基于IPA尾氣成本的人行天橋綜合效益評估研究*

周展鴻　蔡　銘

(中山大學工學院廣東省智能交通系統重點實驗室　廣州　510006)

基于IPA尾氣成本的人行天橋綜合效益評估研究*

周展鴻蔡銘

(中山大學工學院廣東省智能交通系統重點實驗室廣州510006)

摘要：結合微觀交通仿真、微觀尾氣排放模型和行人過街數學模型，計算了人行天橋對所在路段機動車的行程時間、油耗和各類尾氣污染物排放量，以及行人過街時間的影響.同時，建立了一個基于IPA尾氣污染物經濟成本的綜合經濟效益評估模型，將以上三方面的影響轉化為貨幣形式，從而綜合評估人行天橋的價值.對廣州市海珠區一處人行天橋進行案例研究.研究表明，該評估方法能全面、有效地評估該人行天橋的價值.

關鍵詞：人行天橋；尾氣成本；微觀交通仿真；微觀尾氣排放模型；綜合經濟效益評估

周展鴻(1991- ):男，碩士生，主要研究領域為交通設施及交通政策綜合評價

0引言

目前，國內外有大量的研究分別針對交通基礎設施造成的各方面影響進行分析[1-6].近年來，微觀交通仿真能良好地模擬實際路網中的交通流運行狀況和車輛油耗、尾氣排放情況.越來越多的學者用此方法來計算交通設施對交通流、機動車油耗和尾氣排放的影響，并將其作為評價交通設施的依據[7-8].

同時，由于交通基礎設施建設成本高，決策者常使用成本-效益分析來評估設施建設的經濟性與必要性[9].傳統的成本-效益分析主要針對顯性成本(如建設費等)進行分析，而忽略了受到設施影響后，交通流、機動車油耗和尾氣等因素變化而產生的隱性收益與成本.因此，綜合考慮交通基礎設施在交通出行、油耗和尾氣產生的經濟效益，能更加全面地評估交通設施的優劣.

美國運輸部建議在對交通運輸計劃作經濟評估時使用全國平均工資作為行程時間的衡量標準[10]；Yoshioka等[11]在分析日本伐木余料收集運輸系統的成本和油耗時，使用國內油價作為衡量油耗經濟成本的標準.李璐等[12]曾使用我國的排污費征收標準來衡量路網中各種尾氣污染物的經濟費用以評價人行天橋的節能減排效果.但是該標準的科學依據并非十分清晰，以此作為污染物的轉化標準可能不盡合理.而由影響路徑分析法(impactpathwayapproach,IPA)得到的尾氣成本則由歐盟委員會資助研究，能在貨幣上合理地反映機動車尾氣污染物對人體、農作物及建筑物材料等的影響[13].該標準更具系統性與科學性，并在歐洲被廣泛應用于交通尾氣污染經濟成本的評估[14-15].

本文基于IPA尾氣成本，綜合人行天橋產生的各類影響，評價人行天橋的價值.最后，應用本文所建立的評估方法對文獻[12]的人行天橋進行案例分析，并與文獻中結果進行對比.

1人行天橋綜合經濟效益評估方法

本文建立的人行天橋綜合效益評估方法包括以下3部分：機動車尾氣排放與油耗動態模擬，行人過街數學模型;基于IPA尾氣成本的綜合經濟效益評估模型.在此，假設人行天橋建設前，行人過街位置為一個信號控制人行橫道.

1.1機動車尾氣排放與油耗動態模擬

本文選用QuadstoneParamics作為微觀仿真平臺，選用綜合排放模型CMEM作為微觀排放模型.該模塊主要通過耦合上述兩者實現.通過把CMEM模型編寫成Paramics插件，并在交通仿真的過程中調用，便可實現Paramics與CMEM模型在軟件上的連接.

