周展鸿　蔡　铭

(中山大学工学院广东省智能交通系统重点实验室　广州　510006)

基于IPA尾气成本的人行天桥综合效益评估研究*

周展鸿蔡铭

(中山大学工学院广东省智能交通系统重点实验室广州510006)

摘要：结合微观交通仿真、微观尾气排放模型和行人过街数学模型，计算了人行天桥对所在路段机动车的行程时间、油耗和各类尾气污染物排放量，以及行人过街时间的影响.同时，建立了一个基于IPA尾气污染物经济成本的综合经济效益评估模型，将以上三方面的影响转化为货币形式，从而综合评估人行天桥的价值.对广州市海珠区一处人行天桥进行案例研究.研究表明，该评估方法能全面、有效地评估该人行天桥的价值.

关键词：人行天桥；尾气成本；微观交通仿真；微观尾气排放模型；综合经济效益评估

周展鸿(1991- ):男，硕士生，主要研究领域为交通设施及交通政策综合评价

0引言

目前，国内外有大量的研究分别针对交通基础设施造成的各方面影响进行分析[1-6].近年来，微观交通仿真能良好地模拟实际路网中的交通流运行状况和车辆油耗、尾气排放情况.越来越多的学者用此方法来计算交通设施对交通流、机动车油耗和尾气排放的影响，并将其作为评价交通设施的依据[7-8].

同时，由于交通基础设施建设成本高，决策者常使用成本-效益分析来评估设施建设的经济性与必要性[9].传统的成本-效益分析主要针对显性成本(如建设费等)进行分析，而忽略了受到设施影响后，交通流、机动车油耗和尾气等因素变化而产生的隐性收益与成本.因此，综合考虑交通基础设施在交通出行、油耗和尾气产生的经济效益，能更加全面地评估交通设施的优劣.

美国运输部建议在对交通运输计划作经济评估时使用全国平均工资作为行程时间的衡量标准[10]；Yoshioka等[11]在分析日本伐木余料收集运输系统的成本和油耗时，使用国内油价作为衡量油耗经济成本的标准.李璐等[12]曾使用我国的排污费征收标准来衡量路网中各种尾气污染物的经济费用以评价人行天桥的节能减排效果.但是该标准的科学依据并非十分清晰，以此作为污染物的转化标准可能不尽合理.而由影响路径分析法(impactpathwayapproach,IPA)得到的尾气成本则由欧盟委员会资助研究，能在货币上合理地反映机动车尾气污染物对人体、农作物及建筑物材料等的影响[13].该标准更具系统性与科学性，并在欧洲被广泛应用于交通尾气污染经济成本的评估[14-15].

本文基于IPA尾气成本，综合人行天桥产生的各类影响，评价人行天桥的价值.最后，应用本文所建立的评估方法对文献[12]的人行天桥进行案例分析，并与文献中结果进行对比.

1人行天桥综合经济效益评估方法

本文建立的人行天桥综合效益评估方法包括以下3部分：机动车尾气排放与油耗动态模拟，行人过街数学模型;基于IPA尾气成本的综合经济效益评估模型.在此，假设人行天桥建设前，行人过街位置为一个信号控制人行横道.

1.1机动车尾气排放与油耗动态模拟

本文选用QuadstoneParamics作为微观仿真平台，选用综合排放模型CMEM作为微观排放模型.该模块主要通过耦合上述两者实现.通过把CMEM模型编写成Paramics插件，并在交通仿真的过程中调用，便可实现Paramics与CMEM模型在软件上的连接.

特别地，Paramics仿真平台中的车型主要根据实际交通流中车辆类型(如小型车、中型车、大型车等)进行设置，而CMEM则在此基础上依据车辆排放标准、催化器使用等排放相关属性将车型进一步分类.可见，两者的车型分类根据CMEM的车型分类标准，将Paramics中的车型进行细分，并重新设置Paramics车型目录，使每种Paramics车型都能与某一种CMEM车型相对应，从而实现在仿真中逐秒计算路网中每辆机动车的排放和油耗.

使用Paramics构建人行天桥建设前后的两个路网模型，加载上述模块，并在仿真结束后利用Paramics的Analyser获取仿真过程中的总行程时间，便可输出天桥建设前后所在路段的各尾气污染物的排放量、油耗量及总行程时间.

1.2行人过街数学模型

对于建桥前，行人需经过信号控制人行横道过街.本文利用行人在顺畅时穿过人行横道的平均时间和在信号控制下过街的平均延误，求出行人在信号控制下过街的平均时间，再结合在时间T内过街的总人数，则可计算出天桥建设前总行人过街时间，其数学表达如下.

(1)

对于建桥后，本文假设行人能顺畅地通过人行天桥过街.则在该情况下，仿真时间T内，总行人过街时间可表达为：

(2)

式中:t2为行人通过人行天桥的平均时间,s.

由式(1)和(2)，便可获取天桥建设前后行人过街的总时间.

