实现城际与城市周边公路交通低碳化的新模式

    作者：杜晓敏

    根据《国务院关于加强城市基础设施建设的意见》，全面落实集约、智能、绿色、低碳等生态文明理念，促进节能减排和污染防治，将成为城市发展的重要方面和推动经济全面协调可持续发展的主要途径。运输业能源消耗规模逐年上升，能源消耗的增速高于全社会能源的增速。有研究表明，运输业碳排放量约占全球碳排总量的25%，预计到2050年全球运输活动所消耗能源将翻一番，碳排将大幅增长。要防止和减少运输对人类环境的影响，就必须转变运输发展模式，改善用能结构，出台有效的方案以缓解对环境的影响。由此可见，运输业也是发展低碳经济的重要领域、是减少环境污染的重要途径。据目前公路网现状，我国城市交通正处于快速发展和转型的关键时期，合理规划和利用道路交通资源，降低城市交通碳排，提高交通系统的运行效率，对实现城市交通的可持续发展至关重要。2013年5月23日中国交通部下发了《加快推进绿色循环低碳交通运输发展指导意见》，标志着我国已全面推进落实建设以绿色经济和循环经济为导向的低碳交通运输体系。

    低碳交通是以“低能耗、低排放、低污染”为理念，在全寿命期内以降低能耗和碳排放，形成行车安全舒适、运输高效便利的道路交通系统，其是在低碳经济概念的基础上发展而来的，是低碳经济在交通领域中的体现。对于低碳交通的研究已引起国内学者的关注。宿凤鸣认为低碳交通是以节约资源和减少排放为出发点，结合交通领域的实际，实现交通领域全寿命期内的低碳发展；陈洁行等将低碳交通定义为以低碳经济为发展模式、低碳生活为市民特征、低碳社会为政府建设标准的交通；卫蓝等认为低碳交通是指在交通领域的各个环节，关注能耗和碳排放问题，通过交通结构优化，最大程度地实现节能减排。学者从不同角度对低碳交通进行了定义，普遍认为低碳交通是以较低碳排放为主要特征的交通体系。

    关于如何实现低碳交通，学者们也提出了不同看法。茅林认为低碳交通可以从交通环境保护、节能减排、循环经济和科技与信息化方面出发。郑晓光从道路建设角度，探讨了低碳道路一系列的构建技术。冯立光等指出城市低碳交通系统建设是一项复杂的系统工程，要从交通模式调整、理念转变、技术进步、管理创新等方面综合考虑。魏庆琦等分析交通运输结构变化对碳排放的影响，提出低碳交通运输的碳排放和结构优化。本文基于低碳经济的基本理念，从城市交通规划设计的思想上提出一套全新的城际与城市周边公路交通模式，认为通过对道路的全新规划和设计，不仅可以满足城市基本交通需求，缓解交通拥堵问题，提高道路运行效率；而且能够最大限度地减少道路碳排量，推动城市的低碳建设。

2低碳经济下新型公路交通模式研究

2.1  低碳经济下新型公路交通模式研究总体构想

    交通出行的低碳化是低碳交通模式发展中最直接的呈现形式，同时又是建设低碳交通模式发展的基础支撑。在人们的日常出行结构中，各种交通方式的分担比率组成了城市交通出行结构。在交通出行结构中，低碳交通方式所占构成比例越高，碳排放强度将会越低。小汽车作为构建低碳交通模式发展的适当补充，也是碳排放强度较高的交通方式，是交通出行必不可少的低碳优化环节，因此对于小汽车的低碳优化迫在眉睫。

    本文认为小汽车出行的低碳化应从开源、节流两方面着手：开源即从小汽车本身人手，在技术层面进行减碳，例如新能源小汽车、混合动力汽车、能源替代转化小汽车等低碳小汽车的研发；节流即是从道路优化方面人手，在道路结构优化层面进行减碳。本文的思想即是从节流方面着手的。

    在低碳交通理论的指导下，结合微观交通排放模型(Micro- TEM)，以封闭式公路作为一种替代方法，提出的道路交通模式主要思想是构建在城市外环或城际之间车少用油或基本不用油的公路交通模式，能有效的利用重力势能为车提供“潜动力”，从而有效降低车尾气的排放。

    新型公路模型设计的总体构想是把城市外环或城际公路划分为三段：第一段是在交通始端修建提升装置将车提升至某高度，再利用势能和驱动力让车加速；第二段为行驶的主要路段，在该段利用适当倾斜角度而存在的重力分力抵消车行驶中需要

