李兵兵，于 堯，肖中新*，葛穎恩

(1.安徽省環(huán)境監(jiān)測中心站，安徽 合肥 230071；2.上海海事大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，上海 201306)

隨著我國貨運(yùn)交通的快速發(fā)展，重型車輛在公路物流運(yùn)輸中所占比例日益增加.上海港作為全球吞吐量排名第一的港口[1]，其集裝箱的運(yùn)輸與轉(zhuǎn)運(yùn)需求巨大.而在滿足貨運(yùn)需求的同時，大量的集裝箱卡車(以下簡稱集卡)所排放的尾氣對港口乃至臨近腹地區(qū)域都產(chǎn)生了嚴(yán)重的環(huán)境污染.單輛集卡的尾氣排放幾乎相當(dāng)于30輛輕型車輛排放總和[2]，因此探討如何降低港口區(qū)域集卡車輛的碳排放，真正實(shí)現(xiàn)“資源節(jié)約、環(huán)境友好型交通發(fā)展”[3]非常必要.

碼頭閘口是審驗(yàn)、分配(堆場備位)集卡車輛進(jìn)出的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時也是造成集卡車輛排隊(duì)的交通瓶頸.相比于行駛狀態(tài)，集卡車輛在閘口排隊(duì)等候過程中，會排放出更多的碳?xì)浠?THC)和碳氧化物(COx).根據(jù)洛杉磯港調(diào)查報(bào)告(2012)可知，全港年度CO2排放總量為8.57×105t，其中集卡車輛碳排放量為3.72×105t，占CO2排放總量的比例達(dá)43.4%[4].為解決高效的港口運(yùn)作與集卡車輛污染排放之間的矛盾，達(dá)到降低港口的總能耗與碳排放總量下降的目標(biāo)，亟須對碼頭能耗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，即碼頭閘口集卡排隊(duì)時的碳排放量進(jìn)行控制.因此，明確閘口集卡排隊(duì)過程的內(nèi)在演化規(guī)律，解析集卡車輛的碳排放規(guī)律已成為集裝箱碼頭亟待解決的問題.

1 現(xiàn)有研究趨勢

1.1 集裝箱碼頭閘口排隊(duì)

集裝箱碼頭閘口是碼頭與港區(qū)道路的連接節(jié)點(diǎn)，是外部集卡轉(zhuǎn)運(yùn)集裝箱進(jìn)出堆場必經(jīng)的作業(yè)通道.現(xiàn)有研究多集中在以提高閘口作業(yè)能力、縮短集卡車輛等待時間為目的的優(yōu)化問題領(lǐng)域.如國外一些學(xué)者提出了采取預(yù)約制以降低閘口擁堵的方法[5-7]，并證明了預(yù)約的實(shí)施可有效降低集卡排隊(duì)的數(shù)量；Guan等[8]則從排隊(duì)論角度出發(fā)，利用M/Ek/c排隊(duì)模型計(jì)算集卡排隊(duì)的平均隊(duì)長，并構(gòu)建了優(yōu)化模型；此外，曾慶成、許巧莉等[9-10]也分別建立了排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)模型，以此估算集卡車輛在閘口需要排隊(duì)等待的時間.而劉翠蓮等[11]采用排隊(duì)論方法提出了M/G/S/∞/∞/FCFS排隊(duì)系統(tǒng)模型，并對閘口流程進(jìn)行了優(yōu)化，該排隊(duì)系統(tǒng)模型表示為集卡車輛的到達(dá)服從泊松分布(Poisson)，服務(wù)時間服從一般隨機(jī)分布，服務(wù)臺數(shù)為S且滿足先到先服務(wù)的規(guī)則，符合當(dāng)前碼頭預(yù)約制下集卡車輛排隊(duì)規(guī)律.但上述研究多以總的時間成本最小或總費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，尚未從低碳約束的角度出發(fā)以碳排放總量最小進(jìn)行研究.

1.2 碳排放仿真研究方法

董崗和王文淵等[12-13]曾基于對國內(nèi)外減排措施的分析，提出了集裝箱碼頭碳排放量理論計(jì)算公式，但缺少集卡車輛的碳排放量化方法，且所提出的理論模型與實(shí)際有較大的差異；而盧毅勤等[14]則兼顧C(jī)O2排放和集卡多目標(biāo)調(diào)度兩個目的，給出了多目標(biāo)優(yōu)化模型，但未對集卡車輛在閘口階段的實(shí)際等待和低速行駛過程中的碳排放情況進(jìn)行考量.綜上，這些研究為碼頭集卡車輛碳排放的仿真和計(jì)算提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù).筆者基于上述研究成果，首次面向碼頭閘口關(guān)鍵環(huán)節(jié)，采用MOVES仿真手段，對集卡車輛在排隊(duì)過程中的碳排放進(jìn)行仿真，并深入剖析實(shí)際排隊(duì)規(guī)則下不同速度區(qū)與碳排放二者間的交互關(guān)系.

