高速公路拥堵碳排放计算模型研究
王景荣;肖鹤;解建光
【摘 要】对于高速公路运营阶段,在出行高峰时段由于通行量较大或事故、恶劣天气等意外原因,容易发生交通拥堵,造成不必要的燃油消耗,导致碳排放量增加.文章在理论分析的基础上,对交通拥堵的碳排放效益进行研究,建立了交通拥堵碳排放计算模型,并通过现场调研和分析计算等方法对模型参数进行了确定,为高速公路拥堵时的碳排放计算提供了理论依据.
【期刊名称】《现代交通技术》
【年(卷),期】汽车空调维修2015(012)002
【总页数】4页(P81-84)
【关键词】高速公路;拥堵;碳排放;计算模型
【作 者】王景荣;肖鹤;解建光
【作者单位】江苏交通控股有限公司,江苏南京210000;南京航空航天大学,江苏南京210016;南京航空航天大学,江苏南京210016
【正文语种】中 文
【中图分类】U491.92
据国际能源署（IEA）推算，由能源消耗产生的碳排放量中，有20%以上是来源于交通部门［1］，预计到2030年这一比例还将提高到40%以上，交通行业碳减排已成为发达国家碳减排研究的重点方向［2］。我国交通运输部门的碳排放量占全社会碳排放量的25%，仅次于能源（发电）产业的40%，是中国碳排放的主要来源之一，而其中公路运输碳排放更是占了交通部门碳排放总量的85%以上［3］，因此，公路运输领域节能减排势在必行。
江苏省高速公路通行量较大，车辆在行驶过程中由于天气恶劣、车辆故障或驾驶技术等原因容易发生事故，引起交通拥堵。交通拥堵会导致车辆行驶速度降低甚至完全停止不动，不仅延长出行时间，而且不确定性增加。同时，车辆在怠速状态下，发动机空转会产生不必要的油耗，而低速行驶状态下的油耗远高于经济时速下的油耗，因此拥堵会额外造成大量的CO2排放。
论文旨在通过理论分析的方法，对高速公路拥堵碳的碳排放量化计算进行研究，建立碳排放计算模型，为今后的高速公路低碳运营建设提供理论依据。
1 拥堵碳排放计算模型
高速公路拥堵产生的碳排放由车辆额外油耗造成，因此拥堵碳减排主要通过减少车辆怠速或低速行驶时间，降低车辆油耗，实现碳减排目标。高速公路管理公司可以通过建立应急预案、制定相关政策、加强现场交通分流与疏导等方法减少交通拥堵的产生。计算拥堵造成的碳排放，要从拥堵时间、车量油耗、车辆类型等几个方面入手研究。
1.1 拥堵油耗计算
高速公路拥堵根据车辆行驶状态可以分为停止不动和缓慢移动两种情况：
1.1.1 停止不动
在没有明确前方道路现状时，特别在夏季和冬季，驾乘人员基本不会熄火等待，因此会造成大量的怠速碳排放。在实际行驶过程中，车辆发生拥堵需经历减速停车阶段、怠速等待
阶段和加速驶离阶段，其中车辆减速停车阶段仅为几秒钟，而拥堵时间通常为几十分钟甚至数小时，因而车辆减速阶段的油耗可以忽略不计，论文仅计算车辆怠速等待阶段和加速驶离阶段。
（1）车辆怠速等待阶段的油耗为：
式中：f1为车辆拥堵怠速阶段油耗；FCw为车辆怠速单位油耗；Ta为拥堵时间。
（2）车辆加速过程中的发动机油耗情况十分复杂，目前并没有统一的计算方法，论文从能量角度进行分析，根据能量守恒原则确定车辆加速过程中的油耗。车辆加速所需能量全部由汽油或柴油燃烧产生的能量提供，因此只需计算出车辆加速阶段所需能量即可推导出相应油耗，车辆加速阶段所需能量为：
式中：W为车辆加速驶离所需能量；m为车辆有效质量；V为高速公路最低限速；Fa、Fr、Fi分别为车辆行驶过程中的空气阻力、滚动阻力、惯性阻力；L为拥堵长度；E为汽车内部构件摩擦产生的热量；Co为滚动摩擦系数；g为重力加速度。
车辆在加速过程中平均速度较低，为便于计算，空气阻力、惯性阻力及汽车构件摩擦产生fj40越野车
的热量均可忽略不计。
由于车辆所需能量全部由燃油燃烧产生，因此车辆加速过程中油耗为：
式中：f2为加速阶段车辆油耗；η为汽油燃烧效率；q为汽油热值；ρ为汽油密度。
则交通拥堵停止不动状态下，车辆油耗为
式中：F为车辆拥堵停止不动状态下车辆油耗。
1.1.2 缓慢移动
车辆缓慢移动状态下的油耗等同于该速度下对应的百公里油耗与行驶距离的乘积，即
式中：F l为车辆拥堵缓慢移动状态下车辆油耗；Ql为车辆在低速状态下的百公里油耗；L为拥堵长度。
1.2 拥堵碳排放量计算
车道在拥堵过程中的油耗与正常行驶过程中的油耗之差即为拥堵产生的额外油耗量，再根宝来2012款报价
据油耗量与CO2排放系数，即得到拥堵碳排放量。
（1）停止不动时的拥堵碳排放量计算如下：
式中：M为CO2总排放量；Ni为同一类型车辆拥堵车辆数；Qi为车辆正常行驶状态下的百公里油耗。
（2）缓慢移动时的拥堵碳排放量计算如下：
式中：k为燃料CO2折算系数；Qi'为车辆在拥堵状态下的百公里油耗。
浦东车展在推导出的交通拥堵碳排放模型基础上，已知高速公路年度总通行量、车辆性能以及拥堵时间、拥堵长度等数据，可计算得到一次拥堵产生的CO2排放量，根据管理公司记录的年度拥堵情况统计数据，即得到高速公路拥堵年碳排放量。
2 车型及车辆数确定
根据拥堵碳排放模型计算公式，进行具体碳排放量计算，需要对模型各项参数予以确定。论文以沪宁高速为研究对象，通过查阅文献、现场调研以及理论分析等方法确定了拥堵碳
排放模型的各项参数，具体如下：
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2.1 代表车型
根据车辆用途和尺寸，沪宁高速公路将通行车辆划分为11种车型，见表1。
表1 高速公路车辆类型车型 货车 客车 集装箱一类车 载重2 t及以下 7座及7座以下二类车 载重2~5 t（含）8~9座三类车 载重5~10 t（含）20~39座四类车 载重10~15 t（含）40座及以上 装载20英尺五类车 载重15 t以上 装载40英尺五十铃牵引车
在高速公路运营阶段，收费站对集装箱长度的确定存在诸多不便，因此在实际操作过程中，统一将集装箱车辆按载重量进行分类，收费标准与货车相同，通行量数据记入货车统计量，因此高速公路管理公司提供的通行量数据仅包括9种车型。
由于各类车型均包含多种车辆型号，其排气量、发动机、油耗等参数各不相同，因此需要选择一种代表车型，将其各项参数代入拥堵碳排放模型，进而计算出相应的碳排放量。