道路货运脱碳中替代燃料与动力系统选择的范围综述及概念框架

《Energy Strategy Reviews》：Decarbonising road freight: A scoping review and conceptual framework for alternative fuel and powertrain selection

　　

道路货运脱碳中替代燃料与动力系统选择的范围综述与概念框架。本系统性范围综述分析了道路货运中替代燃料与动力系统选择的定量方法。遵循PRISMA-ScR（系统综述和元分析首选报告项目扩展版-范围综述）指导流程，识别了6,372条数据库记录，最终综合了45篇原始研究。精确优化（exact optimisation）生成了车队计划或系统路径，多标准决策分析（MCDM）对技术进行了排序，元启发式方法（metaheuristics）找到了近优车队组合。研究空白包括未明确的燃料生产路径、基础设施纳入的不一致性以及有限的社会因素考量。替代燃料与动力系统决策框架（AFPDF）为道路货运利益相关者提供针对具体情境的燃料与动力系统选择指导。

**研究背景与问题**

货物运输是大多数经济体的关键功能。尽管存在多种货运方式，但许多国家的内陆货运中有相当大比例通过公路运输完成。道路运输占全球国内运输能源需求的近90%，2024年排放了超过6 Gt的CO₂，其中约三分之一来自道路货运。为与《巴黎协定》保持一致，许多国家设定了到2050年实现净零温室气体（GHG）排放的目标。因此，道路货运脱碳是所需脱碳战略的重要组成部分。

研究人员提出了多种道路货运脱碳方案。McKinnon将脱碳方案归纳为五个杠杆：（1）减少货运运输需求；（2）将货运转向低碳运输方式；（3）提高车辆利用率；（4）提高能源效率；（5）转向低碳能源。本综述聚焦于第五个杠杆——特别是替代燃料和动力系统——因为它们对深度脱碳至关重要，且在与低碳能源供应耦合时可推动排放趋零。

然而，这一脱碳转型是复杂的。替代技术（如电池电动和氢燃料电池卡车）的广泛采用需要大量基础设施，且这些替代方案必须满足道路货运运营的现有运营需求才能成为可行的替代选择。此外，竞争性技术呈现出相互冲突的技术经济与环境权衡，包括不同的资本和运营成本、排放、能源效率和加注时间。这些约束条件产生了显著的不确定性，形成了对采用何种技术的战略性决策支持的需求。

尽管存在这种规范性决策支持的需求，当前文献在分析焦点上是碎片化的。若干研究量化了各种替代方案的技术经济和环境影响——例如通过总拥有成本（TCO）分析或生命周期评估（LCA）。然而，许多研究仍侧重于评估影响，将替代方案的最终选择留给事后判断（例如选择预计排放最低的替代方案）。尽管此类方法对于比较技术可能有价值，但依赖事后判断限制了对可行解决方案的系统性探索和对稳健转型路径的识别。

相反，文献中一个独特的部分在模型内定量整合了评估与选择，将燃料和动力系统建模为明确的决策选项。这些模型为战略性技术选择生成规范性解决方案，如最优车队组合或技术排序。然而，这些知识目前是稀疏的且分散在工程、物流和经济学等学科中，使得难以识别可用证据的全貌。因此，需要进行系统性范围综述，以映射定量决策方法方面的证据广度以及现有的研究和建模空白。

该领域已有若干综述，但其范围大多局限于特定运营环节、有限的技术选项或单一分析焦点。现有综述尚未系统地综合道路货运中替代燃料和动力系统选择的定量决策方法。据作者所知，这是首个跨精确优化、元启发式优化和多标准决策分析方法综合证据的综述。这一分析也产生了对一个统一框架的需求，该框架能够组织跨方法的更广泛决策过程，同时帮助解决反复出现的建模和报告空白。据此，本综述开发了替代燃料与动力系统决策框架（AFPDF）作为其主要贡献。AFPDF为分析人员提供了一个透明的结构，以生成更具可比性和实用性的决策支持。它连接了燃料和动力系统选择过程的主要阶段——从定义决策背景到生成规范性输出——同时明确报告基本假设。