特別地，Paramics仿真平臺中的車型主要根據實際交通流中車輛類型(如小型車、中型車、大型車等)進行設置，而CMEM則在此基礎上依據車輛排放標準、催化器使用等排放相關屬性將車型進一步分類.可見，兩者的車型分類根據CMEM的車型分類標準，將Paramics中的車型進行細分，并重新設置Paramics車型目錄，使每種Paramics車型都能與某一種CMEM車型相對應，從而實現在仿真中逐秒計算路網中每輛機動車的排放和油耗.

使用Paramics構建人行天橋建設前后的兩個路網模型，加載上述模塊，并在仿真結束后利用Paramics的Analyser獲取仿真過程中的總行程時間，便可輸出天橋建設前后所在路段的各尾氣污染物的排放量、油耗量及總行程時間.

1.2行人過街數學模型

對于建橋前，行人需經過信號控制人行橫道過街.本文利用行人在順暢時穿過人行橫道的平均時間和在信號控制下過街的平均延誤，求出行人在信號控制下過街的平均時間，再結合在時間T內過街的總人數，則可計算出天橋建設前總行人過街時間，其數學表達如下.

(1)

對于建橋后，本文假設行人能順暢地通過人行天橋過街.則在該情況下，仿真時間T內，總行人過街時間可表達為：

(2)

式中:t2為行人通過人行天橋的平均時間,s.

由式(1)和(2)，便可獲取天橋建設前后行人過街的總時間.

1.3基于IPA尾氣成本的綜合經濟效益評估模型

IPA尾氣成本是由影響路徑分析法計算得到.該方法針對每種尾氣污染物建立了一系列的損傷函數，計算出尾氣濃度增加后當地死亡人數、呼吸道疾病數目及農作物產量等因素的變化量，隨后結合上述因素的成本，從而計算出每種尾氣污染物的成本因子.

本綜合效益評估模型運用該評價標準，將人行天橋對機動車排放的影響轉化為經濟效益.同時，使用國內汽油平均價格和天橋所在地的人均收入作為油耗和行程時間的衡量標準，計算人行天橋的燃油、行車和行人經濟效益.

1.3.1排放經濟效益

在機動車尾氣中，NOx,HC和PM2.5具有較大毒性，常被包含在交通尾氣排放成本的評估中.因此，本文選取建橋前后NOx,HC和PM2.5排放成本的變化量作為人行天橋的排放經濟效益.

歐洲IMPACT計劃根據影響路徑分析法計算出歐洲地區各種尾氣的成本(成本以2000年歐元為單位)[16].而ExternE計劃指出，可利用成本應用地區與研究地區的人均購買力平價之比對各種尾氣成本進行轉化，供其他地區使用.因此，本文使用2000年中國與歐盟的人均購買力對歐洲地區IPA尾氣成本因子進行本地化，得我國城市地區機動車尾氣成本因子，見表1.

表1　我國城市地區機動車尾氣成本因子

根據表1數據，人行天橋的排放經濟效益的數學表達如下.

(3)

式中:Pi為第i種尾氣污染物的成本因子,元/kg；Mpre,i和Mpost,i分別為建橋前后仿真數據記錄時間內第i種污染物的總排放量,kg.

1.3.2燃油經濟效益

人行天橋的燃油經濟效益可表示為建橋前后油耗變化量的經濟效益，如下式所示

(4)

式中:F為國內汽油平均油價,元/L；MFpre,MFpost分別為天橋建設前和建設后仿真數據記錄時間內機動車產生的總油耗,kg；ρ為汽油平均密度，取0.73kg/L.

1.3.3行車經濟效益

先根據各車型的比例、載客量,以及總車輛行程時間，求出所有乘客的總行程時間.則人行天橋的行車經濟效益為建橋前后乘客總行程時間成本的變化量，見式(5).

(5)

式中:S為人行天橋所在地的人均收入,元/h;VTpre,VTpost分別為人行天橋建設前和建設后仿真數據記錄時間內機動車的總行程時間,h;aj為第j類車所占的比例,%;Cj為第j類車的載客量,人.

