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能源计量对交通节能减排工作的支撑作用

大数据和信息化技术的迅速发展,给交通节能减排带来机遇与挑战。交通节能减排工作的实践表明,能源计量能有效推动交通节能减排工作向精细化方向发展,同时可以为交通节能减排工作提供直接决策支撑。北京市在探索中总结,取得了一定效果,同时也总结了一定经验,可以为国内其他城市交通节能减排工作提供借鉴。

一、政策要求

随着我国城市化和机动化进程的推进,城市交通能源消耗规模逐步扩大。以北京为例,城市交通能耗占全市能耗总量的17.6%,已成为继工业、建筑之后的城市能耗碳排放控制重点行业之一。“十三五”期间,城市交通既要确保服务品质的提升,又要有效控制交通运输活动能耗和碳排放总量的增长趋势,面临既要提质增效又要实现节能减碳的双重压力,对城市交通绿色发展提出了更高的要求。

能源计量是交通节能减排的重要技术基础,在节约能源、提高能源利用效率中发挥着十分重要的技术支撑和基础保障作用。加强城市交通能源计量工作,是城市交通摸清能耗碳排放治理重点,统筹交通运输发展与生态环境保护、能源消耗、污染物和温室气体排放的关系,构建与城市功能相匹配、绿色环保的现代化综合交通运输体系的重要基石;是合理调控绿色出行和私人小汽车出行之间的关系,构建绿色交通出行方式,强化城市能源碳排放源头治理的重要条件;是加强城市交通节能减排基础能力建设,促进统计监测体系完善,提高城市交通节能减排精细化管理水平的前提基础。能源计量工作对于城市交通绿色发展具有重要的现实意义。

“十二五”期间,交通运输部深入贯彻国家计量和质量保障工作的要求,成立了国家道路与桥梁工程检测设备计量站、国家水运工程检测设备计量站和国家船舶容积计量站等机构,筹建了交通计量检测技术委员会,初步形成了行业计量量值溯源体系及计量体系。面向“十三五”,交通运输部《交通运输标准化“十三五”发展规划》明确提出将从完善交通运输专业量值溯源体系、加强计量服务能力建设、加强行业计量监督管理等方面,结合省级(区域)专业计量站发展和行业计量服务网络建设,推进交通计量体系建设。

根据国务院、北京市关于交通计量工作的规划要求,为加强能源计量对交通领域节能减排工作的支撑作用,2016年9月,北京市交通委员会、北京市质量技术监督局依托北京市计量检测科学研究院,与北京交通发展研究院在“国家城市能源计量中心(北京)”基础上合作建设“国家城市能源计量中心(北京)”交通分中心,以此来提高交通节能减排精细化水平,为有力支持“安全、便捷、高效、绿色、经济的现代化综合交通运输体系”建设打下基础。

图1

图1
 

图2

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二、重点领域

为满足城市交通节能减排治理工作的要求,城市交通节能减排计量应重点涉及辅助决策、科学研究、推广应用等节能减排领域,重点涵盖交通节能减排计量政策和规划体系化建设、计量理念和技术推广、计量大数据应用、计量关键技术与产品研发等方面的研究工作(见图1),并开展交通节能减排领域辅助决策、技术研发、人才培养、市场咨询等工作,提升交通节能减排精细化水平,有力支持“安全、便捷、高效、绿色、经济的现代化综合交通运输体系”建设,服务北京市乃至全国交通节能减排方面的政府和市场需求。

三、核心技术

如图2所示,为推进城市交通节能减排工作,北京市在探索建设“能耗、燃油、污染物排放、碳排放可分析可追溯、可分解可考核、可预测可预警”的北京市交通领域节能减排统计监测体系方面进行了一系列实践。其中包括了两个重点工程和三个核心技术。

重点工程1:北京市交通领域节能减排统计与监测平台

基于OBD车辆能耗计量器具、交通大数据等核心技术,建成集微观监测、宏观分析、政策评价及决策支持于一体的可用于多部门的交通节能减排统计监测平台。其中覆盖了1.2万辆157个车型,运营车辆车型全覆盖;集成了40余个多源异构数据,近100TB数据量,高时效性、高扩展性计算;以及1000余项关键指标的核算和分析,支持清空指标考核、新能源车补贴、绿色货运激励等多项政府部门工作。

平台主要特点:

表1

表1

图3

图3
 

服务全面,全方位支撑交通节能减排工作:平台将实现车辆监测、总量核算、决策支持、企业管理等500余个功能(重点囊括为表1这几个方面),可为交通节能减排工作提供全面支撑。

重点工程2:北京交通节能减排实验室

交通运输部于2013年年底启动公路水路交通运输环境监测网络建设试点工程,作为全国首批、京津冀区域唯一一家试点城市,北京于2015年建成大兴西红门收费站、通州京塘路土桥、京塘路觅子店、怀柔分水岭隧道4个交通环境在线监测点位,实时监测交通运行数据和PM2.5等大气污染物浓度、交通噪声等指标。为了扩大监测范围、深入研究交通与环境的关系,2014年北京市交通行业节能减排中心启动交通节能减排实验室建设。实验室充分利用北京工业大学国家重点实验室、北京城市交通协同创新中心等科研平台,以及北京交通运输职业学院职业人才的培养优势,具有显著的专业优势及行业特性。

