（环境工程专业论文）高速公路低碳运营研究.pdfVIP

a b s t r a c t n o wi nc h i n at h ep l a n n i n gm i l e a g eo ff r e e w a yi s16 5m i l l i o nk i l o m e t e r s ( a m o n gt h e m t h en a t i o n a l f r e e w a yi s8 5 m i l l i o nk i l o m e t e r s ，a n dt h ep r o v i n c i a lf r e e w a yi s8m i l l i o n k i l o m e t e r s ) ，i nf a c t , t h em i l e a g eo ff r e e w a yi s 6 1 m i l l i o nk i l o m e t e r s ，s ot h ep o t e n t i a l d e v e l o p m e n ti st r e m e n d o u s i nt h eb a c k g r o u n do fg l o b a lw a r m i n g ，l o wc a r b o ne c o n o m yi s i n c r e a s i n g l yp o p u l a ra n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to ff r e e w a y , t h et r a d i t i o n a lt h o u g h to f h e a v y c o n s t r u c t i o na n dl i g h to p e r a t i o n a l r e a d yd o e sn o tc o n f o r mt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no fn a t i o n a l f r e e w a y , t h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h en e we r ao fo p e r a t i o na n dm a n a g e m e n ti sc o m i n g ，t h i s a r t i c l ep u t sf o r w a r dt h er e s e a r c ho ft h eo p e r a t i o no fl o wc a r b o nf o rf r e e w a y , a n da l s oi s p r o v i d e dw i t hi m p o r t a n ta c t u a ls i g n i f i c a n c e t h ea r t i c l er e s e a r c hi n t ot h eo p e r a t i o no fl o wc a r b o nf o rf r e e w a yf r o mt h ef o l l o w i n gf o u r a s p e c t s ：t h es y s t e mo fl o wc a r b o nm a n a g e m e n t ，t h es e r v i c ea r e ao fl o wc a r b o no p e r a t i o n ，t h e t u n n e lo fl o wc a r b o no p e r a t i o na n dl o wc a r b o nm a i n t e n a n c ef o rf r e e w a y i m p r o v i n gt h e c a r r y i n gr a t ea n dr e d u c i n gt h ee m p t yr a t eo f v e h i c l ec a ne f f e c t i v e l yr e d u c e c a r b o nd i o x i d e e m i s s i o n s ，u s i n gn op a r k i n gf e es y s t e ma n dt h es o l a rp o w e ro fe n t i r ev i d e om o n i t o r i n gs y s t e m a c c o r d 研t hl o wc a r b o nc o n c e p t ，e n e r g yr e d u c t i o ne f f e c ti ss i g n i f i c a n t i no r d e rt ob u i l dl o w c a r b o ns e r v i c ea r e a , c r e a t ea l l d i r e c t i o n a l ，m u l t i - t i e r e da n dw i d e r a n g i n