宋奇文，楊敬鋒

（1.廣州交通信息化建設(shè)投資營運(yùn)有限公司，廣東 廣州510620；2.廣州市公共交通數(shù)據(jù)管理中心，廣東 廣州510620；3.廣州市交通信息指揮中心，廣東 廣州510620；4.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣東 廣州510642）

公交車能耗排放監(jiān)測與仿真平臺的建設(shè)，對現(xiàn)有公交車能耗和排放的動態(tài)監(jiān)控，優(yōu)化利用資源、不斷提高公交車能耗管理控制水平，制定適合城市社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的公共交通節(jié)能減排發(fā)展策略，確保環(huán)保公共交通體系建設(shè)具有重要作用，是滿足城市社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)健康發(fā)展的基礎(chǔ)。同時，全方位地監(jiān)測公交車能耗排放，可以實現(xiàn)對營運(yùn)車輛能耗、車況及駕駛行為的實時監(jiān)控與分析，實現(xiàn)對公交車節(jié)能統(tǒng)計、監(jiān)測與考核，為深化公交車節(jié)能管理提供監(jiān)控手段，為運(yùn)輸企業(yè)進(jìn)行節(jié)能精細(xì)化監(jiān)測提供技術(shù)支持。

1 公交車能耗排放算法

動態(tài)量化公交車能耗和排放是本模型需要解決的問題，從交通和環(huán)境交叉學(xué)科角度出發(fā)，分析城市道路速度、能耗排放因子、道路條件、客流分布以及車輛屬性相關(guān)數(shù)據(jù)對公交車能耗排放的影響，建立公交線網(wǎng)能耗排放的測試方法。測算方法中，以VSP模型作為基礎(chǔ)，標(biāo)定單車在城市道路運(yùn)行時的能耗排放。在測算單車排放后，利用GPS車輛信息數(shù)、CAN總線數(shù)據(jù)、客流數(shù)據(jù)以及道路長度等數(shù)據(jù)源，量化路段公交車能耗和排放。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合GIS道路信息，確定線路的總能耗和排放量。

1.1 計算指標(biāo)選取

衡量公交車能耗的指標(biāo):實際能耗、行駛能耗、怠速能耗、單位能耗、實際單位能耗、行駛單位能耗、勻速行駛百公里能耗等。本文選取二氧化碳排放量作為衡量指標(biāo)，二氧化碳排放量根據(jù)油耗和氣耗相應(yīng)轉(zhuǎn)換。

1.2 車輛能耗和排放影響因素

車輛的能耗影響因素包括車輛性能、道路條件、承載率、駕駛員等因素。車輛特性包括車輛的物理特性和運(yùn)行特性（如車型技術(shù)和車速等）。車輛的技術(shù)狀況是影響能耗的主要因素。道路條件包括道路的幾何條件和特性（如曲率和道路等級）。當(dāng)?shù)缆方煌l件發(fā)生變化時，車輛行駛工況隨之變化，發(fā)動機(jī)功率也將變化，導(dǎo)致能耗排放量發(fā)生改變。車輛在不同的載客狀態(tài)下，能耗排放同樣不一致。車輛空載行駛時，產(chǎn)生的滾動阻力較小，滿載時滾動阻力較大，因而滿載時能耗排放比空載時大。此外，車輛駕駛過程中，駕駛技術(shù)、駕駛習(xí)慣、節(jié)能意識等與車輛的能耗排放有很大的關(guān)系。

1.3 基于VSP能耗排放的基礎(chǔ)模型

測算方法中，以VSP模型作為基礎(chǔ)，標(biāo)定單車在城市道路運(yùn)行時的能耗排放。機(jī)動車比功率（VSP）是指發(fā)動機(jī)平均每移動1噸質(zhì)量（包括自重）所輸出的平均功率。目前，可由車輛的逐秒速度、加速度數(shù)據(jù)推算得到

式中:v為車輛的逐秒速度，m／s；a為車輛的逐秒加速度，m／s2。

模型考慮多方面的影響因素，并將這些因素轉(zhuǎn)化為參數(shù)修正基本排放因子:

式中:SUM為下述物理量的綜合函數(shù)，EFk為某一路段第k個速度區(qū)間的實際能耗排放因子，f為機(jī)動車比功率，AC為空調(diào)裝置修正參數(shù)，L為負(fù)載修正參數(shù)，D為駕駛員行為習(xí)慣修正系數(shù)，T為天氣因素修正系數(shù)，U為溫度、濕度、熱啟動、冷啟動工況等其他修正參數(shù)。