2 碼頭閘口作業(yè)流程分析

閘口集卡車輛排隊(duì)主要分為進(jìn)入閘口的排隊(duì)等待、出閘口的排隊(duì)等待兩部分.依據(jù)碼頭閘口服務(wù)規(guī)則以及集卡在碼頭閘口系統(tǒng)的排隊(duì)被服務(wù)過程，可將其歸為典型的多級排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示.

在圖1所示的排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)中，集卡車輛到港后等待進(jìn)入閘口，若入閘口通道空閑則接受服務(wù)，通道忙碌則進(jìn)入隊(duì)列1按先到先服務(wù)(first come first served, 簡稱FCFS)規(guī)則排隊(duì)等待.閘口服務(wù)完畢后，集卡車輛進(jìn)入碼頭堆場進(jìn)行裝卸作業(yè).隨后集卡車輛進(jìn)入出閘口通道，同理，若出閘口通道空閑則立即接受服務(wù)，否則進(jìn)入隊(duì)列2按FCFS規(guī)則排隊(duì)等待.集卡車輛在出閘口通道接受服務(wù)完畢后駛離閘口，從而退出整個閘口系統(tǒng)，至此面向該車輛的閘口系統(tǒng)服務(wù)完畢.在該流程中，若閘口出/入通道忙碌，極易造成碼頭服務(wù)效率下降，成為影響碼頭通過能力的瓶頸；并且由于排隊(duì)車輛處在怠速狀態(tài)，大量未經(jīng)完全燃燒的污染氣體會產(chǎn)生嚴(yán)重的污染，而這種狀態(tài)在現(xiàn)行的閘口預(yù)約制下較為常見.此外，由于集卡車輛送箱和提箱不同作業(yè)過程中存在差異，因此服務(wù)時間更符合一般隨機(jī)分布，即滿足M/G/S/∞/∞/FCFS排隊(duì)規(guī)則.

圖1 集卡車輛碼頭閘口作業(yè)流程

筆者以上海港集裝箱碼頭閘口為研究對象，通過觀測、調(diào)查及統(tǒng)計(jì)得到，該閘口共有24條通道，并滿足M/G/24/∞/∞/ FCFS的排隊(duì)系統(tǒng)，其閘口作業(yè)流程符合圖1所示標(biāo)準(zhǔn)集卡車輛作業(yè)流程，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示.根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建該碼頭的閘口集卡車輛排隊(duì)模型，并基于排隊(duì)論模型要素(輸入過程、排隊(duì)規(guī)則和服務(wù)機(jī)構(gòu))，對所提出的碼頭集卡車輛閘口排隊(duì)系統(tǒng)做出以下服務(wù)規(guī)則的制定：

(1) 集卡是閘口作業(yè)系統(tǒng)中的“顧客”，數(shù)量無限制；

(2) 集卡車輛到達(dá)閘口是獨(dú)立的、隨機(jī)性的事件，滿足到達(dá)時間間隔獨(dú)立要求；

(3) 集卡車輛到達(dá)服從FCFS規(guī)則，閘口系統(tǒng)處于實(shí)時等待狀態(tài)；

(4) 碼頭的閘口通道(24條)作業(yè)相互獨(dú)立，每條通道的服務(wù)能力一樣，并且每條通道每次只能服務(wù)一輛集卡；

(5) 集卡到達(dá)閘口的時間間隔與集卡在通道接受服務(wù)時間兩者相互獨(dú)立；

(6) 閘口系統(tǒng)運(yùn)行時間長，可達(dá)到穩(wěn)態(tài).

表1 上海港集裝箱某頭閘口排隊(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

由表1可知，所構(gòu)建的閘口服務(wù)系統(tǒng)滿足多服務(wù)臺等待機(jī)制，且交箱作業(yè)和提箱作業(yè)都存在車輛排隊(duì)情況.其中交箱作業(yè)中的平均隊(duì)長約為提箱作業(yè)中平均隊(duì)長的2.2倍；交箱作業(yè)中的平均停留時間和平均等待時間均高于提箱作業(yè),可知集卡車輛到達(dá)閘口的排隊(duì)等待比裝卸后出閘口排隊(duì)等待的時間更長；由于進(jìn)港集卡車輛的重載箱率比出港要高，因此進(jìn)港排隊(duì)階段的碳排放污染更為嚴(yán)重.因此，解析集卡車輛在閘口排隊(duì)等待過程中的碳排放變化率，是有效制定策略、控制港區(qū)碳排放的重要依據(jù).