gc h a r a c t e r i s t i c m o d e ms e r v i c ea r e a , w es h o u l da d o p tt h el o wc a r b o nm a n a g e m e n tm o d e ，e n e r g ys a v i n g m e a s u r e sa n dl o wc a r b o ne n v i r o n m e n t a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g y a l s o ，t h ea r t i c l e i n t r o d u c e st h es e t t i n gp r o b l e m so ft u n n e ll i g h t i n ga n dv e n t i l a t i o ni nd e t a i l ，a p p l yt h en e w l i g h t i n gf a c i l i t i e s 、n oc a r r i a g el i g h t i n gc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dl i g h t i n go fe n e r g yc o n s e r v a t i o n t e c h n o l o g y , q u a n t i f yt h ee l e c t r i c i t yo fv e n t i l a t i o n ，a p p l yv e n t i l a t i o no fe n e r g yc o n s e r v a t i o n t e c h n o l o g y , o nt h eb a s i s o fe n s u r i n gt h es a f e t yo ft h e t u n n e l o p e r a t o r st oa c h i e v et h e m a x i m u mo fe n e r g y - s a v i n g ，b u i l dl o wc a r b o nt u n n e l ，c r e a t e “e n v i r o n m e n tf r i e n d l y t y p eo f t h et u n n e l a i m i n ga tt h ee x i s t i n gp r o b l e m so ft h em a n a g e m e n to fm a i n t e n a n c ef o rf r e e w a y , p u tf o r w a r dt h el o wc a r b o nm o d eo ft h em a n a g e m e n to fm a i n t e n a n c ef o rf r e e w a y i nt h e p r o c e s so fm a i n t e n a n c ef o r w a r d ，p a v e m e n tm a i n t e n a n c ei st h ec e n t r a ll i n ko fm a i n t e n a n c e w o r kf o rf r e e w a y , w es h o u l dm a k ef u l lu s eo ft h ei m p o r t a n tr o l eo fp r e v e n t i v em a i n t e n a n c e k e yw o r d s ：f r e e w a y ；l o wc a r b o nm a n a g e m e n t ；l o wc a r b o nc o n c e p t ；o p e r a t i o n i i 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 1 全球气候变暖与c 0 2 排放的现状 当瑞典科学家斯阿累利乌斯1 8 9 6 年首创“温室效应”一词，并预言燃料释放二 氧化碳将导致气候变暖时，当时社会很不以为然。然而这位1 9 0 5 年度诺贝尔奖获得者 不幸言中，2 0 0 7 年政府间气候变化委员会( i p c c ) 以压倒性意见发表的第四次评估报告 表明：人类活动确实影响着气候变化【l 】。 全球地表温度数据表明，1 9 0 6 年- - - 2 0 0 5 年全球平均气温升高了o 5 6 c - 0 9 2 c ， 其中1 9 9 5 年是上世纪最热的年份，而其余11 个最热的年份全都出现在1 9 8 0 年之后【2 】， 科学家预测，到本世纪七八十年代，大气中的c 0 2 含量将翻一番，预计2 1 世纪气温将 继续增加1 1 6 4 ce 3 1 。全球气候变暖是气候周期性波动和人类活动引起温室效应共 同作用的结果，其中，c 0 2 是各种温室气体中最重要的一种，约占总量的2 3 以上。