城市機動車能耗排放核算平臺建設
——以深圳市為例

陳 蔚，段仲淵，宋家驊，丘建棟，陳 澍

(1.佛山市城市規劃設計研究院，廣東佛山5280；2.深圳市城市交通規劃設計研究中心，廣東深圳5180)

0 引言

機動車是能源消耗大戶，也是溫室氣體、污染物的主要排放源。隨著城市機動化快速發展，加強移動源排放管理、改善環境質量，成為城市推行交通環境治理和需求管理政策的重要出發點。為提高決策科學性，國家和地方均提出建立溫室氣體排放的統計、核算和考核體系[1-2]，量化核算機動車能耗、排放是交通領域的一項基礎工作。

中國尚未建立成熟統一的機動車排放因子庫，地方普遍缺乏本地技術能力，存在方法口徑不一致、數據條塊化分散等問題。在此背景下，深圳市以整合利用多元數據為突破口，構建了本地化的機動車能耗與排放(Vehicular Fuel Consumption and Emission,VFCE)模型與核算平臺，為政府的交通和環境管理提供決策支持[3]。相比利用便攜式排放檢測系統(Portable Emission Measurement System,PEMS)等車載設備實測，能夠兼顧準確性和經濟性，具有成本低、時間省、易推廣的優勢[4]。

1 核算方法

20世紀80年代以來，歐美國家逐步建立起機動車排放因子庫和多層次核算模型，如MOBILE，MOVES(Motor Vehicle Emission Simulator)，COPERT(Computer Programme to Calculate Emissions from Road Transport)，HBEFA(Handbook Emission Factors for Road Transport)等[3,5](見表1)。近年來，中國通過引入歐美模型，開始應用基于平均速度的宏觀模型[6]，中觀和微觀模型仍處于研究階段。由于中國汽車工業標準、排放標準等基本采用歐洲體系，有條件采用歐洲道路交通排放因子手冊HBEFA[7]的理論方法，結合交通狀況、車隊構成、排放因子等本地化參數，研究適用于深圳的機動車能耗排放模型。

1.1 核算范圍

1）時空范圍。時間上分為高頻(如15min、1 h)、中頻(如每天、每月)或低頻(如每年)。空間上按照屬地原則，以行政區域為系統邊界，由細至粗分為節點或路段、交通小區、行政區、全市等(見圖1)。

2）車輛類型。包括客車(私人小汽車、公共汽車、出租汽車、長途汽車等)和貨車(大、中、小型貨車等)，并根據能源類型、排量、排放標準等進行細分(見圖2)。

3）核算過程。按照生命周期評價理論[8]，機動車能耗、排放的完整過程是油井—車輪(Well-to-Wheel,WTW)，包括油井—油箱(Well-to-Tank,WTT)和油箱—車輪(Tank-to-Wheel,TTW)兩個子過程。由于燃油產地復雜、生產運輸環節難以監測，因此以TTW作為核算過程。

4）核算物質。核算TTW過程中機動車的能耗與排放。其中，能耗包括汽油、柴油、天然氣等，“零排放”的電能不計入其內。排放包括CO2，CH4，N2O，O3等影響氣候變化的溫室氣體，以及NOx，PM，HC，CO等危害健康的污染氣體。

表1 典型交通能耗排放模型Tab.1 Typical transportation energy consumption and emission models

圖1 平臺核算范圍的空間層次Fig.1 Spatial scopes of the inventory platform

圖2 機動車類型劃分Fig.2 Types of motor vehicles

1.2 精細化模型

為實現街區尺度的精細核算，采用自下而上的建模方法，以路段為基本單元，利用交通活動、排放因子等參數，計算路段上各類車型的能耗與排放，進而推算片區、全市指標。

特定時段和路段上機動車排放量

式中：Eij為路段i第 j類車型的排放量/g；VKTi為路段 i的自然車公里/(輛·km)； αij為第 j類車型占路段i所有自然車的比例；EF(λj,ρi)為第 j類車在路段i當前服務水平(LOS)下的排放因子/(g·輛-1·km-1)； λj為車輛影響因素，包括車型、燃油類型、車齡、發動機排量、排放標準等；ρi為道路影響因素，包括交通運行狀況、道路坡度等。

