ITを活用した環境計測とそれに基づく
今後への活用
(財)計量計画研究所
発表者
メンバー
環境資源研究室
経済社会研究室
交通研究室
交通政策研究室
交通研究室
環境資源研究室
馬場 剛
毛利雄一
牧村和彦
森尾 淳
及川 潤
福井哲央
研究の背景
改善が必要な自動車交通に起因する大気汚染
„
改善しない幹線道路の沿道環境
„
公害訴訟への対応
単体規制や自動車NOx・PM法強化でも基準未達成局が
残る可能性
ITSや渋滞対策などの実施による環境改善効果の予測・
評価が重要
局所的な改善を予測・評価する排出係数が整備されてい
ない
浮遊粒子状物質の環境基準達成率は自排局で34.3%
前年度に比べて低下
図
浮遊粒子状物質の環境基準達成状況の推移
(平成10年度∼平成14年度)
既存の排出係数作成方法
シャーシダイナモを用いた台上試験で排出量を
計測
既存の排出係数作成方法
走行モード毎に排出量を計測
走行モード
代表的な走行状況を表現したデータ
走行開始から到達時間ごとに速度を設定
km/h
70
60
速度(km/h)
50
40
1モードの
排出量
30
20
10
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
-10
排気ガス
既存の排出係数作成方法
平均速度と排出量(g/km)を図にプロット
排出係数
(g/km)
走行モード
代表的な走行状況を表現したデータ
走行開始から到達時間ごとに速度を設定
km/h
70
60
速度(km/h)
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
平均速度
走行距離
0.10
0.05
0.00
0
50
10
20
30
40
50
60
70 80
速度(km/h)
40
1モードの
排出量
30
20
10
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
-10
排気ガス
既存の排出係数作成方法
平均速度が異なる各モードで計測→関係図完成
排出係数
(g/km)
0.35
0.30
0.25
0.20
平均速度が異なる走行モードを使用
0.15
平均速度
走行距離
km/h
70
60
速度(km/h)
0.10
0.05
0.00
0
50
10
20
30
40
50
60
70
80
速度(km/h)
40
各モード
の排出量
30
20
10
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
-10
排気ガス
研究の目的・内容
‐ITS、渋滞対策の環境改善効果を予測できる排出係数の作成‐
走行及び道路の状態と排出特性(NOx、PM)の
関係について整理
„
„
„
自動車の走行特性(速度・加速度)と排出量
車両特性(車種、使用燃料、積載状況等)と排出量
道路特性(高速道路/一般道路、勾配、信号密度等)
と排出量
交通マイクロシミュレータ等に適用可能な走行特
性を考慮したNOx、PM排出係数の作成
IT技術を活用した計測
IT技術を活用したReal-Worldにおける自動車排
ガス計測を採用
Real-Worldの排ガス計測は、車載型計測(On
board)と路側調査(On road)がある
着地濃度
大気汚染
排出量
車群
個別
On Board
1車両の
詳細データ
On Road
他車種の
1時点データ
車載型計測(On Board)による計測
計測機器を車両に搭載し、実走行中に0.1秒単位で速度・
加速度やNOx・PM濃度(PMは代理指標)排気流量を計
測
計測項目
NOx濃度
直挿式NOx計測器
MEXA-120NOx
不透明度
(オパシティ)
スモークメータ
MEXA-130S
排気流量
カルマン流量計
速度・加速度
セイフティレコーダ
位置座標
GPS (セイフティレコーダ)
エンジン回転数
セイフティレコーダ
気温・湿度・大気圧
各種センサ
・座席後部に計測器を設置
・排気管にセンサーを設置
計測機器
計測車両
3車種4車両の計測を実施
平成14年度 ディーゼル重量車(5-10t)
都内+東名高速(横浜青葉IC)
平成15年度 ディーゼル重量車(10t-)
国土技術政策総合研究所試験コース
平成16年度 左:ディーゼル重量車(5-10t) 右:ディーゼル中量車
室内(シャーシダイナモ)および国道23号+伊勢湾岸自動車道
速度と排出量の関係
速度・加速度と排出量の関係
10
8
6
4
平均NOx排出量
(g/min)
2
10
5 ∼ .0
5
∼
5
5
2.