以 下就是2 0 0 9 年全球十大排碳国，详情见表1 1 表1 12 0 0 9 年全球十大排碳国 位次 国家二氧化碳排放总量( 单位：亿吨) l美国 2 8 2中国 2 7 3 俄罗斯 6 6 l 4 印度 5 8 3 5 日本 4 6德国 3 5 6 7澳大利亚 2 2 6 8 南非 2 2 2 9 英国 2 1 2 l o 韩国 1 8 5 附注s 这里未反映各国的人均碳排放情况和单位g d p 碳排放情况 第一章绪论 全球气候变暖使南北极的冰层迅速融化，海平面不断上升。1 9 6 2 年以来，全球海 平面上升的平均速率为1 8 m m 年，而从1 9 9 3 以来平均速率为3 1 m m 年。1 9 7 8 年以来 的卫星资料显示，北极年平均海冰面积已经以每1 0 年2 7 的速率退缩，夏季的海冰退 缩率较大，为每1 0 年7 4 t 1 1 。世界银行的一份报告显示，即使海平面只小幅上升l 米， 也足以导致5 6 0 0 万发展中国家人民沦为难民。而全球第一个被海水淹没的有人居住岛 屿即将产生一位于南太平洋国家巴布亚新几内亚的岛屿卡特瑞岛，目前岛上主要道路水 深及腰，农地也全变成烂泥巴地。正在流行起来的科学是这样判断的：4 0 年内，喜马 拉雅山的冰川，这个数百万人赖以生存的水源，可能会消失；5 0 年内，格陵兰岛的大 冰盖将永远性地融化；极端气候现象的发生频率会加大。 全球气候变暖影响人类生存和发展，自然灾害频发，将深度触及农业和粮食安全、 水资源安全、能源安全、生态安全和公共卫生安全。电影2 0 1 2 形象地描述了由于人 类活动而给地球母亲带来的一系列灾难，几乎集中了电影史上所有灾难：洪水、地震、 海啸、飓风、岩浆，大量体现人类文明的标志性建筑物像豆腐一样被自然的巨大力 量碾碎，几乎是能想象到的人类灾难的极限。 1 1 2 国际背景 面对全球气候变化，急需世界各国协同减低或控制c 0 2 排放。1 9 7 9 年第一次世界 气候大会呼吁保护气候。1 9 8 7 年联合国环境与发展委员会主席布兰特兰的报告我们 共同的未来从一个地球到一个世界拉开人类重新评价西方工业化及其后果，改弦 更张走可持续发展道路的序幕。1 9 9 2 年通过的联合国气候变化框架公约，标志着全 世界1 8 0 多个国家( 缔约国) 一致同意把气候变暖作为威胁人类生存与发展之首要的环境 问题进行治理。1 9 9 7 年联合国气候变化框架公约缔约国通过的京都议定书， 它是人类历史上首次以法规的形式限制温室气体排放，它的通过使世界各国在减缓气候 变暖的进程中迈出了关键的一步。2 0 0 7 年1 2 月，在印度尼西亚巴厘岛举行的联合国气 候变化大会通过了“巴厘岛路线图 ，明确了气候变化谈判机制和时间表，确认了“共同 但有区别的责任”原则，重点解决减缓气候变化问题、适应气候变化问题、技术开发 和转让问题以及资金问题。2 0 0 8 年的世界环境日也提出“转变传统观念，推行低碳经 济的主题，该主题是要求各国共同采取措施，减少碳排放，促进建立低碳经济体系和 生活方式。于环境日当天，联合国环境规划署还正式发行了一个新的刊物一改变碳释 放联合国气候综合指南。2 0 0 9 年1 2 月，在哥本哈根世界气候大会上，无奈的是最终 2 长安大学硕士学位论文 达成了不具备法律效力的协议，但是中国国务院常务会决定我国控制温室气体排放目标 是：到2 0 2 0 年我国单位国内生产总值c 0 2 排放比2 0 0 5 年下降4 0 - - 4 5 ，作为约束性 指标纳入国民经济和社会发展中长期规划。 1 1 3 国内背景 中国政府十分关注气候变化方面的国际谈判进展，并积极参与国际合作项目。早 在1 9 9 0 年就设立了国家气候变化协调小组。2 0 0 7 年6 月，中国正式发布了中国应 对气候变化国家方案。2 0 0 7 年9 月8 日，中国国家主席胡锦涛就曾在亚太经合组织 ( a p e c ) 第1 5 次领导人会议上，一共说了4 回“碳”：“发展低碳经济”、研发和推广“低 碳能源技术”、“增加碳汇”、“促进碳吸收技术发展”，明确主张“发展低碳经济”，令世人 瞩目。2 0 1 0 年1 月2 1 日至2 2 日，低碳中国论坛首届年会在京召开，大会以“发展低 碳经济，共建低碳中国 为宗旨，着力推动低碳城市，低碳产业发展及海内外交流合作， 大会倡议将5 月2 0 日定为“全球低碳日”。 1 2 低碳经济的概念及内涵 在此背景下，低碳迅速成为当下最热门词汇，走低碳之路，是未来世界各国的发展 趋势。“低碳经济”一词最早见诸于政府文件是在2 0 0 3 年的英国能源白皮书我们能源 的未来：创建低碳经济，首次提出了低碳经济的概念，并在2 0 0 5 年对低碳经济进行 了完善，回顾了英国在此期间在发展低碳经济上取得的进步。所谓低碳经济，是指在 可持续发展理念指导下，通过技术创新、制度创新、产业转型、新能源开发等多种 手段，尽可能地减少煤炭石油等高碳能源消耗，减少温室气体排放，达到经济社会 发展与生态环境保护双赢的一种经济发展形态。 低碳经济包含三方面的内容： 低碳经济是相对于基于无约束的碳密集能源生产方式和能源消费方式的高碳经济 而言的。因此，发展低碳经济的关键在于降低单位能源消费量的碳排放量( 即碳强度) ， 通过碳捕捉、碳封存、碳蓄积降低能源消费的碳强度，控n c 0 2 排放量的增长速度。 