克服的各种阻力实现滑行行驶；第三段是车将到达目的地前几公里段，该段撤销倾斜角度，使车行驶在平整的公路上，以便车流分解。具体见图1。

2.2新型公路交通模式设计方案

2.2.1  新型公路模式宏观设计

随着城市内部车流数量剧增，各大中城市均建有外环公路、绕城公路，城市与城市之间有高速公路，但对汽油的消耗，时间的耗费并不因此得到很好的改善。新型公路设计构思源于下行段利用车重力、牵引力与摩擦力之间的力学关系，从而达到车行驶过程中能量消耗最低、碳排放量最少的状态。该设计突破公路坡度的限制，也可以说滑行距离的限制，新型公路模式设计按照城市周边的大小，小城市可设计成四边型，中等城市可设计成五边型，大城市可设计成六边型、七边型的有坡度的公路。俯视图如图2所示。

从城市的一端到另一端和一个城市到另一个城市是相互的，有来有往，形成一个整体的道路系统，侧视图如图3所示。

2.2.2新型公路模式三段设计

    (1)加速段设计

新型公路在一定程度上认为是用清洁的电能来代替汽油驱动，提升系统设计是核心，关键在于提升高度的设计。为了更加清晰地描述新型公路的运行状态，加速段计算模型见图4。

基本思路是沿公路斜面向下的重力分力减去所受主要阻力后使车加速下滑，此段设计中只是考虑主要影响因素，公式推理结果如下：

注上式中a:图4中坡度，u：路面对车阻力系数，F：车牵引力，f下滑的时间，g：重力中速度，m:车质量，S1：第一斜面长度，相应符号含义下同。

已知公路路面车轮阻力静摩擦系数如表1所示，新型公路设计方案中取车在混凝土路面的静摩擦系数作为初始参考数据，即u=0.018。

    参照公路设计规范，取最大坡度12%，C(=6.8。代入(1)式：

由(2)可知：此坡度可使车获得的加速度。车的启动速度以作为测试标准，据车位移、速度和加速度之间的关系进行计算，如表2。

考虑车加速时的油耗成本和道路长度增加所带来的造价问题，根据S、v、a关系，取车第6s加速到的数据16.67m/s(60km/h)．代入(2)式：

    即在6s内达到的速度，需要使车获得的加速度，因坡度可使车获得加速度，则需要发动起提供牵引力F获得的加速度为：

注：现：加速，L．：图4第一斜面对应水平长度，^：图4第一斜面对应竖直长度，对应符号下同。

    (2)滑行段设计

新型公路第二段为滑行段，令该段高度h，倾角B。在该段受力如图5。

车在公路上行驶，阻力来自各方面不同程度的影响，如车速，轮胎与路面的摩擦、空气阻力、风速等。因空气对行驶车的阻力无规可循且车不是绝对的直线运动，本文研究中暂不考虑。初始运行静止的车在路面平衡状态受力：

据平面内受力平衡，令(3)、(4)相等推出结果：

注：f：车在第二斜面所受阻力的合力，p：第二斜面水平夹角，G：汽车重力沿第二斜面向下分力

查阅资料得出有限点对应速度摩擦系数，曲线拟合如图6所示。

    分析图6知v为60km/h时的滚动摩擦系数u=0.003，且目前这个道路水平是可以达到的，代入(9)式p=0.172。。则tan p=0.003=3/1000，即车每行驶lOOOm水平距离，下降3m高度．。考虑高架桥的高度通常为二十多米作为参考；通常10km的路段内，道路至少设三个交通灯，以平均等待15s计算，至少需等待15*3=45s。新型公路综合考虑高度和时间合理性，总提升设计为30m(提升=1m/s，用时30s，则第二段高为30-5.9=24(m)。

    所以第二段长。

    (3)减速段设计

第三段是公路的减速段，该段的主要目的是为了使车以较平缓方式降低车速，让车辆安全的进入下一段新型公路或驶出新型公路。本段的设计是在新型公路两段之间的衔接处建一类似转盘。一方面使上段公路下行的车辆顺利进入下段下行路段或通过匝道驶出新型公路；另一方面方便普通公路车辆通过匝道驶入新型公路，周围有驶出新型公路的出口也有进入下段新型公路的入口。

    根据车辆制动速度距离关系，第三段设计2000m左右，便于计算本文取1950m，则三段设计总距离为10km左右。

    综上设计理念分析，新型公路提升总体高度大约30m，每次提升可行驶里程lOkm。第一段提升装置可采用智能感应提升系统，在有车驶来的时段提升系统即开始运行或者运行速度有所提高，在无车的时间段提升系统即停止或者速度慢下来，以此来解决车流不连续而导致提升系统的空载运行。当减碳所带来的收益大干提升系统所花费的代价时，对于小汽车拥有者来说，在碳排放私有制建立后，其出行将偏重于新型公路的选择，从而减轻普通公路的压力，与新能源汽车共同组成低碳出行结构。在主要行驶路段，即第二路段，并非局限文中所说的三车道设置，可根据实际情况增减。此路段类似高速公路，通过限制车速、车距、设置紧急停车带等措施来尽可能减少规避交通事故的发生。

3新型公路经济计算分析

    调研分析取证，目前该公路建设成本与建外环线或城际高速大致相等；而安全事故发生概率也不由坡度滑行而增大，因车通过提升系统逐个行使，有时间间隔，第二段行驶过程中，车速是一定的，一般不会超车或拥堵。

