ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA DOPRAVNÍ
Barbara Jelínková
Modelování znečištění a nákladů z individuální automobilové dopravy
Bakalářská práce
2013
Poděkování
Na tomto místě bych rád poděkoval všem, kteří mi poskytli podklady pro vypracování této práce. Zvláště pak děkuji Dr. Ing. Janu Přikrylovi za odborné vedení a konzultování bakalářské práce a za rady, které mi poskytoval po celou dobu mého studia. V neposlední řadě je mou milou povinností poděkovat svým rodičům a blízkým za morální a materiální podporu, které se mi dostávalo po celou dobu studia.
Prohlášení Prohlašuji, že jsem předloženou práci vypracovala samostatně a že jsem uvedla veškeré použité informační zdroje v souladu s Metodickým pokynem o etické přípravě vysokoškolských prací. Nemám závažný důvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu § 60 Zákona č.121/2000 Sb.,o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon).
V Praze dne 27. května 2013
……………………………………. Podpis 5
Abstrakt Předmětem bakalářské práce je seznámit čtenáře s problematikou matematického modelování emisí z automobilové dopravy. Práce dělí emisní modely dle úrovně na globální a lokální. Zaměřuje se na lokální modely a aplikuje je na data o pohybu vozidel, získaná mikrosimulací modelu část dopravní sítě v Praze na Zličíně. Následně porovnává výstupy dvou modelů spotřeby a produkce emisí vozidly, a to modelu QUARTET, implementovaného v mikrosimulátoru AIMSUN, a modelu, jež je součástí australského dopravně-plánovacího software SIDRA firmy Akçelik and Associates.
Klíčová slova Emisní model, spotřeba paliva, AIMSUN, SIDRA
6
Abstract The topic of this thesis is to introduce the reader to the problematic of mathematical modelling of traffic emissions. The models are divided according to their scope as global and local. The focus is on local models – we apply them to vehicle state data obtained from a micro-simulation of a small urban road network in Prague. We then assess the accuracy and compliance of calculations of fuel consumption and pollution emissions for two selected local models, namely the QUARTET model implemented in AIMSUN micro-simulator and fuel consumption and emission model employed by the Australian planning software SIDRA.
Keywords Emission model, fuel consumption, AIMSUN, SIDRA
7
Obsah 1
Úvod ................................................................................................................................. 13
2
Znečišťující látky ............................................................................................................. 15
3
Vybrané modely znečištění .............................................................................................. 18
4
Globální modely ............................................................................................................... 20 4.1
4.1.1
Princip metodiky ................................................................................................ 20
4.1.2
Výpočet spotřeby paliva ..................................................................................... 22
4.1.3
Výpočet emisí ..................................................................................................... 24
4.1.4
Emisní faktory .................................................................................................... 25
4.1.5
Využití metodiky ................................................................................................ 25
4.2
Model ŘSD ................................................................................................................ 26
4.2.2
Vstupní data pro výpočet produkce emisí .......................................................... 27
4.2.3
Vstupní data pro výpočet koncentrací znečišťujících látek................................ 30
4.2.4
Data pro vyhodnocení a interpretaci výsledků modelových výpočtů ................ 31
4.3
5
Aktuální metodika MD ČR........................................................................................ 20
ENVIS 4 .................................................................................................................... 32
4.3.1
Databáze zdrojů znečištění ................................................................................. 33
4.3.2
Vyhodnocení produkce emisí z liniových zdrojů ............................................... 35
Lokální modely ................................................................................................................ 37 5.1
aaSIDRA a aaMOTION aaSidra ............................................................................... 37
5.1.1
Parametry modelu .............................................................................................. 38
5.1.2
Data a modely..................................................................................................... 39
5.1.3
Spotřeba paliva a emise ...................................................................................... 40
5.1.4
Náklady individuální dopravy ............................................................................ 42
5.2
AIMSUN ................................................................................................................... 43
5.2.1
Úrovně modelu: .................................................................................................. 44
5.2.2
Tvorba modelu ................................................................................................... 46 8
6
5.2.3
Atributy vozidla.................................................................................................. 46
5.2.4
Modely životního prostředí ................................................................................ 46
5.2.5
Model spotřeby paliva ........................................................................................ 47
5.2.6
Model znečištění emisí ....................................................................................... 49
Porovnání modelů ............................................................................................................ 52 6.1
Vlastní porovnání modelů ......................................................................................... 57
7
Závěr................................................................................................................................. 64
8
Seznam literatury.............................................................................................................. 66
9
Seznam zkratek
IAD
Individuální automobilová doprava
SND
Silniční nákladní doprava
Oskm
Osob na kilometr
Tkm
Tun na kilometr
REZZO
Registr emisí a zdrojů znečišťování ovzduší
TSK
technická zpráva komunikací
GIS
geografický informační systém
ŘSD
Ředitelství silnic a dálnic
ENVIS
Informační servis o životním prostředí v Praze
ČHMÚ
Český hydrometeorologický ústav
10
Seznam tabulek Tabulka 1. Produkce emisí na území ČR za rok 2001,(t) , CO2 (tis.t) (převzato [2]) ............. 16 Tabulka 2. Produkce emisí NA území ČR za rok 1990,(t) , CO2 (tis.t) (převzato [2]) ........... 17 Tabulka 3. Přehled kategorií dopravních prostředků. (převzato: [1]) ...................................... 21 Tabulka 4. Kategorie Kp s rozdílnými kilometrickými proběhy. (převzato: [1]) ................... 21 Tabulka 5. Kategorie vozidel (převzato [7]) ............................................................................ 28 Tabulka 6. Sečtené kategorie vozidel (převzato [7])............................................................... 28 Tabulka 7. Kategorizace zdrojů znečištění (převzato: [19]) .................................................... 33 Tabulka 8. Přehled rozsahu sčítání dopravy (převzato: [19]) .................................................. 35 Tabulka 9. Parametry pro spotřebu paliva a emisní modely (převzato: [3]) ........................... 41 Tabulka 10. Hodnoty emisí pro osobní vozidla ....................................................................... 51 Tabulka 11. Hodnoty emisí pro autobusy ................................................................................ 51 Tabulka 12. Tabulka hodnot pro lehká vozidla a těžká vozidla. ............................................. 56 Tabulka 13. Porovnání celkových emisí pro oba modely ........................................................ 63 Seznam obrázků Obrázek 1. Mobilní zdroje znečištění ovzduší v centru Prahy (převzato: [18])....................... 33 Obrázek 2. Sledované území pro dopravní sčítání, TSK (převzato: [19]) ............................... 34 Obrázek 3. Doplňující sčítání automobilové dopravy (převzato: [19]).................................... 35 Obrázek 4. Příklad cyklu řízení vozidla na křižovatce řízené SSZ (Převzato: [3]).................. 40 Obrázek 5. Rozdělení simulačních úrovní (převzato z [10])................................................... 45 Obrázek 6. Editor spotřeby paliva ............................................................................................ 47 Obrázek 7. Dialogové okno vstupních parametrů spotřeby paliva pro osobní automobil ....... 49 Obrázek 8. Dialogové okno vstupních parametrů znečištění emisí pro osobní automobil ...... 50 Obrázek 9. Ortofoto testovací oblasti na Zličíně ...................................................................... 52 Obrázek 10. Namodelovaná část pozemní komunikace – Zličín. ............................................ 53 Obrázek 11. Model Akçelika a Besleyho ................................................................................. 54
11
Seznam grafů Graf 1. Závislost spotřeby paliva autobusu na čase a cestovní rychlosti ................................. 58 Graf 2. Závislost spotřeby paliva automobilu na čase a cestovní rychlosti ............................. 59 Graf 3. Porovnání spotřeby paliva za jednu měřenou hodinu .................................................. 60 Graf 4. Rozdíly spotřeby paliva mezi modely.......................................................................... 60 Graf 5. Porovnání Nox za jednu měřenou hodinu .................................................................... 61 Graf 6. Porovnání HC za jednu měřenou hodinu ..................................................................... 62 Graf 7. Porovnání CO za jednu měřenou hodinu ..................................................................... 63
12
1
Úvod
Doprava se stala v posledních desetiletí nedílnou součástí moderního světa. Málokdo by si bez ní dokázal představit každodenní život. Zvyšování životní úrovně také zvyšuje nárok na přepravu. V dnešní době lidé zpohodlněli a hledají komfort v podobě individuální automobilové dopravy. Zvláště pak je tento nárůst zaznamenán v příměstských oblastech, kde poptávka po dopravě sílí každým rokem. Kontaminace ovzduší emisemi a následné znečištění je v současné době velký problémem. I přes globální snahy o redukci individuální automobilové dopravy, provoz a využití automobilů neúprosně stoupá a dochází k nárůstu emisí. Nejvýrazněji se to projevuje na vzrůstajícím skleníkovém efektu. Ve městech zůstává doprava stále největším zdrojem znečištění. Jedním z prvních a základních kroků, ve snaze tuto situaci zvrátit, bylo zavedení a následná modernizace katalyzátorů (tímto zvláště pak došlo ke snížení koncentrací N2O, NM -VOC) a zpřísnění emisních limitů (snížení koncentrací SO2 aj.). Přes tato zásadní opatření zůstane pravděpodobně i nadále v následujících letech silniční doprava největším producentem emisí a příčinou znečištění ovzduší. Výpočet emisí z dopravy se stává stále diskutovanějším tématem v souvislosti s kvalitou ovzduší a klimatickými změnami. Proto je moderní době vyvinuto velké úsilí na redukci znečišťujících látek ze silniční dopravy. To zahrnuje nová, vylepšená hnací ústrojí, zlepšení automobilových technologií, pokročilé metody rafinování paliva, optimalizaci dopravy v městských oblastech a stanovení emisních standardů, neboli přípustných hodnot emisí, které jsou stanoveny EU. Emise ze silniční dopravy jsou určeny mnoha parametry, tudíž je k provádění emisních výpočtů zapotřebí stanovit vhodný emisní model. Pro správné stanovení je důležité znát emisní faktory silničních vozidel, které jsou určeny podle ujeté vzdálenosti, spotřebované energie nebo množství spotřebovaného benzinu. Emisní faktory jsou dále odvozeny dle kategorií vozidel a závisí na mnoha parametrech jako charakteristika vozidla, emisní technologie, specifika paliva a okolní provozní podmínky (studený start, zrychlení aj.) Emisní profily vozidel a jejich závislost na provozních podmínkách mohou být měřeny v laboratořích nebo v běžném provozu. Měření v běžném provozu se provádí v tunelech, využitím dálkových senzorů, na palubě vozidla či na pozemní komunikaci.
