周展鴻　蔡　銘

(中山大學(xué)工學(xué)院廣東省智能交通系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　廣州　510006)

基于IPA尾氣成本的人行天橋綜合效益評(píng)估研究*

周展鴻蔡銘

(中山大學(xué)工學(xué)院廣東省智能交通系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廣州510006)

摘要：結(jié)合微觀交通仿真、微觀尾氣排放模型和行人過街?jǐn)?shù)學(xué)模型，計(jì)算了人行天橋?qū)λ诼范螜C(jī)動(dòng)車的行程時(shí)間、油耗和各類尾氣污染物排放量，以及行人過街時(shí)間的影響.同時(shí)，建立了一個(gè)基于IPA尾氣污染物經(jīng)濟(jì)成本的綜合經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估模型，將以上三方面的影響轉(zhuǎn)化為貨幣形式，從而綜合評(píng)估人行天橋的價(jià)值.對(duì)廣州市海珠區(qū)一處人行天橋進(jìn)行案例研究.研究表明，該評(píng)估方法能全面、有效地評(píng)估該人行天橋的價(jià)值.

關(guān)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(jīng)濟(jì)效益評(píng)估

周展鴻(1991- ):男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榻煌ㄔO(shè)施及交通政策綜合評(píng)價(jià)

0引言

目前，國(guó)內(nèi)外有大量的研究分別針對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施造成的各方面影響進(jìn)行分析[1-6].近年來，微觀交通仿真能良好地模擬實(shí)際路網(wǎng)中的交通流運(yùn)行狀況和車輛油耗、尾氣排放情況.越來越多的學(xué)者用此方法來計(jì)算交通設(shè)施對(duì)交通流、機(jī)動(dòng)車油耗和尾氣排放的影響，并將其作為評(píng)價(jià)交通設(shè)施的依據(jù)[7-8].

同時(shí)，由于交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本高，決策者常使用成本-效益分析來評(píng)估設(shè)施建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性與必要性[9].傳統(tǒng)的成本-效益分析主要針對(duì)顯性成本(如建設(shè)費(fèi)等)進(jìn)行分析，而忽略了受到設(shè)施影響后，交通流、機(jī)動(dòng)車油耗和尾氣等因素變化而產(chǎn)生的隱性收益與成本.因此，綜合考慮交通基礎(chǔ)設(shè)施在交通出行、油耗和尾氣產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，能更加全面地評(píng)估交通設(shè)施的優(yōu)劣.

美國(guó)運(yùn)輸部建議在對(duì)交通運(yùn)輸計(jì)劃作經(jīng)濟(jì)評(píng)估時(shí)使用全國(guó)平均工資作為行程時(shí)間的衡量標(biāo)準(zhǔn)[10]；Yoshioka等[11]在分析日本伐木余料收集運(yùn)輸系統(tǒng)的成本和油耗時(shí)，使用國(guó)內(nèi)油價(jià)作為衡量油耗經(jīng)濟(jì)成本的標(biāo)準(zhǔn).李璐等[12]曾使用我國(guó)的排污費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)來衡量路網(wǎng)中各種尾氣污染物的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用以評(píng)價(jià)人行天橋的節(jié)能減排效果.但是該標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)依據(jù)并非十分清晰，以此作為污染物的轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)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(huì)資助研究，能在貨幣上合理地反映機(jī)動(dòng)車尾氣污染物對(duì)人體、農(nóng)作物及建筑物材料等的影響[13].該標(biāo)準(zhǔn)更具系統(tǒng)性與科學(xué)性，并在歐洲被廣泛應(yīng)用于交通尾氣污染經(jīng)濟(jì)成本的評(píng)估[14-15].

本文基于IPA尾氣成本，綜合人行天橋產(chǎn)生的各類影響，評(píng)價(jià)人行天橋的價(jià)值.最后，應(yīng)用本文所建立的評(píng)估方法對(duì)文獻(xiàn)[12]的人行天橋進(jìn)行案例分析，并與文獻(xiàn)中結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.

1人行天橋綜合經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估方法

本文建立的人行天橋綜合效益評(píng)估方法包括以下3部分：機(jī)動(dòng)車尾氣排放與油耗動(dòng)態(tài)模擬，行人過街?jǐn)?shù)學(xué)模型;基于IPA尾氣成本的綜合經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估模型.在此，假設(shè)人行天橋建設(shè)前，行人過街位置為一個(gè)信號(hào)控制人行橫道.