如图3所示,北京交通领域节能减排实验室共有移动源排放检测室、生态环境检测室、噪声和振动检测室、交通水环境检测室、交通大气环境检测室、生态驾驶实验室、绿色道路材料实验室等七大实验室及一台移动环境监测车,拥有车载尾气检测设备、气象色谱仪、液相色谱仪、离子色谱仪、模拟驾驶舱等实验设备近100套,可以全面实现对“人、车、路、环境”交通全要素的检测、评价、相关规律研究,以及污染防控措施研究等工作。北京交通节能减排实验室的建成,将利于提升北京交通环境监测和污染源监测水平,通过科学的量化手段获取准确的数据,反映交通行业污染的真实现状,支撑交通污染规律的研究及环保治理措施的制定,为京津冀区域层面的交通污染联防联控提供支持。

北京交通节能减排实验室发展目标包括4个方面:决策支持方面,为政府战略规划、政策措施、标准规范的制定提供高质量的决策支持;技术服务方面,资质过硬,技术权威,立足行业优势,为行业企业和全国市场提供优质服务;科研攻关方面,形成国际领先的核心技术和科研成果,2030年前力争成为国家级重点实验室;发展联盟方面,联合领域优势资源,建立战略联盟,迅速扩展业内影响力。

核心技术1:基于单车的移动源多维感知和协同技术

建立以车辆基础特征为坐标原点的多维感知和协同技术,能够感知5大类30小类,800余项能耗排放关键信息,并且实现大数据的多源异构数据的有序协同和关联,解决数据离散性问题。其核心是:(1)能耗综合指标直接感知(OBD);(2)污染物指标间接感知;(3)能耗排放数据与驾驶行为、运营特征及运行工况等多源数据的关联与融合。

车辆能耗排放多维感知技术能够整合多维异构数据,实现数据有序关联,以车辆基础特征为坐标原点,将海量数据聚类为网状结构模型。通过多维实际数据的网状化模型,实现车辆基础信息数据、运营数据与能耗排放等数据的交叉融合和匹配分析。该结构包括5个维度:

(1)能耗维度,车辆运行过程中的能源消耗相关指标,包括车辆瞬时能耗、累计油耗、车辆行驶里程等维度数据。

(2)污染物排放维度,表征车辆运行过程中的污染物排放相关指标,包括不同工况下各车型排放因子、氮氧化物浓度值、尿素液位、SCR(选择性催化系统)工作状态、运行里程等。

(3)运营特征维度,表征车辆运输服务的参数指标,包括客运量、客运周转量、货运量、货运周转量等。

(4)运行工况维度,表征车辆运行的参数和指标,包括运行速度、经度、纬度等。

(5)使用者维度,表征使用者在驾驶车辆运行过程中操作行为的指标及相关信息,包括驾驶人信息(年龄、性别、驾龄、职业)、急加速和急刹车时间及次数、变速频率、加速踏板行程值等。

同时,因应用和分析大数据,需要关注数据的准确性。应通过不同维度数据校核算法的研究来提高数据准确性,同时与实验等真实数据联合校正,以解决准确性问题。

核心技术2:交通能源计量数据质量控制技术

交通能源计量数据质量控制技术包括计量质控技术、实车校核技术,以及大数据纠偏技术。与计量部门合作,研发兼容多种发动机类型的高精度监测器具,依托大数据平台和实验室检测手段,完成50余种关键校正模型算法研发,显著提高监测数据质量并达到计量要求,提高了交通能耗排放数据核算准确度。

交通行业能源计量检测系统是一个基于Internet网络、移动无线传输、Web Service软件、数据库技术等于一体的综合数据管理工具系统。系统为管理者提供了一个可以检测能源计量装置的一个手段、为检测人员提供了检测实施工作的一个平台,搭建了一个合理、高效的信息传输检测及送检产品管理应用平台。

表2 交通能耗排放高分辨率仿真技术和多尺度评估技术结构

表2 交通能耗排放高分辨率仿真技术和多尺度评估技术结构

核心技术3:五层次交通能耗排放模型技术

基于平台监测和实验室检测,结合交通大数据技术,应用高分辨率交通能耗排放仿真技术和多尺度评估技术,初步构建了高综合性、高敏感性的五层次交通能耗排放综合评价模型体系。

通过交通能耗排放高分辨率仿真技术和多尺度评估技术来解决交通节能减排工作中宏、中、微观规划、预测、评估等问题。该技术的核心由五层级模型组成,通过五层级模型实现对交通能耗排放的高分辨率仿真和多尺度评估,以满足不同维度、不同尺度、不同粒度的交通能耗排放核算需求(见表2)。

各层次模型的原理和功能如下:

