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基于碳足迹测度模型的TransCAD二次开发陶涛，黄家骏，蒋聪之，陈智指导教师：过秀成，李铁柱，朱彦东（东南大学交通学院江苏南京）作品内容简介随着世界各国对环境问题的日益重视，其中全球变暖和大气污染问题更为收到人们的关注，相关研究也变得十分重要。本文通过对交通运输过程中产生的二氧化碳及空气污染物排放过程进行研究，整合了国内外已有的排放理论，构建出合理的排放量计算模型，同时结合TransCAD的GISDK二次开发平台，设计二氧化碳排放与空气污染物排放量计算与评估功能，对交通规划方案或者现有的城市道路方案进行二氧化碳排放及空气污染物的计算，对所得数据进行分析，评估方案的二氧化碳排放及空气污染物对环境影响的大小，使规划方案更好地反映城市“低碳”和“环保”发展的诉求。最后，将所开发的软件用于南京市江心洲城市交通规划方案，对三个备选规划方案进行评价，筛选出更为符合低碳生态要求的规划方案，实现环保理念。关键词：碳足迹；空气污染物；TransCAD软件；二次开发1.研究背景据奥斯陆气候和环境国际研究中心的研究报告称，汽车、轮船、飞机和火车等交通工具所使用燃料释放的温室气体是目前造成全球变暖的主要原因之一。报告指出，过去10年全球二氧化碳排放总量增加了13%，而源自交通工具的碳排放增长率却达25%。欧盟大部分工业领域都做到了成功减排，但交通工具碳排放却在过去10年增长了21%。碳排放在实质上和污染物存在着关系，碳排放的增加很大程度上将导致污染物的增加。目前交通产生的污染在很多国家尤其是发达国家已经成为一个重大环境问题。即使在环境优美的欧洲，交通污染也是相当严重的。全欧洲由道路交通产生的CO、NOx分别占CO、NOx总排放量的80%及60%左右，其中，在伦敦市，路面机动车产生的NOx占总排放量的74%，烟尘(主要是CO)占94%。可以说现行的交通工具对区域性的大气污染的“贡献”已经占到第一位，总体而言已经超过了工业污染。现有的路网规划方案内容仅仅涉及道路的走向、布局、设计车速、交通量等方面，并没有考虑到碳排放要求。如果考虑碳排放量，将会带来以下好处：（1）发现很多道路设计不合理之处，使规划方案更具有合理性。通过比较不同的设计方案的碳排放量，可以评价道路网的可达性。往往因为道路间没有很好的衔接，而产生了多余的二氧化碳。（2）从环保角度合理配置各种交通方式，使规划方案更具有效率性。对各交通方式进行统一的管理，保证道路的畅通，也是降低碳排放量的途径之一。同时，确保各交通方式的衔接，引导人们使用低碳、清洁的交通工具。（3）鼓励规划工作者考虑新型环保节能交通方式，使规划方案更具前瞻性。例如可以通过加大轨道交通的建设力度，保障公交优先政策的实施，以减少小汽车的使用率。因此，本文通过对交通运输过程中产生的二氧化碳及空气污染物排放过程进行研究，构建出合理的排放量计算模型，同时结合TransCAD的GISDK二次开发平台，设计二氧化碳排放与空气污染物排放量计算与评估功能，对交通规划方案进行二氧化碳排放及空气污染物的计算，对所得数据进行分析，评估方案的二氧化碳排放及空气污染物对环境影响的大小。2.研究流程3.理论基础碳足迹测度模型就是对碳排放量进行计算的模型，对于二氧化碳排放模型，我们主要基于车辆燃料消耗进行建模，对于一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物等空气污染物排放模型，我们主要基于车辆排放因子进行建模。3.1基于车辆燃料消耗的二氧化碳排放模型城市交通领域的二氧化碳排放来自于车辆燃料消耗，我们基于碳守恒原理，对于二氧化碳的排放进行计算，假定车辆消耗燃料产生的碳全部通过二氧化碳的形式排放到外界。3.1.1基本计算公式车辆在行驶过程中的二氧化碳排放量为（3-1）其中，M——车辆行驶过程中因燃料消耗所产生的二氧化碳排放量，单位是kg；v——车辆每公里消耗燃料的平均体积，单位是/km，S——车辆行驶的距离，单位是km，D——车辆所消耗的燃料的密度，单位是，R——燃料的含碳质量比，单位是1。