實現(xiàn)城際與城市周邊公路交通低碳化的新模式
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作者：杜曉敏
根據(jù)《國務(wù)院關(guān)于加強城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的意見》，全面落實集約、智能、綠色、低碳等生態(tài)文明理念，促進節(jié)能減排和污染防治，將成為城市發(fā)展的重要方面和推動經(jīng)濟全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的主要途徑。運輸業(yè)能源消耗規(guī)模逐年上升，能源消耗的增速高于全社會能源的增速。有研究表明，運輸業(yè)碳排放量約占全球碳排總量的25%，預(yù)計到2050年全球運輸活動所消耗能源將翻一番，碳排將大幅增長。要防止和減少運輸對人類環(huán)境的影響，就必須轉(zhuǎn)變運輸發(fā)展模式，改善用能結(jié)構(gòu)，出臺有效的方案以緩解對環(huán)境的影響。由此可見，運輸業(yè)也是發(fā)展低碳經(jīng)濟的重要領(lǐng)域、是減少環(huán)境污染的重要途徑。據(jù)目前公路網(wǎng)現(xiàn)狀，我國城市交通正處于快速發(fā)展和轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時期，合理規(guī)劃和利用道路交通資源，降低城市交通碳排，提高交通系統(tǒng)的運行效率，對實現(xiàn)城市交通的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。2013年5月23日中國交通部下發(fā)了《加快推進綠色循環(huán)低碳交通運輸發(fā)展指導意見》，標志著我國已全面推進落實建設(shè)以綠色經(jīng)濟和循環(huán)經(jīng)濟為導向的低碳交通運輸體系。
低碳交通是以“低能耗、低排放、低污染”為理念，在全壽命期內(nèi)以降低能耗和碳排放，形成行車安全舒適、運輸高效便利的道路交通系統(tǒng)，其是在低碳經(jīng)濟概念的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，是低碳經(jīng)濟在交通領(lǐng)域中的體現(xiàn)。對于低碳交通的研究已引起國內(nèi)學者的關(guān)注。宿鳳鳴認為低碳交通是以節(jié)約資源和減少排放為出發(fā)點，結(jié)合交通領(lǐng)域的實際，實現(xiàn)交通領(lǐng)域全壽命期內(nèi)的低碳發(fā)展；陳潔行等將低碳交通定義為以低碳經(jīng)濟為發(fā)展模式、低碳生活為市民特征、低碳社會為政府建設(shè)標準的交通；衛(wèi)藍等認為低碳交通是指在交通領(lǐng)域的各個環(huán)節(jié)，關(guān)注能耗和碳排放問題，通過交通結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最大程度地實現(xiàn)節(jié)能減排。學者從不同角度對低碳交通進行了定義，普遍認為低碳交通是以較低碳排放為主要特征的交通體系。
關(guān)于如何實現(xiàn)低碳交通，學者們也提出了不同看法。茅林認為低碳交通可以從交通環(huán)境保護、節(jié)能減排、循環(huán)經(jīng)濟和科技與信息化方面出發(fā)。鄭曉光從道路建設(shè)角度，探討了低碳道路一系列的構(gòu)建技術(shù)。馮立光等指出城市低碳交通系統(tǒng)建設(shè)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，要從交通模式調(diào)整、理念轉(zhuǎn)變、技術(shù)進步、管理創(chuàng)新等方面綜合考慮。魏慶琦等分析交通運輸結(jié)構(gòu)變化對碳排放的影響，提出低碳交通運輸?shù)奶寂欧藕徒Y(jié)構(gòu)優(yōu)化。本文基于低碳經(jīng)濟的基本理念，從城市交通規(guī)劃設(shè)計的思想上提出一套全新的城際與城市周邊公路交通模式，認為通過對道路的全新規(guī)劃和設(shè)計，不僅可以滿足城市基本交通需求，緩解交通擁堵問題，提高道路運行效率；而且能夠最大限度地減少道路碳排量，推動城市的低碳建設(shè)。