1.3.4行人經濟效益

人行天橋的行人經濟效益由建橋前后總行人過街時間變化量的經濟效益計算求出.

(6)

式中:tpre和tpost分別為人行天橋建設前后總行人過街時間,h.

1.3.5綜合經濟效益

計算出人行天橋的4種經濟效益后，將4者相加，可得人行天橋綜合經濟效益，具體表達式見式(7).此綜合經濟效益值綜合了人行天橋產生的四類影響，并作為衡量人行天橋價值的性能指標.

(7))

2應用實例

由于本研究充分掌握文獻[12]實例——廣州市海珠區的一處信號控制人行橫道改建人行天橋的道路線型、交通流和當地人均產值等數據，因此本文仍選擇該實例應用所提出的基于IPA尾氣成本的人行天橋綜合效益評估方法，分析人行天橋對該路段的交通流和行人的影響，并與文獻中的結果進行對比.

2.1數據收集及模型搭建

1) 交通流數據西向東為1 630veh/h，東向西為1 390veh/h.其中，小型車、中型車、大型車和公交車的比例分別為73%,16%,2%和9%；假設上述車型的載客量分別為1人,1人,1人和20人.

2) 信號控制數據被改建的信號控制人行橫道有4個相位，周期時長為240s；其中，車輛通行相位1為24s，行人通行相位1為40s，車輛通行相位2為124s，行人通行相位2為40s；所有黃燈時間為3s，全紅時間為0s.

3) 行人過街數據行人在順暢時穿過人行橫道的平均時間為18.71s，通過人行天橋的平均時間為55.32s，行人的到達率為0.283 人/s.

本文根據人行天橋周邊路段的道路幾何結構特征及上述交通流與信號控制數據，在Paramics微觀仿真軟件中建立天橋建設前和建設后兩個路網模型.設仿真時間為10h，數據記錄時間為其中間的9.5h.

隨后，利用廣州市2 233輛機動車技術水平調查數據，將Paramics的車型按CMEM的車型分類方式進一步細分，建立Paramics與CMEM的車型映射關系，見表2，并根據此表重新設定Paramics車型目錄，實現Paramics與CMEM的耦合.

表2　Paramics與CMEM車型映射關系表

2.2評價結果

運用機動車油耗與尾氣排放動態模擬，對天橋建設前后2個路網模型進行交通仿真，獲取數據記錄時間內路網中各類尾氣污染物的總排放量、機動車的總油耗以及總行程時間.同時，應用行人過街數學模型，獲取天橋建設前后總行人過街時間.將建橋前后的各項數據作差(前減后)，可得排放、油耗、車輛行程時間與行人過街時間的變化量，見表3.

表3　人行天橋綜合評價基礎數據匯總

根據表3數據，利用綜合經濟效益評估模型，計算人行天橋的綜合效益.在此，取7.53元/L，作為國內平均油價(2012年8月數據)；取27.63元/h(由2011年廣州市年人均收入換算求得)，作為人行天橋所在地人均收入.則可得人行天橋的經濟效益數據，見表4.

表4　人行天橋經濟效益　元

2.3數據分析與討論

由表4可見，人行天橋建成后，其所在路段中機動車的排放、油耗、行車時間，以及行人過街時間有所減少.其原因主要是由于行人過街處取消了信號控制人行橫道，機動車能較為順暢地在該路段行駛，減少了駕駛員受信號控制影響下的加減速操作，從而減少了機動車的排放、油耗和車輛延誤.另外，由于原信號控制方案不太合理，使行人過街的等待時間過長.所以，在人行天橋建成后，盡管增加了行人過街的路程，但由于減少了等待通行信號的時間，使行人過街的時間總體上得到減少.