**关键技术方法**

本范围综述采用Arksey和O'Malley提出的方法论结构：（1）确定研究问题；（2）识别相关研究；（3）研究选择；（4）数据提取；（5）整理、总结和报告结果。报告遵循PRISMA-ScR指南。研究使用PCC（人群、概念、背景）框架制定研究问题。在Scopus、Web of Science核心合集和交通研究国际文献（TRID）中进行检索，初始检索于2025年8月24日执行，更新检索于2026年1月22日执行。研究选择使用Covidence综述管理软件进行。数据提取方案在Microsoft Excel中使用十项试点研究开发，包含超过110个提取变量。此外，采用Wohlin等人描述的混合检索方法，结合系统性数据库检索与迭代 backward 和 forward 滚雪球（引文检索）。共检索到6,372篇文章，经标题和摘要筛选后，273篇文章进入全文筛选阶段，37篇符合纳入标准。第一轮滚雪球识别了8篇额外合格研究，第二轮未发现进一步相关研究，最终纳入45篇研究。

**研究结果**

**检索结果**：检索共获得6,372篇文章，另有2篇从已知材料中识别。经筛选最终纳入45篇研究。

**纳入研究概览**：发表时间线显示，2024年和2025年alone涌现了总证据基础的40%（n=18），反映了与政策和行业对长期道路货运脱碳路径日益增长的兴趣相一致的发文量上升。精确优化方法（n=27）为最大方法家族，元启发式优化方法（n=3）为最小，多标准决策分析（MCDM）方法（n=15）为第二大。案例研究证据集中在欧洲（n=26）和北美（n=10），仅识别了3篇来自亚洲和1篇来自非洲的研究，未发现来自南美洲或大洋洲的合格研究。

**研究范围与决策背景**：纳入研究分布于宏观、中观和微观决策背景。宏观层面研究（n=9）建模了整个国家或区域道路货运系统的广泛能源路径。中观层面研究（n=18）建模了单一车队或联合车队的更换或组成决策。微观层面分析（n=15）比较了个体动力技术。三个研究结合了多个分析单元。城市/短途货运（<100 km）是最常建模的环节（n=25），区域货运（100–400 km）覆盖于10项研究，长途货运（>400 km）覆盖于13项研究。重型车辆建模最频繁（n=24），其次为轻型车辆（n=18）和中型车辆（n=12）。

**燃料与动力系统替代方案**：燃料建模通常基于现有柴油技术与电力、氢能、气体燃料和生物燃料等替代方案之间的比较。内燃机（ICE）动力系统在几乎所有研究中被建模，主要作为基准技术。电池电动汽车（BEVs）是主导的替代动力系统，混合动力架构、燃料电池电动汽车（FCEVs）和更专业化的配置出现频率较低。在燃料和动力系统作为决策选项的具体性方面，电力和氢能代表良好，但若干研究对电力建模未指定生产路径，部分研究将氢能建模为通用燃料选项。

**方法家族与建模特征**：精确优化方法应用于27项研究，主要在中观和宏观分析层面应用。目标函数和约束强烈倾向于技术经济考量——所有27项精确优化研究至少包含一个经济目标或约束，25项包含技术和运营方面，22项包含环境考量，但仅2项考虑了社会方面。基础设施在精确优化研究中通常以明确方式纳入——15项将基础设施建模为决策变量或约束，5项将基础设施作为成本目标纳入。大多数精确优化研究产生了最优车队组合（n=24）。元启发式方法仅应用于3项研究，与更大或更计算困难的问题结构相关，产生近优解决方案而非保证全局最优性的解决方案。MCDM应用于15项研究，主要集中在微观层面，所有15项MCDM研究均包含经济、技术/运营和环境标准，8项包含社会考量，远高于优化研究中的比例。基础设施在13项MCDM研究中作为决策标准纳入。所有15项MCDM研究产生了离散燃料或动力系统替代方案的排序列表。方法家族与基础设施处理和规范性输出类型之间存在关联：精确和元启发式优化模型通常将基础设施内生表示为决策变量、约束或成本目标，并主要生成车队或系统级输出；MCDM模型则将基础设施表示为决策标准，生成预定义替代方案的排序列表。