    在新型公路模式下，假设该公路系统车流量为120辆/h/车道，车的均重为2t，平均每车次每天在该公路系统上面行驶路程为50km，油耗为10L/100km。若一天按12h，一年的油耗为7884000L，各段耗能计算：

    第一段：50m，加速过程耗能计算，根据公式(4)：1.778/2.778= 64%;

    第二段：8000m，自由流速，因空气对行驶车阻力作用无规律可循且车不是绝对的直线运动，测试取能耗为1%;

    第三段：1900m，按现行公路行驶考虑，可不计算节约能耗。

    总能耗计算：    节油费率(50*64%+8000*1%+1900)/(50+8000+

1900)=20.22%，取20%计算(油价按7.0元/L)；

    耗电能费(电费1元/kw．h);

    节约耕地费（只考虑公路中可利用的黄金地段3km，第4节潜在效益）。

若宽放车流量的增幅系10%、20%，则经济运行各数据见表3。

    由此可见，该道路模型不仅满足城市低碳发展、兼顾人与自然和谐相处的要求，而且在全寿命期内与目前城市高架相比具有较好的经济优势。同时随着城市规模的扩大，该模式的经济效益优势将更加凸显且使城镇的资源运作和价值创造更加绿色、更有后劲。

4新型公路设计思想所具有的社会优越性

    (1)通行量大、可达性提高

    该公路建造在原有道路之上，这等于在上部空间增加了4或6个车道的通行量，能使更多的车辆通过。该公路第一、第二段是全封闭路段，行车条件好，减少车辆行驶中停车次数，这能使行驶的车辆不受慢速路的干扰，以较快的速度行驶，且跨越了所有的交叉路口并无红绿灯的阻碍，避免了同其他车辆争抢地面道路，节约时间，提高了城际及市区主要节点的联系频率。

    (2)节能、环保，促进洁净能源开发

    该公路而非单纯以增加道路设施供给为改善方式，而是在不妨碍人们出行机动性的基础上，尽可能降低城市交通带来的环境后果。与新能源车和低碳生活共同构成低碳交通体系。另外，其设计思想将推动生产方式创新，促进洁净能源的开发利用，提高附加值，进而最大限度的减少碳化合物的排放量。

    (3)潜在社会效益

    此新型公路带来的直接效益有运输成本降低，市中心拥挤减少，节约在途时间，市中心车小时数减少等。另外，加强与外省联系促进经济发展，还能有效地带动沿线房地产开发及第三产业的发展，增加收益。由于该公路起始段比一般高架高5～10m，这就拓宽了可利用程度，根据需要可在之下增加停车场，公交调度服务中心，郊区路段甚至经过声隔断处理可设置居民房。

5结语

    低碳交通模式的实施和运作需要政策创新与市场机制的有机结合，要求政府通过战略规划引导，妥善处理政府和市场“两只手”。需有关政府部门综合运用各种手段，充分发挥主导作用。另外，还应坚持以市场为导向，完善碳排放交易市场，碳排放产权制度，充分发挥市场配置资源的决定性作用，有效调动企业及个人作为节能减排主体的能动作用，充分调动公众的积极性，引导公众选择低碳交通方式，形成政府引导、市场调节、企业主体、公众参与的低碳交通发展长效机制。

本文提出的全新城际与城市周边公路模式，既从道路构想和模式设计方面验证了该模式的可行性，且分析了各段低碳的实现途径，又从经济方面就其比较优势进行了分析，并验证其模式下新型公路的经济效益。本道路技术标准高，使车辆排污量大大减少，节约能耗、降低污染，并减少交通拥堵，利于车辆分流，提高运行效率，但此新型公路是一种新思路，创新超前，需要突破一些常规理念进行对待。该模式为低碳交通的发展提供了新的思路和途径，并对交通发展战略和公共政策制定提供理论支撑，也为促进我国城市低碳发展提供了有益的借鉴和参考。

6摘要：

随着人们收入的不断提高及汽车业的快速发展，汽车大量进入普通家庭，但由此产生的碳排放带来的城市环境问题也日益严峻，如何落实低碳交通理念，消减碳排放，已成业界研究的焦点；另外，近年来交通堵塞亦愈发严重，如何解决此问题也一直是困扰人类的难题。本文就如何在低碳经济下发展公路交通进行研究，从城市交通规划设计思想上提出一套全新模式。首先在交通始端将车提至某高度，利用重力和动力使车加速；其次是关键路段，在该段利用倾斜角度使车实现匀速行驶；最后是到达目的地前几公里段，让车行驶在平整公路上以便车流分解。在此思想模式引导下，做出新型公路设计，并对其进行分析。这种创新将丰富低碳交通的理论和方法体系，为建设低碳运输提供重要的思路，对改善现行交通中存在的重大问题，具有一定的现实意义。