1.1機(jī)動(dòng)車尾氣排放與油耗動(dòng)態(tài)模擬

本文選用QuadstoneParamics作為微觀仿真平臺(tái)，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(shí)現(xiàn).通過把CMEM模型編寫成Paramics插件，并在交通仿真的過程中調(diào)用，便可實(shí)現(xiàn)Paramics與CMEM模型在軟件上的連接.

特別地，Paramics仿真平臺(tái)中的車型主要根據(jù)實(shí)際交通流中車輛類型(如小型車、中型車、大型車等)進(jìn)行設(shè)置，而CMEM則在此基礎(chǔ)上依據(jù)車輛排放標(biāo)準(zhǔn)、催化器使用等排放相關(guān)屬性將車型進(jìn)一步分類.可見，兩者的車型分類根據(jù)CMEM的車型分類標(biāo)準(zhǔn)，將Paramics中的車型進(jìn)行細(xì)分，并重新設(shè)置Paramics車型目錄，使每種Paramics車型都能與某一種CMEM車型相對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)在仿真中逐秒計(jì)算路網(wǎng)中每輛機(jī)動(dòng)車的排放和油耗.

使用Paramics構(gòu)建人行天橋建設(shè)前后的兩個(gè)路網(wǎng)模型，加載上述模塊，并在仿真結(jié)束后利用Paramics的Analyser獲取仿真過程中的總行程時(shí)間，便可輸出天橋建設(shè)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(shí)間.

1.2行人過街?jǐn)?shù)學(xué)模型

對(duì)于建橋前，行人需經(jīng)過信號(hào)控制人行橫道過街.本文利用行人在順暢時(shí)穿過人行橫道的平均時(shí)間和在信號(hào)控制下過街的平均延誤，求出行人在信號(hào)控制下過街的平均時(shí)間，再結(jié)合在時(shí)間T內(nèi)過街的總?cè)藬?shù)，則可計(jì)算出天橋建設(shè)前總行人過街時(shí)間，其數(shù)學(xué)表達(dá)如下.

(1)

對(duì)于建橋后，本文假設(shè)行人能順暢地通過人行天橋過街.則在該情況下，仿真時(shí)間T內(nèi)，總行人過街時(shí)間可表達(dá)為：

(2)

式中:t2為行人通過人行天橋的平均時(shí)間,s.

由式(1)和(2)，便可獲取天橋建設(shè)前后行人過街的總時(shí)間.

1.3基于IPA尾氣成本的綜合經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估模型

IPA尾氣成本是由影響路徑分析法計(jì)算得到.該方法針對(duì)每種尾氣污染物建立了一系列的損傷函數(shù)，計(jì)算出尾氣濃度增加后當(dāng)?shù)厮劳鋈藬?shù)、呼吸道疾病數(shù)目及農(nóng)作物產(chǎn)量等因素的變化量，隨后結(jié)合上述因素的成本，從而計(jì)算出每種尾氣污染物的成本因子.

本綜合效益評(píng)估模型運(yùn)用該評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將人行天橋?qū)C(jī)動(dòng)車排放的影響轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益.同時(shí)，使用國(guó)內(nèi)汽油平均價(jià)格和天橋所在地的人均收入作為油耗和行程時(shí)間的衡量標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算人行天橋的燃油、行車和行人經(jīng)濟(jì)效益.

1.3.1排放經(jīng)濟(jì)效益

在機(jī)動(dòng)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(píng)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(jīng)濟(jì)效益.

歐洲IMPACT計(jì)劃根據(jù)影響路徑分析法計(jì)算出歐洲地區(qū)各種尾氣的成本(成本以2000年歐元為單位)[16].而ExternE計(jì)劃指出，可利用成本應(yīng)用地區(qū)與研究地區(qū)的人均購(gòu)買力平價(jià)之比對(duì)各種尾氣成本進(jìn)行轉(zhuǎn)化，供其他地區(qū)使用.因此，本文使用2000年中國(guó)與歐盟的人均購(gòu)買力對(duì)歐洲地區(qū)IPA尾氣成本因子進(jìn)行本地化，得我國(guó)城市地區(qū)機(jī)動(dòng)車尾氣成本因子，見表1.

表1　我國(guó)城市地區(qū)機(jī)動(dòng)車尾氣成本因子

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，人行天橋的排放經(jīng)濟(jì)效益的數(shù)學(xué)表達(dá)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(shù)據(jù)記錄時(shí)間內(nèi)第i種污染物的總排放量,kg.

1.3.2燃油經(jīng)濟(jì)效益

人行天橋的燃油經(jīng)濟(jì)效益可表示為建橋前后油耗變化量的經(jīng)濟(jì)效益，如下式所示

(4)

式中:F為國(guó)內(nèi)汽油平均油價(jià),元/L；MFpre,MFpost分別為天橋建設(shè)前和建設(shè)后仿真數(shù)據(jù)記錄時(shí)間內(nèi)機(jī)動(dòng)車產(chǎn)生的總油耗,kg；ρ為汽油平均密度，取0.73kg/L.

