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摘 要

為了降低瀝青路面施工過程中能耗及溫室氣體和污染物排放，建立了基于離散事件模擬的瀝青路面施工環(huán)境影響計(jì)算模型，利用概率分布函數(shù)和邏輯語句將施工步驟抽象化，應(yīng)用圖形化離散事件模擬軟件構(gòu)建了瀝青路面施工離散事件模型，將Nonroad計(jì)算模型植入，進(jìn)行了不同溫室氣體和污染物的動(dòng)態(tài)計(jì)算，并對比了不同施工情況的模擬排放結(jié)果。分析結(jié)果表明：運(yùn)料車將瀝青混合料運(yùn)輸至攤鋪現(xiàn)場的過程為瀝青路面施工的主要能耗源，為總能耗的44%，攤鋪過程與運(yùn)料車返回過程的能源消耗分別為總能耗的32%、12%；溫室氣體與污染物排放的主要施工步驟為運(yùn)輸和攤鋪過程，占排放總量的50%以上；攤鋪與壓實(shí)過程產(chǎn)生的排放物主要為NOx，運(yùn)輸過程產(chǎn)生的排放物主要為CO2；對施工工藝進(jìn)行調(diào)整，使用不間斷攤鋪施工會明顯減少NOx的排放，減排量約為15%；在施工設(shè)備方面，適當(dāng)增大攤鋪設(shè)備的容量會減少CO2和HC的排放，前者減排量約為25%，后者約為17%?？梢?，基于離散事件模擬瀝青路面施工環(huán)境影響計(jì)算模型，可量化瀝青路面施工過程的能耗及溫室氣體和污染物排放，優(yōu)化瀝青路面施工技術(shù)方案瀝青網(wǎng)sinoasphalt.com。

關(guān)鍵詞 道路工程 | 瀝青路面施工 | 環(huán)境影響 | 能耗 | 離散事件模擬 | 污染物排放

0、引言

近年來，隨著中國溫室氣體排放量逐年增加，節(jié)約環(huán)保成為當(dāng)前的熱點(diǎn)問題。瀝青路面攤鋪消耗的化石能源以及溫室氣體的排放對大氣環(huán)境有一定的影響，此外，攤鋪設(shè)備在施工過程中還會產(chǎn)生多種大氣污染物，因此，研究瀝青路面施工過程的能源消耗和污染物排放趨勢，進(jìn)而合理規(guī)劃施工方案，建立低碳施工技術(shù)對實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)保型交通具有積極的意義[1-2]。

目前，針對路面施工過程對環(huán)境的影響，有學(xué)者進(jìn)行了一系列相關(guān)研究，研究者通常采用基于流程的生命周期分析方法(Life Cycle Assessment，LCA)，將整個(gè)施工過程拆分成幾個(gè)階段，以分別研究不同階段施工環(huán)境影響。1996年，Hunt等首次系統(tǒng)敘述了生命周期在能耗排放計(jì)算等方面的應(yīng)用[3]；Cass等通過混合生命周期評估方法，利用直接觀察到的特定數(shù)據(jù)計(jì)算了高速公路建設(shè)過程的溫室氣體排放[4]；陳康海等基于建筑全生命周期理論，確立了施工階段溫室氣體排放核算框架，為客觀鑒別施工活動(dòng)的碳排放情況奠定了基礎(chǔ)[5]；藺瑞玉等劃分了瀝青路面溫室氣體排放評價(jià)體系邊界，提出了各建設(shè)階段溫室氣體排放評價(jià)指標(biāo)，以此為基礎(chǔ)建立了中國瀝青路面建設(shè)過程溫室氣體排放指標(biāo)的綜合評價(jià)體系[6]；楊博以生命周期的分析視角，采用文獻(xiàn)調(diào)查與現(xiàn)場調(diào)查相結(jié)合的方式，確定了瀝青路面能耗與排放流程及其影響因素，建立了瀝青路面使用階段能耗與排放量化分析模型[7]；王賢衛(wèi)等將高速公路建設(shè)過程界定為原材料生產(chǎn)、原材料運(yùn)輸和機(jī)械施工3個(gè)階段，并分別計(jì)算了各階段的碳排放[8]；Kim等通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了一個(gè)讓決策者容易確定瀝青路面項(xiàng)目的溫室氣體排放量的框架[9]；尚春靜等應(yīng)用生命周期評價(jià)理論與方法計(jì)算了高速公路生命周期消耗的能源和產(chǎn)生的大氣排放[10]；Yu等建立了路面材料生產(chǎn)、施工建設(shè)、道路使用、養(yǎng)護(hù)維護(hù)的道路LCA邊界模型，以此為基礎(chǔ)對水泥混凝土路面和熱拌瀝青混凝土路面進(jìn)行全壽命周期環(huán)境影響評價(jià)[11-12]；Liu等提出了一種全生命周期溫室氣體排放計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)瀝青路面再生時(shí)，選擇溫拌瀝青混合料會顯著降低溫室氣體排放[13]；Heidari等計(jì)算了施工設(shè)備的實(shí)時(shí)排放，并與排放模型(Nonroad、Offroad)計(jì)算結(jié)果對比，對計(jì)算模型進(jìn)行了改進(jìn)[14]。