2.
∼
5
5
0.
0.
∼
.5
.5
-0
-0
.5
∼
-2
.5
2
∼
上
加速度(km/h/s)
-5
0以
1
-
0
100以
上
80以
上
60以
上
40以
上
20以
上
10以
上
0以上
速度(km/h)
加速度ランク別・速度と排出量の関係式
加速度ランク別に考えると、NOx、PM排出量と速度の
関連性は高い
排出量 = a ⋅ V 3 + bV 2 + cV + d L(1)
NOx:a=0.00003526 b=-0.00371 c=0.192 d=0.254
PM :a=0.00000950 b=-0.000867 c=0.0249 d=0.0968
R-sq(決定係数): NOx=0.758、PM=0.800
N(サンプル数): 24,297
単位:排出量(g/min)、V(km/h)
加速度ランク2-3km/h/s (積載条件は空載で統一)の速度とNOx排出量の
分析例。図中の曲線は式(1)である
積載条件別の速度と排出量の関係
‐NOx排出量で見た場合‐
排出量の分布は空載、半載、満載の順で大きくなる
速度が速くなるにつれ、空・半・満の排出量の差は大きくなる
g/min
12.0
10.0
8.0
6.0
1.27倍
4.0
満載
半載
空載
線形 (満載)
線形 (半載)
線形 (空載)
2.0
0.0
0
20
40
60
80
100 km/h
図 積載条件別の速度とNOx排出量の関係(加速度:1∼ 5km/h/s)
横軸が速度(km/h)、縦軸がNOx排出量(g/min)
加速度が1∼5km/h/sのデータを用いてグラフを作成
勾配条件別の速度と排出量の関係
‐PM排出量で見た場合‐
排出量分布は勾配がきつくなるにつれて大きくなる
勾配がきつい区間ほど、速度の増加に伴う排出量の伸び
率が大きくなる傾向を示す
g/min
3.5
3.0
2.5
4%<勾配
0%<勾配<4%
-4%<勾配<0%
勾配<-4%
線形 (4%<勾配)
線形 (0%<勾配<4%)
線形 (-4%<勾配<0%)
線形 (勾配<-4%)
2.0
1.5
1.0
2.86倍
0.5
0.0
0
20
40
60
80
100 km/h
図 勾配条件別の速度とPM排出量の関係(加速度:1∼ 5km/h/s)
横軸が速度(km/h/s)、縦軸がPM排出量(g/min)
加速度が1∼5km/h/sのデータを用いてグラフを作成
排出係数式の考え方
NOxおよびPM排出量は、概ねエンジン出力に比例
エンジン出力は総走行抵抗(転がり抵抗、空気抵抗、勾
配抵抗、加速抵抗)に トルク(速度の関数)を乗じたも
のに比例
E NOx , PM = f (エンジン回転数 , エンジントルク )
= エンジン回転数 ⋅ α ⋅ ( 転がり抵抗 + 空気抵抗 + 勾配抵抗 + 加速抵抗 ) + 定数
= vri / 2πR ⋅ R / η ri ⋅ ( µr ⋅ M ⋅ g + µa ⋅ A ⋅ v 2 + M ⋅ g ⋅ sin θ + ( M + mi ) a ) + C
速度,加速度で
= k ( µr + sin θ ) Mg / 2πη ⋅ v + kµa / 2πη ⋅ v 3 + ( M + mi ) / 2πη ⋅ av + C
整理
= ( k ⋅ µr ⋅ g / 2πη ) Mv + ( k ⋅ g / 2πη ) sin θMv + ( kµa / 2πη )v 3 + (1 / 2πη ) Mav + ( mi / 2πη ) av + C
速度,加速度,
重量,勾配で整理
v : 車両走行速度[km / h]、ri : i段目のギア比に最終減速比を乗じたもの
R : 有効タイヤ半径[m]、η : 総伝達効率、µr : 転がり抵抗係数、M : 車両総重量[kg ]
µa : 空気抵抗係数[kg / m 3 ]、A : 車両前面部投影面積[m 2 ]、θ : 道路勾配(正確には tan θ )