低碳经济是相对于新能源而言的，是相对于基于化石能源的经济发展模式而言的。 因此，发展低碳经济的关键在于促进经济增长与由能源消费引发的碳排放“脱钩”，实 现经济与碳排放错位增长( 低增长、零增长或负增长) ，通过能源替代、发展低碳能源 和无碳能源控制经济体的碳排放弹性，并最终实现经济增长的碳脱钩。 3 第一章绪论 低碳经济是相对于人为碳通量而言的，是一种为解决人为碳通量增加引发的地球生 态圈碳失衡而实施的人类自救行为。因此，发展低碳经济的关键在于改变人们的高碳消 费倾向和碳偏好，减少化石能源的消费量，减少碳足迹，实现低碳生存【4 】。 1 3 我国高速公路发展历程 高速公路是于2 0 世纪3 0 年代左右在西方国家开始出现的专门为汽车交通服务的一 种基础设施。与普通公路相比，高速公路在运输能力、速度和安全性等方面都具有较为 突出的优势，其通行能力能提高2 _ 6 倍，行车速度可提高5 0 以上，而且还可以降低3 0 以上的燃油消耗，减少1 3 的汽车尾气排放，降低1 3 的交通事故率。因此，它在公路、 铁路、航空和航运等综合运输中具有重要的地位，成为一个国家现代化的重要标志【5 】。 高速公路的快速发展，大大缩短了省际之间、重要城市之间的时空距离，加快了区域间 人员、商品、技术、信息的交流速度，有效降低了生产运输成本，在更大空间上实现了 资源有效配置，拓展了市场，对提高企业竞争力、促进国民经济发展和社会进步都起到 了重要的作用。 为进一步适应国民经济的发展需要，从上世纪8 0 年代起我国开始兴建高速公路， 1 9 8 8 年全长1 8 5 公里的上海至嘉定高速公路建成通车实现我国大陆高速公路零的突破。 1 9 9 2 年，交通部制定了“五纵七横 国道主干线规划并付诸实施，从而为我国高速公路 持续、快速、健康发展奠定了基础。截止1 9 9 7 年年底，我国高速公路通车里程达至u 4 7 7 1 公里，1 0 年间年均增长4 7 7 公里。到1 9 9 9 年，全国高速公路里程突破1 万公里；2 0 0 2 年年 底，我国高速公路通车里程一举突破2 5 万公里。换句话说，中国高速公路仅用了1 5 年时 间就走过了西方发达国家4 0 年的发展历程。2 0 0 4 年9 月，我国发布了总里程为8 5 万公里 的国家高速公路网规划，至u 2 0 1 0 年基本贯通国家高速公路网中的“五射两纵七横 1 4 条路，总体上实现“东网、中联、西通 的目标。截止2 0 0 6 年底，全国高速公路通车 里程超过4 5 万公里，位居世界第二位。目前，中国高速公路规划里程1 6 5 万公里( 其中 国家级8 5 万，省级8 万公里) ，密度是1 7 2 公里百平方公里，实际高速公路里程为6 1 万 公里，发展潜力巨大。可以预计在未来几年，全国每年将建成高速公路3 0 0 0 - - 4 0 0 0 公里， 高速公路处于产业化的快速发展阶段。一些重要省份的高速公路“十一五”规划见表1 2 。 4 长安大学硕士学位论文 表1 2 一些重要省份的高速公路搿十一五一规划 省份2 0 0 5 年( 公里)2 0 1 0 年( 公里)新增长度( 公里)新增占比( ) 山东 3 1 6 35 0 0 01 8 3 75 8 0 8 广东 3 1 4 05 0 0 01 8 6 05 9 2 4 江苏 2 8 8 64 0 0 0 1 11 43 8 6 0 河南 2 6 7 85 0 0 02 3 2 28 6 7 1 河北 2 1 3 52 7 0 05 6 52 6 4 6 浙江 1 8 6 64 0 0 02 1 3 41 1 4 3 6 辽宁 1 7 7 34 0 0 02 2 2 71 2 5 6 1 四i i1 7 5 8 3 1 6 01 4 0 27 9 7 5 山西 1 6 8 63 0 0 01 3 1 47 7 9 4 湖北 1 6 4 93 5 0 01 8 5 l1 1 2 2 5 江西 1 5 5 93 0 0 01 4 4 l9 2 4 3 安徽 1 5 1 02 0 0 04 9 03 2 4 5 广西 1 4 l l 3 0 0 0 1 5 8 91 1 2 6 2 湖南 1 4 0 33 0 0 01 5 9 71 1 3 8 3 陕西 1 2 2 65 0 0 03 7 7 43 0 7 8 3 福建 1 2 0 82 0 0 07 9 26 5 5 6 甘肃 1 0 0 63 0 0 62 0 0 0 1 9 8 8 1 内蒙古 1 0 0 l2 0 0 09 9 99 9 8 0 合计 3 3 0 5 86 2 3 6 62 9 3 0 88 8 6 6 1 4 研究高速公路低碳运营的意义 根据政府气候变化专门委员会( i p c c ) 报告，全球1 9 7 0 - - 2 0 0 4 年间温室气体 排放近7 0 来自于能源、工业、交通以及住宅和建筑四大部门，其中能源供应占 2 5 9 ，工业占1 9 4 ，交通占1 3 1 ，住宅和商业建筑占7 9 。2 0 0 9 年交通运输行 业公路水路废气产生、处理及排放量状况见图1 1 。作为与经济发展密不可分以及与碳 减排息息相关的交通运输业责无旁贷，更应该将低碳理念贯穿其中，打造低碳交通运输 业。 