若已知路段道路長度，可計算量化路段交通能耗和排放:

式中:EFlink為路段總能耗排放量，Lengthk為當(dāng)能耗排放因子是EFk的路段長度，N為總分割區(qū)間。

根據(jù)線路GIS數(shù)據(jù)，最終對各個路段能耗排放數(shù)據(jù)匯總，即可求出線路總能耗排放量。

式中:EFline為線路能耗排放總量，M為總路段數(shù)。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 公交車能耗排放監(jiān)測與仿真系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體框架

公交車能耗排放監(jiān)測與仿真系統(tǒng)總體框架如圖1所示，系統(tǒng)從公交車采集動態(tài)車輛CAN總線數(shù)據(jù)，包括車輛基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、車輛能耗、氣耗或電耗數(shù)據(jù)，GPS數(shù)據(jù)以及IC卡數(shù)據(jù)。車輛線路、排班以及人工錄入公交車能耗、GIS數(shù)據(jù)等信息輸入系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)經(jīng)傳輸與處理后，儲存在數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)中心對其管轄范圍內(nèi)的公交車輛進(jìn)行能耗排放監(jiān)測，匯總各類能耗排放數(shù)據(jù)。另外，根據(jù)建立的公交車能耗排放模型，提供公交車能耗排放仿真分析，為主管部門和公交企業(yè)提供節(jié)能減排措施提供仿真分析。

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸框架

網(wǎng)絡(luò)傳輸框架如圖2所示，總體分為三個層次:數(shù)據(jù)中心內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、對外INTERNET網(wǎng)絡(luò)和車載終端APN網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)中心內(nèi)部用戶通過內(nèi)網(wǎng)訪問系統(tǒng)，提高訪問和處理速度，并且在內(nèi)網(wǎng)中與數(shù)據(jù)中心內(nèi)部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，提高數(shù)據(jù)安全性。對外INTERNET網(wǎng)絡(luò)主要用于外部數(shù)據(jù)交流，根據(jù)權(quán)限分配提供相應(yīng)系統(tǒng)功能；并且通過INTERNET網(wǎng)絡(luò)獲取企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量和實時性，公交車的車載終端可通過APN網(wǎng)絡(luò)直接接入到數(shù)據(jù)中心。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)主要完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、公交車能耗排放查詢、公交車能耗排放動態(tài)監(jiān)測以及公交車能耗排放仿真分析四部分功能。

公共交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集處理模塊以不同方式采集各種路網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及動態(tài)公共交通數(shù)據(jù)，進(jìn)行初步處理，并提供給公交車能耗排放監(jiān)測平臺。采用GPS、GPRS等多種方式，對公交動態(tài)信息進(jìn)行采集，并充分利用現(xiàn)有的公交線網(wǎng)靜態(tài)數(shù)據(jù)，為監(jiān)測平臺提供必要的數(shù)據(jù)，完成系統(tǒng)校核與驗證的工作，提高監(jiān)測的準(zhǔn)確度，滿足系統(tǒng)應(yīng)用準(zhǔn)確性需求。主要采集數(shù)據(jù)包括:路網(wǎng)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、公交線路網(wǎng)絡(luò)、公交車輛基礎(chǔ)信息、公交車GPS信息、IC卡信息、公交車調(diào)度信息和公交車能耗信息。

公交車能耗和排放查詢模塊為公交企業(yè)和交通管理部門提供公交車能耗和排放查詢功能。公交車運(yùn)行能耗排放狀況是公共交通管理部門密切關(guān)注的城市問題，公交車能耗和排放的感知，有助于判斷公交車能耗排放狀況、及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生問題的原因，為城市制定公交車能耗排放管理措施提供科學(xué)的依據(jù)。公交車能耗和排放查詢模塊提供以下功能:

1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理功能:包括公交車能源種類、計量單位，能耗設(shè)備參數(shù)等的錄入更新；能耗指標(biāo)、參數(shù)、國家地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求更新。

2）能耗排放統(tǒng)計分析功能:能耗及排放量統(tǒng)計，將車輛實時上傳的能耗、IC卡以及GPS等相關(guān)信息，按照路段、線路、區(qū)域、日期和企業(yè)等條件進(jìn)行統(tǒng)計分析，形成全市范圍內(nèi)的公交車總能耗和排放、單車百公里能耗排放等指標(biāo)，為交通運(yùn)輸管理部門提供決策支持；分析車輛能耗排放狀態(tài)，通過與歷史均值、限定標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)設(shè)定指標(biāo)等進(jìn)行對比分析，對超出偏差范圍內(nèi)的車輛及時報警通知用戶；能耗及排放量分析預(yù)測，根據(jù)客流增長速度、車輛增長速度、線路安排等數(shù)據(jù)，結(jié)合能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建立能耗和排放量預(yù)測模型，建立公交車能耗排放的統(tǒng)計、監(jiān)測與考核體系，為制定行業(yè)節(jié)能發(fā)展規(guī)劃提供準(zhǔn)確、及時、全面的數(shù)據(jù)支撐。