13
Měření na palubě vozidla je alternativa měření v laboratoři a může sloužit k validaci různých druhů cest, při reálných podmínkách v provozu. Emisní faktory jsou většinou srovnávány s celkovými emisemi z měřících přístrojů na palubě vozidla, které korespondují se vzdáleností pro jedno či více vozidel. Metoda poskytuje přiměřenou kontrolu nad působícími faktory (např. studený start). Během měření na pozemní komunikaci jsou vozidla individuálně měřena mobilní laboratoří. Obvykle na palubě nákladního vozidla nebo přívěsu. Laboratoř je tvořena plynovým či aerosolovým zařízením (ideální je nástroj s rychlou reakcí a vysokou citlivostí, jako například laserový spektometr), meteorologickým a pozičním zařízením a videem k monitorování dopravní situace. Mobilní laboratoře také umožňují studie statických vzorků vozidel pro charakteristiku skladby vozového parku. Nicméně měření je limitováno minimální vzdáleností okolo 10 m mezi laboratoří a sledovaným vozidlem, jelikož je upevněna na přívěsu.
14
2 Znečišťující látky Do ovzduší se dostávají především látky s emisními limity danými legislativou, jako oxid uhelnatý (CO), oxidy dusíku (NOx), uhlovodíky (CxHy) a pevné částice (PM). Poté látky nelimitované s nepříznivými zdravotními účinky: oxid siřičitý (SO2), olovo (Pb), polyaromatické
uhlovodíky
(PAH)
a
polychlorované
dibenzodioxiny
(PCDD)
a dibenzofurany (PCDF). Další sloučeniny, které přispívají ke skleníkovému efektu, jsou oxid uhličitý (CO2), oxid dusný (N2O) a metan (CH4).
CO
Je produkován především IAD a menší měrou i SND. Hodnoty v průběhu posledních let kolísají, jelikož na ně působí dva faktory a to zvýšení motorizace a nárůst podílu vozidel vybavených účinnými katalyzátory.
NOx
Oxidy dusíku jsou převážně produkovány SND a IAD, jejichž příspěvek tohoto oxidu je mezi 50% až 70% a podílí se až na 1/3 okyselení dešťů v Evropě.
SO2
Emise oxidu siřičitého stále rostou spolu se spotřebou benzínu a nafty. Je však předpokládán pokles, kvůli zpřísnění emisních limitů pro obsah síry v naftě a benzinu.
CO2
Vysoký nárůst emisí oxidu uhličitého u IAD a SND, který je závislý na spotřebě nafty a benzínu. Patří mezi nejvýraznější skleníkové plyny.
CH4
Kvůli zlepšení spalovacího cyklu u nových vozidel IAD produkce emisí klesá, avšak u SND můžeme sledovat konstantní nárůst.
N2O
Zvýšení produkce emisí oxidu dusného v závislosti na chemické reakce v novějších typech katalyzátorů.
NM VOC
Hodnoty emisí nemethanových těkavých organických látek se příliš nemění, což je zapříčiněno rovnováhou mezi růstem spotřeby benzínu a nafty a mezi zvyšujícím se podílem vozidel s katalyzátory, které snižují tyto emise.
15
Pb
V posledních letech se používají automobily, které využívají bezolovnatý benzín, což zapříčiňuje veliký pokles emisí olova. Časté je využití biofiltrů (zeleň podél komunikace), které slouží jako ochrana proti negativním účinkům olova.
Pro porovnání znečišťujících emisních látek přidávám produkci emisí na území ČR v Tabulce 1 za rok 2001 a Tabulce 2 za rok 1990. Nejpatrnější je již zmíněné snížení emisí olova. Naopak koncentrace ostatních látek má rostoucí tendenci úměrnou s vyšší poptávkou po dopravě. Tabulka 1. Produkce emisí na území ČR za rok 2001,(t) , CO2 (tis.t) (převzato [2])
16
Tabulka 2. Produkce emisí NA území ČR za rok 1990,(t) , CO2 (tis.t) (převzato [2])
17
3 Vybrané modely znečištění Modely lze rozdělit podle zaměření na globální a lokální. V první části práce bych se zaměřila na globální modely, které se soustředí na zmapování znečištění celé České republiky nebo většího území, jako jsou například kraje či města. Jako nejvýznamnější jsem zvolila model, který používá Ministerstvo dopravy pro stanovení emisí a látek znečišťujících ovzduší z dopravy a zpracovává jej Centrum dopravního výzkumu [1]. Dalším je Model emisí a imisí z automobilové dopravy [7], který je zadáván ŘSD a zpracovává ho Ateliér ekologických modelů, stejně tak, jako poslední použitý globální model[18], který je použit na území Prahy, a to je projekt ENVIS 4. Z lokálních modelů představím v následujících kapitolách model QUARTET [13], použitý v mikrosimulátoru dopravy AIMSUN a porovnávám jej s australským modelem Akçelika a Besleyho [3] naimplementovaném v Simulinku. Až na model Akçelika a Besleyho [3] se mi bohužel při rešerši literatury nepodařilo nalézt modely, jež by přímo umožňovaly určovat finanční náklady jako důsledek provozu vozidel. Smit a kolegové [21] rozdělují tyto modely do pěti základních kategorií dle požadovaných vstupních dat: 1. Modely, které požadují pouze průměrnou cestovní rychlost k výpočtu emisí, kde je relativně jednoduché tyto hodnoty získat z dopravních modelů nebo z oblasti měření. 2. Modely, které potřebují k vyhodnocení zanalyzovat dopravní situaci, emisní faktory jsou zjištěny z popisu základního zhodnocení provozních podmínek. 3. Další skupinou jsou variabilní modely, které definují emisní faktory dle variabilního dopravního proudu jako průměrná rychlost, hustota dopravního proudu, tvořící se kongesce, nastavení semaforů. 4. Dále proměnné cyklické modely, které požadují detailní informace o pohybu vozidla, jako jsou okamžitá data o rychlosti. Využití těchto modelů je obzvláště u mikroskopických dopravních modelů, například pro GPS. 5. Poslední skupinou je modální model, kde emisní faktory jsou určeny z motoru nebo provozních modelů vozidla. Požadují stejné vstupní hodnoty jako předchozí model.
18
Pro účely mé bakalářské práce využiji zvláště bod 4 v souvislosti s porovnáním lokálních emisních modelů. Než se emisní modely dostaly do této fáze, které budu ve své práci prezentovat, prošly velkým vývojem. S přibývajícím časem jsou modely mnohem komplexnější a detailnější. Například emisní faktory před lety 1990 byly založeny na testech méně než 100 vozidel, kdežto v současné době se využívá až na 1 000 vozidel. Specifikovaly se také popisy a charakteristiky chování řidiče. Přešlo se z tradičního čtyř-fázového modelu (konstantní rychlost, zrychlení, zpomalení, vozidlo v klidu) k jednotnému, který obsahuje navíc specifická data jako počet otáček za minutu, zatížení motoru, teplota oleje, poměr vzduchu a paliva a vliv řadicí páky. Nové podrobnější modely vznáší mnoho otázek jako „Jaké metody využít pro modelování emisí? “, „Jak přesné jsou výpočty těchto modelů?“ nebo „Přispívá větší složitost modelů ke zlepšení jejich predikcí? “. Těmito otázkami se zabývá mnoho studií, které používají zcela odlišné metody modelování, a je tedy těžké hledat odpovědi. Cílem mé bakalářské práce je proto porovnání několika emisních modelů a jejich zhodnocení z hlediska očekávané výpočetní náročnosti a předpokládané přesnosti výsledků a nároků na měřená data.
19
4 Globální modely Globální modely zachycují znečištění v celých městech, regionech či státech. Dále se budu zaobírat jen těmi, které se využívají na území České republiky.
4.1 Aktuální metodika MD ČR Jedná se o aktualizovanou verzi Metodiky stanovení emisí látek znečišťujících ovzduší z dopravy z roku 2002, která je založena na podrobnější kategorizaci dopravních prostředků podle dopravních výkonů a dynamické skladby vozového parku. Nová metodika vychází ze spotřebovaných pohonných hmot. Na zkušebnách v České republice byly naměřeny hodnoty emisí a spolu s doporučenými hodnotami z mezinárodních statistik a metodik se vytvořila databáze emisních faktorů, která je nedílnou součástí výpočtů. Emisní faktory jsou vyjádřené v g.kg-1 paliva.
4.1.1 Princip metodiky Dopravní prostředky se rozdělují do 23 kategorií, kde hlavními parametry je druh dopravy, používané palivo a vybavení vozidel účinnými katalyzátory. Přehled kategorií uvádím v Tabulce 3.