M(CO2)—CO2的相对分子质量，数值为44。M(C)—C的相对原子质量，数值为12。3.1.2变量讨论由上述讨论得到的公式（3-1）我们需要知道四个数据才能计算出车辆在行驶过程中的二氧化碳排放量，然而对于这四个变量，在不同情况下需要作出相应的变化以计算出更加精确的二氧化碳排放量，因此我们对于公式中的各个变量进行了深入的讨论研究，详情请见项目研究报告。3.2基于评价因子的空气污染物排放模型机动车排放污染物的方式有三种：排气（尾气）、曲轴箱窜气、燃油蒸发。排气尾气成分有CO、HC、NOx、SO2、微粒（铅化物、碳烟）、臭气；曲轴箱窜气主要成分HC（约占25%）；燃油蒸发HC（约占20%）。表列出了机动车排放污染物三种方式排放量对比，从中可以看出，机动车排放污染物主要以排气管排放的废气为主。同时，也可以看出CO、HC和NOx占了排放物的绝大多数。同时我国也将这三者列为车辆主要空气污染排放物。因此，本文研究选择CO、HC和NOx作为城市交通机动车排放污染物的评价因子，应用于城市交通规划。3.2.1基本计算公式交通污染物排放量计算公式为（3-2）式中，——路段i机动车p类污染物排放量，g/h；——路段i里程（km）；——路段i运行工况下j型车p类污染物排放因子，g/（veh·km）。在交通规划软件分析过程中，通过交通分配以后可以确定交通网路中各路段的运行状态，排放因子可以通过拟合公式计算得到。3.2.2南京市机动车污染物排放因子表2-7汽油车污染物排放排放污染物的部件相对排放量（占该污染物总排放量的百分数）/%COHCNOx排气管98~9955~6598~99曲轴箱1~2251~2油箱、化油器010~200通过MOBILE软件可以得到污染物排放因子，事实上，机动车污染物排放因子不是一成不变的，对在用车来说，不同程度治理的车辆之间有着很大的差异。排放因子对不同的地区、不同的城市的具体情况可以取不同的值，特别是公路和城市道路的排放因子的差异比较大。在世界一些国家，由于缺少足够的有效数据，常常使用MOBILE模式计算排放因子。但是MOBILE是基于美国道路情况所确定的模型，应用到我国还需要经过参数的调整，这里我们不作详细的介绍了，具体的可以参考《城市交通系统能源消耗与环境影响分析方法》（王炜、项乔君、常玉林、李铁柱、李修刚编著）的内容。4.基于TransCAD的GISDK平台的软件二次开发本程序采用GISDK（地理信息开发工具）下的CaliperScript编程语言编写，主要是为了实现对二氧化碳和空气污染物排放量的计算。为了保证程序使用的稳定性和便捷性，我们设计的程序一级结构图如下：图4-1一级结构图（1）数据层针对程序中所需的空气污染物排放因子数据文件和速度-油耗关系数据文件进行读取、存储和修改。（2）操作层为程序的主体部分。利用CaliperScript语言，实现如下功能：a、获取数据层里数据，并进行查看、修改；b、相关参数的录入；c、对二氧化碳和空气污染物排放量计算；d、对计算结果进行智能分级显示等。为了使用户操作方便，程序将从已获资源（处理对象）中提取可能信息，并使用下拉菜单供用户选择。（3）表现层TransCAD中的GISDK对于程序外观、布局的编写具有比较大的局限性。虽然它所提供的对话框项目有15种，但程序中所有的框架、项目均要输入确切的位置参数，大小参数，且无法对于其背景、外形、字体进行修改。为了增强用户体验，我们采取选项卡列表形式的程序主框架，配合按钮（Pushbuttons）、复选框（Checkboxes）、滚动列表（Scrolllists）、文本项（Textitems）、下方弹出菜单（Popdownmenus）、编辑项（Edititems）等对话框项目的布局，使程序整体简约而直观。选项卡列表分为3个：基础设置、污染物排放、二氧化碳排放，以区分计算对象（见图4-2）。从数据层所读取的数据，可选择性展示在滚动列表中，双击列表中的一行，可弹出对该行部分数据的修改。