基於離散事件的模擬瀝青路面施工對環境影響的方法與流程

2023-06-01 16:43:05

本發明屬於數據模擬
技術領域：
，涉及一種模擬瀝青路面施工對環境影響的方法。
背景技術：
：道路是基礎設施建設體系中的重要組分，對國家和地區的經濟發展、社會進步和人民生活質量提高等方面起著重要的作用，然而道路建設的快速發展同時帶來了嚴峻的環境問題，例如能源消耗、溫室氣體排放、土地佔用等。瀝青路面的攤鋪是基礎設施建設過程中重要的一環，瀝青路面施工消耗的能源以及溫室氣體的排放對大氣環境有一定的影響；此外，攤鋪設備在施工過程中還會產生多種大氣汙染物。因此，研究瀝青路面鋪裝過程的能耗和汙染物排放趨勢，進而合理的規劃施工方案、建立低碳施工技術對實現綠色交通具有積極的意義。目前關於瀝青路面工程對環境的影響案例研究大多基於工程的全壽命周期，採用的多為現場測量結合文獻分析、經驗公式計算的方法，對施工過程的能耗及排放數據無法客觀、準確地進行處理；而且，由於道路施工過程的不確定性和複雜性，在現場直接測得施工過程的能耗和排放代價過高。目前這種涉及到多種設備協同操作的瀝青路面施工過程對環境影響的認識研究還不夠深入，也正因為此，現在還缺乏合理模擬計算瀝青路面攤鋪施工過程的能耗和汙染物排放的方案。技術實現要素：為解決上述問題，本發明公開了一種基於離散事件的模擬瀝青路面施工對環境影響的方法，用概率分布函數和邏輯語句將瀝青路面的施工步驟抽象化，應用圖形化離散事件模擬軟體ezstrobe構建了瀝青路面鋪裝離散事件模型，將nonroad計算模型植入實現不同汙染物的動態計算，並可對不同施工情況的模擬排放結果進行概率統計。為了達到上述目的，本發明提供如下技術方案：一種基於離散事件的模擬瀝青路面施工對環境影響的方法，包括如下步驟：步驟1，根據路面鋪裝方案確定各施工設備參數及各施工步驟數據；步驟2，將步驟1得到的瀝青路面鋪裝方案中各施工設備參數及各施工步驟數據，與ezstrobe各基本事件要素結合，構建瀝青路面施工的離散事件模型；步驟3，採用ezstrobe中output函數構建nonroad能耗與汙染物排放計算模型，基於所述能耗與汙染物排放計算模型計算各施工步驟的能耗，各汙染物總排放，不同施工步驟下的汙染物排放，各施工設備的汙染物排放；步驟4，根據步驟3中計算的結果，對原瀝青路面施工方案進行優化。優選的，所述步驟1中施工步驟包括運料車在拌合樓等待、裝料、運料車運輸、運料車等待、運料車傾料、攤鋪機工作、攤鋪機等待、壓路機壓實、運料車返回；施工步驟數據包括步驟持續時間。優選的，所述步驟3具體包括如下步驟：利用ezstrobe中output函數構建nonroad能耗與排放計算模型，在離散事件模型input函數定義時間參數、載荷係數、功率、綜合排放因子的具體值或函數，在output函數中分別定義能耗、各汙染物排放函數，函數的數值計算方法由nonroad資料庫得到，在模擬完成後，ezstrobe輸出能耗、汙染物排放總值，以及各個施工步驟的能耗與排放。優選的，所述nonroad資料庫包括:設備能耗的公式：ec＝bsfc·p·fl·t上式中，ec即能耗，單位升；bsfc是制動比油耗，相當於在滿載下每小時每功率消耗的燃油數，單位為l/hp*h；p為制動比油耗額定功率；fl是載荷係數，指實際功率與額定功率之比；t即為鋪築設備操作時間；排放公式：q＝re×p×fl×t上式中q即為排放，單位克；re為綜合排放因子，單位為g/hp·hr。優選的，所述步驟4中的優化過程包括：對原瀝青路面的施工工藝和/或施工設備進行調整，利用模型計算調整後方案瀝青路面施工對能耗及汙染物排放的影響。與現有技術相比，本發明具有如下優點和有益效果：本發明為瀝青路面施工方案改進提供一種數值模擬方法，解決了現有瀝青路面施工過程對環境影響數據預估模型缺失的不足，通過對瀝青路面施工技術方案優化前後的施工過程對環境的影響進行離散事件模擬，建立了基於離散事件模擬的瀝青路面施工對環境影響的動態模型，可量化瀝青路面施工過程的能耗及汙染物排放，能夠實現對瀝青路面施工過程的能耗及汙染物排放數據的精確處理。本發明能夠合理預估瀝青路面攤鋪施工過程的能耗和汙染物排放，基於此還能夠優化瀝青路面施工技術方案。