20
Tabulka 3. Přehled kategorií dopravních prostředků. (převzato: [1])
Dále je tu kategorie Kp, (Tabulka 4) s rozdílnými kilometrickými proběhy tzn. vozidla s největšími rozdíly v počtu ujetých km za rok. Tabulka 4. Kategorie Kp s rozdílnými kilometrickými proběhy. (převzato: [1])
Kilometrické proběhy musí být však nastaveny tak, aby součet spotřeb kategorií Kp 1-3 byl shodný se spotřebou benzínu individuální dopravy (ID) vyjádřenou z celkové spotřeby benzínu a přepravních výkonů ID. Rovněž součet spotřeb kategorií Kp 15-16 musí být shodný se spotřebou nafty silniční nákladní dopravy vyjádřenou z celkové spotřeby nafty a přepravních výkonů silniční nákladní dopravy. [1]
21
Vstupní data pro výpočet roční emisní zátěže jsou následující:
celková spotřeba paliva za rok
počty vozidel jednotlivých kategorií
počty ujetých km na jedno vozidlo za rok
spotřeba paliv na 100 km jednotlivých kategorií
přepravní výkony
měrná energie paliv
obsahy Pb, S v palivech
hustota paliv
emisní faktory
Výstupní data pro výpočet roční emisní zátěže:
spotřeba paliva (i) určitým druhem dopravy (d)
energie druhu dopravy (d)
emise polutantů (p) druhem dopravy (d)
měrné emise polutantů (p) druhem dopravy (d)
4.1.2 Výpočet spotřeby paliva Metodika výpočtu emisí bohužel zahrnuje jen emise z dopravních prostředků, tudíž v ní nejsou například stroje používané v zemědělství, armádě, průmyslu či domácnostech a právě po odečtu těchto prvků od známé hodnoty množství prodaných paliv, stanovíme koeficient Kr. Koeficient představuje rovnováhu mezi palivy nakoupenými v ČR a spálenými v cizině a palivy nakoupenými v cizině a spálenými v ČR. Druhy dopravy dělíme podle přepravních výkonů a podílu vozidel používajících stejná paliva následovně:
individuální doprava (ID)
silniční veřejná doprava (AD)
silniční nákladní doprava (SND)
autobusy městské hromadné dopravy (MHD)
železniční doprava, motorová trakce (ŽD)
vodní doprava (VD) 22
letecká doprava (LD)
Výpočet se provádí pro každé palivo a druh dopravy dle těchto rovnic [1]: (
)
kde Sid udává celkovou spotřebu paliva i v resortu dopravy [kg], která je závislá na rozdílu množství spotřebovaného paliva v České republice Pi a celkové spotřebě paliva mimo rezort dopravy Snd [kg]. Celé je to potřeba vynásobil koeficientem Kr, který udává rovnováhu mezi palivy nakoupenými v ČR a spálenými v cizině a palivy nakoupenými v cizině a spálenými v ČR. Celková spotřeba paliva v resortu dopravy se rozdělí mezi jednotlivé druhy dopravy pomocí přepravních výkonů a tzv. palivových koeficientů, které udávají podíl zastoupení vozidel druhu dopravy jezdících na palivo [1]: (1) ∑ kde Si dd je spotřeba paliva i druhem dopravy d [kg]. Pd je přepravní výkon druhu dopravy d, udávaný buďto v oskm nebo tkm. Kpi,d je koeficient paliva i a druhu dopravy d kde je vždy ≤ 1, 1= 100% tudíž rozsah koeficientu je od 0 do 1. Pro výpočet kategorie Kp s rozdílnými kilometrickými proběhy vozidel, zmíněné v Tabulce 2, se počítá spotřeba následovně: (2)
Spotřeba paliva i kategorie Kp [kg] je úměrná násobkům počtu vozidel Pvozkp dané kategorie, Prkp odhadu průměrného ročního kilometrického proběhu jednoho vozidla kategorie Kp, Svoz [1.100km-1] spotřeby paliva i na jedno vozidlo kategorie Kp a hustotě paliva i udané v kg.l-1. Spotřeba paliva i kategorií Kp je kalkulována podle vztahu 2 tak, aby součet všech tří kategorií benzínové osobní dopravy a dvou kategorií naftové nákladní dopravy byl shodný se spotřebou kalkulovanou dle rovnice 1. Proto vždy musí platit [1]: Si,dd = ∑
23
4.1.3 Výpočet emisí Tento způsob výpočtů se uplatňuje u emisí produkovaných při spalovaní prakticky všech pohonných hmot. Celkový vztah (3) je závislý na celkové emisi polutantu p druhem dopravy d uváděný Ep,d [t], spotřebě paliva i druhem dopravy d [kg], počtu druhů paliv používaných druhem dopravy d a na emisním faktoru kategorie k polutantu p Efk,p [g∙kg-1] ∑
(3)
Jiná rovnice se však využívá u výpočtů Pb a SO2. Zde není potřeba takto složitý vztah, ale vychází se z poznatků, že do ovzduší se dostává veškerá síra a z olova to je 75%. Kalkulace pro výpočet emisí olova druhem dopravy d:
Kde EPb,d jsou celkové emise olova druhu dopravy d, Ebp,d,i1 jsou emise z olovnatého benzinu a EPb,d,i2 z bezolovnatého benzinu. Hodnoty jsou uváděny v tunách. Pro výpočet SO2 druhem dopravy d a paliva i platí následující rovnice:
Tento vztah vychází ze závislosti spotřeby paliva i druhem dopravy d, obsahem síry v palivu i OSi [g ∙ kg -1] a podílem vynesené síry [0-1]. Číslo 2 je brána jako konstanta molekulové hmotnosti síry a kyslíku.
24
4.1.4 Emisní faktory Zásadní rozdíl této metodiky oproti dřívějšímu způsobu výpočtu spočívá právě ve způsobu stanovení emisních faktorů. Původní metodika uplatňuje výpočtový postup, který vychází z tzv. měrných hodnot emisí (g.km-1) pro osobní automobily a dodávky, podíly vozidel rozdělené na kategorie A,B,C a D, součinitele zvýšení či snížení emisí [8]. Zatímco nová metodika určuje emisní faktory z naměřených hodnot (g.kg-1 ). Pro stanovení celkových emisí jednotlivých kategorií využívá model aritmetické průměry. Silniční doprava - je zde zastoupeno 18 kategorií z 23, nejrozsáhlejší soubor naměřených hodnot, různých typů vozidel, v různých jízdních režimech. Železniční doprava - má nedostatek spolehlivých naměřených hodnot a k dispozici jsou jen data vyjádřená v g.kWh-1 (pro tento model je potřeba g.kg-1). Nyní se využívají hodnoty pro těžká nákladní vozidla (HDV), která mají podobné dieselové motory jako lokomotivy. Vodní doprava - obdobný problém jako u železniční dopravy, který je řešen stejným způsobem, tedy využití hodnot pro HDV Letecká doprava - počítá se v dvou základních režimech 1.
LTO (vzlety, přistání)
2.
CRUISE (let v konstantní hladině x)
V těchto dvou režimech je zastoupeno devět jednotlivých fází letu, pro které jsou počítány emisní faktory a jsou to fáze: start, rozjezd, vzlet, stoupání, vlastní let v hladině x, sestup, přistání, dojezd a pozemní operace.
4.1.5 Využití metodiky Metodika je vhodná zvláště pro regionální a celostátní výpočty či prognózy v určitém časovém horizontu, pro lokální není dostatečně přesná. Nepřesnost je způsobena rozdílností emisních faktorů, jelikož jejich zdroje se značně liší. V nynější době se tímto problémem zaobírá výzkumný projekt VaV (zadavatelem je MD ČR) ve snaze vyloučit největší odchylky. Emise na regionální úrovni se zjišťují rozdělením celkových emisí kalkulovaných podle této metodiky. U silniční dopravy se využívají výsledky celostátního dopravního sčítání, ke kterým se připočítají intenzity dopravy v Praze a také nesčítaná síť v intravilánu. Bylo 25
odhadnuto, že nesčítaná doprava tvoří cca 30% z celkové dopravy. Tento údaj je prozatím extrapolován na všechny větší města v ČR. Emise z železniční dopravy se rozdělí do regionů podle zastoupení neelektrifikovaných tratí, emise z vodní dopravy dle délky splavných řek. Emise z letecké dopravy, režim start – přistání, se rozdělí podle výkonů letišť, emise z přeletů se rozdělí mezi regiony rovnoměrně, podle velikost regionu [9].
4.2 Model ŘSD Model by měl co nejpodrobněji zachytit emisní a imisní zátěž na hlavní komunikační síti v ČR. Jedná se o hlavní komunikační síť, kterou má na starosti právě ŘSD. Základním účelem je poskytnout komplexní informace o znečišťujících látkách z automobilové dopravy a rozsah tohoto znečištění v ovzduší. Tím zajistit přesné údaje o imisní zátěži pro srovnání hodnot s platnými imisními limity, ochranu zdraví a ekosystémů. Také zajistit referenční základ pro územní plánování, posuzovaní silničních staveb v rámci EIA. Výpočetní metody zohledňují místní charakteristiky, jako jsou dopravní zátěže, plynulost dopravy, charakter osídlení, konfigurace terénu, rozptylové podmínky apod. Výsledky těchto studií by se měly využívat zvláště při navrhování nových komunikačních tras na území ČR, plánování zlepšení ochrany ovzduší zejména v místech se zvýšenou emisní zátěží. Dále jsou výpočty brány jakožto příprava projektů pro opatření (infrastrukturních, regulačních) financována z fondů EU nebo mezinárodních finančních zdrojů. Vlastní postup výpočtu je rozdělen do 4 úseků: 1.
zpracování podkladů o území a vstupních dopravních a dopravně inženýrských dat
2.
výpočty produkce emisí na jednotlivých úsecích komunikační sítě
3.
výpočty koncentrací znečišťujících látek, vyhodnocení imisní zátěže
4.
interpretace výsledků, mapové výstupy, geografické analýzy
26
Pro vyhodnocení emisní a imisní zátěže je nezbytné mít k dispozici kvalitní a podrobné podklady o území, komunikační síti, dopravním zatížení a dopravní situaci, konfiguraci reliéfu, rozptylových podmínkách.
4.2.2 Vstupní data pro výpočet produkce emisí Komunikační síť Pro výpočet dopravního zatížení byly použity digitální zákresy komunikací v měřítku 1:25000. V hl.m. Praha se silniční úseky získávaly vektorizací veřejných mapových podkladů. Druhým parametrem byly údaje o podélném sklonu komunikací z databanky ŘSD ČR. Jelikož jsou zachyceny jen data o sklonech na silnicích I., II. a zčásti III. třídy (nikoliv však na rychlostních silnicích a dálnicích) jsou vytvořeny úseky po řádově několika stovkách metrů. Každému takovému úseku jsou přiřazeny prostorové souřadnice (X,Y,Z), kde z výškových souřadnic byl vypočten podélný sklon každé komunikace. Zjištěné sklony byly porovnávány s databází sklonů předané zadavatelem a v případě odchylek byl záznam upraven tak, aby odpovídal průměrnému sklonu úseku komunikace. Dopravní zatížení Intenzita dopravy je jedním z nejdůležitějších parametrů pro výpočet emisí. Databáze od ŘSD ČR obsahuje data naměřená za 24 hodin v celoročním průměru. Zde nalezneme údaje počtů projíždějících vozidel v obou směrech.
27
Vozidla byla rozdělena do 16 kategorií: Tabulka 5. Kategorie vozidel (převzato [7])
Popis kategorie Číslo Označení LN lehká vozidla do 3,5t, bez přívěsů i s přívěsy 1 SN střední nákladní vozidla, 3,5 - 10t, bez přívěsů 2 SNP střední nákladní vozidla, 3,5 - 10t, s přívěsy 3 TN těžká nákladní vozidla, nad 10t, bez přívěsů 4 TNP těžká nákladní vozidla, nad 10t, s přívěsy 5 NSN návěsové soupravy nákladních vozidel 6 A autobusy 7 AK autobusy kloubové 8 TR traktory bez přívěsů 9 TRP traktory s přívěsy 10 TV těžká motorová vozidla celkem 11 O osobní a dodávková vozidla bez přívěsů i s přívěsy 12 M jednostopá motorová vozidla 13 SV všechna motorová vozidla celkem 14 TNV těžká nákladní vozidla 15 C cyklisté 16 Aby kategorie vyhovovaly vstupním datům použitého emisního modelu, byly potřeba některé kategorie sečíst a to následovně: Tabulka 6. Sečtené kategorie vozidel (převzato [7])
číslo 1 2 3 4
Kategorie
Popis kategorie
Osobní automobil OA O+M Lehká nákladní vozidla LNA LN Těžká nákladní vozidla TNA SN + TN + TR + TRP + SNP + TNP+ NSN Autobusy BUS A + AK
Bylo zmapováno více než 8 tisíc sčítacích úseků. Největší intenzity (až 140 tisíc vozidel za 24 hodin) čítá Praha a to zvláště pak Silniční okruh kolem Prahy, Jižní spojka, Barrandovský most, Wilsonově ulici a dále v úseku ulicí Husitskou a Hlávkovým mostem. Z mimopražských komunikací je nejzatíženější dálnice D1, D2, D5, silnice R10, R43 a okolí Brna, kde jsou intenzity nad 50 tisíc vozidel.