1.3.3行車經(jīng)濟(jì)效益

先根據(jù)各車型的比例、載客量,以及總車輛行程時(shí)間，求出所有乘客的總行程時(shí)間.則人行天橋的行車經(jīng)濟(jì)效益為建橋前后乘客總行程時(shí)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(shè)前和建設(shè)后仿真數(shù)據(jù)記錄時(shí)間內(nèi)機(jī)動(dòng)車的總行程時(shí)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(jīng)濟(jì)效益

人行天橋的行人經(jīng)濟(jì)效益由建橋前后總行人過街時(shí)間變化量的經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算求出.

(6)

式中:tpre和tpost分別為人行天橋建設(shè)前后總行人過街時(shí)間,h.

1.3.5綜合經(jīng)濟(jì)效益

計(jì)算出人行天橋的4種經(jīng)濟(jì)效益后，將4者相加，可得人行天橋綜合經(jīng)濟(jì)效益，具體表達(dá)式見式(7).此綜合經(jīng)濟(jì)效益值綜合了人行天橋產(chǎn)生的四類影響，并作為衡量人行天橋價(jià)值的性能指標(biāo).

(7))

2應(yīng)用實(shí)例

由于本研究充分掌握文獻(xiàn)[12]實(shí)例——廣州市海珠區(qū)的一處信號(hào)控制人行橫道改建人行天橋的道路線型、交通流和當(dāng)?shù)厝司a(chǎn)值等數(shù)據(jù)，因此本文仍選擇該實(shí)例應(yīng)用所提出的基于IPA尾氣成本的人行天橋綜合效益評(píng)估方法，分析人行天橋?qū)υ撀范蔚慕煌骱托腥说挠绊懀⑴c文獻(xiàn)中的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.

2.1數(shù)據(jù)收集及模型搭建

1) 交通流數(shù)據(jù)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(shè)上述車型的載客量分別為1人,1人,1人和20人.

2) 信號(hào)控制數(shù)據(jù)被改建的信號(hào)控制人行橫道有4個(gè)相位，周期時(shí)長(zhǎng)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(shí)間為3s，全紅時(shí)間為0s.

3) 行人過街?jǐn)?shù)據(jù)行人在順暢時(shí)穿過人行橫道的平均時(shí)間為18.71s，通過人行天橋的平均時(shí)間為55.32s，行人的到達(dá)率為0.283 人/s.

本文根據(jù)人行天橋周邊路段的道路幾何結(jié)構(gòu)特征及上述交通流與信號(hào)控制數(shù)據(jù)，在Paramics微觀仿真軟件中建立天橋建設(shè)前和建設(shè)后兩個(gè)路網(wǎng)模型.設(shè)仿真時(shí)間為10h，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間為其中間的9.5h.

隨后，利用廣州市2 233輛機(jī)動(dòng)車技術(shù)水平調(diào)查數(shù)據(jù)，將Paramics的車型按CMEM的車型分類方式進(jìn)一步細(xì)分，建立Paramics與CMEM的車型映射關(guān)系，見表2，并根據(jù)此表重新設(shè)定Paramics車型目錄，實(shí)現(xiàn)Paramics與CMEM的耦合.

表2　Paramics與CMEM車型映射關(guān)系表

2.2評(píng)價(jià)結(jié)果

運(yùn)用機(jī)動(dòng)車油耗與尾氣排放動(dòng)態(tài)模擬，對(duì)天橋建設(shè)前后2個(gè)路網(wǎng)模型進(jìn)行交通仿真，獲取數(shù)據(jù)記錄時(shí)間內(nèi)路網(wǎng)中各類尾氣污染物的總排放量、機(jī)動(dòng)車的總油耗以及總行程時(shí)間.同時(shí)，應(yīng)用行人過街?jǐn)?shù)學(xué)模型，獲取天橋建設(shè)前后總行人過街時(shí)間.將建橋前后的各項(xiàng)數(shù)據(jù)作差(前減后)，可得排放、油耗、車輛行程時(shí)間與行人過街時(shí)間的變化量，見表3.

表3　人行天橋綜合評(píng)價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匯總

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，利用綜合經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估模型，計(jì)算人行天橋的綜合效益.在此，取7.53元/L，作為國(guó)內(nèi)平均油價(jià)(2012年8月數(shù)據(jù))；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(jīng)濟(jì)效益數(shù)據(jù)，見表4.