同時本發明公開的方法簡單、方便，獲得的結果更加的準確，根據本發明計算結果，可以採用最優的瀝青路面施工方案，更加節能環保。附圖說明圖1為本發明步驟流程圖；圖2為兩臺鋪路機同時連續工作時的瀝青路面攤鋪流程圖；圖3為瀝青路面施工離散事件模型示意圖；圖4為各汙染物總排放模擬結果；圖5為各施工步驟汙染物排放模擬結果；圖6為各施工設備汙染物排放模擬結果；圖7為各施工步驟能耗模擬結果；圖8為改進施工工藝後路面鋪裝離散事件模型；圖9為改進施工工藝前後模擬結果對比，其中，圖9(a)為各施工步驟能耗模擬結果對比，圖9(b)為汙染物排放模擬結果對比；圖10為改進施工工藝前後各施工步驟汙染物排放模擬結果對比，其中，圖10(a)為各施工步驟co2排放模擬結果對比，圖10(b)為各施工步驟nox排放模擬結果對比；圖11為施工設備改進前後模擬結果對比，其中，圖11(a)各施工步驟能耗對比，圖11(b)汙染物排放總量結果對比。具體實施方式以下將結合具體實施例對本發明提供的技術方案進行詳細說明，應理解下述具體實施方式僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。圖1為本發明提供的於離散事件的模擬瀝青路面施工對環境影響的方法步驟流程圖，包括如下步驟：步驟1，根據路面鋪裝流程確定各施工設備參數。圖2為瀝青路面攤鋪流程，其中涉及到的施工設備有運料車、鋪路機、鋼輪壓路機、輪胎壓路機，這些設備的具體參數(型號、功率(hp)、排放標準、容量、度(km/h))如下表1：表1瀝青路面鋪裝方案涉及到多種設備的協同操作，主要工序為運料車在拌合樓等待、裝料、運料車運輸、運料車等待、運料車傾料、攤鋪機工作、攤鋪機等待、壓路機壓實、運料車返回等。對各種施工狀況下的基本攤鋪模型各施工步驟持續時間需要提出假定，通過設定相應概率分布函數的方式確定所需時間以及載荷係數，進而模擬施工過程的隨機性和變化性。各施工步驟持續時間及載荷係數如下表2。本實施例中設定拌合樓距離攤鋪地點平均運距15km，運料車滿載狀態速度為30km/h，空載為60km/h，一次性攤鋪距離為20m，選取運料車為4輛、攤鋪瀝青混合料1000噸。工序持續時間/min載荷係數拌合樓等待-0.1裝料tri(2.5,3.0,3.5)0.25運輸tri(28.0,30.0,32.0)0.45運料車等待-0.1卸料tri(1.5,2.0,2.5)0.25返回tri(14.0,15.0,16.0)0.25攤鋪1tri(9.0,10.0,11.0)0.45攤鋪2tri(2.5,3.0,3.5)0.3攤鋪機等待-0.1壓實1tri(7.5,8.5,9.5)0.4壓實2tri(4.0,4.5,5.0)0.65壓實3tri(3.0,3.5,4.0)0.4表2其中，拌合樓等待、運料車等待以及攤鋪機等待需在軟體中模擬排隊序列得到，tri代表三角形概率分布函數，以「裝料」為例，tri(2.5,3.0,3.5)即代表裝料耗時在2.5min～3.5min之間，其具體值按照三角形概率函數在該區間內隨機分布。步驟2，離散事件建模ezstrobe離散事件模擬軟體將施工步驟抽象出的事件與連接有序地結合成一個事件系統，軟體模擬運行流程採用循環判斷的方法，通過循環判斷事件的發生條件並對計算值累加實現瀝青路面施工過程中能耗及汙染物排放的累加計算並輸出，以此構建瀝青路面鋪裝離散事件模型。具體的說，將圖2所示的瀝青路面鋪裝方案抽象化，結合表2確定的各流程參數和ezstrobe各基本事件要素，即可構建瀝青路面施工的離散事件模型，如圖3所示。從事件裝料load開始，依次按條件進行運輸travel、卸料dump、攤鋪pave、壓實compact以及返回return，以對象「load」為例，代表運料車在拌合樓裝料事件，「triangular[2.5,3.0,3.5]」為運料車裝料所耗時間，左側連接箭頭連接「asphtopave」為拌合樓所生產的混合料數量，「>0,12」代表每次load事件進行會從拌合樓混合料運輸12噸瀝青混合料。該模型其他變量的定義與load事件類似。攤鋪過程被分為兩組事件，分別為pave1和pave2，pave1代表運料車卸料時攤鋪機裝料的同時工作，pave2代表攤鋪機攤鋪剩餘瀝青混合料。