28
Charakteristiky dopravního proudu Produkce emisí je značnou mírou ovlivněna i stylem jízdy vozidel, zvláště pak rychlostí, počtem brzdění, zrychlení. V emisním modelu jsou využity dva parametry:
rychlost dopravního proudu (km/hod)
plynulost dopravy (stupnice od 1-10)
Dynamická skladba vozového parku Dynamická skladba vozového parku je procentuální podíl automobilů bez katalyzátorů a automobilů splňující emisní limity EURO. Emisní limity se postupem času zpřísňují, zatímco dříve stačila vozidla s oxidačním katalyzátorem, nyní jsou zapotřebí speciální úpravy na redukci výfukových plynů. Pro vstupní data modelu je třeba mít velmi přesný přehled o skladbě vozového parku, jelikož jsou auta rozdělaný do kategorií podle emisních limitů (osobní automobily, lehké nákladní automobily, těžké nákladní automobily, autobusy). V současné době není úplně jednoduché sehnat tato data, protože nelze použít počet registrovaných aut a výsledky by byly značně nepřesné. Například starší auta jsou méně využívána než ta novější. Nejpřesnější údaje proto lze zajistit dopravním průzkumem na základě sledování státní poznávací značky. Tímto způsobem lze určit technické a tovární parametry vozidla. Výpočty emisí však byly rozděleny do 3 skupin dle skladby vozidel v měřených úsecích :
pražské a dálniční úseky
hlavní silnice I. a II. třídy a komunikace ve velkých měst
méně zatížené komunikace a venkovské profily
29
4.2.3 Vstupní data pro výpočet koncentrací znečišťujících látek Referenční body Při modelování rozptylu znečišťujících látek v ovzduší jsou vypočtené imisní hodnoty přiřazovány konkrétním místům v území - referenčním bodům. Referenční bod (RB) je základní informační jednotka v území, ke které jsou vztaženy informace o daném místě z hlediska imisního, ale i topografického (nadmořská výška) a klimatologického (propojení na větrnou růžici). Každý referenční bod je určen svou polohou v prostoru (souřadnice X, Y), nadmořskou výškou (Z) a výškou nad terénem (H) [7]. Důležité je vhodně navrhnout krok RB a jejich síť, pro ČR byla zvolena síť RB trojúhelníková, která dokáže rovnoměrně pokrýt území státu. Krok sítě RB byl rozdělen do 4 skupin:
základní síť - body v trojúhelníkové síti s krokem 1 500 m
body ve vzdálenosti 50 m od komunikací
body ve vzdálenosti 100 m od komunikací
body ve vzdálenosti 200 m od komunikací
Rozptylové podmínky jednotlivých částí území Proudění vzduchu je v tomto modelovém systému popsán větrnými družicemi. Každá tato družice zaznamenává 3 základní informace:
Jak častý je v dané oblasti výskyt proudění větru v jednotlivých směrech, které byli v našem případě rozděleny do 16 skupin (S, SSV,SV, SSZ apod.).
Jaká je zde četnost výskytu větru v různých rychlostech. Rychlost je měřena z výšky 10 m nad úrovní terénu a člení se do 3 tříd - slabý vítr, střední vítr, silný vítr.
Jak častý výskyt určitých stavů vertikálního teplotního zvrstvení je možné v daném místě očekávat. Stabilita zvrstvení je definována podle Bubníka a Koldovského odvozené v Českém hydrometeorologickém ústavu. Klasifikuje se do pěti tříd, kde tři třídy jsou stabilní, jedna třída normální a jedna labilní.
30
Konfigurace terénu Pro vstupní data byla nutná příprava výškopisu území a její digitalizace ve formátu ESRI GRID. Byl použit velmi přesný a podrobný popis reliéfu každého sledovaného úseku, které jsou spojité pro celou ČR. Konfigurace terénu ovlivňuje směr a rychlost větru, zvláště pro výpočet rozptylových podmínek imisí. Deformace proudění vzduchu závisí na charakteru vertikálních terénních překážkách, nadmořské výšce a orientaci vůči proudění.
4.2.4 Data pro vyhodnocení a interpretaci výsledků modelových výpočtů Rozložení zástavby (odvozené z místopisu) Veškerá data v rámci projektu jsou zpracována v geografickém informačním systému (GIS). Při zpracování projektu byly použity následující zdroje dat:
intenzity dopravy podle celostátního sčítání ŘSD ČR z roku 2010 a digitální zákres komunikací v ČR
výsledky sčítání Technickou správou komunikací hl.m. Prahy, jelikož ŘSD ČR nemá dostatečné informace o intenzitách v Praze
rozptylové podmínky, čerpány z Českého hydrometeorologického ústavu
ostatní veřejně dostupné údaje jako například přehledy obcí se zhoršenou kvalitou ovzduší, vydávané MŽP
31
4.3 ENVIS 4 ENVIS 4 je projekt firmy Ateliér ekologických modelů (ATEM), jež poskytuje emisní modely území hl.m. Prahy již už od roku 1994. Tento projekt je zaměřen na podání podrobnějších informací o vzniku znečištění ovzduší, jelikož doposud byla k dispozici jen imisní mapa celého města v malém měřítku. Zvýšená pozornost je přikládána i zdrojům tohoto znečištění. Celkem bylo zaznamenáno 1 300 zvláště velkých, velkých a středních zdrojů emisí. Pro výpočet emisí byla použita hlavní komunikační síť hl. m. Prahy a další významné úseky v obytné zástavbě. Projekt ENVIS 4 také mapuje hromadná parkoviště a garáže u velkých obchodních centrech, nebo v jiných částech města s vysokým výskytem automobilů. Na základě takto získaných emisních dat byly provedeny výpočty rozložení koncentrací v podrobné síti 23 tisíc referenčních bodů (100×100 m). Výsledky jsou prezentovány ve formě izolinií – tzv. pásem imisní zátěže, která poskytují rychlou a přehlednou informaci o rozložení znečištění ovzduší v rámci města. Pro uživatele je pak připraven zcela zásadní výstup - podrobné informace v rámci mapového projektu, kde je možné přímo z výpočetních bodů odečíst v každé části zástavby informace o úrovni znečištění a o jeho původcích (zdrojích, které se na imisní zátěži podílejí). Tak je možné sledovat i vlivy lokálně působících zdrojů [19]. Pro následné promítnutí map systému ENVIS, jsou vstupní údaje a výsledky všech hodnocení zpracovány v geografickém informačním systému (GIS). Příklad mobilních zdrojů znečištění ovzduší v centru Prahy přikládám na Obrázku č. 1
32
Obrázek 1. Mobilní zdroje znečištění ovzduší v centru Prahy (převzato: [18])
4.3.1 Databáze zdrojů znečištění Pro celé území ČR je pověřen ČHMÚ k zajištění Registru emisí a zdrojů znečištění ovzduší (REZZO). Tento registr je jeden ze součástí informačního systému kvality ovzduší, který se uplatňuje pro sledování a hodnocení kvality ovzduší v ČR. Zdroje znečištění emisí jsou rozděleny do čtyř kategorií podle vlivu na kvalitu ovzduší. Stacionární zdroje REZZO 1-3 a mobilní zdroje REZZO 4. Mobilní zdroje zahrnují silniční, železniční, leteckou a vodní dopravu, ale také nesilniční zdroje jako např. zemědělské stroje, armádní vozidla apod. Popis těchto skupin přikládám v Tabulce 7. Tabulka 7. Kategorizace zdrojů znečištění (převzato: [19])
33
Oproti stacionárním zdrojům emisí jsou u automobilové dopravy potřeba modelové výpočty. Průzkumy o intenzitě dopravy jsou jedním z nejdůležitějších podkladů pro tento model. Data o dopravním zatížení na jednotlivých výpočtových úsecích zpracovává Ústav dopravního inženýrství Praha, přesněji řečeno Úsek dopravního inženýrství Technické správy komunikací. Bohužel zde nenalezneme dostatek potřebných dat, a proto bylo dodatečně uspořádáno sčítání na vybraných doplňujících komunikacích, kde byla předpokládána vyšší dopravní poptávka.
Obrázek 2. Sledované území pro dopravní sčítání, TSK (převzato: [19])
Oproti sčítání TSK Praha (Obrázek 2), které sledovalo hlavní komunikační síť, bylo zapotřebí při první etapě projektu udělat vlastní sčítání pro doplňkovou síť. Doplňující sčítání je znázorněno na Obrázku 3 níže.
34
Obrázek 3. Doplňující sčítání automobilové dopravy (převzato: [19])
Z následující Tabulky 8 můžeme vyčíst celkový počet úseků - 820, které čítají délku až 456 km. Tabulka 8. Přehled rozsahu sčítání dopravy (převzato: [19])
4.3.2 Vyhodnocení produkce emisí z liniových zdrojů Projekt využívá emisní model Mefa-06 [20], který poskytuje právě firma ATEM. Model v sobě zahrnuje emisní faktory pro ČR, které zprostředkovává Ministerstvo životního prostředí ČR. Výpočet používá rychlost jedoucích vozidel, sklon vozovky, typ vozidla, podíl aut bez katalyzátorů a aut splňujících jednotlivé emisní limity. Zahrnuje i dynamickou skladbu vozového parku, který je charakteristický pro hl.m. Praha, a skladbu dopravního proudu podle 35
emisních kategorií vozidel. Je zřejmé, že starší vozidla budou méně využívána. Data o skladbě dopravního proudu zprostředkovává ŘSD. Emisní model stanoví nejen emise ze spáleného paliva, ale také množství částic, které se dostávají do ovzduší zvířením projíždějících automobilů tzv. sekundární prašnost. Ta závisí na meteorologických podmínkách a charakteru povrchu. Model zahrnuje mimo jiné i tzv. studené starty. Vychází se z výpočtů, že prvních 5 km po startu automobilu je motor stále studený, tudíž produkuje více emisí. Tento jev se objevuje zvláště ve městech, kde jsou krátké dojezdové vzdálenosti. Je potřeba také rozlišit v jaké části města se vozidlo nachází, rozdíly určují zvláště kapacity komunikací, rozložení komunikační sítě a celkový charakter území. Vše to, je zahrnuto do soustavy vzájemně propojených rovnic, které se využijí pro výpočet emisí. Výsledky hodnocení poskytují uživateli tři typy informací [18]:
údaje o zdrojích znečištění – jejich umístění, typ, provozní údaje (např. typ technologie, spotřebu paliva, počty vozidel a podobně) a výsledné emisní hodnoty
údaje o celkovém rozložení imisní zátěže v rámci města pro tři rozhodující znečišťující látky (oxid dusičitý, suspendované částice PM10 a benzen)
podrobné informace o úrovni znečištění a o jeho původcích (zdrojích, které se na imisní zátěži podílejí) přímo v jednotlivých výpočetních bodech
36
5 Lokální modely 5.1 aaSIDRA a aaMOTION aaSidra Odhad provozních nákladů, spotřeby paliva a emisí znečišťujících látek pro hodnocení dopravních podmínek na světelně řízených křižovatkách a na okolních komunikacích může být velmi užitečným nástrojem při plánování, návrhu a vlastním provozu systémů řízení dopravy. Jeden z možných matematických modelů, jenž se v praxi k odhadům výše uvedených veličin používá již téměř deset let, popisují Akçelik a Besley [3]. Jejich článek popisuje relativně jednoduchý matematický model pro výpočet provozních nákladů, spotřeby paliva a emisí (CO2, CO, HC, NOx), používaný v komerčních aplikacích SIDRA INTERSECTION (původně aaSIDRA) pro analýzu provozu na řízených křižovatkách [4] a SIDRA TRIP
(původně aaMOTION)
pro
základní plánování
dopravy pomocí
mikrosimulací [5]. SIDRA INTERSECTION používá elementární model se čtyřmi režimy jízdy vozidla pro odhad spotřeby paliva a emisí škodlivin. Provozní náklady, poskytované modelem, zahrnují přímé provozní náklady vozidla (náklady na pohonné hmoty a další provozní náklady, včetně pneumatik, oleje, oprav a údržby) a časové náklady pro osoby ve vozidlech. Odhad spotřeby paliva je modelem převeden na přímé náklady na provoz vozidel. Časové náklady jsou určeny obsazeností vozidla, průměrným příjmem obyvatel a faktorem, převádějícím průměrný příjem na hodnotu času. V případě chodců model uvažuje jako provozní náklady pouze časové náklady. Modely, použité v aplikacích SIDRA INTERSECTION a SIDRA TRIP jsou založeny na rozsáhlém výzkumu pracovníků australské společnosti Akcelik & Associates. SIDRA TRIP používá okamžitý model pro odhad provozních nákladů, spotřeby paliva a emisí. Elementární model použitý v SIDRA INTERSECTION je odvozen od okamžitého modelu a používá v podstatě stejné parametry vozidla.