離散事件仿真軟件模擬施工過程在研究中得到了廣泛應(yīng)用。柳春娜通過耦合生命周期評價(jià)和離散事件模擬(Discrete Event Simulation，DES)，建立了基于生命周期的混凝土大壩碳排放計(jì)算模型，提出了基于生命周期的各階段碳排放計(jì)算方法，揭示了建設(shè)過程中排放和成本、進(jìn)度間的變化機(jī)理[15]；Zhang等基于非道路移動(dòng)源模型和面向?qū)ο蠡顒?dòng)仿真，提出利用離散事件仿真原理計(jì)算瀝青路面施工過程中的能耗和碳排放[16-18]；Hassan等通過離散事件模擬研究水泥混凝土路面改建施工過程中的消耗和生產(chǎn)效率，為管理者制定最佳施工方案提供依據(jù)[19-20]；Tang等通過交互仿真研究建設(shè)施工過程的溫室氣體排放，通過模擬施工過程，優(yōu)化施工流程，做出合理的施工決策，可以在不增加經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)的情況下，有效降低施工過程的溫室氣體排放[21]；González等基于離散事件模擬理論，建立了環(huán)境影響動(dòng)態(tài)評價(jià)模型，研究了道路建設(shè)施工過程中的環(huán)境影響[22]；鞠琳等介紹了EZStrobe軟件的使用情況，結(jié)合2個(gè)實(shí)際案例，詳細(xì)說明了EZStrobe構(gòu)建施工系統(tǒng)仿真模型圖的原理，并通過優(yōu)化規(guī)則建立了優(yōu)化模型[23]；Lim等將離散事件模擬和全壽命周期分析相結(jié)合，提出了一種綜合計(jì)算建設(shè)施工過程中碳排放的方法[24]。

鑒于現(xiàn)有瀝青路面工程對環(huán)境的影響研究大多基于工程的全壽命周期，采用的多為現(xiàn)場測量結(jié)合文獻(xiàn)分析、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的方法，對施工過程的能耗與排放數(shù)據(jù)的處理要求并不精確，且由于道路施工過程的不確定性和復(fù)雜性，在現(xiàn)場直接測得施工過程的能耗和排放代價(jià)過高。本文結(jié)合現(xiàn)有能耗排放模型和瀝青路面攤鋪施工特點(diǎn)，提出一種基于離散事件模型的計(jì)算瀝青路面施工影響的數(shù)值模擬方法。

1、路面施工方案與環(huán)境影響計(jì)算

1.1瀝青路面施工方案

在施工過程中產(chǎn)生排放的設(shè)備為運(yùn)料車、鋪路機(jī)與壓路機(jī)，具體方案見圖1，涉及到的主要工序?yàn)檫\(yùn)料車在拌和樓等待、裝料、運(yùn)料車運(yùn)輸、運(yùn)料車卸料、鋪路機(jī)等待、鋪路機(jī)工作、壓路機(jī)壓實(shí)、運(yùn)料車返回[25]。模擬的主要任務(wù)為計(jì)算上述各個(gè)步驟涉及到的溫室氣體(Greenhouse Gases，GHGs)和污染物排放與能耗，其中本文研究的GHGs包括CO2和HC。

1.2Nonroad模型計(jì)算方法與參數(shù)確定

為了檢測排放污染，中國很多研究機(jī)構(gòu)都建立了排放檢測系統(tǒng)，但多用于計(jì)算實(shí)際道路車輛污染排放[26]。Nonroad非道路移動(dòng)源排放模型是計(jì)算各種非道路移動(dòng)機(jī)械污染物排放量的程序。Nonroad模型給出了不同發(fā)動(dòng)機(jī)類型、燃料性質(zhì)、排放控制階段非道路機(jī)械的基本排放因子，并提供了各種機(jī)械的活動(dòng)水平和使用狀況的調(diào)查數(shù)據(jù)，提出了相關(guān)影響因素和環(huán)境溫度對排放的影響[27]。