1.3基于IPA尾气成本的综合经济效益评估模型

IPA尾气成本是由影响路径分析法计算得到.该方法针对每种尾气污染物建立了一系列的损伤函数，计算出尾气浓度增加后当地死亡人数、呼吸道疾病数目及农作物产量等因素的变化量，随后结合上述因素的成本，从而计算出每种尾气污染物的成本因子.

本综合效益评估模型运用该评价标准，将人行天桥对机动车排放的影响转化为经济效益.同时，使用国内汽油平均价格和天桥所在地的人均收入作为油耗和行程时间的衡量标准，计算人行天桥的燃油、行车和行人经济效益.

1.3.1排放经济效益

在机动车尾气中，NOx,HC和PM2.5具有较大毒性，常被包含在交通尾气排放成本的评估中.因此，本文选取建桥前后NOx,HC和PM2.5排放成本的变化量作为人行天桥的排放经济效益.

欧洲IMPACT计划根据影响路径分析法计算出欧洲地区各种尾气的成本(成本以2000年欧元为单位)[16].而ExternE计划指出，可利用成本应用地区与研究地区的人均购买力平价之比对各种尾气成本进行转化，供其他地区使用.因此，本文使用2000年中国与欧盟的人均购买力对欧洲地区IPA尾气成本因子进行本地化，得我国城市地区机动车尾气成本因子，见表1.

表1　我国城市地区机动车尾气成本因子

根据表1数据，人行天桥的排放经济效益的数学表达如下.

(3)

式中:Pi为第i种尾气污染物的成本因子,元/kg；Mpre,i和Mpost,i分别为建桥前后仿真数据记录时间内第i种污染物的总排放量,kg.

1.3.2燃油经济效益

人行天桥的燃油经济效益可表示为建桥前后油耗变化量的经济效益，如下式所示

(4)

式中:F为国内汽油平均油价,元/L；MFpre,MFpost分别为天桥建设前和建设后仿真数据记录时间内机动车产生的总油耗,kg；ρ为汽油平均密度，取0.73kg/L.

1.3.3行车经济效益

先根据各车型的比例、载客量,以及总车辆行程时间，求出所有乘客的总行程时间.则人行天桥的行车经济效益为建桥前后乘客总行程时间成本的变化量，见式(5).

(5)

式中:S为人行天桥所在地的人均收入,元/h;VTpre,VTpost分别为人行天桥建设前和建设后仿真数据记录时间内机动车的总行程时间,h;aj为第j类车所占的比例,%;Cj为第j类车的载客量,人.

1.3.4行人经济效益

人行天桥的行人经济效益由建桥前后总行人过街时间变化量的经济效益计算求出.

(6)

式中:tpre和tpost分别为人行天桥建设前后总行人过街时间,h.

1.3.5综合经济效益

计算出人行天桥的4种经济效益后，将4者相加，可得人行天桥综合经济效益，具体表达式见式(7).此综合经济效益值综合了人行天桥产生的四类影响，并作为衡量人行天桥价值的性能指标.

(7))

2应用实例

由于本研究充分掌握文献[12]实例——广州市海珠区的一处信号控制人行横道改建人行天桥的道路线型、交通流和当地人均产值等数据，因此本文仍选择该实例应用所提出的基于IPA尾气成本的人行天桥综合效益评估方法，分析人行天桥对该路段的交通流和行人的影响，并与文献中的结果进行对比.

2.1数据收集及模型搭建

1) 交通流数据西向东为1 630veh/h，东向西为1 390veh/h.其中，小型车、中型车、大型车和公交车的比例分别为73%,16%,2%和9%；假设上述车型的载客量分别为1人,1人,1人和20人.

2) 信号控制数据被改建的信号控制人行横道有4个相位，周期时长为240s；其中，车辆通行相位1为24s，行人通行相位1为40s，车辆通行相位2为124s，行人通行相位2为40s；所有黄灯时间为3s，全红时间为0s.

3) 行人过街数据行人在顺畅时穿过人行横道的平均时间为18.71s，通过人行天桥的平均时间为55.32s，行人的到达率为0.283 人/s.

本文根据人行天桥周边路段的道路几何结构特征及上述交通流与信号控制数据，在Paramics微观仿真软件中建立天桥建设前和建设后两个路网模型.设仿真时间为10h，数据记录时间为其中间的9.5h.

随后，利用广州市2 233辆机动车技术水平调查数据，将Paramics的车型按CMEM的车型分类方式进一步细分，建立Paramics与CMEM的车型映射关系，见表2，并根据此表重新设定Paramics车型目录，实现Paramics与CMEM的耦合.

表2　Paramics与CMEM车型映射关系表

2.2评价结果

运用机动车油耗与尾气排放动态模拟，对天桥建设前后2个路网模型进行交通仿真，获取数据记录时间内路网中各类尾气污染物的总排放量、机动车的总油耗以及总行程时间.同时，应用行人过街数学模型，获取天桥建设前后总行人过街时间.将建桥前后的各项数据作差(前减后)，可得排放、油耗、车辆行程时间与行人过街时间的变化量，见表3.