37
5.1.1 Parametry modelu Modely spotřeby paliva a emisí i model provozních nákladů používají tři skupiny parametrů: 1.
parametry vozidla,
2.
parametry dopravní situace a silniční infrastruktury
3.
parametry nákladů.
Parametry vozidla zahrnují hmotnost, volnoběžnou spotřebu paliva respektive volnoběžné emise či účinnost pohonné jednotky. Pro modelování spotřeby paliva a emisí jsou modely odvozeny ze skladby dopravy (v procentech vozových kilometrů pro každý typ vozidla) s podrobnějšími údaji o vozidle, včetně druhu paliva (% nafta), výkonu motoru, poměru výkon/hmotnosti poměr, počtu náprav a průměru pneumatik, valivém odporu, čelní ploše vozidla a aerodynamickém součiniteli odporu vzduchu. Spotřeba paliva, emise a náklady jsou kalkulovány pro lehké a těžké automobily. Jako těžká vozidla jsou definována všechna vozidla s více než dvěma nápravami nebo s dvěma pneumatikami na zadní nápravě – autoři se zde přiklánějí k definici, převzaté z amerického dopravního manuálu [6], jenž definuje těžké vozidlo jako „vozidlo s více než čtyřmi koly dotýkajícími se vozovky během normálního provozu“. Do třídy těžkých vozidel tak kromě nákladních automobilů patří i autobusy, návěsy (kloubová vozidla), auta s přívěsy nebo karavany, traktory a další pomalá vozidla. Všechna ostatní vozidla (osobní automobily, dodávky, malá nákladní vozidla) jsou definovány jako lehká vozidla. Dopravní a silniční parametry jsou rychlost, zrychlení a sklon vozovky. Nákladové parametry zahrnují koncovou cenu pohonných hmot, zdrojovou cenu paliva, poměr provozních nákladů k nákladům na palivo, průměrný příjem obyvatelstva, a cenu času jako podíl průměrného hodinového příjmu.
38
5.1.2 Data a modely SIDRA TRIP používá dopravní data založená na: 1.
mikroskopických údajích o cestě z plovoucího vozidla (obvykle s periodou 1s), shromážděných například pomocí GPS,
2.
mikroskopických údajích o cestě na základě tzv. standardního cyklu řízení, (opět obvykle s periodou 1s),
3.
datech generovaných uživatelem ve formě sledu dopravních událostí, udávajících změnu cestovní rychlosti a rychlost této změny (zrychlení nebo zpomalení) se zadanou počáteční a koncovou rychlostí daných pro každou událost.
Ve všech případech SIDRA TRIP počítá okamžitou rychlost vozidla a hodnoty zrychlení a používá je pro výpočet mikroskopických simulačních modelů, uvedených níže. Spotřeba paliva, emise znečišťujících látek a provozní náklady jsou tedy kalkulovány pro každý krok simulace – výsledky se sčítají pro každou dopravní událost a pro celou cestu. SIDRA INTERSECTION používá makroskopický model, popisující čtyři režimy jízdy vozidla. Pro každý jízdní pruh simulované křižovatky aplikace odvozuje jízdní cykly vozidla, sestávající ze čtyř kategorií dopravních událostí: ustálená rychlost, zrychlování, zpomalování a stání, zobrazených na Obrázku 4. Jízdní cyklus vozidla je určen specifickými podmínkami daného jízdního pruhu, především geometrií křižovatky, typem řízení provozu a intenzitou dopravy – tyto údaje dodává aplikaci koncový uživatel. Jízdní cykly, generované aplikací SIDRA INTERSECTION, jsou proto velmi odlišné pro různé typy křižovatek (signalizované, nesignalizované, kruhové objezdy), pro různé fázové sledy a různé délky signálních skupin ve fázovém sledu, pro různé typy předností vozidel na nesignalizovaných křižovatkách a pro různé úrovně intenzity dopravy.
39
Obrázek 4. Příklad cyklu řízení vozidla na křižovatce řízené SSZ (Převzato: [3])
5.1.3 Spotřeba paliva a emise Autoři článku modelují závislost spotřeby paliva a vypuštěných emisí během jednoho kroku diskrétní simulace jako
T
{ V modelu označuje
(
T
v
)
pokud
T
pokud
T
a
pokud
T
a
konstantní míru spotřeby [ml/s] respektive emisí [g/s] při volnoběhu
motoru (jde o stálou spotřebu paliva, nutnou k udržení motoru vozidla v chodu, model pro jednoduchost neuvažuje brždění motorem), vozidla,
T
[kN] je celková trakční síla, nutná k pohybu
[ml/kJ] resp. [g/kJ] udává efektivitu pohonné jednotky, tedy palivo spotřebované 40
respektive emise vypuštěné do ovzduší za jednotku vyprodukované energie, zrychlení vozidla,
[m/s2] je
udává efektivitu akcelerace vozidla, tedy palivo spotřebované
na jednotku vyprodukované energie a zrychlení,
v
[kg] je celková hmotnost vozidla, tedy
součet hmotnosti vozidla, provozních náplní, přepravovaných osob a nákladu a
[m/s] je
okamžitá rychlost vozidla. Parametry pro spotřebu paliva a výpočet emisí přikládám v následující Tabulce 9. Tabulka 9. Parametry pro spotřebu paliva a emisní modely (převzato: [3])
Fyzikální rozměr veličiny paliva uvažujeme a
[ml/s] a
přitom záleží na fyzikálním rozměru parametru : Pro spotřebu [ml], pro výpočet emisního znečištění uvažujeme
[g/s]
[g].
Přímo z hodnot spotřeby vozidla, udávaných modelem, lze odvodit emise oxidu uhličitého pomocí jednoduché závislosti CO2
kde
CO2
CO2
[g/ml] je konverzní koeficient, udávající hmotnost CO2 v jednom mililitru spáleného
paliva a hodnota
[ml] udává spotřebu, nikoliv emise.
Z hodnot spotřeby a emisí lze také určit hodnoty okamžité spotřeby či okamžitých emisí,
41
kde v závislosti na použitém
udává hodnota
buď spotřebu [ml/s] nebo emise [g/s] – její
fyzikální rozměr je tedy shodný, jako rozměr použitého koeficientu .
5.1.4 Náklady individuální dopravy Tento model je jediný, u něhož autoři uvádějí i odvozený model provozních nákladů. Tyto náklady uvažují autoři modelu dvojí. První skupinou jsou přímé provozní náklady, tedy náklady, než musí vlastník vynaložit na provoz vozidla – palivo a další provozní kapaliny, opotřebení vozidla, opravy a údržba vozidla. Tyto náklady jsou pro zjednodušení v modelu vztaženy na cenu paliva. Druhou skupinu nákladů potom tvoří časové náklady. Provozní náklady vozidla
jsou udávány v tzv. jednotkové měně [jm], tedy v měně, v níž
jsou do modelu vkládány parametry (pro Spojené státy tedy nejspíš USD, pro Českou republiku CZK). Během jednoho kroku simulace
vyčísluje model provozní náklady jako (4)
kde
[ml] je spotřeba vypočtená pomocí rovnice 4,
provozních nákladů a
[jm/l] udává součinitel přímých
[jm/s] udává součinitel časových nákladů.
Součinitel přímých provozních nákladů je zadán jako
kde
[-] je přepočtový koeficient, jenž udává podíl nákladů na palivo, jež je třeba dodatečně
vynaložit na údržbu vozidla (tedy další provozní kapaliny, pneumatiky, údržba a opravy), [-] udává koeficient ceny zdrojů, definovaný jako poměr velkoobchodní ceny paliva plus maloobchodní marže minus daň ku výsledné ceně paliva na čerpací stanici a paliva za jeden litr v jednotkové měně. Součinitel časových nákladů vozidla určíme jako
42
[jm/l] je cena
kde
[-] je průměrný počet pasažérů ve vozidle,
výdělku na cenu času a
[-] je přepočtový koeficient průměrného
[jm/h] je průměrná hodinová mzda.
Podobně jako u spotřeby a emisí lze i zde určit okamžitou míru provozních nákladů jako (5)
Rovnice (4) a (5) mohou být po drobné úpravě použity i k určení celkových cestovních nákladů: stačí namísto okamžité hodnoty spotřeby délky kroku simulace
použít celkovou spotřebu
a místo
uvažovat celkovou dobu cesty.
5.2 AIMSUN AIMSUN je systém modelování dopravy, který byl vyvinut firmou TTS transport ve španělské Barceloně. Tento software je využit pro celou řadu problémů či řešení různých situací, týkající se dopravy jako je například zlepšení dopravní infrastruktury, snížení kongescí, designu městského prostředí a snížení emisí. AIMSUN v současné době patří k tomu nejlepšímu ve svém oboru a to zvláště díky třem typům dopravního modelu: statické makroskopické nástroje pro modelování poptávky po dopravě,
mezoskopický
simulátor
a
mikroskopický
simulátor
dopravy.
Avšak
v makroskopické úrovni je současná verze programu jen simulačním nástrojem. Tudíž uživatel si musí sám vytvořit matice přepravních vztahů na základě socioekonomických dat. Největší předností tohoto systému je propojení makroskopických a mezoskopických systémů a tím lze dostat jednotné výsledky statických a dynamických přístupů k dopravnímu modelování.