在Nonroad模型中，主要是根據(jù)能耗、時(shí)間與載荷系數(shù)計(jì)算施工步驟的能耗和排放[28-29]。

Nonroad模型中用來估計(jì)鋪筑設(shè)備能耗的公式為

在瀝青路面施工過程的基本模型中，各施工設(shè)備具體參數(shù)見表1。拌和樓距離攤鋪地點(diǎn)平均運(yùn)距假定為15km。

Nonroad模型計(jì)算排放公式為

HC、CO、NOx以及顆粒污染物PM10的排放率K1、K2、K3、K4可在Nonroad數(shù)據(jù)庫中找到，CO2的排放率K5為

在Nonroad數(shù)據(jù)庫中查閱不同設(shè)備的HC的排放率K1與B，采用式(3)計(jì)算各步驟的K5，結(jié)果見表2。

2、離散事件建模方法

2.1瀝青施工離散事件模型

EZStrobe是基于事件流程的離散事件模擬軟件，通過Visio流程與其內(nèi)置編譯模塊Stroboscope相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)離散事件的可視化模擬過程。

EZStrobe內(nèi)置的基本事件包括排隊(duì)要素、條件事件、執(zhí)行事件。不同事件的連接情況見表3。針對瀝青路面施工過程中的復(fù)雜施工工藝，可運(yùn)用上述3種要素構(gòu)建如圖1所示的施工流程。

EZStrobe離散事件模型將事件與連接有序結(jié)合成一個(gè)事件系統(tǒng)，軟件模擬運(yùn)行流程采用循環(huán)判斷的方法，通過循環(huán)判斷事件的發(fā)生條件并對計(jì)算值累加，實(shí)現(xiàn)結(jié)果的輸出，本文即采用此種方法實(shí)現(xiàn)瀝青路面施工過程中能耗排放的累加計(jì)算[18-20]。

結(jié)合上文瀝青路面施工方案以及EZStrobe各基本事件要素，即可構(gòu)建瀝青路面施工的離散事件模型，見圖2。從事件裝料開始，依次按條件進(jìn)行運(yùn)輸、卸料、攤鋪、壓實(shí)以及返回，以運(yùn)料車裝料為例，Tri(2.5，3.0，3.5)是三角形概率分布函數(shù)，代表裝料耗時(shí)為2.5～3.5min，具體值按照三角形概率函數(shù)在該區(qū)間內(nèi)隨機(jī)分布。模型其他變量的定義與運(yùn)料車裝料事件類似。攤鋪過程被分為2組事件，分別為第1攤鋪階段和第2攤鋪階段，第1攤鋪階段代表運(yùn)料車卸料時(shí)鋪路機(jī)裝料同時(shí)工作，第2攤鋪階段代表鋪路機(jī)攤鋪剩余瀝青混合料。除各執(zhí)行事件外，模型中還包含幾個(gè)排隊(duì)事件，包括運(yùn)料車等候卸料、運(yùn)料車排隊(duì)等候、攤鋪控制和壓實(shí)控制。攤鋪控制用于模擬向鋪路機(jī)卸料時(shí)等候情況，其下方的值為1時(shí)代表鋪路機(jī)處于空閑狀態(tài)，可以向鋪路機(jī)卸料，否則需等待當(dāng)前運(yùn)料車卸料完成，鋪路機(jī)將混合料攤鋪完畢后，可進(jìn)行下一次卸料(第2攤鋪階段完成后，攤鋪控制值加1)；壓實(shí)控制用于控制壓路機(jī)壓實(shí)事件的開始條件，當(dāng)鋪筑達(dá)到一定距離后，即進(jìn)行初壓、復(fù)壓、終壓3次連續(xù)壓實(shí)操作。

2.2能耗排放計(jì)算函數(shù)

道路施工離散事件模型構(gòu)建完成后，即可利用EZStrobe中Output函數(shù)構(gòu)建Nonroad模型。以式(2)為例，離散事件模型可以對各事件耗時(shí)進(jìn)行計(jì)算，載荷系數(shù)、功率、排放率可以在離散事件模型Input函數(shù)定義具體值或函數(shù)，故只需計(jì)算各項(xiàng)事件排放值，在EZStrobe中累加即可。在EZStrobe中定義各溫室氣體和污染物排放函數(shù)，其數(shù)值計(jì)算參照Nonroad數(shù)據(jù)庫，在模擬完成后，EZStrobe會輸出GHGs和污染物排放總值以及各個(gè)施工步驟的排放。以CO2排放計(jì)算為例，依照代表裝料、運(yùn)輸、卸料、返回、攤鋪、壓實(shí)、等候階段的CO2排放量計(jì)算函數(shù)依次進(jìn)行模擬，完成后，EZStrobe會輸出CO2排放總量與各個(gè)施工步驟CO2排放。CO2排放總量q為