g : 重力加速度[m / sec 2 ] ⋅ mi : ギヤi段における回転相当部分質量[kg ]
a : 車両加速度[km / h / sec]
走行条件を考慮したNOx、PM排出係数式
表
NOx排出係数式
1秒集約データの分析結果。速度>0、加速度>0
説明変数
排出原単位式(NOx)
−4
−6
R-sq
−2
0.754
速度・加速度
E
〃・車両総重量
E NOx = − 1 .63 ⋅ 10 − 6 ⋅ Mv + 6 .96 ⋅ 10 − 6 ⋅ v 3 + 5 .72 ⋅ 10 − 6 ⋅ Mav + − 2 .63 ⋅ 10 − 3 ⋅ av + 1 .09
0.791
〃・勾配
E NOx = −2.65 ⋅10 −3 ⋅ v + 1.53 ⋅10 −3 ⋅ sin θv + 5.61 ⋅10 −6 ⋅ v 3 + 2.69 ⋅10 −2 ⋅ av + 1.10
0.756
〃・車両総重量
E NOx = − 1 .66 ⋅ 10 − 6 ⋅ Mv + 2 .33 ⋅ 10 − 8 ⋅ sin θ Mv + 6 .96 ⋅ 10 −6 ⋅ v 3 + 5 .69 ⋅ 10 −6 ⋅ Mav
NOx
= − 7 . 54 ⋅ 10
⋅ v + 5 . 68 ⋅ 10
⋅v
+ 2 . 75 ⋅ 10
3
⋅ av + 1 . 09
+ − 2 .55 ⋅ 10 − 3 ⋅ av + 1 .09
・勾配
0.791
v : 車両走行速度 [ km / h ], a : 車両加速度 [ km / h / sec], M : 車両総重量 [ kg ], θ : 道路勾配 (正確には tan θ )
表
PM排出係数式
1秒集約データの分析結果。速度>0、加速度>0
説明変数
排出原単位式(PM)
= − 6 . 53 ⋅ 10
−3
⋅ v + 2 . 16 ⋅ 10
−6
⋅ v 3 + 4 . 03 ⋅ 10
R-sq
−3
⋅ av + 0 . 25
0.684
速度・加速度
E
〃・車両総重量
E PM = −8.25 ⋅10 −7 ⋅ Mv + 1.96 ⋅10 −6 ⋅ v 3 + 6.42 ⋅10 −7 ⋅ Mav + 3.84 ⋅10 −4 ⋅ av + 0.21
0.684
〃・勾配
E PM = −6.68 ⋅ 10 −3 ⋅ v + 1.19 ⋅ 10 −4 ⋅ sin θv + 2.16 ⋅ 10 −6 ⋅ v 3 + 3.98 ⋅ 10 −3 ⋅ av + 0.25
0.684
〃・車両総重量
E PM = −8.42 ⋅ 10 −7 ⋅ Mv + 1.03 ⋅ 10 −8 ⋅ sin θMv + 1.96 ⋅ 10 −6 ⋅ v 3 + 6.31 ⋅ 10 −7 ⋅ Mav
・勾配
PM
+ 4.21 ⋅ 10 − 4 ⋅ av + 0.21
v : 車両走行速度 [ km / h ], a : 車両加速度 [ km / h / sec], M : 車両総重量 [ kg ], θ : 道路勾配 (正確には tan θ )
0.684
NOxの実測値と予測値の比較
‐速度の変化と排出量の変動に着目‐
14.00
12.00
NOx(OBS)
NOx(EST )
Emission(g/min)
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
0.00
0.00
1.00
2.00
3.00
Mileage(km)
5.00
4.00
80.00
70.00
Ve l o c it y
Velocity(km/h)
60.00
50.00
40.00
30.00
20.00
10.00
0.00
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
Mileage(km)
5.00
PMの実測値と予測値の比較