(1)基于时间维度的宏观核算清单模型。通过将机动车按照车辆自身物理属性和本地营运管理特征分类,通过各种车型的保有量、排放因子、能耗因子及车辆行驶里程进行能耗排放总量的核算,主要用于不同时间粒度交通能耗排放总量的评估和预测。可用于交通能耗排放总量的核算、未来年交通能耗排放目标制定及分解,能够为交通管理部门、研究机构提供宏观数据支持。

(2)基于空间维度的中观路网评价模型。通过对城市路段的交通量和速度变化进行预测,并预测每个路段、每小时能耗污染物排放。主要应用于交通战略规划情景分析及交通政策措施效果评估。

(3)基于实时交通流的路网能耗排放动态监测模型。能够实现高分辨率仿真,可以仿真城市路网某路段小时的交通量与速度,通过与速度排放因子库的关联耦合,实现对城市路网动态能耗污染排放时空分布的仿真。主要用于路网动态能耗排放清单、道路周边环境质量仿真等。

(4)基于时空维度的单车能耗排放监测模型。以单车为研究对象,通过车辆多位感知技术获取车辆实时运行工况信息,并与各类车型微观能耗排放因子库相耦合,获得单车动态能耗污染物排放量数据。主要用于高能耗排放车辆识别、微观驾驶行为矫正等。

(5)基于区域的基础设施能耗排放评估模型。以基础设施为研究对象,建立基础设施的交通活动主体及活动状况的能耗排放仿真模型。主要用于基础设施内部环境评价、环境治理措施效果评估。

交通能耗排放高分辨率仿真技术和多尺度评估技术为有效满足宏、中、微观交通能耗排放治理决策管理需求,应关注真实性、辨识度、敏感性、综合性等方面问题。

(1)真实性。交通能耗排放治理决策目标是应用于实际治理,因此必须保证真实性,由于车联网监测和实验室检测等技术相对成熟,获得的数据真实可靠,因此该技术模型中交通和能耗排放关键参数均来源于车联网监测及实验室监测数据,能够反映真实排放水平,有效解决真实性问题。

(2)辨识度。由于交通移动源的特性,能耗排放仿真及评估技术需对不同维度粒度的交通能耗排放情况进行评估决策,因此需对区域、路段和单车等多个维度尺度,对年月日等多个时间粒度的排放监测,以实现高辨识度的监测与评估。

(3)敏感性。交通能耗排放高分辨率仿真技术和多尺度评估技术与交通节能减排治理工作紧密结合,需要能够敏感反应政策实施前后的变化。为达到此目的,北京市提出的技术模型的关键参数数量是传统模型的5~8倍,面向交通污染治理决策,对宏、中、微观等多类政策高度敏感,特别是交通缓堵和区域限行等政策。

能源计量对交通节能减排工作的支撑作用
 

(4)综合性。交通节能减排工作涉及能耗、污染物排放、碳排放等对象,需同时兼顾不同时间粒度、不同对象的核算。北京市提出的技术集交通各领域、各对象(能耗、污染物排放和碳排放)、各时间粒度(年度、月度和日度)核算模型为一体,多方位支撑管理决策。

四、应用案例

1. 辅助制定绿色货运激励政策,促进货运企业转型升级和绿色发展

在货运节能减排工作方面,北京市正推进绿色货运发展,基于该智能化分析技术,以“十三五”为时间坐标,对货运行业自然发展和绿色货运政策干预两种情境下污染物排放趋势预测,同时实现了企业个体为对象的污染物减排量核算,支撑污染物减排量为依据的行业奖励机制,为重大交通运输政策的出台提供依据。

2. 货运场站污染物浓度监测及污染源分析,推动货运场站绿色升级

经实地监测,3家场站内部污染物浓度超过周边环境监测点高达3~19倍。通过污染源分析发现,叉车是第二大污染排放来源。以此为依据,环保部门制定了电动叉车推广补贴政策。

3. 开展双燃料出租车节能减排效果评价,辅助政府推进车辆结构优化决策

北京市从2012年开始推广双燃料出租车,但2013年,经对已推广车辆的持续监测分析,其实际运行过程中的能耗排放水平明显高于同类型汽油车且劣化严重。以此为依据,北京市于2014年中止了该车型推广任务。

4. 开展实际路况技术产品效果验证,为交通企业消除疑虑

经过实际路况下的车辆测试以及平台大数据分析,科学验证了绿色添加剂等节能技术实际的节能减排效果,为交通企业应用相关技术消除了疑虑。

5. 重大事件交通措施效果预测和评估,支持政府积极应对公众舆论

对APEC会议和“9·3”阅兵期间交通综合措施等政策进行了能耗排放预测和分析,为政府提供科学、准确的能耗排放数据,帮助政府积极应对社会公众舆情。

6. 标准编制

根据交通节能减排智能化分析技术,北京市交通管理部门研究形成《营运客车能源计量器具功能及数据采集规范》《营运货车合理用能指南》等地方标准,研发了能耗排放核算方法、公共交通能耗评价指标体系等技术方法,并将在京津冀区域推广应用。

作者:刘莹 刘勇 徐龙 张克 秦宇辉
北京交通行业节能减排中心 北京市质量技术监督局 北京市计量检测科学研究院

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