2低碳經(jīng)濟下新型公路交通模式研究
2.1 低碳經(jīng)濟下新型公路交通模式研究總體構(gòu)想
交通出行的低碳化是低碳交通模式發(fā)展中最直接的呈現(xiàn)形式，同時又是建設(shè)低碳交通模式發(fā)展的基礎(chǔ)支撐。在人們的日常出行結(jié)構(gòu)中，各種交通方式的分擔比率組成了城市交通出行結(jié)構(gòu)。在交通出行結(jié)構(gòu)中，低碳交通方式所占構(gòu)成比例越高，碳排放強度將會越低。小汽車作為構(gòu)建低碳交通模式發(fā)展的適當補充，也是碳排放強度較高的交通方式，是交通出行必不可少的低碳優(yōu)化環(huán)節(jié)，因此對于小汽車的低碳優(yōu)化迫在眉睫。
本文認為小汽車出行的低碳化應(yīng)從開源、節(jié)流兩方面著手：開源即從小汽車本身人手，在技術(shù)層面進行減碳，例如新能源小汽車、混合動力汽車、能源替代轉(zhuǎn)化小汽車等低碳小汽車的研發(fā)；節(jié)流即是從道路優(yōu)化方面人手，在道路結(jié)構(gòu)優(yōu)化層面進行減碳。本文的思想即是從節(jié)流方面著手的。
在低碳交通理論的指導下，結(jié)合微觀交通排放模型(Micro- TEM)，以封閉式公路作為一種替代方法，提出的道路交通模式主要思想是構(gòu)建在城市外環(huán)或城際之間車少用油或基本不用油的公路交通模式，能有效的利用重力勢能為車提供“潛動力”，從而有效降低車尾氣的排放。
新型公路模型設(shè)計的總體構(gòu)想是把城市外環(huán)或城際公路劃分為三段：第一段是在交通始端修建提升裝置將車提升至某高度，再利用勢能和驅(qū)動力讓車加速；第二段為行駛的主要路段，在該段利用適當傾斜角度而存在的重力分力抵消車行駛中需要
克服的各種阻力實現(xiàn)滑行行駛；第三段是車將到達目的地前幾公里段，該段撤銷傾斜角度，使車行駛在平整的公路上，以便車流分解。具體見圖1。
2.2新型公路交通模式設(shè)計方案
2.2.1 新型公路模式宏觀設(shè)計
隨著城市內(nèi)部車流數(shù)量劇增，各大中城市均建有外環(huán)公路、繞城公路，城市與城市之間有高速公路，但對汽油的消耗，時間的耗費并不因此得到很好的改善。新型公路設(shè)計構(gòu)思源于下行段利用車重力、牽引力與摩擦力之間的力學關(guān)系，從而達到車行駛過程中能量消耗最低、碳排放量最少的狀態(tài)。該設(shè)計突破公路坡度的限制，也可以說滑行距離的限制，新型公路模式設(shè)計按照城市周邊的大小，小城市可設(shè)計成四邊型，中等城市可設(shè)計成五邊型，大城市可設(shè)計成六邊型、七邊型的有坡度的公路。俯視圖如圖2所示。
從城市的一端到另一端和一個城市到另一個城市是相互的，有來有往，形成一個整體的道路系統(tǒng)，側(cè)視圖如圖3所示。
2.2.2新型公路模式三段設(shè)計
(1)加速段設(shè)計
新型公路在一定程度上認為是用清潔的電能來代替汽油驅(qū)動，提升系統(tǒng)設(shè)計是核心，關(guān)鍵在于提升高度的設(shè)計。為了更加清晰地描述新型公路的運行狀態(tài)，加速段計算模型見圖4。
基本思路是沿公路斜面向下的重力分力減去所受主要阻力后使車加速下滑，此段設(shè)計中只是考慮主要影響因素，公式推理結(jié)果如下：
注上式中a:圖4中坡度，u：路面對車阻力系數(shù)，F(xiàn)：車牽引力，f下滑的時間，g：重力中速度，m:車質(zhì)量，S1：第一斜面長度，相應(yīng)符號含義下同。
已知公路路面車輪阻力靜摩擦系數(shù)如表1所示，新型公路設(shè)計方案中取車在混凝土路面的靜摩擦系數(shù)作為初始參考數(shù)據(jù)，即u=0.018。
參照公路設(shè)計規(guī)范，取最大坡度12%，C(=6.8。代入(1)式：
由(2)可知：此坡度可使車獲得的加速度。車的啟動速度以作為測試標準，據(jù)車位移、速度和加速度之間的關(guān)系進行計算，如表2。
考慮車加速時的油耗成本和道路長度增加所帶來的造價問題，根據(jù)S、v、a關(guān)系，取車第6s加速到的數(shù)據(jù)16.67m/s(60km/h)．代入(2)式：
即在6s內(nèi)達到的速度，需要使車獲得的加速度，因坡度可使車獲得加速度，則需要發(fā)動起提供牽引力F獲得的加速度為：