除各執行事件外，該模型中還包含幾個排隊事件，wtdump用於模擬運料車到達攤鋪現場等候卸料的過程；maneuvspc用於模擬向攤鋪機卸料時等候情況，值為1時代表攤鋪機處於空閒狀態，可以向攤鋪機卸料，否則需等待當前運料車卸料完成，攤鋪機將混合料攤鋪完畢後，可進行下一次卸料(pave2事件完成後，maneuvspc值加1)；pavelength則用於控制壓路機壓實事件的開始條件，當鋪築達到一定距離後，即進行compact1初壓、compact2復壓、compact3終壓、三次連續壓實操作。步驟3，構建排放計算模型和能耗計算模型本步驟採用ezstrobe中output函數構建nonroad能耗與汙染物排放計算模型。步驟3.1，根據nonroad資料庫確定各計算公式，獲取各參數值。在nonroad能耗模型中，主要是根據能耗參數(bsfc、功率、綜合排放因子)、時間參數、以及載荷係數參數來計算施工步驟的能耗和排放。nonroad資料庫中各計算公式如下：用來估計鋪築設備能耗的公式：ec＝bsfc·p·fl·t上式中，ec即能耗，單位升；bsfc是制動比油耗，相當於在滿載下每小時每功率消耗的燃油數，單位為l/hp*h；p為制動比油耗額定功率；fl是載荷係數，指實際功率與額定功率之比；t即為鋪築設備操作時間。q＝re×p×fl×t上式中q即為排放，單位克；re為綜合排放因子。co、nox、以及顆粒汙染物pm10的排放因子可在nonroad資料庫找到。co2的綜合排放因子計算公式：co2＝(bsfc·453.6-hc)·0.87·44/12在nonroad資料庫中查閱不同設備的hc、co、nox、pm10的排放因子以及bsfc值，計算各步驟的co2、hc、co、nox、pm10綜合排放因子，結果如下表3：表3步驟3.2，構建排放計算模型道路鋪裝離散事件模型構建完成後，即可利用ezstrobe中output函數構建nonroad能耗與排放計算模型。由表1及表2所確定的時間參數、載荷係數、功率、綜合排放因子可以在離散事件模型ezstrobe中input函數定義具體值或函數，故只需計算各項事件排放值並累加。在output函數中定義各汙染物排放函數，其數值計算參照步驟3.1中的汙染物排放q的公式，在模擬完成後，ezstrobe會輸出汙染物排放總值，以及各個施工步驟的排放。以co2排放計算為例，依照代表裝料(loademission)、運輸(travelemission)、返回(returnemission)、卸料(dumpemission)、攤鋪(paveemission)、壓實(compactemis)、等候(truckidleemis、paveridleemis)階段的co2排放量計算函數依次進行模擬，各施工步驟中均採用步驟3.1中的汙染物排放q公式，公式中參數取當前施工步驟的相應數值。完成後，ezstrobe會輸出co2排放總值，以及各個施工步驟co2排放。co2排放總量(totco2)計算函數如根據公式：totco2＝loademission+travelemission+returnemission+dumpemission+pave1emission+pave2emission+compact1emis+compact2emis+compact3emis+compact3emis+truckidleemis+paveridleemis利用建立的排放計算模型模擬的各汙染物總排放結果如圖4所示。可見，施工設備溫室氣體排放中co2所佔比例最高，攤鋪1000噸瀝青混合料產生的co2在4噸左右；汙染物排放主要為nox，其排放量在12kg左右，其次是co、hc以及顆粒汙染物，分別為2.1kg、1.8kg、0.2kg。對各施工步驟產生的汙染物進行模擬結果統計，如圖5所示，汙染物排放的主要來源為運輸和攤鋪，二者佔總量的50％以上，而卡車空載狀態、裝載、卸料產生的汙染物最少。另外，返回、壓實以及鋪路機等待過程也產生了一定的汙染物。各施工過程產生的汙染物排放比例不同，攤鋪、壓實過程產生的汙染物主要為nox，佔總排放量的50％左右。運輸過程主要排放co2，其排放總量也佔總co2排放量的50％左右。二者為主要的排放來源。對各器械不同汙染物排放做出統計如圖6所示，運料車與鋪路機為排放的主要來源，前者co2的排放高達2.5噸，後者nox的排放量為7.5kg，分別佔總量的60％和70％。