2023-08-31
 
基于离散事件模拟沥青路面施工对环境的影响
2023年08月31日   阅读量:201935

摘 要

为了降低沥青路面施工过程中能耗及温室气体和污染物排放,建立了基于离散事件模拟的沥青路面施工环境影响计算模型,利用概率分布函数和逻辑语句将施工步骤抽象化,应用图形化离散事件模拟软件构建了沥青路面施工离散事件模型,将Nonroad计算模型植入,进行了不同温室气体和污染物的动态计算,并对比了不同施工情况的模拟排放结果。分析结果表明:运料车将沥青混合料运输至摊铺现场的过程为沥青路面施工的主要能耗源,为总能耗的44%,摊铺过程与运料车返回过程的能源消耗分别为总能耗的32%、12%;温室气体与污染物排放的主要施工步骤为运输和摊铺过程,占排放总量的50%以上;摊铺与压实过程产生的排放物主要为NOx,运输过程产生的排放物主要为CO2;对施工工艺进行调整,使用不间断摊铺施工会明显减少NOx的排放,减排量约为15%;在施工设备方面,适当增大摊铺设备的容量会减少CO2和HC的排放,前者减排量约为25%,后者约为17%。可见,基于离散事件模拟沥青路面施工环境影响计算模型,可量化沥青路面施工过程的能耗及温室气体和污染物排放,优化沥青路面施工技术方案沥青网sinoasphalt.com


关键词 道路工程 | 沥青路面施工 | 环境影响 | 能耗 | 离散事件模拟 | 污染物排放


0、引言


近年来,随着中国温室气体排放量逐年增加,节约环保成为当前的热点问题。沥青路面摊铺消耗的化石能源以及温室气体的排放对大气环境有一定的影响,此外,摊铺设备在施工过程中还会产生多种大气污染物,因此,研究沥青路面施工过程的能源消耗和污染物排放趋势,进而合理规划施工方案,建立低碳施工技术对实现低碳环保型交通具有积极的意义[1-2]。


目前,针对路面施工过程对环境的影响,有学者进行了一系列相关研究,研究者通常采用基于流程的生命周期分析方法(Life Cycle Assessment,LCA),将整个施工过程拆分成几个阶段,以分别研究不同阶段施工环境影响。1996年,Hunt等首次系统叙述了生命周期在能耗排放计算等方面的应用[3];Cass等通过混合生命周期评估方法,利用直接观察到的特定数据计算了高速公路建设过程的温室气体排放[4];陈康海等基于建筑全生命周期理论,确立了施工阶段温室气体排放核算框架,为客观鉴别施工活动的碳排放情况奠定了基础[5];蔺瑞玉等划分了沥青路面温室气体排放评价体系边界,提出了各建设阶段温室气体排放评价指标,以此为基础建立了中国沥青路面建设过程温室气体排放指标的综合评价体系[6];杨博以生命周期的分析视角,采用文献调查与现场调查相结合的方式,确定了沥青路面能耗与排放流程及其影响因素,建立了沥青路面使用阶段能耗与排放量化分析模型[7];王贤卫等将高速公路建设过程界定为原材料生产、原材料运输和机械施工3个阶段,并分别计算了各阶段的碳排放[8];Kim等通过神经网络构建了一个让决策者容易确定沥青路面项目的温室气体排放量的框架[9];尚春静等应用生命周期评价理论与方法计算了高速公路生命周期消耗的能源和产生的大气排放[10];Yu等建立了路面材料生产、施工建设、道路使用、养护维护的道路LCA边界模型,以此为基础对水泥混凝土路面和热拌沥青混凝土路面进行全寿命周期环境影响评价[11-12];Liu等提出了一种全生命周期温室气体排放计算模型,发现沥青路面再生时,选择温拌沥青混合料会显著降低温室气体排放[13];Heidari等计算了施工设备的实时排放,并与排放模型(Nonroad、Offroad)计算结果对比,对计算模型进行了改进[14]。