能耗計(jì)算模塊的定義采用式(1)的計(jì)算方法，定義各施工步驟中涉及能源消耗的事件，通過變量定義并結(jié)合EZStrobe中模擬數(shù)據(jù)定義與上述排放計(jì)算相類似的Output函數(shù)。

3、案例分析

3.1案例簡述

本文研究了瀝青路面施工對環(huán)境產(chǎn)生的影響，下面給相關(guān)參數(shù)設(shè)定初值并進(jìn)行案例分析。瀝青路面施工過程中的各施工設(shè)備具體參數(shù)(型號、功率、排放標(biāo)準(zhǔn)、容量、速度)見表1，各施工設(shè)備Nonroad排放參數(shù)見表2。拌和樓距離攤鋪地點(diǎn)平均運(yùn)距為15km。選取運(yùn)料車4veh，攤鋪瀝青混合料1000t。各施工步驟持續(xù)時(shí)間與載荷系數(shù)見表4。運(yùn)用瀝青路面施工離散事件模型和能耗排放計(jì)算函數(shù)，分析各施工步驟的能耗，對比不同施工步驟下的GHGs和污染物排放，統(tǒng)計(jì)各施工設(shè)備的排放?；诮Y(jié)果，對原瀝青路面施工方案進(jìn)行優(yōu)化。

3.2能耗分析

如圖2，利用EZStrobe仿真并參照Nonroad數(shù)據(jù)庫的模擬結(jié)果進(jìn)行能耗分析，各步驟能耗計(jì)算結(jié)果見圖3，結(jié)果表明：每攤鋪1000t瀝青混合料，各鋪筑設(shè)備產(chǎn)生的柴油消耗約為1500L，能源消耗主要來源于運(yùn)輸過程，該過程所消耗的柴油為663L，占能耗總量的44%，此外，攤鋪過程與運(yùn)料車返回過程的能源消耗也比較大，分別占總量的32%和12%。

3.3溫室氣體和污染物含量分析

基于圖2模型，利用EZStrobe仿真并參照Nonroad數(shù)據(jù)庫的GHGs和污染物排放模擬結(jié)果見圖4，其中CO2的排放量單位為kg，其余化合物的排放量單位為g(圖5、6、9、13亦然)。由圖4可見：施工設(shè)備溫室氣體排放中CO2所占比例最高，攤鋪1000t瀝青混合料產(chǎn)生的CO2約為4t；污染物主要為NOx，其排放量約為12g，其次為CO、HC以及顆粒污染物PM10，分別為2.1、1.8、0.2kg。

3.3.1施工步驟

對各施工步驟產(chǎn)生的GHGs和污染物進(jìn)行模擬統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖5，可見：排放的主要來源為運(yùn)輸和攤鋪，二者占總量的50%以上，而運(yùn)料車等待狀態(tài)、裝料、卸料產(chǎn)生的GHGs和污染物最少；返回、壓實(shí)與鋪路機(jī)等待過程也產(chǎn)生了一定的GHGs和污染物；各施工過程產(chǎn)生的GHGs和污染物排放比例不同，攤鋪、壓實(shí)過程產(chǎn)生的排放主要為NOx，占總排放量的50%左右；運(yùn)輸過程主要排放CO2，其排放總量占總CO2排放量的50%左右，二者為主要的排放來源。

3.3.2施工設(shè)備

對各設(shè)備不同GHGs和污染物排放做出統(tǒng)計(jì)，見圖6，可見：運(yùn)料車與鋪路機(jī)為排放的主要來源，前者CO2的排放量高達(dá)2.5t，后者NOx的排放量為7.5kg，分別為總量的60%、70%；鋼輪壓路機(jī)的排放量相比輪胎壓路機(jī)大。

4、結(jié)果優(yōu)化

在上述問題的基礎(chǔ)上對基本模型進(jìn)行優(yōu)化分析。對施工工藝與施工設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，分析優(yōu)化后的施工方案對能耗與GHGs和污染物排放的影響。

4.1施工工藝優(yōu)化

據(jù)上文分析結(jié)果可知，運(yùn)輸過程以及攤鋪過程為施工過程的主要能耗源，且兩者占總GHGs和污染物排放比例較高，因此，可采取相應(yīng)的特殊施工工藝優(yōu)化以減少排放。