第一章绪论 图1 12 0 0 9 年交通运输行业公路水路废气产生、处理及排放 交通运输业是国民经济和社会发展的基础性、先导性和服务性产业，是推动我国经 济发展和社会进步的强大动力，而作为交通运输业重要分支之一的高速公路，近年来发 展速度迅猛。高速公路建设的里程长、网络密度大，在城市建设土地利用格局中占有的 比例很大，发展潜力巨大。 在此背景下，研究低碳高速公路具有重要的现实意义。随着高速公路的飞速发展， 传统的“重建设轻运营”思想已不符合我国高速公路的实际情况，我国高速公路进入运 营管理飞速发展的新时代。提出一套科学的行之有效的低碳运营措施，最大限度地减少 高速公路对周围环境的影响，达到高速公路运营与环境保护相协调，走可持续发展道 路。打造低碳高速公路，为今后高速公路的低碳运营提供必要的理论指导。 1 5 前期研究及工作基础 在全球气候变化的背景下，以低能耗、低污染为基础的低碳经济日益受到世界各国 的关注。欧盟在应对气候变化、发展低碳经济方面，走在了世界前头。2 0 0 8 年1 2 月，欧 盟就能源气候一揽子计划达成一致，其中一项重要内容就是汽车二氧化碳排放法规和燃 料质量指令【6 】。日本先后发布面向低碳社会的十二大行动、建设低碳社会行动计 划等，其中一项行动就是发展电动车。2 0 0 9 年6 月2 6 日，美国众议院通过的美国清 洁能源安全法案中明确提出，要制定更高的交通能效标准，发展低碳燃料，建设插电 式汽车的基础设施，推动大型交通工具电气化，发展智能交通【7 】o2 0 0 9 年7 月1 5 日，英国 发布了低碳转换计划和可再生能源战略国家战略文件，交通部公布了配套方案 低碳交通战略【8 】。德国是世界上最早修建高速公路的国家，拥有世界最高科技的道 路系统，没有总体的最高限速，交通事故却很少1 9 1 。德国高速公路质量好、管理好、勤 6 长安大学硕士学位论文 加保养、具有最先迸的电子系统【1 0 1 。国外的低碳交通运输业以及先进的高速公路带给我 们众多启示，结合中国的基本国情，探寻中国的低碳交通运输业，打造低碳高速公路是 当务之急。 低碳经济的概念在我国被提出的时间并不长，其发展也是刚刚起步，资金、政 策、经验等都不足，尚处在幼稚阶段。低碳经济的研究尚处在摸索阶段，更多的是 关注于低碳经济的全球化背景、概念内涵、必要性与紧迫性、国外低碳经验对我国 的启式、在我国的可行性以及我国所面临的挑战、政策法规的制定、低碳理念的倡 导、碳排放权交易体制的建立等等。例如，2 0 0 9 年1 月，清华大学在国内率先正式 成立低碳经济研究院，重点围绕低碳经济、政策及战略开展系统和深入的研究，为 中国及全球经济和社会可持续发展出谋划策。低碳经济几乎涵盖了所有产业的领域， 低碳内涵更延展为：低碳交通、低碳建筑、低碳测绘、低碳消费、低碳生活、低碳 城市、低碳旅游等。将低碳与各行各业相结合，研究各行各业低碳发展之路，是实 现低碳经济的必经途径。 交通运输业与人们的生产和生活息息相关，是发展经济的“先行官”，同时，交通 运输业又是能源消耗大户。国外低碳经验带给我们的启式再结合中国的低碳经济发展 现状，探寻中国的低碳交通运输业发展之路，是低碳经济发展的必然趋势。目前，中 国的低碳交通运输业研究尚处起步阶段，2 0 0 9 年，重庆市在实施船型标准化示范项目 中取得了良好的成效，货运船舶的平均单位能耗年均下降1 4 ，并研究制定营运船舶燃 料消耗限值标准。据悉，“青岛港门机作业自动计量系统应用”项目被评为交通运输部第 三批节能减排示范项目。2 0 1 0 年5 月1 4 日，“车、船、路、港”千家企业低碳交通运输 专项行动在湖北武汉杨春湖客运换乘中心启动【1 1 1 。据2 0 1 0 年全国交通运输工作会议精 神，2 0 1 0 年及“十二五”期间，交通运输业将继续推进“两型”行业建设，加快建立以低碳 为特征的交通运输体系【眨】。 据相关资料显示，公路运输和航空运输的碳排放大约占交通运输业的8 5 。作为公 路运输重要分支之一的高速公路，近年来发展速度迅猛，走向低碳交通运输业必然要求 发展低碳高速公路。随着低碳经济的兴起，目前国内还没有开展低碳高速公路这方面的 专项研究。因此，在国内外低碳交通运输业蓬勃发展的基础上，开展高速公路低碳运营 研究，将是具有开拓性质的科学前沿工作，有十分重要的理论意义和实用价值。 7 第一章绪论 1 6 研究目的及内容 在全球气候变暖、低碳经济日益流行、高速公路飞速发展的背景下，本文提出高速 公路低碳运营研究，研究内容以及目的如下。 研究内容： ( 1 ) 通过车辆系统、收费系统、全程视频监控系统、救援系统、提高系统的智能化五个方 面来研究系统的低碳管理，重点介绍不停车收费系统和太阳能供电的全程视频监控系 统； ( 2 ) 通过服务区的低碳管理模式、节能措施、低碳环保污水处理技术三个方面来打造低碳服务区， 重点介绍服务区的低碳管理模式和膜生物反应器工艺( m b r ) ； ( 3 ) 通过隧道运营期的低碳管理、低碳技术两个方面来打造低碳隧道，从隧道照明设置问 题、通风设置问题、监控问题、防火救灾问题、隧道群智能联动控制技术五个方面研究 隧道运营期的低碳技术，重点介绍隧道照明、通风设置问题； ( 4 ) 通过养护管理的低碳模式、路面养护的低碳模式、绿化养护的低碳模式、辅助性设 施养护的低碳模式四个方面来研究高速公路的低碳养护，重点介绍路面养护的低碳模 式。 