离散事件仿真软件模拟施工过程在研究中得到了广泛应用。柳春娜通过耦合生命周期评价和离散事件模拟(Discrete Event Simulation,DES),建立了基于生命周期的混凝土大坝碳排放计算模型,提出了基于生命周期的各阶段碳排放计算方法,揭示了建设过程中排放和成本、进度间的变化机理[15];Zhang等基于非道路移动源模型和面向对象活动仿真,提出利用离散事件仿真原理计算沥青路面施工过程中的能耗和碳排放[16-18];Hassan等通过离散事件模拟研究水泥混凝土路面改建施工过程中的消耗和生产效率,为管理者制定最佳施工方案提供依据[19-20];Tang等通过交互仿真研究建设施工过程的温室气体排放,通过模拟施工过程,优化施工流程,做出合理的施工决策,可以在不增加经济负担的情况下,有效降低施工过程的温室气体排放[21];González等基于离散事件模拟理论,建立了环境影响动态评价模型,研究了道路建设施工过程中的环境影响[22];鞠琳等介绍了EZStrobe软件的使用情况,结合2个实际案例,详细说明了EZStrobe构建施工系统仿真模型图的原理,并通过优化规则建立了优化模型[23];Lim等将离散事件模拟和全寿命周期分析相结合,提出了一种综合计算建设施工过程中碳排放的方法[24]。


鉴于现有沥青路面工程对环境的影响研究大多基于工程的全寿命周期,采用的多为现场测量结合文献分析、经验公式计算的方法,对施工过程的能耗与排放数据的处理要求并不精确,且由于道路施工过程的不确定性和复杂性,在现场直接测得施工过程的能耗和排放代价过高。本文结合现有能耗排放模型和沥青路面摊铺施工特点,提出一种基于离散事件模型的计算沥青路面施工影响的数值模拟方法。


1、路面施工方案与环境影响计算


1.1沥青路面施工方案


在施工过程中产生排放的设备为运料车、铺路机与压路机,具体方案见图1,涉及到的主要工序为运料车在拌和楼等待、装料、运料车运输、运料车卸料、铺路机等待、铺路机工作、压路机压实、运料车返回[25]。模拟的主要任务为计算上述各个步骤涉及到的温室气体(Greenhouse Gases,GHGs)和污染物排放与能耗,其中本文研究的GHGs包括CO2和HC。

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1.2Nonroad模型计算方法与参数确定


为了检测排放污染,中国很多研究机构都建立了排放检测系统,但多用于计算实际道路车辆污染排放[26]。Nonroad非道路移动源排放模型是计算各种非道路移动机械污染物排放量的程序。Nonroad模型给出了不同发动机类型、燃料性质、排放控制阶段非道路机械的基本排放因子,并提供了各种机械的活动水平和使用状况的调查数据,提出了相关影响因素和环境温度对排放的影响[27]。


在Nonroad模型中,主要是根据能耗、时间与载荷系数计算施工步骤的能耗和排放[28-29]。


Nonroad模型中用来估计铺筑设备能耗的公式为

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在沥青路面施工过程的基本模型中,各施工设备具体参数见表1。拌和楼距离摊铺地点平均运距假定为15km。


Nonroad模型计算排放公式为

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HC、CO、NOx以及颗粒污染物PM10的排放率K1、K2、K3、K4可在Nonroad数据库中找到,CO2的排放率K5为

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在Nonroad数据库中查阅不同设备的HC的排放率K1与B,采用式(3)计算各步骤的K5,结果见表2。

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2、离散事件建模方法


2.1沥青施工离散事件模型


EZStrobe是基于事件流程的离散事件模拟软件,通过Visio流程与其内置编译模块Stroboscope相结合的方法,实现离散事件的可视化模拟过程。


EZStrobe内置的基本事件包括排队要素、条件事件、执行事件。不同事件的连接情况见表3。针对沥青路面施工过程中的复杂施工工艺,可运用上述3种要素构建如图1所示的施工流程。


EZStrobe离散事件模型将事件与连接有序结合成一个事件系统,软件模拟运行流程采用循环判断的方法,通过循环判断事件的发生条件并对计算值累加,实现结果的输出,本文即采用此种方法实现沥青路面施工过程中能耗排放的累加计算[18-20]。