注：現(xiàn)：加速，L．：圖4第一斜面對應(yīng)水平長度，^：圖4第一斜面對應(yīng)豎直長度，對應(yīng)符號下同。
(2)滑行段設(shè)計
新型公路第二段為滑行段，令該段高度h，傾角B。在該段受力如圖5。
車在公路上行駛，阻力來自各方面不同程度的影響，如車速，輪胎與路面的摩擦、空氣阻力、風速等。因空氣對行駛車的阻力無規(guī)可循且車不是絕對的直線運動，本文研究中暫不考慮。初始運行靜止的車在路面平衡狀態(tài)受力：
據(jù)平面內(nèi)受力平衡，令(3)、(4)相等推出結(jié)果：
注：f：車在第二斜面所受阻力的合力，p：第二斜面水平夾角，G：汽車重力沿第二斜面向下分力
查閱資料得出有限點對應(yīng)速度摩擦系數(shù)，曲線擬合如圖6所示。
分析圖6知v為60km/h時的滾動摩擦系數(shù)u=0.003，且目前這個道路水平是可以達到的，代入(9)式p=0.172。。則tan p=0.003=3/1000，即車每行駛lOOOm水平距離，下降3m高度．�？紤]高架橋的高度通常為二十多米作為參考；通常10km的路段內(nèi)，道路至少設(shè)三個交通燈，以平均等待15s計算，至少需等待15*3=45s。新型公路綜合考慮高度和時間合理性，總提升設(shè)計為30m(提升=1m/s，用時30s，則第二段高為30-5.9=24(m)。
所以第二段長
。
(3)減速段設(shè)計
第三段是公路的減速段，該段的主要目的是為了使車以較平緩方式降低車速，讓車輛安全的進入下一段新型公路或駛出新型公路。本段的設(shè)計是在新型公路兩段之間的銜接處建一類似轉(zhuǎn)盤。一方面使上段公路下行的車輛順利進入下段下行路段或通過匝道駛出新型公路；另一方面方便普通公路車輛通過匝道駛?cè)胄滦凸�，周圍有駛出新型公路的出口也有進入下段新型公路的入口。
根據(jù)車輛制動速度距離關(guān)系，第三段設(shè)計2000m左右，便于計算本文取1950m，則三段設(shè)計總距離為10km左右。
綜上設(shè)計理念分析，新型公路提升總體高度大約30m，每次提升可行駛里程lOkm。第一段提升裝置可采用智能感應(yīng)提升系統(tǒng)，在有車駛來的時段提升系統(tǒng)即開始運行或者運行速度有所提高，在無車的時間段提升系統(tǒng)即停止或者速度慢下來，以此來解決車流不連續(xù)而導致提升系統(tǒng)的空載運行。當減碳所帶來的收益大干提升系統(tǒng)所花費的代價時，對于小汽車擁有者來說，在碳排放私有制建立后，其出行將偏重于新型公路的選擇，從而減輕普通公路的壓力，與新能源汽車共同組成低碳出行結(jié)構(gòu)。在主要行駛路段，即第二路段，并非局限文中所說的三車道設(shè)置，可根據(jù)實際情況增減。此路段類似高速公路，通過限制車速、車距、設(shè)置緊急停車帶等措施來盡可能減少規(guī)避交通事故的發(fā)生。
3新型公路經(jīng)濟計算分析
調(diào)研分析取證，目前該公路建設(shè)成本與建外環(huán)線或城際高速大致相等；而安全事故發(fā)生概率也不由坡度滑行而增大，因車通過提升系統(tǒng)逐個行使，有時間間隔，第二段行駛過程中，車速是一定的，一般不會超車或擁堵。
在新型公路模式下，假設(shè)該公路系統(tǒng)車流量為120輛/h/車道，車的均重為2t，平均每車次每天在該公路系統(tǒng)上面行駛路程為50km，油耗為10L/100km。若一天按12h，一年的油耗為7884000L，各段耗能計算：
第一段：50m，加速過程耗能計算，根據(jù)公式(4)：1.778/2.778= 64%;
第二段：8000m，自由流速，因空氣對行駛車阻力作用無規(guī)律可循且車不是絕對的直線運動，測試取能耗為1%;
第三段：1900m，按現(xiàn)行公路行駛考慮，可不計算節(jié)約能耗。
總能耗計算： 節(jié)油費率(50*64%+8000*1%+1900)/(50+8000+
1900)=20.22%，取20%計算(油價按7.0元/L)；
耗電能費(電費1元/kw．h);
節(jié)約耕地費（只考慮公路中可利用的黃金地段3km，第4節(jié)潛在效益）。
若寬放車流量的增幅系10%、20%，則經(jīng)濟運行各數(shù)據(jù)見表3。