图4-2主体框架图除此之外，我们在数据计算结果的显示上，也下了功夫：采用渐进色配合线条粗细的形式，体现结果数值的递增。5.实例分析在软件开发完毕后，我们进一步将软件应用于实例，主要是对南京市江心洲城市交通规划设计方案进行二氧化碳和空气污染物排放的计算，并比较三种规划方案之间在交通排放领域的差异，并给出规划方案调整建议。针对三种不同的规划方案，我们采用所开发的模块对其未来的二氧化碳和空气污染物排放情况进行计算，得出二氧化碳和各项空气污染物的排放量和直观的显示图，以此为基础对三种方案进行横向的对比评价，根据评估结果选择比较环保可行的交通规划方案，具体的实例分析过程和结果请见项目研究报告。6.创新特色（1）基于TransCAD的GISDK平台的二次开发功能的实现完全基于TransCAD的GISDK平台，通过结合TransCAD强大的宏观规划能力和GIS功能，使软件能应用于交通现状评估和交通规划中，提高了软件的普及性。（2）软件的集成性所开发的软件模块集成了排放量计算、数据分析和数据展示等功能，不仅不需要借助其他软件，而且减少了用户的操作，增加了计算和操作的便捷性，也使对于不同交通规划方案的环境评估变得更加可靠、直观。（3）理论的整合和升华由于当前在道路网规划中，尚未将低碳的理念应用其中。因此我们整合了其他学者对于二氧化碳和空气污染物排放模型研究成果，结合规划的特点，提出了合适的模型。（4）对于南京市江心洲城市交通规划方案的应用将软件应用于南京市江心洲规划方案，对三个备选规划方案进行评价，筛选出更为符合低碳生态要求的规划方案，实现环保理念。7.研究结论（1）本文对于国内外二氧化碳和空气污染物排放方面的模型进行了比较系统的研究，结合国内外相关研究经验，对现有的模型进行筛选、整合，形成了一套比较完善、系统的排放模型。（2）在理论研究的基础上，基于TransCAD的GISDK平台进行了软件的二次开发，设计了具有二氧化碳和空气污染物排放量计算和评价的功能模块，同时对该模块增加一些方便数据处理和数据展示的功能。（3）对南京市江心洲城市交通规划方案进行了实例应用，针对所提供的三种不同的方案，分别采用研究开发的计算模块进行了二氧化碳和空气污染物排放量的计算，并对于计算结果进行了横向的评估，最后，对于三种规划方案进行了评价。参考文献[]HuangY，BirdR，BellM．Acomparativestudyoftheemissionsbyroadmaintenanceworksandthedisruptedtrafficusinglifecycleassessmentandmicro-simulation[J]．TransportationResearchPartD，2009，14：197-204[2]王建昕，傅立新，黎纬彬编著．汽车排气污染治理及催化转化器[M]．北京：化学工业出版社，2000．5.2-21，76-93.[3]北京市汽车研究所，清华大学环境工程系，广州市环境监测中心站，中国环境科学研究院．中国典型城市机动车排放污染现状评估.研究报告．1997．12：2[4]邓顺熙，陈洁李，白川．中国城市道路机动车CO、HC和NOx排放因子的测定[J]．中国环境科学，2000，20(1)：82-85[5]周泽兴，袁盈，刘希玲等．北京市汽车行驶工况和污染物排放系数调查研究[J]．环境科学学报，2000，20(1)：48-53[6]傅立新．MOBILE汽车源排放因子计算模式研究[J]．环境科学学报，1997，17(4)：474-479[7]ZhangL，HuangZ．Lifecyclestudyofcoal-baseddimethyletherasvehiclefuelforurbanbusinChina[J]．Energy，2006，32：1896-1904.[8]李骞，张天柱．北京市道路交通活动对环境的压力分析[J]．生态经济，2004，20：35-41；LiQ，ZhangTZ．Theenvironmentalpressureofro