將原有施工工藝改為不間斷攤鋪新工藝：當(dāng)混合料即將攤鋪完成時(shí)，等候的運(yùn)料車會慢慢靠近鋪路機(jī)與其對接，然后鋪路機(jī)推動(dòng)運(yùn)料車前進(jìn)。由于鋪路機(jī)始終處于連續(xù)工作狀態(tài)，鋪路機(jī)空載狀態(tài)排放會大幅降低。采用此施工工藝，在運(yùn)輸方面，可以避免運(yùn)料車在卸料時(shí)對鋪路機(jī)水平方向的碰撞與垂直方向的擠壓，減少混合料卸入料斗引起的沖擊，還可避免由于不當(dāng)操作使混合料灑落等，使鋪路機(jī)更好的平穩(wěn)作業(yè)；在攤鋪方面，可以向鋪路機(jī)連續(xù)平穩(wěn)地供料以保證鋪路機(jī)連續(xù)不間斷攤鋪。

為分析不間斷攤鋪新工藝對排放總量的影響，根據(jù)不間斷攤鋪施工過程，建立改進(jìn)后的離散事件模型，見圖7。

運(yùn)行EZStrobe軟件，對改進(jìn)后的施工方案進(jìn)行能耗計(jì)算，見圖8。得到不同GHGs和污染物排放量計(jì)算結(jié)果，與基本模型排放計(jì)算結(jié)果對比見圖9。由圖8可見：連續(xù)型攤鋪方式僅在攤鋪過程以及運(yùn)料車和鋪路機(jī)等候過程略微降低了能耗。由圖9可見：改進(jìn)后的施工工藝對減少NOx有較明顯的作用，每1000t混合料可以降低2kg排放，同時(shí)可以略微降低溫室氣體CO2的排量。

以CO2和NOx為例，改進(jìn)前后排放模擬結(jié)果分別見圖10、11。由圖10可見：連續(xù)型攤鋪方式顯著降低了等候狀態(tài)時(shí)的排放量，攤鋪過程的排放也有一定程度的減少；另外，攤鋪效率的提高降低了運(yùn)料車等候階段的排放，但對整體減排的貢獻(xiàn)較少。由圖11可見：與CO2排放類似，NOx的減排也主要發(fā)生在鋪路機(jī)等待狀態(tài)，鋪筑過程的溫室氣體排放大幅降低。

4.2施工設(shè)備優(yōu)化

運(yùn)料車與鋪路機(jī)為施工過程排放的主要設(shè)備來源，對運(yùn)料車與鋪路機(jī)做出調(diào)整，適當(dāng)增大攤鋪設(shè)備的容量，新的攤鋪設(shè)備參數(shù)與按照式(1)～(3)計(jì)算的各設(shè)備Nonroad模型排放參數(shù)見表5。

在EZStrobe中用改進(jìn)設(shè)備參數(shù)構(gòu)建新的離散事件模型，得到改進(jìn)后能耗和排放模擬對比結(jié)果見圖12、13。由圖12可見：增大運(yùn)料車與鋪路機(jī)設(shè)備容量顯著降低了運(yùn)輸、返回以及鋪筑過程的能耗，節(jié)約柴油消耗50%左右。由圖13可見：適當(dāng)增大攤鋪設(shè)備的容量會減少CO2和HC的排放，前者減排量為25%左右，后者為17%左右；然而，CO、NOx和顆粒污染物排放有所增加。

5、結(jié)語

(1)建立了基于離散事件模擬的瀝青路面施工環(huán)境影響計(jì)算模型，將Nonroad模型植入實(shí)現(xiàn)了能耗與GHGs和污染物排放的動(dòng)態(tài)計(jì)算。

(2)每攤鋪1000t瀝青混合料，各施工設(shè)備的柴油消耗約為1500L。運(yùn)輸至攤鋪現(xiàn)場的過程為瀝青路面施工的主要能耗源(44%)，其次為攤鋪過程(32%)和運(yùn)料車返回過程(12%)。

(3)運(yùn)料車、鋪路機(jī)是瀝青路面施工過程產(chǎn)生溫室氣體和污染物的主要設(shè)備。排放物主要為CO2和NOx。GHGs和污染物排放的主要施工步驟為運(yùn)輸和攤鋪過程，總占比為50%以上。

(4)將基本模型中施工工藝改進(jìn)為不間斷攤鋪施工，對減少NOx的排放有較明顯的作用。另外，在施工設(shè)備優(yōu)化方面，適當(dāng)增大攤鋪設(shè)備的容量會減少CO2和HC的排放。

(5)與施工工藝的優(yōu)化相比，對施工設(shè)備改進(jìn)后的方案，其能耗和溫室氣體及污染物排放均有明顯的減少，因此在實(shí)際路面攤鋪方案比選中，可優(yōu)先選擇使用大容量攤鋪設(shè)備的方案。