由此可見，該道路模型不僅滿足城市低碳發(fā)展、兼顧人與自然和諧相處的要求，而且在全壽命期內(nèi)與目前城市高架相比具有較好的經(jīng)濟優(yōu)勢。同時隨著城市規(guī)模的擴大，該模式的經(jīng)濟效益優(yōu)勢將更加凸顯且使城鎮(zhèn)的資源運作和價值創(chuàng)造更加綠色、更有后勁。
4新型公路設(shè)計思想所具有的社會優(yōu)越性
(1)通行量大、可達性提高
該公路建造在原有道路之上，這等于在上部空間增加了4或6個車道的通行量，能使更多的車輛通過。該公路第一、第二段是全封閉路段，行車條件好，減少車輛行駛中停車次數(shù)，這能使行駛的車輛不受慢速路的干擾，以較快的速度行駛，且跨越了所有的交叉路口并無紅綠燈的阻礙，避免了同其他車輛爭搶地面道路，節(jié)約時間，提高了城際及市區(qū)主要節(jié)點的聯(lián)系頻率。
(2)節(jié)能、環(huán)保，促進潔凈能源開發(fā)
該公路而非單純以增加道路設(shè)施供給為改善方式，而是在不妨礙人們出行機動性的基礎(chǔ)上，盡可能降低城市交通帶來的環(huán)境后果。與新能源車和低碳生活共同構(gòu)成低碳交通體系。另外，其設(shè)計思想將推動生產(chǎn)方式創(chuàng)新，促進潔凈能源的開發(fā)利用，提高附加值，進而最大限度的減少碳化合物的排放量。
(3)潛在社會效益
此新型公路帶來的直接效益有運輸成本降低，市中心擁擠減少，節(jié)約在途時間，市中心車小時數(shù)減少等。另外，加強與外省聯(lián)系促進經(jīng)濟發(fā)展，還能有效地帶動沿線房地產(chǎn)開發(fā)及第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，增加收益。由于該公路起始段比一般高架高5～10m，這就拓寬了可利用程度，根據(jù)需要可在之下增加停車場，公交調(diào)度服務(wù)中心，郊區(qū)路段甚至經(jīng)過聲隔斷處理可設(shè)置居民房。
5結(jié)語
低碳交通模式的實施和運作需要政策創(chuàng)新與市場機制的有機結(jié)合，要求政府通過戰(zhàn)略規(guī)劃引導，妥善處理政府和市場“兩只手”。需有關(guān)政府部門綜合運用各種手段，充分發(fā)揮主導作用。另外，還應(yīng)堅持以市場為導向，完善碳排放交易市場，碳排放產(chǎn)權(quán)制度，充分發(fā)揮市場配置資源的決定性作用，有效調(diào)動企業(yè)及個人作為節(jié)能減排主體的能動作用，充分調(diào)動公眾的積極性，引導公眾選擇低碳交通方式，形成政府引導、市場調(diào)節(jié)、企業(yè)主體、公眾參與的低碳交通發(fā)展長效機制。
本文提出的全新城際與城市周邊公路模式，既從道路構(gòu)想和模式設(shè)計方面驗證了該模式的可行性，且分析了各段低碳的實現(xiàn)途徑，又從經(jīng)濟方面就其比較優(yōu)勢進行了分析，并驗證其模式下新型公路的經(jīng)濟效益。本道路技術(shù)標準高，使車輛排污量大大減少，節(jié)約能耗、降低污染，并減少交通擁堵，利于車輛分流，提高運行效率，但此新型公路是一種新思路，創(chuàng)新超前，需要突破一些常規(guī)理念進行對待。該模式為低碳交通的發(fā)展提供了新的思路和途徑，并對交通發(fā)展戰(zhàn)略和公共政策制定提供理論支撐，也為促進我國城市低碳發(fā)展提供了有益的借鑒和參考。
6摘要：
隨著人們收入的不斷提高及汽車業(yè)的快速發(fā)展，汽車大量進入普通家庭，但由此產(chǎn)生的碳排放帶來的城市環(huán)境問題也日益嚴峻，如何落實低碳交通理念，消減碳排放，已成業(yè)界研究的焦點；另外，近年來交通堵塞亦愈發(fā)嚴重，如何解決此問題也一直是困擾人類的難題。本文就如何在低碳經(jīng)濟下發(fā)展公路交通進行研究，從城市交通規(guī)劃設(shè)計思想上提出一套全新模式。首先在交通始端將車提至某高度，利用重力和動力使車加速；其次是關(guān)鍵路段，在該段利用傾斜角度使車實現(xiàn)勻速行駛；最后是到達目的地前幾公里段，讓車行駛在平整公路上以便車流分解。在此思想模式引導下，做出新型公路設(shè)計，并對其進行分析。這種創(chuàng)新將豐富低碳交通的理論和方法體系，為建設(shè)低碳運輸提供重要的思路，對改善現(xiàn)行交通中存在的重大問題，具有一定的現(xiàn)實意義。