鋼輪壓路機的排放量相比於輪胎壓路機較大。步驟3.3，構建能耗計算模型採用nonroad能耗公式的計算方法，定義各施工步驟中涉及能源消耗的事件，結合ezstrobe中模擬數據以及變量，定義與汙染物排放計算相類似的output函數。由表1及表2所確定的bsfc、時間參數、載荷係數、功率、綜合排放因子可以在離散事件模型ezstrobe中input函數定義具體值或函數，故只需計算各施工階段的能耗並累加。在output函數中定義各施工階段的能耗函數，包括裝料(load)、運輸(travel)、返回(return)、卸料(dump、攤鋪(pave)、壓實(compact)、等候(tidle、pidle)階段，其數值計算參照步驟3.1中的能耗ec的公式，在模擬完成後，ezstrobe會輸出瀝青路面施工各階段的能耗模擬結果。利用建立的能耗計算模型模擬的各施工步驟能耗結果如圖7。結果表明，每攤鋪1000噸瀝青混合料，各鋪築設備產生的柴油消耗約為1500l，能源消耗的主要來源於運輸過程，該過程所消耗的柴油為663l，佔總量的44％。此外，攤鋪過程以及運料車返回過程的能源消耗也比較大，分別佔總量的32％和12％。步驟4，施工方案改進結果對比從施工工藝和設備兩方面入手對施工方案進行改進。由前述模擬分析結果可知，運輸過程以及攤鋪過程為施工過程的主要能耗源，且兩者佔總汙染物排放比例較高。因此，可採取相對應的特殊施工工藝優化以減少排放。將原有施工工藝改為不間斷攤鋪新工藝：當混合料即將攤鋪完成時，等候的運料車會慢慢靠近攤鋪機與其對接，然後攤鋪機推動運料車前進。由於攤鋪機始終處於連續工作狀態，鋪路機空載狀態排放會大幅降低。採用此施工工藝，在運輸方面，可以避免自卸卡車在卸料時對攤鋪機水平方向的碰撞、垂直方向的擠壓，減少混合料卸入料鬥引起的衝擊，還可避免由於不當操作使混合料灑落等，使攤鋪機更好的平穩作業；在攤鋪方面，可以向攤鋪機連續平穩地供料以保證攤鋪機連續不間斷的攤鋪。根據不間斷攤鋪施工過程，根據步驟2對改進後的離散事件模型進行建模，如圖8。重複步驟3得到能耗和排放計算模型，對改進後的施工方案進行能耗排放計算，得到模擬結果與基本模型能耗排放計算結果進行對比。由圖9(a)可知，連續型攤鋪方式僅在攤鋪過程以及運料車和鋪路機等候過程略微降低了能耗。由圖9(b)可見，改進後的施工工藝對減少nox有較明顯的作用，每1000噸混合料可以降低2kg排放，同時可以略微降低溫室氣體co2的排量。以co2和nox為例，由圖10可見，連續型攤鋪方式顯著降低了等候狀態時汙染物排放，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料車等候階段的排放，但對整體減排的貢獻較少。與co2排放對比類似，nox的減排也主要發生在鋪路機等待狀態，等待過程nox的排放大幅降低，鋪築過程的汙染物排放大幅降低。施工設備方面，運料車與鋪路機為施工過程排放的主要來源，對運料車以及鋪路機做出調整，主要方向為適當增大攤鋪設備的容量。新的攤鋪設備參數及各設備nonroad模型排放的計算參數如下表4：表4用改進設備參數構建新的的能耗和排放計算模型，得到改進後能耗模擬對比結果如圖11所示。如圖11(a)所示，增大運料車以及鋪路機設備容量顯著降低了運輸、返回、以及鋪築過程的能耗，節約柴油消耗50％左右。如圖11(b)所示，適當增大攤鋪設備的容量會減少溫室氣體co2和hc的排放，前者減排量在25％左右，後者在17％左右；然而，co、nox和顆粒汙染物排放有所增加。綜上所述，本發明解決了現有瀝青路面施工過程對環境影響數據預估的問題。具體進行方案優化時，若對施工工藝進行改進，則需構建相應的離散事件模型；若對施工設備進行改進，則需通過改進設備參數將新的nonroad資料庫嵌入構建新的能耗排放計算模型。根據需要，也可以對施工工藝和施工設備同時進行改進，此時需要構建新的離散事件模型和新的能耗排放計算模型。本發明方案所公開的技術手段不僅限於上述實施方式所公開的技術手段，還包括由以上技術特徵任意組合所組成的技術方案。應當指出，對於本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護範圍。當前第1頁12