Za jednu z dalších výhod lze předpokládat možnost uživatele modifikovat
zdrojový kód systému AIMSUN pomocí skriptovacího jazyka Python či programovacího jazyka C++. Hlavní nevýhody AIMSUN jsou: slabší 3D vizualizace, nastavení signálních plánů, linek MHD, nelze modelovat dopravu v klidu, pro více druhů řízení musí být vytvořeno stejné množství scénářů, nevhodné ověřování neřízených křižovatek, je nutno častého mechanického nastavování. 43
5.2.1 Úrovně modelu: Dle měřítka mapované dopravní sítě lze simulovat tři základní úrovně - makroskopické, mezoskopické a mikroskopické. Rozdělení úrovní uvádím pro lepší znázornění v Obrázku 5. Proces, je vždy rozdělen do čtyř základních kroků:
práce před vlastním modelováním (určení rozsahu projektu, sběr dat)
úvodní modelování (tvorba základního modelu, kontrola chyb, funkční model před kalibrací)
kalibrace (porovnání modelu s naměřenými daty, případná úprava parametrů modelu)
aplikace modelu (alternativní analýza, závěrečná zpráva)
Mikroskopický model Popisuje jednotlivá vozidla a vzájemné chovaní mezi nimi. Mikroskopické simulaci je použita řada modelů: model pro přejíždění mezi pruhy, model pro následování vozidel, model pro neřízené křižovatky založený na přijatelnosti časové mezery, model pro přípojné a odbočovací pruhy. Mezoskopický model Ačkoli makroskopická a mezoskopická úroveň používá obdobné parametry - stejné typy vozidel, stejné zdroje i cíle, lze najít některé základní rozdíly. V mezoskopické simulace zohledňují průjezd a zdržení v křižovatce, je tedy nutné nadefinovat signální plány SSZ a případné přednosti v jízdě na neřízených křižovatkách. Další důležitý parametr úseku je reakční faktor (velké klesání nebo stoupání, ostrý směrový oblouk), limitní hustota (hodnota, kdy je dosaženo maximální kapacity úseku), rychlost odbočení (maximální rychlost, kterou vozidlo projíždí křižovatku při odbočování) Makroskopický model V makroskopické simulaci je třeba dodržet počet jízdních pruhů křižovatek. Hlavní parametry, kterými je model ovlivněn je kapacita úseku (maximální kapacita úseku), maximální povolená rychlost (maximální rychlost, kterou lze bezpečně projet každý bod v úseku)
44
Obrázek 5. Rozdělení simulačních úrovní (převzato z [10])
45
5.2.2 Tvorba modelu Postup tvorby modelu můžeme rozdělit do desíti kroků od vypracování geometrie sítě až po konečné spuštění simulace. 1. Vypracování geometrie sítě - dle dostupného mapového podkladu, ve správném měřítku 2. Parametrizovat jednotlivé entity v modelu 3. Zadání dopravních toků - podíl intenzit v odbočení na křižovatkách nebo v podobě O/D matic 4. Natavení dopravní poptávky 5. Nastavení možných událostí v síti 6. Vložení signálních plánů a nastavení SSZ 7. Vložení parametrů veřejné dopravy 8. Možnost vytváření vlastních skriptů
- nadefinování různých parametrů vozidel,
chování řidičů 9. Simulace - tvorba scénářů, experimentů 10. Výstupy z modelu - tabulky, časové řady, grafické sestavy sítě.
5.2.3 Atributy vozidla Tyto parametry jsou definovány dle typu vozidla jako například osobní automobil, nákladní automobil autobus a jiné. Je možné nadefinovat nejen průměrné hodnoty pro každý typ vozidla, ale také odchylky či maximální a minimální hodnoty. Základní nastavitelné atributy vozidla jsou například jméno (které identifikuje typ vozidla), délka a šířka vozidla (volí se v metrech, kde můžeme nadefinovat průměrné, maximální i minimální hodnoty nebo také odchylky), maximální požadovaná rychlost, zrychlení (maximální, minimální, průměrné), minimální vzdálenost mezi vozidly a jiné. Pro tuto práci jsou nejdůležitějšími parametry spotřeby paliva a znečištění emisí.
5.2.4 Modely životního prostředí Mikrosimulátor AIMSUN má implementovány dva lokální modely životního prostředí a to v model okamžité spotřeby paliva a okamžité produkce vybraných znečišťujících emisí. Uživatel si při nastavení simulace může vybrat v kolonce Ouput, zda chce během simulace 46
tyto modely počítat a environmentální data sbírat, či ne. Nastavení kolonky Ouput je znázorněno na Obrázku 6.
Obrázek 6. Editor spotřeby paliva
5.2.5 Model spotřeby paliva Model spotřeby paliva implementovaný v AIMSUNu předpokládá, že každé vozidlo se nachází v jedné z následujících čtyř fází – ve zrychlení, ustálené rychlosti, ve zpomalení nebo stojí. Pro každé vozidlo je v každém kroku simulace určen momentální stav a následně je zvolen odpovídající vzorec pro výpočet okamžité spotřeby paliva. Pro vozidlo v klidu ( ) a pro to zpomalující se (
) předpokládá, že hodnoty budou
konstantní.
Jinak tomu je u zrychlujícího vozidla, kde hodnoty jsou dány následujícím vzorcem:
Kde
a
jsou konstanty, a je zrychlení a v je příslušná rychlost vozidla.
47
Definovaný vztah pro vozidlo jedoucí ustálenou rychlosti v, se skládá s tří konstant:
,
,
, které musí být zadány speciálně pro každý typ vozidla. (
)
je rychlost, ve které je spotřeba paliva minimální. Zpravidla to bývá okolo 50km/h. Britské ministerstvo dopravy [23] poskytuje data spotřeby paliva pro všechna nová vozidla. Uvedené údaje jsou spotřeby paliva pro vozidla jedoucí rychlosti 90km/h a 120km/h [l/100km]. To lze využít k určení konstant
a
[l/100km] pro vozidla jedoucí konstantní rychlostí buď
, pokud nebo
a
je spotřeba paliva
tak platí:
Vstupní parametry spotřeby paliva Jak je vidět výše, pro každý typ vozidla, který má určitý stupeň spotřeby paliva, musí být před započetím simulace specifikováno následujících šest parametrů:
, parametr spotřeby paliva pro vozidlo v klidu [ml/s]
a
, parametr spotřeby paliva pro vozidla jedoucí konstantní rychlostí 90km/h
, dvě konstanty pro parametry spotřeby paliva pro zrychlující vozidlo
[ml/s]
[l/100km]
, parametr spotřeby paliva pro vozidla jedoucí konstantní rychlostí 120km/h [l/100km]
, parametr uvádějící, při které rychlosti je spotřeba paliva pro vozidlo jedoucí cestovní konstantní rychlostí minimální [ml/s]
, parametr spotřeby paliva pro zpomalující vozidlo [ml/s]
48
Znázorněno na následujícím Obrázku 7.
Obrázek 7. Dialogové okno vstupních parametrů spotřeby paliva pro osobní automobil
Výstup Výstup z modelu spotřeby paliva je podle manuálu [12] následující:
Pro celou síť – celková ujetá vzdálenost všemi vozidly, které dokončily svou cestu, v kilometrech, a jejich celková spotřeba paliva litrech
Pro každý úsek – celková ujetá vzdálenost všech vozidel, která daným úsekem projela, v kilometrech a jejich celková spotřeba paliva v litrech
Pro každou trasu – celková ujetá vzdálenost všech vozidel, která projížděla danou cestou, v kilometrech a jejich celková spotřeba paliva litrech
5.2.6 Model znečištění emisí AIMSUN je schopen modelovat emise pro každé vozidlo v simulaci. Stejně tak, jako v modelu spotřeby paliva, vozidla jsou v určitém stavu (zrychlení, ustálená rychlost, zpomalení nebo stání) a mají určitou rychlost/zrychlení, dle těchto parametrů jsou modelovány emise pro každé vozidlo v každém simulačním kroku. To je provedeno pomocí odkazů do tabulek, v kterých nalezneme emise v [g/s] pro každou možnou kombinaci chování vozidel.
49
Vstupní parametry Pro každý typ vozidla lze definovat skupinu znečišťujících látek (CO, NO x aj.) a pro každou znečišťující látku je možno definovat vstupní parametry. Požadované vstupní hodnoty pro model emisí jsou:
Emise pro zrychlující vozidlo [g/s]
Emise pro zpomalující vozidlo [g/s]
Emise pro vozidlo v klidu
Tabulka emisí vozidel jedoucích konstantní cestovní rychlostí skládající se z rychlosti [km/h] a příslušné produkce emisí [g/s]
Natavení je prezentováno na Obrázku 8.
Obrázek 8. Dialogové okno vstupních parametrů znečištění emisí pro osobní automobil
Emise látek znečišťujících ovzduší, kterými jsou Oxid uhelnatý (CO), oxidů dusíku (NOx), a uhlovodíky (HC), poskytuje na základě emisních faktorů evropský projekt QUARTET [13]. Tento model očekává, že emisní faktory jsou konstantní pro vozidla, která stojí (volnoběh), zrychlují nebo zpomalují. U vozidel jedoucí ustálenou rychlostí předpokládá, že se emisní faktory mění v závislosti na rychlosti. Emisní hodnoty pro osobní vozidla a autobusy jsou uvedeny v následujících Tabulkách 7 a 8 [13]: 50
Tabulka 10. Hodnoty emisí pro osobní vozidla
Emisní hodnoty automobilů (g/s) Emise vozidla v klidu Emise zrychlení Emise zpomalení Emise ustálené rychlosti 10 km/h 20 km/h 30 km/h 40 km/h 50 km/h 60 km/h 70 km/h
CO 0,0600 0,3770 0,0720
NOx 0,0008 0,0100 0,0005
HC 0,0067 0,0200 0,0067
0,0600 0,0910 0,1300 0,1290 0,0900 0,1100 0,1770
0,0006 0,0006 0,0017 0,0022 0,0042 0,0050 0,0058
0,0063 0,0078 0,0083 0,0128 0,0097 0,0117 0,0136
Tabulka 11. Hodnoty emisí pro autobusy
Emisní hodnoty autobusů (g/s) Emise vozidla v klidu Emise zrychlení Emise zpomalení Emise ustálené rychlosti 10 km/h 20 km/h 30 km/h 40 km/h 50 km/h 60 km/h 70 km/h
CO 0,0500 0,3770 0,0720
NOx 0,0050 0,0100 0,0005
HC 0,0383 0,0200 0,0067
0,0970 0,0560 0,0500 0,0690 0,0560 0,0420 0,0000
0,0180 0,0200 0,0230 0,0360 0,0670 0,0830 0,1330
0,0780 0,0440 0,0420 0,0560 0,0780 0,0670 0,0670
Výstup Výstup z modelu znečištění ovzduší je podle manuálu [12] následující:
Pro celou síť, celková ujetá vzdálenost všemi vozidly [km], které dokončily svou cestu a jejich celkové znečištění [kg]
Pro každý úsek, celková ujetá vzdálenost všech vozidel[km], která daným úsekem projela a jejich celkové znečištění [kg]
Pro každou trasu, celková ujetá vzdálenost všech vozidel[km], která projížděla danou cestou a jejich celkové znečištění [kg]
51
6 Porovnání modelů Tato kapitola porovnává výstupy mikrosimulace s modely emisí dvou v předchozí kapitole popsaných modelů a to australský plánovací software SIDRA, který zde předvedu jako Simulinkový model, a je model QUARTET implementovaný přímo v mikrosimulátoru AIMSUN. Pro účel této bakalářské práce jsem využila namodelovanou část Prahy – Zličín (zobrazeno na Obrázku 9). Jedná se o velmi frekventovanou oblast v západní části Prahy. K vysoké poptávce této lokality přispívá fakt, že se zde nachází několika nákupních center a je to významný dopravní uzel příměstských částí s hlavním městem Praha. Je zde přístup na metro a také několik důležitých autobusových spojů, které obsluhují značnou část obcí v okolí.