路段i上所有自然車的排放量

表2 路段服務水平劃分Tab.2 Road level of service

路網中所有車型的交通排放

1.3 本地化參數

1.3.1 本地化交通活動

1）交通需求：路段周轉量。結合交通調查、流量反推，按照四階段法建立涵蓋小汽車、公共汽車、貨車等多方式的交通需求模型[9]，獲取路段上分車型的交通周轉量。通過浮動車(手機)GPS、車牌識別、固定線圈、公交IC卡等動態數據，以及車公里調查，標定校核流密速函數、分布與方式劃分等參數，并利用OD反推更新交通模型。

2）車隊構成：平均車型比例。通過匹配車牌識別與機動車年檢數據，計算平均車型比例。其中，車牌識別系統覆蓋全市主要干路25個點位，可獲取時間、監測點ID、車牌號(加密)、車道號等信息。年檢數據包括車牌號(加密)、檢測日期、注冊年份、排量、車型等。通過關聯分析，獲得對應路段上機動車構成，并計算各行政區平均車隊構成。

圖3 深圳市主干路典型工況Fig.3 Typical driving conditions of major roads in Shenzhen

圖4 利用PHEM模型獲取本地化能耗/排放因子Fig.4 Determining localized fuel consumption and emission factors using PHEM

3）交通運行：路段服務水平。依托深圳市道路交通運行指數系統，基于全市1.8萬臺出租汽車和導航APP的逐秒GPS數據，計算全市各路段平均行程車速。按照文獻[10]的方法，計算期望車速與平均行程車速比值，換算路段交通指數，確定對應的服務水平(見表2)。

4）典型工況：時間-速度曲線。行駛工況(driving-cycle)是機動車行駛中的時間-速度曲線。典型工況是針對不同等級、不同服務水平的道路，代表機動車平均行駛狀態的時間-速度曲線。獲取步驟如下[3,1]：

第一步：數據采集與預處理。通過車載設備采集約6 0 h逐秒GPS數據，覆蓋全市各等級道路和不同服務水平。將GPS數據進行清洗，并與基礎地圖和服務水平進行匹配。

第二步：工況單元劃分與特征值計算。利用交叉分類法，根據道路等級和服務水平，將一次行駛過程的時間-速度曲線劃分為若干個不同單元。計算各工況單元的平均行程車速v、停車時間比例、相對正加速度RPA等特征值，并進行Z標準化。

第三步：確定典型工況。利用最小二乘法篩選4種道路等級(高(快)速路、主干路、次干路、支路)、5種服務水平共20個典型工況曲線。例如，深圳市主干路典型工況見圖3。

1.3.2 本地化能耗//排放因子

客車和重型車排放模型(Passenger Car and Heavy-Duty Emission Model,PHEM)是歐洲以行駛工況、道路坡度、換擋模式等大量實測數據為基礎，建立發動機排放瞬態地圖，模擬發動機轉速、功率和排放關系的微觀模型[12]。由于中、歐汽車標準基本一致，利用PHEM模型，可將深圳本地的典型工況、車輛性能數據等參數，轉換為發動機轉速和功率等指標，并通過發動機排放瞬態地圖獲得對應的能耗和排放，得到以g·km-1為單位的因子(見圖4)。

圖5 典型乘用車型的CO2排放因子Fig.5 CO2emission factors of typical passenger vehicles

按照車型、核算物、道路等級、服務水平等因素交叉分類，深圳市共確定4 50項能耗與排放因子。以小汽車為例，包括＜1.4 L，1.4～2.0 L，＞2.0 L等3種發動機排量，國I、國II、國III、國IV、國V等5種排放標準，高(快)速路、主干路、次干路、支路等4種道路等級，表2中的5種路段服務水平，以及燃油量，CO2，CO，HC，NOX等9種核算物，共確定2 70項排放因子。典型車型CO2排放因子見圖5。實驗表明，模型核算與PEMS實測結果偏差約5%，能夠滿足城市層面的整體核算、政策評估的精度要求。

核算模型原理與數據流程見圖6。

2 平臺建設

在模型應用上，既有工作以開發離線軟件工具為主。例如，HBEFA基于微軟Access二次開發專門軟件[12]，但數據管理分散、操作過程復雜，難以滿足動態評估、快速響應的要求。深圳在全市綜合交通決策評估系統[9]的框架下，建設動態核算機動車能耗與排放的專業化、自動化平臺。

