(shí)間分別為50、63、68、53 s,平均59 s,比MTC可節(jié)約137 s.

匝道站的節(jié)能減排率平均比主線(xiàn)站高出28%,主要原因在于匝道站曲率較大,車(chē)輛運(yùn)行速度較低,且排隊(duì)長(zhǎng)度高于主線(xiàn)站,因此可根據(jù)匝道站車(chē)流量適當(dāng)增設(shè)ETC車(chē)道.

從全國(guó)來(lái)看,2017年度 ETC車(chē)道污染物減排量達(dá)51.4萬(wàn)t,可用于種樹(shù)2 853萬(wàn)棵;2017年所有ETC通行車(chē)輛共節(jié)約汽油16.1萬(wàn)t,相當(dāng)于節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本15.2億元.

4.2 未來(lái)展望

貨車(chē)在我國(guó)公路貨運(yùn)交通中占比約八成,承擔(dān)著服務(wù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的物流運(yùn)輸主力軍. 目前現(xiàn)有的ETC技術(shù)服務(wù)對(duì)象主要為客運(yùn)車(chē)輛和小汽車(chē),貨運(yùn)車(chē)輛依然采用傳統(tǒng)的MTC收費(fèi)方式,并沒(méi)有完全體現(xiàn)ETC收費(fèi)系統(tǒng)的便利. 雖然就保有量而言,貨車(chē)僅占全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的11%,但其主要污染物NOx、PM的排放量卻分別占到整個(gè)汽車(chē)排放污染物的68%和78%. 而且根據(jù)測(cè)算,1輛重型柴油貨車(chē)單車(chē)NOx和PM的排放相當(dāng)于80多輛小汽車(chē)排放,是機(jī)動(dòng)車(chē)污染排放的主體. 但是,貨車(chē)ETC技術(shù)應(yīng)用下由于收費(fèi)車(chē)道的布設(shè)標(biāo)準(zhǔn)以及貨車(chē)通行的速度都會(huì)與客車(chē)通道有所不同,運(yùn)行工況和排放因子庫(kù)的建立也更為復(fù)雜,因此,建議未來(lái)可進(jìn)一步開(kāi)展貨車(chē)ETC的應(yīng)用及其節(jié)能減排效益的評(píng)估和分析.