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结合上文沥青路面施工方案以及EZStrobe各基本事件要素,即可构建沥青路面施工的离散事件模型,见图2。从事件装料开始,依次按条件进行运输、卸料、摊铺、压实以及返回,以运料车装料为例,Tri(2.5,3.0,3.5)是三角形概率分布函数,代表装料耗时为2.5~3.5min,具体值按照三角形概率函数在该区间内随机分布。模型其他变量的定义与运料车装料事件类似。摊铺过程被分为2组事件,分别为第1摊铺阶段和第2摊铺阶段,第1摊铺阶段代表运料车卸料时铺路机装料同时工作,第2摊铺阶段代表铺路机摊铺剩余沥青混合料。除各执行事件外,模型中还包含几个排队事件,包括运料车等候卸料、运料车排队等候、摊铺控制和压实控制。摊铺控制用于模拟向铺路机卸料时等候情况,其下方的值为1时代表铺路机处于空闲状态,可以向铺路机卸料,否则需等待当前运料车卸料完成,铺路机将混合料摊铺完毕后,可进行下一次卸料(第2摊铺阶段完成后,摊铺控制值加1);压实控制用于控制压路机压实事件的开始条件,当铺筑达到一定距离后,即进行初压、复压、终压3次连续压实操作。

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2.2能耗排放计算函数


道路施工离散事件模型构建完成后,即可利用EZStrobe中Output函数构建Nonroad模型。以式(2)为例,离散事件模型可以对各事件耗时进行计算,载荷系数、功率、排放率可以在离散事件模型Input函数定义具体值或函数,故只需计算各项事件排放值,在EZStrobe中累加即可。在EZStrobe中定义各温室气体和污染物排放函数,其数值计算参照Nonroad数据库,在模拟完成后,EZStrobe会输出GHGs和污染物排放总值以及各个施工步骤的排放。以CO2排放计算为例,依照代表装料、运输、卸料、返回、摊铺、压实、等候阶段的CO2排放量计算函数依次进行模拟,完成后,EZStrobe会输出CO2排放总量与各个施工步骤CO2排放。CO2排放总量q为

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能耗计算模块的定义采用式(1)的计算方法,定义各施工步骤中涉及能源消耗的事件,通过变量定义并结合EZStrobe中模拟数据定义与上述排放计算相类似的Output函数。


3、案例分析


3.1案例简述


本文研究了沥青路面施工对环境产生的影响,下面给相关参数设定初值并进行案例分析。沥青路面施工过程中的各施工设备具体参数(型号、功率、排放标准、容量、速度)见表1,各施工设备Nonroad排放参数见表2。拌和楼距离摊铺地点平均运距为15km。选取运料车4veh,摊铺沥青混合料1000t。各施工步骤持续时间与载荷系数见表4。运用沥青路面施工离散事件模型和能耗排放计算函数,分析各施工步骤的能耗,对比不同施工步骤下的GHGs和污染物排放,统计各施工设备的排放。基于结果,对原沥青路面施工方案进行优化。

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3.2能耗分析


如图2,利用EZStrobe仿真并参照Nonroad数据库的模拟结果进行能耗分析,各步骤能耗计算结果见图3,结果表明:每摊铺1000t沥青混合料,各铺筑设备产生的柴油消耗约为1500L,能源消耗主要来源于运输过程,该过程所消耗的柴油为663L,占能耗总量的44%,此外,摊铺过程与运料车返回过程的能源消耗也比较大,分别占总量的32%和12%。

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3.3温室气体和污染物含量分析


基于图2模型,利用EZStrobe仿真并参照Nonroad数据库的GHGs和污染物排放模拟结果见图4,其中CO2的排放量单位为kg,其余化合物的排放量单位为g(图5、6、9、13亦然)。由图4可见:施工设备温室气体排放中CO2所占比例最高,摊铺1000t沥青混合料产生的CO2约为4t;污染物主要为NOx,其排放量约为12g,其次为CO、HC以及颗粒污染物PM10,分别为2.1、1.8、0.2kg。


3.3.1施工步骤


对各施工步骤产生的GHGs和污染物进行模拟统计,结果见图5,可见:排放的主要来源为运输和摊铺,二者占总量的50%以上,而运料车等待状态、装料、卸料产生的GHGs和污染物最少;返回、压实与铺路机等待过程也产生了一定的GHGs和污染物;各施工过程产生的GHGs和污染物排放比例不同,摊铺、压实过程产生的排放主要为NOx,占总排放量的50%左右;运输过程主要排放CO2,其排放总量占总CO2排放量的50%左右,二者为主要的排放来源。