2.1 需求分析

平臺以評估交通環境影響、支持政府決策為建設目標，由交通部門牽頭，兼顧多部門職責訴求。其中，交通部門承擔交通建設管理工作，量化評估交通設施建設和機動車管理政策對環境的影響；發改部門統籌節能減排工作，建立源頭清單、預測減排潛力；環境部門負責機動車排放污染防治工作，動態掌握排放源時空分布及對大氣環境的影響。

2.2 工作模式

文獻[4]指出，缺少跨部門協作和數據共享，是同類研究的最大障礙。為保證可靠性、權威性，平臺在立項之初就確立了跨部門協作的工作模式，實現基礎數據的共享共用(見表3)。

1）平臺納入全市ITS框架，作為城市綜合交通決策評估系統的子模塊，與其他模塊共享數據和結果；2）確立交通部門牽頭，環境、交警、發改等部門聯合建設、共同使用的工作模式，跨部門整合技術資源、共享基礎數據、會商發布結果、協同制定政策；3）采取開放式架構，預留接入軌道交通、對外交通等其他數據的接口。

圖6 核算模型原理與數據流程Fig.6 Theory and data flow of the inventory model

2.3 平臺架構

平臺總體功能架構包括三層(見圖7)：

1）數據層。構建統一共用或相互映射的GIS基礎地圖，建立標準化數據庫及接口，實現跨部門、多元數據的自動接入與集中管理，以及數據清洗、融合等預處理。

2）模型層。接入數據層參數，基于核算模型開發數據處理與計算模塊。利用分區表、空間索引、并行運算等快速計算技術，平臺依托動態數據可進行最小15 min間隔的在線計算，也可實現每月或每年的定期離線核算。

圖7 平臺總體功能架構Fig.7 Overall functional architecture of the platform

圖8 平臺專題網站部分界面Fig.8 Website interface of the platform

3）應用層。開發規劃決策支持與公眾信息服務的應用模塊，實現可視化展示，以及統計查詢、預警提示、關聯分析等應用功能。建立平臺專題網站(見圖8)，顯示燃油量、溫室氣體、污染物等3類總體指標，以及熱力圖、網格圖、片區圖、路網圖等4種專題圖。

在硬件上，平臺由外場采集設備、數據處理服務器、通信網絡等組成。國家超級計算深圳中心(深圳云計算中心)統一提供計算資源。

3 平臺應用

平臺自2014年試運行，在深圳市構建綠色交通體系、實施交通需求管理、引導市民綠色出行等方面起到重要的決策支持作用。①建立城市交通排放權威清單，經計算，市域機動車每天消耗燃油約7 0 t，排放CO2約2.3萬t，為制定交通節能減排目標提供量化依據。②衡量重大交通基建的環境影響，以新彩隧道建成通車前后為例，梅林關晚高峰車速環比提高7%，機動車碳排放總量下降12%。③評估交通管理政策實施的環境效益，以全市停車收費調整方案為例，預測收費提高后深圳市機動車碳排放減少近20%[13](見圖9)。④改進規劃技術方法，增加環境承載力的約束目標，為交通設施和土地利用規劃提供參考。

圖9 停車收費調整前后機動車CO2排放測試Fig.9 CO2emissions before&after parking rate adjustments

此外，面向企業，平臺能夠為環境敏感的商業選址以及企業參與交通排放權交易、推進用車節能減排等提供參考。面向市民，平臺通過電視、手機APP等多種渠道發布交通能耗與排放信息(如個人碳足跡)，引導市民關注交通環境、使用健康綠色的出行方式。

4 結語

深圳市機動車能耗排放核算平臺的建設充分體現了多元數據環境下資源整合與技術創新的重要性。其中，交通、環境跨學科的知識整合，保證了技術方法的科學性；多部門開放共享的協作模式是工作推進的首要保障；良好的交通模型與信息化基礎，多元數據的融合處理，提高了信息資源的綜合利用效率；扎實推進本地能力建設，為平臺持續運作提供保障。

下階段的工作展望至少包括以下方面：①進一步優化核算模型與因子庫，如細化考慮氣候條件、道路狀況(如坡度、平整度)等復雜因素，加入軌道交通以及海陸空鐵等綜合運輸方式，研究排放物傳播與擴散模型等；②其他城市可根據數據和技術條件，因地制宜地建設本地化的核算模型與應用平臺，逐步構建起全國范圍的因子庫與排放清單；③加強環境評估與運行監測、土地開發、安全管理、經濟分析等其他信息系統的深度整合，形成涵蓋更多維度的城市交通綜合評估體系。