研究目的： ( 1 ) 通过研究系统的低碳管理，提高车辆通行能力，提高管理效率，采用高科技手段， 完善和优化管理系统，减少对环境造成的污染，达到节能减排的目的，符合低碳理念； ( 2 ) 通过打造低碳服务区，优化管理模式，降低能耗，节约成本，将污染减小到最低限度， 创建全方位、多层次、宽领域的具有特色的现代化服务区； ( 3 ) 通过打造低碳隧道，解决隧道目前存在的突出问题，在确保隧道运营安全的基础上 实现节能最大化，创建“环境友好 型隧道； ( 4 ) 通过研究高速公路的低碳养护，寻求现代化高速公路养护管理对策，寻求高效、优 质、低碳的养护模式，走出一条适合我国高速公路事业不断向前推进的养护新道路。 8 长安大学硕士学位论文 第二章系统的低碳管理 2 1 车辆系统的低碳管理 运营期车辆行驶过程中，汽车尾气排放物和机动车行驶产生的扬尘会造成空气污 染，汽车尾气排放物随路面雨水径流会对水体造成一定的污染，路面径流中的主要污染 物为c o d c r 、石油类和s s 。尤其是化学危险品运输车辆发生交通事故使有毒有害化学 物质泄漏引起严重水体污染，甚至会对下游居民的生活及健康造成威胁，洒落后路面清 洗产生的废水污染危害性也较大。另外，机动车辆的动力系统、轮胎与路面摩擦、震动 和撞击、汽车鸣笛等还会造成交通噪声污染，对环境的影响是长期的，随着营运时间的 推进、营运车辆的逐步增长，影响的程度和范围越来越大。因此，为了降低污染，保护 环境，贯彻低碳理念，车辆作为高速公路运营期的主体部分，责无旁贷，车辆系统的低 碳管理势在必行。 2 1 1 车辆的c 0 2 排放状况 在行驶时汽车不仅排出尾气，而且还从曲轴排出废气以及从油箱和汽化器挥发汽油 等，排出的大气污染物质种类和比例不尽相同，如表2 1 所示【1 3 1 。 表2 1 汽车废物排放表 污染物名称 以汽油为燃料( 鲫)以柴油为燃料( g 1 ) 小汽车载重汽车 二氧化硫 0 2 9 53 2 4 一氧化碳 1 6 92 7 0 氮的氧化物 2 1 14 4 4 碳氢化合物 3 3 34 4 4 c o 在大气中能停留2 个月左右，能被氢氧自由基( h o ) 氧化而生成c 0 2 和氢自 由基或水，由于c o 是一种毒性很强的污染物，为了保护环境，汽车在排放尾气时使用 催化剂将c o 转化为c 0 2 ，因此，进入运营期后，过往车辆排放的c 0 2 成为高碳的最大 贡献者。 2 1 2 提高车辆运载率，降低空驶率 若对过往车辆进行低碳管理，提高车辆运载率，降低空驶率，减少c 0 2 的排放量， 9 第二章系统的低碳管理 符合低碳高速公路的理念。因此，借鉴美国的高速公路，设置一条多人专用通道，规定 只有乘坐4 人以上的车辆才可以使用这条专用通道，同时对于驶入专用车道的车辆实施 优惠收费政策，容纳4 - - 6 人的车辆按常规收费的8 0 收取过路费，容纳6 人以上的车 辆实施七折优惠政策。同时，为了高效管理车辆，在进入多人专用通道前设有专门的停 车场，以便人们互相搭车。提高车辆运载率，鼓励多人共乘一辆车，增加人的通过量， 降低空驶率，节约能源，减少废气污染和交通堵塞现象的发生【1 4 1 。 2 1 3 车辆系统的其它低碳管理措施 ( 1 ) 严格执行车辆排放检验制度和噪声检测制度，利用收费站对汽车排放状况进行抽 查，限制尾气排放严重超标的车辆上路，在每个收费站设置专用噪声检测仪器，对电、 气喇叭，机械噪声进行检测，超标的车辆禁止进入； ( 2 ) 保持高速公路路面干净整洁，尽量保证行驶车辆外表干净，在运送散装含尘物料时 必须有蓬遮盖，减少粉尘飞扬； ( 3 ) 推广使用环保清洁燃料，减少汽车尾气污染，例如m 1 5 甲醇汽油，该燃料已经在陕 西省先后进行了1 1 0 多万公里的路试运行，每升比原标号价格便宜0 1 3 元，使用该燃 料的汽车排放尾气中c o 含量平均减少了3 0 ，碳氢化合物的含量降低了约4 0 ： ( 4 ) 采用科技手段对污染车辆进行处理，如在汽车上安装尾气净化装置，对汽车性能进 行改进； ( 5 ) 对装运有毒有害化学危险物质的车辆实行许可证制度，严格检查、严格监控，加强 对化学危险品运输车辆的管理； ( 6 ) 严禁各种散装、泄漏、超载车辆上路，防治散失物造成水体污染，在恶劣天气情况 下和车流量高峰期，禁止危险品运输车辆上路； ( 7 ) 环境监测表明，车辆拥堵期间氮氧化物、一氧化碳的排放量会增加5 0 ，道路的畅通 无阻和合理的公路出入口布局和设计也是降低大气污染和噪声污染的一个有效途径。通 过科学的交通管理，控制交通流量和车辆行驶状况，合理分流车辆，改善交通条件。 2 2 收费系统的低碳管理 目前，我国多数高速公路采用的是停车缴费的人工或半人工收费体制，造成交通延 误，使车辆处于怠速状态，车速间断，降低通行能力。因此，急需运用自动化收费手段， 实现不停车收费系统。 l o 长安大学硕士学位论文 2 2 1 不停车收费系统的概念 不停车收费系统( 又称电子收费系统e l e c t r o n i et o l lc o l l e c t i o ns y s t e m ，简称e t c 系统) 是2 0 世纪9 0 年代后期出现的高新技术产品，是目前世界上最先进的收费系统。 