**讨论部分总结**

本范围综述的结果表明，替代燃料和动力系统选择的定量决策研究不仅通过其所比较的技术来区分，还通过决策问题的背景化、表述和转化为规范性输出的方式来区分。证据基础在多个学科的快速扩展尚未形成该研究领域的通用建模和报告惯例，这限制了研究间的比较。证据基础的地理分布集中在全球北方，尤其是欧洲和北美，这种地理不平衡很重要，因为替代燃料和动力系统的可行性强烈依赖于地理背景。运营背景决定了模型输出的实际相关性——若干研究未指定运营环节或车辆类别，使得难以确定发现适用的决策背景。社会因素在总共仅十项研究中被考虑，主要在多标准决策分析组中。温室气体排放的建模频率（n=33）远高于空气污染物（n=11），表明该研究领域存在“碳隧道视野”。排放评估通常使用部分生命周期边界，仅一项研究采用完整的从摇篮到坟墓范围。燃料生产路径——例如氢能是通过可再生电解还是通过天然气蒸汽重整生产——影响每种选项的排放特征、基础设施要求和运营影响，因此仅定义为“电力”或“氢能”而未指定生产路径的燃料无法直接比较。基础设施要求与所考虑的替代方案密切相关，决策支持模型应纳入更明确的基础设施考量。尽管一些精确优化研究在模型中包含决策变量以确定每年 acquire、保留和处置的车辆数量，但它们通常主要以聚合车队组合的形式呈现结果，隐藏了 underlying 的车队更换决策。不确定性处理方面，最常见的做法是敏感性分析（n=34）和情景分析（n=27），较少研究将不确定性直接嵌入模型内——随机建模出现在8项研究中，模糊集用于6项MCDM研究，鲁棒优化仅出现在1项研究中。证据基础总体显示，测试模型执行后解决方案的方法占主导地位，而非将不确定性纳入模型表述本身。上述研究和建模空白并非独立出现，而是产生于决策过程的多 个节点，从问题的初始表述到最终输出，早期阶段的空白可影响后续阶段。所有纳入研究均执行了以下分析功能：（1）定义问题背景；（2）建立替代方案的评估方式；（3）指定所考虑的燃料和动力系统替代方案；（4）应用定量决策方法；（5）生成规范性输出。这五项反复出现的功能形成了连接决策要素，构建了替代燃料和动力系统选择过程。

**概念框架**

通过构型式综合，研究人员将上述五项连接决策要素组织为替代燃料与动力系统决策框架（AFPDF）。该框架将决策过程组织为五个连接阶段：阶段1定义决策背景，设定分析单元、运营环节和车辆类别的边界；阶段2定义研究目标和模型评估参数，包括经济、技术和运营、环境及社会方面；基础设施决策分支位于阶段2和阶段3之间，因为基础设施影响评估所需参数和决策选项的可行性；阶段3定义决策选项，要求分析人员首先指定燃料生产路径，然后制定作为决策替代方案的燃料-动力系统组合；阶段4应用定量决策方法，方法选择应与研究决策背景、目标和评估参数以及所考虑的决策选项相一致；阶段5生成规范性输出。框架还包括数据收集组件，广泛支持决策过程；不确定性处理作为模型组件纳入； refinement 循环表明，若在方法应用、输出生成或不确定性测试后出现问题，模型可能需要修订。AFPDF旨在由代表道路货运利益相关者开发决策支持模型的分析人员应用，潜在利益相关者包括规划车队更换的车队运营商和物流公司、设计可持续政策路径的公共当局和政府，以及指导充电或加注网络资本投资的能源或基础设施提供商。

**研究结论翻译**

本范围综述的主要贡献是替代燃料与动力系统决策框架（AFPDF），通过对证据基础中反复出现的决策要素进行构型式综合开发而成。AFPDF将这些决策要素组织为五个连接阶段，为替代燃料和动力系统选择过程提供连贯结构，并鼓励未来研究更一致的建模和报告。在实践中，分析人员可使用这一结构来制定反映预期用户和利益相关者（包括车队运营商、公共当局以及能源或基础设施提供商）需求和决策背景的模型。本范围综述表明，道路货运脱碳中的替代燃料和动力系统选择包含若干不同的决策方法。精确优化主要用于车队和系统转型规划，特别是将数学目标和约束转化为车队更换、组成、更换时机或运输和能源系统决策。多标准决策分析（MCDM）主要用于根据多个通常冲突的标准（包括定性和基于判断的因素）对离散技术进行排序。元启发式优化为难以精确求解的大型、非线性、随机或序贯规划问题提供了替代方法。证据基础地理上集中在欧洲和北美，限制了研究发现对全球南方代表性不足地区的可转移性。除地理分布外，各研究在模型广度和报告详细程度上存在差异。社会考量纳入频率低，环境建模范围通常有限。基础设施有时未在模型中明确考虑，决策选项在燃料生产路径和所考虑的燃料-动力系统替代方案方面通常描述不足。一些优化研究仅报告聚合车队组合，而非其模型生成的更详细的年度更换决策。这些空白削弱了决策支持研究的可比性和实际可用性，强化了AFPDF作为模型制定和报告的统一概念框架的必要性。