表4　人行天橋經(jīng)濟(jì)效益　元

2.3數(shù)據(jù)分析與討論

由表4可見，人行天橋建成后，其所在路段中機(jī)動(dòng)車的排放、油耗、行車時(shí)間，以及行人過街時(shí)間有所減少.其原因主要是由于行人過街處取消了信號(hào)控制人行橫道，機(jī)動(dòng)車能較為順暢地在該路段行駛，減少了駕駛員受信號(hào)控制影響下的加減速操作，從而減少了機(jī)動(dòng)車的排放、油耗和車輛延誤.另外，由于原信號(hào)控制方案不太合理，使行人過街的等待時(shí)間過長(zhǎng).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(hào)的時(shí)間，使行人過街的時(shí)間總體上得到減少.

其次，實(shí)例中燃油經(jīng)濟(jì)效益與行車經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)效益主要由天橋減少的油耗和出行時(shí)間產(chǎn)生.這是由于近年來國(guó)內(nèi)油價(jià)日益增長(zhǎng)，使減少機(jī)動(dòng)車燃油消耗能節(jié)約了相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)成本.另一方面，本人行天橋所處的地區(qū)為廣州市，其人均收入相對(duì)較高.這也使減少乘客行程時(shí)間相當(dāng)于節(jié)約了較大的經(jīng)濟(jì)成本.這兩項(xiàng)節(jié)約下的成本便給人行天橋帶來較高的綜合效益，使其價(jià)值增加.此結(jié)果表明，交通基礎(chǔ)設(shè)施的綜合價(jià)值主要受國(guó)內(nèi)油價(jià)和設(shè)施所在地的經(jīng)濟(jì)水平所影響.

表4列出了文獻(xiàn)[12]的案例分析結(jié)果.對(duì)比后可發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)[12]的數(shù)據(jù)均小于本文的評(píng)價(jià)結(jié)果.經(jīng)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(guān)系會(huì)顯著影響交通仿真后輸出的機(jī)動(dòng)車排放量和油耗量.本文采用廣州市實(shí)際的機(jī)動(dòng)車技術(shù)水平調(diào)查數(shù)據(jù)建立Paramics與CMEM的車型映射關(guān)系，而文獻(xiàn)[12]僅使用Paramics默認(rèn)的車型目錄.這使本文的交通仿真更接近該交叉口的實(shí)際情況，使輸出的各尾氣污染物排放量和油耗量比文獻(xiàn)[12]的結(jié)果更為準(zhǔn)確.

2) 本文在評(píng)估人行天橋?qū)C(jī)動(dòng)車尾氣污染的影響時(shí)，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(xiàn)[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(jié)果偏小.

3) 本文選擇了IPA尾氣成本作為轉(zhuǎn)化人行天橋?qū)C(jī)動(dòng)車排放影響的標(biāo)準(zhǔn)，而文獻(xiàn)[12]選用了我國(guó)的排污費(fèi)征收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)化.前者更具系統(tǒng)性和科學(xué)性，并已得到廣泛運(yùn)用，這使本文的評(píng)價(jià)結(jié)果更為科學(xué).

4) 本文建立的綜合效益評(píng)估方法在考慮人行天橋排放和燃油效益的同時(shí)，還比文獻(xiàn)[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(duì)人行天橋的價(jià)值進(jìn)行評(píng)估.

綜上分析，本文的綜合效益評(píng)估方法比文獻(xiàn)12更貼近實(shí)際，評(píng)估因素更為全面，因此具有更大的參考價(jià)值.

3結(jié)束語

本文建立了一個(gè)基于IPA尾氣成本的人行天橋綜合效益評(píng)估方法，綜合評(píng)價(jià)人行天橋的價(jià)值，以更合理地方式將人行天橋?qū)C(jī)動(dòng)車油耗、排放、行程時(shí)間以及行人過街時(shí)間的影響貨幣化，求出人行天橋的綜合經(jīng)濟(jì)效益.

案例研究表明，該人行天橋能有效減少所在路段機(jī)動(dòng)車的油耗、排放、行程時(shí)間以及行人過街時(shí)間，從而相應(yīng)地產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益，其綜合經(jīng)濟(jì)效益值為16 834.67元/d.與文獻(xiàn)[12]的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比后可發(fā)現(xiàn)，本文建立的綜合效益評(píng)估方法由于更貼近實(shí)際情況，評(píng)估因素更多，因此能更全面和有效地評(píng)估人行天橋的價(jià)值.

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中圖法分類號(hào)：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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(批準(zhǔn)號(hào)：51178476)