3）GIS數(shù)據(jù)顯示監(jiān)控及輸出功能:建立公交車能耗、排放監(jiān)測平臺與GIS－T系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)接口，支持監(jiān)管平臺使用GIS－T子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)自身業(yè)務(wù)需求調(diào)用GIS－T子系統(tǒng)的地圖服務(wù)，將能耗和排放數(shù)據(jù)反映在GIS地圖。

公交車能耗排放動態(tài)監(jiān)測模塊通過對公交車輛進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，完成車輛、線路、路段能耗排放分析，反應(yīng)公交線網(wǎng)能耗排放狀況。具體功能包括:

1）車輛能耗和排放動態(tài)監(jiān)控。公交車輛是公交系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，直接決定了公交系統(tǒng)整體的能耗排放水平。通過動態(tài)監(jiān)控車輛的能耗排放，可以直觀反應(yīng)車輛能耗的使用效率。系統(tǒng)提供不同維度下的車輛能耗和排放查詢:全日、早高峰、晚高峰、平峰情況下；夏季、冬季氣候條件下；高溫、低溫狀態(tài)下；雨天、晴天天氣情況下統(tǒng)計車輛總能耗和排放情況。車輛單位能耗運(yùn)輸效率，車輛單位排放運(yùn)輸效率。

2）線路能耗和排放監(jiān)測。精確把握交通管理部門對線路的能耗和排放，有針對性規(guī)劃和管理公交線路，達(dá)到期望的效果。通過對現(xiàn)有線路能耗和排放的分析，判定線路的能耗使用效率、潛在路線或車輛安排問題。

3）路段能耗和排放監(jiān)測。線路能耗和排放監(jiān)測模塊反應(yīng)路段能耗和排放狀況。由于道路等級、交通流量、交叉口數(shù)量、公交站臺設(shè)置和客流量等不同，每條公交線路上公交車在不同的路段，其能耗和排放也不一致。通過對現(xiàn)有路段能耗和排放的分析和判定、確定路段的能耗使用效率、潛在路線或車輛安排問題。

公交車能耗和排放仿真分析有助于分析復(fù)雜問題，為優(yōu)化公交系統(tǒng)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。公交車能耗和排放仿真分析需完成駕駛員行為仿真、車輛調(diào)整方案分析和公交線路調(diào)整方案評價等功能模塊。

1）駕駛員行為仿真。通過仿真分析平臺，完成節(jié)能駕駛行為（檔位、離合、油門等）監(jiān)測和仿真。按駕駛員統(tǒng)計不同駕駛行為下能耗和排放；車輛運(yùn)行狀況與駕駛行為對比分析、不良駕駛行為提醒；提供不同駕駛行為下能耗和排放評估。

2）車輛調(diào)整方案分析。通過仿真分析平臺，完成不同類型車輛能耗和排放監(jiān)測和仿真。通過加載線路客流規(guī)模和道路條件等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，評價調(diào)整車輛類型單位能耗和排放狀況。

3）公交線路調(diào)整方案評價。通過仿真平臺的搭建，對不同公交線路的規(guī)劃方式能耗和排放進(jìn)行仿真，分析與評價公交線路調(diào)整對公交系統(tǒng)能耗和排放的影響。

3 結(jié)束語

高效的公交車能耗排放監(jiān)測平臺是促進(jìn)交通行業(yè)節(jié)能減排的重要保障。本文構(gòu)建了公交車能耗排放基礎(chǔ)模型，建立公交車能耗排放評價體系。同時，提出能耗排放監(jiān)測與仿真系統(tǒng)的設(shè)計方案。系統(tǒng)通過對公交車輛和能耗排放進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，完成車輛、線路、路段能耗排放分析，真實反應(yīng)公交車運(yùn)行時能耗排放狀況；該平臺通過仿真模塊實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化配置和公交車能耗控制的優(yōu)化管理，提升公交車系統(tǒng)效率，在充分利用現(xiàn)有資源條件的同時，減少能耗和提高排放水平。系統(tǒng)的建設(shè)對提升城市公交管理控制水平、節(jié)約社會資源和減少環(huán)境污染都有著重要的意義。

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