不停车收费系统( 简称e t c 系统) 是通过安装在车辆挡风玻璃上的车载电子标签 ( o b u ，o n - - b o a r du n i t ) 与在收费站e t c 车道上的微波天线之间的微波专用短程通讯 ( d s r c ，d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n ) ，进行车辆自动识别和有关收费数据的 交换，利用计算机联网技术与银行进行后台结算处理，实现不停车自动收费的全电子 收费系统。 e t c 系统主要由e t c 收费车道、收费站管理系统、e t c 管理中心、专业银行、 车道控制器、费额显示器、自动栏杆机、车辆检测器及传输网络组成。当车辆进 入高速公路车道时，安装在门式收费架上的电子装置即对车载电子标签进行一次读 卡，并在车载收费卡上自动记录该车的车型、牌照、入口时间和地点；当车辆驶出高速 公路时，出口通道的电子装置再次读卡，并对前后两次读卡进行数据交换，得出车辆在 高速公路上的行驶时间、路程及应交纳费用等数据再结合该电子标签记录的车主用户信 息，如车型、车牌号、车主姓名和账户，在几秒钟后自动从该车主开设的账户上实时扣 费。整个过程车主无须停车取票和交费，大大缩短了车辆的过站时间f 1 5 】。 2 2 2 不停车收费系统的低碳理念 ( 1 ) 不停车收费系统提高车辆通行能力 不停车收费系统大幅度提高车辆通行能力，提高效率，目前国内开发的不停车收费 系统可适应车辆以6 0 公里的时速通过收费站，使每车过站时间由3 0 秒缩短至3 秒甚至 更短。研究表明，使用不停车收费系统的电子收费车道的通行能力在8 0 0 - - 一1 0 0 0 辆d , 时 左右，是人工半自动入口车道的2 - - 3 倍，是半自动出口车道的4 - - - 6 倍6 1 。车辆通行能力 得到提高，缓解收费站车辆拥挤现象，减少了交通事故发生的可能性，充分发挥收费站 的作用。 ( 2 ) 不停车收费系统降低燃油消耗 进出收费站车辆刹车、怠速及起动时废气污染物排放量大，使用不停车收费系统减 少了车辆刹车、起步的次数，从而降低燃油消耗，降低c 0 2 排放量。有研究表明， 使用e t c 通行进口、出口可分别节油0 0 0 8 3 升和o 0 2 1 1 升。若使用e t c 的电子 收费车道的通行能力以9 0 0 辆d , 时左右计算，节约l l 汽油可以减少c 0 2 排放量以完全 第二章系统的低碳管理 燃烧2 2 5 4 k g 计算，进口、出口可分别节油7 4 7 升时和1 8 9 9 升时，进口、出口可 分别减少c 0 2 排放量1 6 8 4 k g h 和4 2 8 0 k g h 。使用不停车收费系统可以降低能耗，节 约资源，减少废气污染物排放，降低c 0 2 排放量，经济效益和环境效益显著。 ( 3 ) 不停车收费系统提高收费站管理效率 首先，使用不停车收费系统可以减少收费站工作人员数量，大幅度降低收费员劳动 强度，节约人力和物力。其次，由于收费站工作人员不再接触现金，可避免人为因素产 生的漏洞，减少不必要的损失。最后，使用不停车收费系统有力地抑制“逃票 及贪 污票款的现象，实现了公平付费。总之，不停车收费系统可以提高收费站管理效率，使 收费站管理更加信息化、规范化、公平化。 ( 4 ) 不停车收费系统促进交通智能化发展 车载电子标签具有安全适用和功能可扩展性，可使其具有车辆靠近提示功能以防 因能见度差而发生碰撞。e t c 还可以与g p s 、g i s 相结合，使车载电子标签具有车载 导驶系统和路径诱导系统的功能1 7 】。使用不停车收费系统可以更好地推进我国智能化交 通运输体系的发展，为打造智能化高速公路奠定基础。 2 2 3 不停车收费系统的发展前景 1 9 8 6 年，挪威率先使用不停车收费系统，开创了e t c 的先例，2 0 世纪9 0 年代后 期我国才引进不停车收费系统。目前国内不停车收费系统应用最广泛的是广东省，2 0 0 4 年1 2 月1 8 日，广东省宣布全省基本实现了高速公路联网收费，当时已开通了7 8 条e t c 车道，迄今已有1 0 0 多条，专门用于不停车收费系统的“粤通卡”车载收费卡也公开出 售【1 8 】。西安咸阳国际机场专用高速公路也采用了不停车收费系统。从1 9 9 6 年至今，全 国己有十几个省市相继开通了约3 0 0 多条安装有不停车收费系统的车道。 随着高速公路的飞速发展，收费站因车辆排队停车交费带来的交通拥堵、环境污染 现象日益突出，不利于高速公路的运营。随着经济水平的不断提高，人们对高速公路的 运营要求越来越高，不停车收费系统取代人工收费系统成为社会发展的必然趋势。不停 车收费系统因其显著的经济效益和社会效益，越来越受到人们的欢迎。 2 3 全程视频监控系统的低碳管理 随着我国高速公路里程的不断增加，高速公路对机电项目的要求也越来越高，全国 很多高速公路都相继设置了全程视频监控系统，实现交通事件、事故自动检测报警和2 4 1 2 长安大学硕士学位论文 小时监控录像。