Obrázek 9. Ortofoto testovací oblasti na Zličíně
Pro testování environmentálních modelů je v AIMSUNu použit pravý pruh pozemní komunikace (znázorněn na Obrázku 10), který vyúsťuje z dvou dopravních proudů a to z města Rudná a z druhé strany z městské části Prahy - Řepy. Tato část je velmi atraktivní pro emisní průzkum, jelikož je v blízkosti již zmiňované, velmi frekventované autobusové nádraží, a obchodní centrum Metropole Zličín, tudíž je velmi pravděpodobná vysoká poptávka po dopravě a tím zapříčiněné veliké dopravní zatížení a následné znečištění emisí. 52
Obrázek 10. Namodelovaná část pozemní komunikace – Zličín.
Před vlastní simulací bylo zapotřebí stanovit jednotlivé vstupní parametry pro spotřebu paliva a znečištění emisí. Nastavení znečištění emisí se provádí v záložce pollutants . Hodnoty se zadávají dle projektu QUARTET zmíněného v Kapitole 5.2 o AIMSUNu. Je zapotřebí nastavit hodnoty pro každý typ vozidla. Znečišťující látky se rozdělují do tří kategorií dopravních událostí s konstantním znečištěním – zrychlení, zpomalení, stání a dále je tu jedna kategorie s proměnou cestovní rychlosti, kde jsou emise spočítány v závislosti na dané rychlosti (od 10km/h po 70km/h) Toto prezentuje Obrázek 8. Pro srovnání s interním modelem mikrosimulátoru AIMSUN, jsem na základě totožných stavových informací o jednotlivých vozidlech v testovaném úseku použila alternativní model Akçelika a Besleyho popsaný v Kapitole 5.1. Tento model je naimplementován v prostředí Matlab/Simulink.
53
Obrázek 11. Model Akçelika a Besleyho
54
Chování výše uvedeného modelu nyní vyzkoušíme v prostředí Matlab/Simulink. Vstupem modelu budou parametry virtuálního vozidla, zjištěné pomocí mikrosimulátoru dopravy TSS Aimsun [14] po dobu průjezdu vozidla zkoumaným úsekem (typicky 40-65 s), modelované s pevným krokem 1 s. Tyto parametry v Matlabu načteme do jedné matice, jejíž formát odpovídá formátu vyžadovanému vstupním blokem From File v Simulinku [15]. Matice je orientována po sloupcích, její první řádek obsahuje časová razítka jednotlivých vektorů parametrů, vlastní parametry jsou potom uloženy od druhého řádku dále. V našem případě má matice tvar max
T,1
T,2
T, max max
(
max
)
kde … hmotnost vozidla (1400 kg pro osobní automobil, 17400 kg pro autobus) … parametr, udávající efektivitu pohonné jednotky vozidla při konstantní rychlosti (podle aplikace modelu [ml/kJ] pro spotřebu nebo [g/kJ] pro emise; konkrétní hodnoty uvádí Tabulka 9 … parametr, udávající efektivitu pohonné jednotky vozidla při akceleraci (podle aplikace modelu [ml/kJ.m.s-2] pro spotřebu nebo [g/kJ.m.s-2] pro emise; konkrétní hodnoty uvádí opět Tabulka 9) … podle aplikace modelu buď spotřeba motoru naprázdno [ml/s] respektive takto vyprodukované emise [g/s] T
… celková trakční síla [kN], potřebná pro jízdu vozidla
… okamžitá rychlost vozidla [m/s] … okamžité zrychlení vozidla [m/s2]; při zpomalování je zrychlení záporné Simulovat budeme s časovým krokem odpovídajícím časovému kroku mikrosimulace, tedy s, což znamená, že člen
v rovnici nemusíme uvažovat. Simulinkový model,
uvedený na Obrázku 11, lze použít jak pro modelování spotřeby paliva, tak i (po změně parametrů ,
a
) pro modelování emisí oxidu uhelnatého (CO), uhlovodíků (HC) a oxidů
dusíku (NOx).
55
Trakční síla
T,
potřebná pro jízdu vozidla, je pro účely tohoto experimentu dána součtem
valivé odporové síly, aerodynamické odporové síly a setrvačné síly, T
R
A
S
Pokud bychom uvažovali jízdu po nakloněné rovině a zatáčení vozidla, museli bychom trakční sílu zvýšit ho pohybovou sílu vozidla na nakloněné rovině a o třecí sílu, odpovídající odstředivé síla vozidla při zatáčení. Valivý odpor vozidla určíme jako R
kde
rr =0,015
rr
je bezrozměrný koeficient valivého odporu pneumatiky na asfaltu a
[m/s2] je
normální zemské tíhové zrychlení. Aerodynamický odpor je dán vztahem A
kde =1,29 [kg/m3] je hustota vzduchu, z Tabulky 12,
a a
je koeficient aerodynamického odporu, převzatý je čelní plocha vozu.
[m/s] je rychlost vozidla a
Setrvačná síla se vypočítá známým vztahem S
Tabulka 12. Tabulka hodnot pro lehká vozidla a těžká vozidla.
56
Pro účely výpočtu je zvláště důležitý pravý sloupec Aero. drag coefficient s hodnotou ca, a sloupec Frontal area neboli čelní plocha, s hodnotou A pro osobní automobil. Pro autobus byla zvolená hodnota 6,51 [m2] [22].
6.1 Vlastní porovnání modelů Jako výstup pro vzorový automobil a autobus jsem zvolila graf spotřeby paliva v závislosti na čase a graf rychlosti v závislosti na čase. Pro větší přehlednost jsem grafy aplikovala do jednoho. Z toho je patrná vazba rychlosti na spotřebě. Jakmile je snížená rychlost vozidla, klesá spotřeba paliva. Při stálé rychlosti je spotřeba paliva taktéž konstantní. Jakmile je vozidlo v klidu, je spotřeba vozidla také konstantní, ale minimální. Při náhlém zrychlení se dá konstatovat, že spotřeba má rychlý nárůst a dosahuje maximálních hodnot. Grafy jsou aplikovány na vozidlo projíždějící celým měřeným úsekem. Pro porovnání jsem zvolila autobus (Graf 1) s osobním automobilem (Graf 2), kde je vidět značný rozdíl ve spotřebě paliva. U automobilu spotřeba paliva nepřekročí 7 ml, kdežto u autobusu hodnoty dosahují téměř 27 ml. Zajímavým jevem, viditelným zvláště na Grafu 2, je rozdílné chování modelů při zpomalování vozidel – zatímco model Akçelika a Besleyho považuje okamžitou spotřebu vozidla při zpomalování za totožnou se spotřebou při stání, model v AIMSUNu umožňuje hodnotu spotřeby při zpomalování vozidla snížit a napodobit tak efekt vypínání přívodu paliva do motoru řídicí jednotkou při brždění motorem u moderních vozidel.
57
30
30 Spotřeba Aimsun Rychlost
25
25
Spotřeba Akcelik
15
15
10
10
5
5
0
0 1
11
21
31
41
51
61
71
81
91 101 111 121 131 141 151 161 171 181 191 Čas [s]
Graf 1. Závislost spotřeby paliva autobusu na čase a cestovní rychlosti
58
Rychlost [km/h]
20
Spotřeba [ml]
20
7
50
Spotřeba Aimsun
6
Spotřeba Akcelik
45
Rychlost
40 35 30
4
25 3
20 15
2
10 1 5 0
0 1
6
11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106 111 Čas [s]
Graf 2. Závislost spotřeby paliva automobilu na čase a cestovní rychlosti
Dalším výstupem je porovnání průměrné spotřeby paliva a znečišťujících látek za jednu měřenou hodinu. Patrně z důvodu přímé závislosti CO2 na spotřebě (jak usuzuji podle výpočtu emisí v modelu Akcelika a Besleyho) AIMSUN tento výpočet neumožňuje, tudíž emise CO2 v následujících grafech neuvádím. V následujícím Grafu 3 je znázorněna spotřeba paliva za jednu hodinu na měřeném úseku, již popsaném výše. V tomto případě se oba modely velmi shodují a rozdíly jsou minimální. Zajímavá je přitom ovšem celková predikovaná výše spotřeby paliva, která se zdá být značně vyšší, než kolik odpovídá spotřebě dnešních vozidel v městském provozu. Při velmi konzervativní hodnotě spotřeby vozidla cca 15 l/100km – cca 0,15 ml/m – je jeho spotřeba paliva na simulovaném úseku délky 150m cca 22,5 ml. I pokud by toto vozidlo projelo daný úsek za 1 minutu, což, jak vidíme na Grafech 1 a 2, nastává velice zřídka, odpovídá spotřebě okolo 1 l/min průjezd cca 44 vozidel, což je pro simulovaný dvojpruh hodnota blízká saturovanému toku 1800 voz/hod a překračující kapacitu světelně řízené křižovatky, do níž pruh ústí.