3.3.2施工设备


对各设备不同GHGs和污染物排放做出统计,见图6,可见:运料车与铺路机为排放的主要来源,前者CO2的排放量高达2.5t,后者NOx的排放量为7.5kg,分别为总量的60%、70%;钢轮压路机的排放量相比轮胎压路机大。

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4、结果优化


在上述问题的基础上对基本模型进行优化分析。对施工工艺与施工设备进行调整,分析优化后的施工方案对能耗与GHGs和污染物排放的影响。


4.1施工工艺优化


据上文分析结果可知,运输过程以及摊铺过程为施工过程的主要能耗源,且两者占总GHGs和污染物排放比例较高,因此,可采取相应的特殊施工工艺优化以减少排放。


将原有施工工艺改为不间断摊铺新工艺:当混合料即将摊铺完成时,等候的运料车会慢慢靠近铺路机与其对接,然后铺路机推动运料车前进。由于铺路机始终处于连续工作状态,铺路机空载状态排放会大幅降低。采用此施工工艺,在运输方面,可以避免运料车在卸料时对铺路机水平方向的碰撞与垂直方向的挤压,减少混合料卸入料斗引起的冲击,还可避免由于不当操作使混合料洒落等,使铺路机更好的平稳作业;在摊铺方面,可以向铺路机连续平稳地供料以保证铺路机连续不间断摊铺。


为分析不间断摊铺新工艺对排放总量的影响,根据不间断摊铺施工过程,建立改进后的离散事件模型,见图7。

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运行EZStrobe软件,对改进后的施工方案进行能耗计算,见图8。得到不同GHGs和污染物排放量计算结果,与基本模型排放计算结果对比见图9。由图8可见:连续型摊铺方式仅在摊铺过程以及运料车和铺路机等候过程略微降低了能耗。由图9可见:改进后的施工工艺对减少NOx有较明显的作用,每1000t混合料可以降低2kg排放,同时可以略微降低温室气体CO2的排量。

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以CO2和NOx为例,改进前后排放模拟结果分别见图10、11。由图10可见:连续型摊铺方式显著降低了等候状态时的排放量,摊铺过程的排放也有一定程度的减少;另外,摊铺效率的提高降低了运料车等候阶段的排放,但对整体减排的贡献较少。由图11可见:与CO2排放类似,NOx的减排也主要发生在铺路机等待状态,铺筑过程的温室气体排放大幅降低。

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4.2施工设备优化


运料车与铺路机为施工过程排放的主要设备来源,对运料车与铺路机做出调整,适当增大摊铺设备的容量,新的摊铺设备参数与按照式(1)~(3)计算的各设备Nonroad模型排放参数见表5。


在EZStrobe中用改进设备参数构建新的离散事件模型,得到改进后能耗和排放模拟对比结果见图12、13。由图12可见:增大运料车与铺路机设备容量显著降低了运输、返回以及铺筑过程的能耗,节约柴油消耗50%左右。由图13可见:适当增大摊铺设备的容量会减少CO2和HC的排放,前者减排量为25%左右,后者为17%左右;然而,CO、NOx和颗粒污染物排放有所增加。

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5、结语


(1)建立了基于离散事件模拟的沥青路面施工环境影响计算模型,将Nonroad模型植入实现了能耗与GHGs和污染物排放的动态计算。


(2)每摊铺1000t沥青混合料,各施工设备的柴油消耗约为1500L。运输至摊铺现场的过程为沥青路面施工的主要能耗源(44%),其次为摊铺过程(32%)和运料车返回过程(12%)。


(3)运料车、铺路机是沥青路面施工过程产生温室气体和污染物的主要设备。排放物主要为CO2和NOx。GHGs和污染物排放的主要施工步骤为运输和摊铺过程,总占比为50%以上。


(4)将基本模型中施工工艺改进为不间断摊铺施工,对减少NOx的排放有较明显的作用。另外,在施工设备优化方面,适当增大摊铺设备的容量会减少CO2和HC的排放。


(5)与施工工艺的优化相比,对施工设备改进后的方案,其能耗和温室气体及污染物排放均有明显的减少,因此在实际路面摊铺方案比选中,可优先选择使用大容量摊铺设备的方案。


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