表3　人行天桥综合评价基础数据汇总

根据表3数据，利用综合经济效益评估模型，计算人行天桥的综合效益.在此，取7.53元/L，作为国内平均油价(2012年8月数据)；取27.63元/h(由2011年广州市年人均收入换算求得)，作为人行天桥所在地人均收入.则可得人行天桥的经济效益数据，见表4.

表4　人行天桥经济效益　元

2.3数据分析与讨论

由表4可见，人行天桥建成后，其所在路段中机动车的排放、油耗、行车时间，以及行人过街时间有所减少.其原因主要是由于行人过街处取消了信号控制人行横道，机动车能较为顺畅地在该路段行驶，减少了驾驶员受信号控制影响下的加减速操作，从而减少了机动车的排放、油耗和车辆延误.另外，由于原信号控制方案不太合理，使行人过街的等待时间过长.所以，在人行天桥建成后，尽管增加了行人过街的路程，但由于减少了等待通行信号的时间，使行人过街的时间总体上得到减少.

其次，实例中燃油经济效益与行车经济效益占了综合效益绝大部分的比重，分别为45%和46%，说明人行天桥的综合经济效益主要由天桥减少的油耗和出行时间产生.这是由于近年来国内油价日益增长，使减少机动车燃油消耗能节约了相当大的经济成本.另一方面，本人行天桥所处的地区为广州市，其人均收入相对较高.这也使减少乘客行程时间相当于节约了较大的经济成本.这两项节约下的成本便给人行天桥带来较高的综合效益，使其价值增加.此结果表明，交通基础设施的综合价值主要受国内油价和设施所在地的经济水平所影响.

表4列出了文献[12]的案例分析结果.对比后可发现，文献[12]的数据均小于本文的评价结果.经分析，造成上述差异的原因包括以下4方面.

1)Paramics与CMEM的车型映射关系会显著影响交通仿真后输出的机动车排放量和油耗量.本文采用广州市实际的机动车技术水平调查数据建立Paramics与CMEM的车型映射关系，而文献[12]仅使用Paramics默认的车型目录.这使本文的交通仿真更接近该交叉口的实际情况，使输出的各尾气污染物排放量和油耗量比文献[12]的结果更为准确.

2) 本文在评估人行天桥对机动车尾气污染的影响时，选择了NOx，HC和PM2.53种尾气污染物.其中，PM2.5的成本因子较大.而文献[12]中并未选择这种更具危害性的污染物，从而使排放效益的结果偏小.

3) 本文选择了IPA尾气成本作为转化人行天桥对机动车排放影响的标准，而文献[12]选用了我国的排污费征收标准对其进行转化.前者更具系统性和科学性，并已得到广泛运用，这使本文的评价结果更为科学.

4) 本文建立的综合效益评估方法在考虑人行天桥排放和燃油效益的同时，还比文献[12]多考虑了天桥的行车效益和行人过街的效益，能更全面地对人行天桥的价值进行评估.

综上分析，本文的综合效益评估方法比文献12更贴近实际，评估因素更为全面，因此具有更大的参考价值.

3结束语

本文建立了一个基于IPA尾气成本的人行天桥综合效益评估方法，综合评价人行天桥的价值，以更合理地方式将人行天桥对机动车油耗、排放、行程时间以及行人过街时间的影响货币化，求出人行天桥的综合经济效益.

案例研究表明，该人行天桥能有效减少所在路段机动车的油耗、排放、行程时间以及行人过街时间，从而相应地产生可观的经济效益，其综合经济效益值为16 834.67元/d.与文献[12]的评价结果对比后可发现，本文建立的综合效益评估方法由于更贴近实际情况，评估因素更多，因此能更全面和有效地评估人行天桥的价值.

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中图法分类号：X511；F540.4

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.023

收稿日期：2014-10-20

ComprehensiveBenefitEvaluationofPedestrianBridge
BasedonAirPollutantCostFactorsofIPA

ZHOUZhanhongCAIMing

(School of Engineering,Sun Yat-sen University, Guangdong Provincial

Key Laboratory of Intelligent Transportation System,Guangzhou 510006, China)

Abstract：In order to develop a more effective comprehensive evaluation method of transport infrastructure, the pedestrian bridge is chosen for study, and a comprehensive benefit evaluation method of pedestrian bridge is proposed. This method is based on air pollutant cost factors of IPA. By combining microscopic traffic simulation, microscopic emission model and pedestrians crossing time model, the vehicle travel time, fuel consumption, vehicle emission and pedestrians crossing time are calculated. Meanwhile, a comprehensive benefit evaluation model based on air pollutant cost factors of IPA is established to evaluate the value of pedestrian bridge comprehensively. At last, a pedestrian bridge in Haizhu District, Guangzhou is chosen for case study. The result shows this evaluation method can evaluate the value of the pedestrian bridge comprehensively and effectively.

Key words：pedestrian bridge; air pollutant cost factors of IPA; microscopic traffic simulation; microscopic emission model; comprehensive benefit evaluation

*国家自然科学基金项目资助(批准号：51178476)