高速公路全程视频监控系统的有效实施，及时发现并处理了高速公路上 的突发事件，已经在高速公路交通运行管理中发挥了重要作用。经研究发现【1 9 1 ，从我国 的全国太阳能总辐射量示意图和国家高速公路布局方案图可以看出，我国的绝大多数高 速公路都是处于太阳能丰富区、较丰富区和可利用区内，只有很少一部分处在太阳能贫 乏区，。这为太阳能与高速公路相结合提供了有利条件。为了贯彻低碳高速公路的理念， 在高速公路运营期推荐使用太阳能供电的全程视频监控系统。 2 3 1 太阳能供电的全程视频监控系统的构成 太阳能供电的高速公路道路全程监控系统由太阳能电池阵列、蓄电池组、太阳能充 放电控制器、逆变器、变压器、摄像机和光端机等设备组成，如图2 1 所示。 图2 1 道路全程监控系统太阳能供电组成图 2 3 2 太阳能供电的全程视频监控系统的低碳理念 ( 1 ) 太阳能供电的全程视频监控系统提高车辆通行能力 高速公路全程视频监控系统可实施交通流量、车辆行驶速度和气象检测，对全路段 实施交通实时监控，实时发布交通信息状况，及时发现异常情况并采取紧急处理措施。 实施高速公路全程视频监控系统不仅能提高高峰期间车辆的平均行驶速度，增大高峰期 的交通流量，减轻交通拥挤程度和车辆延滞时间；而且可以减轻雨、雪、大风等恶劣天 1 3 第二章系统的低碳管理 气对车辆行驶的影响，提高车辆通行能力，大大减少交通事故发生的可能性，保证高速 公路高速、安全、舒适和高效率的运营管理。 ( 2 ) 太阳能供电的全程视频监控系统节能减排效果显著 采用全程视频监控系统可以提高车辆通行能力，同时节约燃料，降低燃油消耗和减 少车辆的磨损，减少二氧化碳排放，保护环境。 采用全程视频监控系统可以代替路政人员巡路，节省人力和物力，降低能耗，保护环 境。以全长1 0 0 公里的高速公路为例，每天可减少路政人员两次路巡共计4 0 0 公里，以 百公里耗油8 升计算，每年可节约汽油1 1 6 8 0 升，以每升汽油7 元计，每年节省8 万元 人民币，节约1 l 汽油可以减少c 0 2 排放量以完全燃烧2 2 5 4 k g 计算，每年可减少二氧 化碳排放2 6 3 3 吨。 与采用直埋电缆供电的全程视频监控系统相比，太阳能供电的全程视频监控系统建设 成本低，设备安装及布线简单，电能利用率高，节约能源，污染指数低，后期维护方便， 使用寿命长。以全长1 0 0 公里的高速公路为例，外场摄像机的设置间隔约为2 千米，全 线共布设5 0 套，道路监控系统以每套每天耗电1 2 千瓦时计算，每年耗电2 1 9 0 0 千瓦 时。采用太阳能供电的全程视频监控系统，每年节约电量2 1 9 0 0 千瓦时，相当于减少标 准煤消耗8 8 5 吨。 2 3 3 太阳能供电的全程视频监控系统的优化 太阳能供电的全程视频监控系统符合低碳理念的同时，还存在一些列问题值得我们 关注，如它受各地平均日照时间长短的影响，这点在南方高速路段及山区路段尤其突出， 以及它对天气环境条件比较敏感，设备供电的稳定性问题。因此，我们要对太阳能供电 的全程视频监控系统进行优化，贯彻低碳理念，使它更好地服务于高速公路。 ( 1 ) 可采用风能作为太阳能的补充能源，风能发电是一种将风能转换为机械能，由机械 能再转换为电能的机电装置。利用风力发电，并向蓄电池组充电，把储存在蓄电池组的 电能以直流和交流两种多制式电源，供给视频监控系统使用【2 0 】。 ( 2 ) 利用高性能的蓄电池作为能量的储备系统，采用先进的阶梯式逐级限流充电方法， 依据蓄电池组端电压的变化趋势自动控制多路太阳能电池方阵的依次接通或切离【2 0 】。 ( 3 ) 设计远程监控设备系统，监控太阳能风能供电系统的工作稳定性。将设备运行状态 的相关信息经过处理后，叠加在视频信号上一并发送到监控中心，直接在图像上显示出 来，从而在第一时间了解设备运行的状态，发现故障能够及时排除，保障设备的安全运 1 4 长安大学硕士学位论文 行【2 0 1 。 2 4 救援系统的低碳管理 高速公路交通事故的发生具有随机性和突发性，事故所造成的人员伤亡和财产损 失远高于普通公路【2 l 】。中国每年死于交通事故的人数达7 万人以上，而高速公路事故的 死亡率是一般公路的两倍 2 2 1 。2 0 0 7 年4 月1 3 日，在成渝高速路入城方向“2 5 3 公里 2 7 公里”处，2 0 分钟内5 2 辆车发生连环追尾碰撞，造成5 人死亡3 6 人受伤的特大交 通事故瞄】。2 0 0 8 年1 月，由于暴雪袭击中国南方诸省高速公路一度封闭，滞留人数达 到数万人，滞留车辆最长时达九十公里。有专家曾对中国部分高速公路进行调研，结果 显示到目前为止，中国还有5 9 6 高速公路部门没有建立救援联动机n 2 2 1 。据法国相关 部门统计研究表明，同样伤势的重伤员，在3 0 m i n 内获救，生存率为8 0 ；在6 0 m i n 内获救，生存率为4 0 ；在9 0 m i n 内获救，生存率仅为1 0 以下【2 4 1 。因此，构建高速 公路交通事故低碳紧急救援系统，采取及时有效的紧急救助措施，降低事故死亡率，减 少其它损失，预防二次连锁事故的发生就显得尤为重要。 2 4 1 事故黑点预测及排查技术 高速公路行车事故存在多发路段，亦即“事故黑点 【2 5 】，例如高速公路拐弯路段。 辨识与预测并统计高速公路沿线