其次，實例中燃油經濟效益與行車經濟效益占了綜合效益絕大部分的比重，分別為45%和46%，說明人行天橋的綜合經濟效益主要由天橋減少的油耗和出行時間產生.這是由于近年來國內油價日益增長，使減少機動車燃油消耗能節約了相當大的經濟成本.另一方面，本人行天橋所處的地區為廣州市，其人均收入相對較高.這也使減少乘客行程時間相當于節約了較大的經濟成本.這兩項節約下的成本便給人行天橋帶來較高的綜合效益，使其價值增加.此結果表明，交通基礎設施的綜合價值主要受國內油價和設施所在地的經濟水平所影響.

表4列出了文獻[12]的案例分析結果.對比后可發現，文獻[12]的數據均小于本文的評價結果.經分析，造成上述差異的原因包括以下4方面.

1)Paramics與CMEM的車型映射關系會顯著影響交通仿真后輸出的機動車排放量和油耗量.本文采用廣州市實際的機動車技術水平調查數據建立Paramics與CMEM的車型映射關系，而文獻[12]僅使用Paramics默認的車型目錄.這使本文的交通仿真更接近該交叉口的實際情況，使輸出的各尾氣污染物排放量和油耗量比文獻[12]的結果更為準確.

2) 本文在評估人行天橋對機動車尾氣污染的影響時，選擇了NOx，HC和PM2.53種尾氣污染物.其中，PM2.5的成本因子較大.而文獻[12]中并未選擇這種更具危害性的污染物，從而使排放效益的結果偏小.

3) 本文選擇了IPA尾氣成本作為轉化人行天橋對機動車排放影響的標準，而文獻[12]選用了我國的排污費征收標準對其進行轉化.前者更具系統性和科學性，并已得到廣泛運用，這使本文的評價結果更為科學.

4) 本文建立的綜合效益評估方法在考慮人行天橋排放和燃油效益的同時，還比文獻[12]多考慮了天橋的行車效益和行人過街的效益，能更全面地對人行天橋的價值進行評估.

綜上分析，本文的綜合效益評估方法比文獻12更貼近實際，評估因素更為全面，因此具有更大的參考價值.

3結束語

本文建立了一個基于IPA尾氣成本的人行天橋綜合效益評估方法，綜合評價人行天橋的價值，以更合理地方式將人行天橋對機動車油耗、排放、行程時間以及行人過街時間的影響貨幣化，求出人行天橋的綜合經濟效益.

案例研究表明，該人行天橋能有效減少所在路段機動車的油耗、排放、行程時間以及行人過街時間，從而相應地產生可觀的經濟效益，其綜合經濟效益值為16 834.67元/d.與文獻[12]的評價結果對比后可發現，本文建立的綜合效益評估方法由于更貼近實際情況，評估因素更多，因此能更全面和有效地評估人行天橋的價值.

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中圖法分類號：X511；F540.4

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.023

收稿日期：2014-10-20

ComprehensiveBenefitEvaluationofPedestrianBridge
BasedonAirPollutantCostFactorsofIPA

ZHOUZhanhongCAIMing

(School of Engineering,Sun Yat-sen University, Guangdong Provincial

Key Laboratory of Intelligent Transportation System,Guangzhou 510006, China)

Abstract：In order to develop a more effective comprehensive evaluation method of transport infrastructure, the pedestrian bridge is chosen for study, and a comprehensive benefit evaluation method of pedestrian bridge is proposed. This method is based on air pollutant cost factors of IPA. By combining microscopic traffic simulation, microscopic emission model and pedestrians crossing time model, the vehicle travel time, fuel consumption, vehicle emission and pedestrians crossing time are calculated. Meanwhile, a comprehensive benefit evaluation model based on air pollutant cost factors of IPA is established to evaluate the value of pedestrian bridge comprehensively. At last, a pedestrian bridge in Haizhu District, Guangzhou is chosen for case study. The result shows this evaluation method can evaluate the value of the pedestrian bridge comprehensively and effectively.

Key words：pedestrian bridge; air pollutant cost factors of IPA; microscopic traffic simulation; microscopic emission model; comprehensive benefit evaluation

*國家自然科學基金項目資助(批準號：51178476)