‐速度の変化と排出量の変動に着目‐
3.50
3.00
PM (OBS)
PM (EST )
Emission(g/min)
2.50
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00
0.00
1.00
2.00
3.00
Mileage(km)
5.00
4.00
80.00
70.00
Ve l o c it y
Velocity(km/h)
60.00
50.00
40.00
30.00
20.00
10.00
0.00
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
Mileage(km)
5.00
排出係数の他車種への展開
平成14年度調査
計測:車載実測(都内+青葉IC周辺)
成果:ディー ゼル重量車(5-10t)のNOx,PM排出係数
(速度・加速度・勾配・車両重量を説明変数)
平成15年度調査
計測:車載計測(国総研試験コース)
成果:ディーゼル重量車(10t-)のNOx,PM排出係数
(速度・加速度・車両重量を説明変数)
9車種41車両のモード排出量を用いた他車種
への展開
NOx
車種
乗用
車
PM
ガソリン
ディーゼル
貨物
車
ガソ
リン
軽量
中量
ディ
ーゼ
ル
軽量
中量
平成16年度調査
計測:車載計測(室内および名古屋市南部)
成果:ディーゼル中量車のNOx、PM排出係数
(速度・加速度を説明変数)
3車種11車両の0.2s毎排出量を用いたディーゼ
ル重量車のNOx排出係数
重
量
3.5∼5t
5∼10t
10t∼
生データより解析
集約データより解析
モード排出量を用いた他車種への展開
既存のデータ
昨年度の排出ガス原単位
(普通貨物車)
車両別走行モード別排出量データ
走行モード別速度
(1秒毎)
走行モード別加速度
(1秒毎)
n
E = ∑ (c1 ⋅ smvt + c2 ⋅ vt + c3 ⋅ at vt )
3
車両総重量
t =1
勾
1秒単位のデータ
を使用した分析
車両別の排出量推計式
普通貨物車(いすゞフォワード4t積)を基準とした
速度加速度別排出ガス量の車両間比率
速度・加速度別排出ガス原単位(全車種)
配
排出係数の活用(1)
交差点などの局所的な排出構造を把握するこ
とができ、道路の環境診断票の作成が可能
ITS導入および渋滞対策実施による環境改善
効果の検討が可能
排出係数の活用(2)
‐道路特殊部(東名横浜青葉IC)での試算例‐
0:料金所
PM排出量試算例(実測-推計値の比較)
表 車載型排ガス装置による実測値(区間別)
単位: g
計測日・回
a
1002_012_1
1002_012_2
1002_021_1
1002_021_2
1002_022_1
1002_022_2
1002_031_1
1002_031_2
平均
区間
0→a
0.42
0.54
0.38
0.35
0.33
0.32
0.29
0.32
0.37
a→b
0.18
0.20
0.20
0.20
0.15
0.19
0.17
0.18
0.18
b→c
0.08
0.06
0.05
0.06
0.06
0.04
0.05
0.05
0.06
c→d
0.21
0.32
0.09
0.15
0.20
0.13
0.23
0.13
0.18
区間計
0.88
1.12
0.71
0.76
0.75
0.69
0.73
0.68
0.79
表 排出係数を用いた推計結果
b
c:合流ノーズ
d:加速車線終了(合流部)
単位: g
区間計
区間
実測値
PM
本稿の排出係数
0→a
0.37
0.23
a→b
0.18
0.19
b→c
0.06
0.08
c→d
0.18
0.16
0.79
0.66
おわり
ご静聴ありがとうございました。
ダウンロード

発表資料 - IBS | 一般財団法人 計量計画研究所