59
Rychlost [km/h]
Spotřeba paliva [ml]
5
Spotřeba Aimsun Spotřeba Akcelik
3
2,5
Spotřeba [l]
2
1,5
1
0,5
0 1
6
11
16
21
26
31
36
41
46
51
56
Čas [min] Graf 3. Porovnání spotřeby paliva za jednu měřenou hodinu
Rozdíly jsou prezentovány na grafu uvedeném níže. Pohybují se v rozmezí 0,5 až 0,25 litru. Spotřeba - rozdíl 0 1
6
11
16
21
26
31
Spotřeba [l]
-0,05
-0,1
-0,15
-0,2
-0,25
Čas [min]
Graf 4. Rozdíly spotřeby paliva mezi modely
60
36
41
46
51
56
Další měřená data jsou znečišťující látky, do kterých patří NOx, CO, HC a také CO2, který z již vysvětlených důvodů nebudu porovnávat. I když spotřeba paliva byla v předešlém porovnání téměř totožná, u těchto látek tomu tak nebude. Tento fakt přikládám především rozdílnému způsobu výpočtů v obou modelech. Zatímco AIMSUN přiřazuje ke každé rychlosti určitý počet koncentrací emisních látek, popsaný v Tabulce 10 a 11, model Akçelika a Besleyho používá pro výpočet emisí postup shodný s výpočtem spotřeby paliva, přičemž výsledky jsou závislé na zvolených parametrech (jsou vypsané v Tabulce 9), lze tedy předpokládat, že se výsledky budou lišit. Dalším důvodem může být rozdílná kalibrace modelů: Data pro AIMSUN pocházejí z roku 1992 z Evropy, model Akçelika a Besleyho je kalibrován na australský vozový park o deset let mladší. První měřenou látkou jsou oxidy dusíku NOx. Výstupy modelu ukazuje Graf 5. NOx Aimsun NOx Akcelik
70
Počet vozidel
0,3
60
0,25
50
0,2
40
0,15
30
0,1
20
0,05
10
0
Počet vozidel
NOx [g/s]
0,35
0 1
6
11
16
21
26
31
36
41
46
51
56
Čas [min] Graf 5. Porovnání Nox za jednu měřenou hodinu
U oxidů dusíku lze ještě zpozorovat částečné překrytí některých úseků a výsledné hodnoty se pohybují v téměř stejném intervalu. Jinak tomu však bude v následujícím grafu, který udává hodnoty HC, kde se zvýšením počtu vozidel v daném úseku je zaznamenán nárůst křivky modelu v AIMSUNu neúměrně k modelu Akçelika a Besleyho.
61
HC Aimsun HC Akcelik
0,4
70
Počet vozidel 0,35
60
0,3
HC [g/s]
0,25 40 0,2 30 0,15
Počet vozidel
50
20
0,1
10
0,05 0
0 1
6
11
16
21
26
31
36
41
46
51
56
Čas [min] Graf 6. Porovnání HC za jednu měřenou hodinu
Poslední měřenou veličinou je oxid uhelnatý CO, který taktéž poukazuje na rozdílné postupy výpočtů emisí, tudíž i na různé výsledky. Zde je velmi podezřelé značné kolísání hodnot emisí v modelu Akçelika a Besleyho.
62
CO Aimsun CO Akcelik
14
70
12
60
10
50
8
40
6
30
4
20
2
10
0
Počet vozidel
CO [g/s]
počet vozidel
0 1
6
11
16
21
26
31
36
41
46
51
56
Čas [min] Graf 7. Porovnání CO za jednu měřenou hodinu Tabulka 13. Porovnání celkových emisí pro oba modely
Celkové emise Model
CO [g/s] HC [g/s] NOx [g/s]
AIMSUN
257,7271 11,5536
9,7558
Akçelik
358,8842 7,6834
9,1342
Rozdíl hodnot [%]
28,32
33,47
6,37
Pro přehledné porovnání jsou v Tabulce 13 uvedeny celkové hodnoty emisí na měřeném úseku za hodinu. Jsou zde zjevné rozdíly, které byly již zřetelné z grafu. Z čehož emise NOx se liší o pouhých 6,37%, tak u ostatních sledovaných emisí CO a HC to jsou hodnoty okolo třiceti procent.
63
7 Závěr Bakalářská práce se zabývá jedním z aktuálních světových témat a tím je znečištění ovzduší emisemi z dopravy. Tento globální problém, i přes všechny snahy o redukci, má rostoucí tendenci a znečišťující látky mají stále větší dopad na lidské zdraví. Nejvýrazněji tomuto jevu přispívá silniční doprava a to zvláště ta individuální v městských a příměstských oblastech. Pro minimalizaci škodlivin v ovzduší bylo zavedeno několik opatření. Emise ze silniční dopravy jsou určeny mnoha parametry, tudíž je k provádění emisních výpočtů zapotřebí stanovit vhodný emisní model. Pro účely své bakalářské práce jsem modely rozdělila do dvou základních skupin, a to na modely globální, které popisuji v první části a modely lokální, jež představují stěžejní část této práce. Lokální modely jsou modely tzv. cyklické, které jsou tradiční čtyřfázové. V posledních letech se však od těchto modelů opouští a přechází se ke složitějšímu modelu jednotnému, který má specifičtější data, a tudíž i přesnější výsledky. Do přehledu globálních modelů jsem zařadila ty, které se využívají na území České republiky. Zmínila jsem metodiku Ministerstva dopravy ČR založenou na rozdělení vozidel do 23 kategorií podle druhu dopravy, používaného paliva a vybavení vozidel účinnými katalyzátory. Metodika se hodí spíše pro predikci dopravy a regionální výpočty, jelikož kvůli rozdílnosti emisních faktorů není metoda natolik přesná, aby ji bylo možno využít i pro lokální úroveň výpočtů. Další dva modely zpracovává Ateliér ekologických modelů, který využívá emisní model Mefa-06. Model, který zadává ŘSD, analyzuje hlavní komunikační síť ČR a slouží pro srovnání hodnot s platnými emisními limity, ochranu zdraví, ekosystémů a také má zajistit referenční základ pro územní plánování, posuzovaní silničních staveb v rámci EIA. Model ENVIS 4 zpracovává data o znečištění emisí na území Hlavního města Prahy. Ke stávající hlavní komunikační síti pro tento model bylo zapotřebí vlastní sčítání pro doplňkovou síť na místech předpokládané zvýšené intenzity dopravního proudu. K vypočtení zdrojů znečištění v modelu ENVIS 4 byl využit Registr emisí a zdrojů znečištění ovzduší REZZO. V přehledu lokálních modelů emisí jsem se zaměřila na model QUARTET, implementovaný v dopravním mikrosimulátoru AIMSUN, a na modely, využívané v australském plánovacím software SIDRA. AIMSUN dává uživateli k dispozici dva modely životního prostředí a to model produkce vybraných emisí a model okamžité spotřeby paliva. AIMSUN je schopen 64
modelovat emise pro každé simulované vozidlo, kde se vozidla vždy nacházejí v jedné ze čtyř fází a mají určitou rychlost, ke které jsou přiřazené příslušné hodnoty emisí. U výpočtu spotřeby paliva je možno poukázat na některé nedostatky. Modelová data jednotlivých režimů jízdy na sebe nenavazují, jelikož doporučovaná spotřeba v klidu je nižší než v prvním kroku zrychlování. Dalším problémem se jeví, že model neuvažuje zpomalování pod plynem do kopce. Oproti modelu spotřeby Akçelika a Besleyho [3] se Aimsun liší zejména v té části jízdy, kdy vozidlo zpomaluje, to je zapříčiněno tím, že model Akçelika a Besleyho má stejné hodnoty pro okamžitou spotřebu při zpomalovaní jako pro stání, kdežto AIMSUN umožňuje napodobit efekt bržděním motorem, jak je tomu u modernějších vozidel. Další rozdíly ve výsledcích pro výpočty emisních modelů přikládám k odlišnému prostředí a časovému období kalibrace obou modelů: zatímco data v AIMSUNu jsou z roku 1992 z území Evropy, data používaná Akçelikem a Besleym reflektují skladbu vozového parku v Austrálii a jejich model je mnohem podrobnější – počítá i s více parametry, jako je například trakční síla. Je tedy nutno dodat, že emisní modely jsou stále ve vývoji a pokud nejsou vhodně nakalibrované, neudávají směrodatná data. Moderní auta mají, alespoň co se spotřeby týče, výhodu, protože hodně údajů lze monitorovat za jízdy přes CAN sběrnici. Bohužel tímto způsobem nelze měřit i emise.
65
8 Seznam literatury
[1]
Centrum dopravního výzkumu, Stanovení emisí látek znečišťujících ovzduší z dopravy 2006. [online] Dostupné z ˂http://www.cdv.cz/file/metodika-stanoveni-emisilatek-znecistujicich-ovzdusi-z-dopravy/˃
[2]
Centrum dopravního výzkumu, Vývoj emisní zátěže ovzduší z dopravy 2004. [online] Dostupné z ˂http://www.cdv.cz/text/szp/ovzdusi/vyvoj_zateze.pdf˃
[3]
R. Akçelik a M. Besley, „Operating cost, fuel consumption, and emission models in aaSIDRA and aaMOTION,“ Proceedings of CAITR 2003 (25th Conference of Australian Institutes of Transport Research), 2003.
[4]
Akcelik & Associates, „SIDRA INTERSECTION 5.1,“ 2011. [Online]. Dostupné z ˂ http://www.sidrasolutions.com/Software/INTERSECTION/Overview ˃.[Přístup získán 30 leden 2013].
[5]
Akcelik & Associates „SIDRA TRIP 1.1,“ 2011. [Online]. Dostupné z ˂http://www.sidrasolutions.com/Software/TRIP/Overview ˃ [Přístup získán 30 leden 2013].
[6]
Transportation Research Board, Highway Capacity Manual, Washington: Transportation Research Board, 2000.
[7]
ATEM, Stanovení emisí látek znečišťujících ovzduší z dopravy, 2006, Dostupné z ˂http://www.rsd.cz/doc/Technicke-predpisy/Ochrana-zivotniho-prostredi/model-emisia-imisi-z-automobilove-dopravy-2010 ˃
[8]
Centrum dopravního výzkumu, Stabilizace a postupné snižování zátěže životního prostředí z dopravy v České republice (výroční zpráva za rok 1996). Brno: CDV, 1997.
[9]
Centrum dopravního výzkumu, Výpočet emisí z dopravy 2004, [online]. Dostupné z
[10]
PTV AMERICA traffic mobility logistic. PTV Vision 2001[online]. Dostupné z: .
66
[11]
ČVUT v Praze Fakulta dopravní, Skripta Základy dopravního inženýrství, 2009
[12]
AIMSUN 5.0 Microsimulator Users Manual, Transport Simulation Systems, 2005.
[13]
QUARTET, Assessment of current tools for environment assessment in QUARTET, DRIVE II Project V2018: QUARTET, September 1992
[14]
Aimsun NG 7, Transportation Simulation Systems, 2013. [Online] Dostupné z
[15]
Matlab & Simulink R2012b, Mathworks Inc., 2012.
[16]
Elsevier, Validation of road vehicle and traffic emission models, 2010. [Online] Dostupné z
[17]
Elsevier, Road vehocle emission factors development, 2013. [Online] Dostupné z
[18]
ENVIS 4, Informační servis o životním prostředí ve vybraných MČ hl.m. Prahy 2012, [Online] Dostupné z
[19]
ENVIS 4, Zpráva o aktualizaci projektu za oblasti ovzduší, krajina a zeleň v roce2012, 2012. [Online] Dostupné z
[20]
ATEM, Uživatelská příručka MEFA 06 ,2006. [Online] Dostupné z
[21]
Smit, R., Brown, A.L, Chan, Y.C., 2008. Do air pollution emissions and fuel consumption models for roadway traffic flow? Environmental Modeling and Software 23 (10), 1262-1270
[22]
Wikipedia, [Online] Dostupné z
[23]
UK DEPARTMENT FOR TRANSPORT. New car fuel consumption: the official figures. Londýn, 1994. [Online] Dostupné z:
67