3 MOVES仿真模型參數(shù)修正

MOVES[15]是美國環(huán)保署(EPA)開發(fā)的一款可用于機(jī)動車輛污染排放測算的新一代仿真模型.相比于MOBILE、CMEM以及COPERT等軟件在應(yīng)用過程中難以對微觀環(huán)境進(jìn)行定義，導(dǎo)致仿真結(jié)果與我國道路和車輛的實(shí)際情況不相符、結(jié)論難以應(yīng)用等，MOVES則提供了國家、區(qū)域和項(xiàng)目級3種層次，分別從宏觀、中觀、微觀的層次對機(jī)動車排放進(jìn)行仿真測算，并可根據(jù)我國道路和車輛屬性等實(shí)際情況進(jìn)行情景設(shè)置，極大地提高了排放測算結(jié)果的真實(shí)性.

考慮到MOVES中車輛的運(yùn)行工況和基本排放率僅針對美國本土區(qū)域，且我國在車型劃分、道路狀態(tài)等方面與美國有較大的差異，因此結(jié)合《中國能源統(tǒng)計(jì)年檢2010》和《2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories》[16-17]，分別對柴油和汽油相關(guān)燃燒系數(shù)進(jìn)行修訂，如表2所示.

表2 我國不同燃油類型下碳排放系數(shù)

4 算例分析

將表1和表2作為MOVES仿真環(huán)境輸入?yún)?shù)；仿真時長設(shè)置為1 h(9:00—10:00)，溫度為25 ℃，華氏77 ℉，相對濕度72%.到港車輛車型為組合長途集裝箱卡車 (combination long-haul truck)和組合短途集裝箱卡車(combination short-haul truck)，燃料為汽油，其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)平均車速bin值范圍為9.28～114.7 km·h-1，由于該研究面向集裝箱碼頭閘口，所以選取集卡車輛速度區(qū)間為9.28～60.28 km·h-1.分別對CO2、CO、THC三種碳排放化合物以及能耗進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖2所示.

圖2 60 km·h-1以下速度區(qū)間內(nèi)集卡車輛單車碳排放變化

由圖2可知，速度對集卡車輛的排放有著較大的影響.當(dāng)速度小于或等于9.28 km·h-1時，車輛能耗較大，相應(yīng)地CO2、CO和THC等污染物的排放量也處于最高位.但隨著速度的遞增，CO2、CO和THC等污染物排放量呈現(xiàn)了一個單調(diào)的遞減趨勢，能源消耗也相應(yīng)下降；尤其當(dāng)速度從0增加至15.28 km·h-1時，碳污染排放量和能源消耗下降梯度明顯，當(dāng)速度高于15.28 km·h-1時，碳污染排放量下降趨勢趨于平穩(wěn).各污染物的排放增長率如圖3所示.

圖3 碳排放污染增長率變化曲線

由圖3可以看出，隨著平均速度的增加，CO2、CO、THC相對于基礎(chǔ)排放量，增長率分別達(dá)到了-61.93%，-32.10%，-19.88%.整體分析可知，在低速范圍內(nèi)(速度小于等于60 km·h-1)集卡車輛的碳排放總量更大，但是隨著平均速度逐漸提高，各污染物排放增長率顯著降低，該研究所取速度區(qū)間范圍較小，隨著后期速度持續(xù)增加，污染物的排放量最終并不是持續(xù)降低的，如圖4所示.

圖4 不同速度區(qū)間下集卡車輛的燃料消耗與碳排放污染量

由圖4可知，隨著通過閘口期間平均速度的提升，總的碳排放污染量呈現(xiàn)先降低后增高的趨勢，當(dāng)集卡車輛速度高于60 km·h-1，碳排放污染有顯著增加，但總的燃油消耗量依舊維持單調(diào)遞減的變化趨勢.因此，當(dāng)重載車輛屬性不變的前提下，速度是影響其尾氣排放的重要因素.

5 結(jié)束語

筆者以集裝箱重載卡車為例，對集卡車輛進(jìn)出港口/碼頭閘口過程中的碳排放變化情況進(jìn)行了分析.首先考慮集卡車輛在閘口排隊(duì)等待的實(shí)際情況，基于排隊(duì)理論，以上海港碼頭閘道數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對平均隊(duì)長、平均等待隊(duì)長、平均停留時間以及平均等待時間4個指標(biāo)進(jìn)行解析，構(gòu)建了M/G/24/ ∞/∞/ FCFS排隊(duì)系統(tǒng)；并結(jié)合MOVES仿真模型，對重載車輛在該排隊(duì)系統(tǒng)下的CO2、CO、THC三種碳排放化合物以及燃油能耗進(jìn)行了仿真分析，得到不同速度區(qū)間下上述4種指標(biāo)的變化趨勢.可知集卡車輛平均行駛速度低于60 km·h-1時，其各項(xiàng)碳排放污染呈單調(diào)遞減變化，當(dāng)速度高于60 km·h-1，碳排放總量出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)增加的變化趨勢，表明當(dāng)重載車輛屬性不變的情況下，速度是影響其尾氣排放的重要因素.