李宗義

（同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海 201804）

公交優(yōu)先發(fā)展是中國城市發(fā)展的重要戰(zhàn)略，是緩解城市交通壓力、減少交通污染的一種有效手段。車速引導(dǎo)策略作為一種全新的公交控制策略，得到了充分的關(guān)注。它經(jīng)歷了由離線優(yōu)先到在線優(yōu)先、由被動(dòng)優(yōu)先到主動(dòng)優(yōu)先的過程。雖然公交優(yōu)先技術(shù)得到了較大的發(fā)展和應(yīng)用，但所有的優(yōu)先技術(shù)都局限于對(duì)交叉口信號(hào)燈調(diào)整來實(shí)現(xiàn)公交車在交叉口的優(yōu)先權(quán)。

隨著電子信息技術(shù)和無線通信技術(shù)等的發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也在不斷發(fā)展，它以車－車、車－路通信為基礎(chǔ)，有效實(shí)現(xiàn)了信息在車－車、車－路之間的交互。在車－路協(xié)同的環(huán)境下，行駛車輛可實(shí)時(shí)獲得道路交通狀況和前方交叉口信號(hào)狀態(tài)信息。通過車輛車速引導(dǎo)的方式，合理調(diào)整行駛車速，提高車輛行駛效率，減少車輛行駛油耗［1－3］。通過對(duì)公交車輛行駛車速的實(shí)時(shí)控制，提升了公交車行駛效益，為公交優(yōu)先技術(shù)提供了一個(gè)新的發(fā)展方向。

Farhan［4－5］等人將公交行程時(shí)間檔案數(shù)據(jù)用于制定行車計(jì)劃，提出了區(qū)間行駛時(shí)間松弛率的概念并給出優(yōu)化方法，為實(shí)施區(qū)間行駛車速控制提供條件。王煒［6］等人提出了“一路一線直行式”的理想公交運(yùn)行模式以及在該設(shè)置條件下與交叉口信號(hào)綠燈時(shí)間窗口相適應(yīng)的公交車駐站（交叉口前方站）調(diào)度和行車速度誘導(dǎo)的集成方法，該方法可有效減少公交車在交叉口的停車次數(shù)和延誤。其缺點(diǎn)是線網(wǎng)設(shè)置限制因素較多，在現(xiàn)實(shí)中很難實(shí)現(xiàn)。馬萬經(jīng)［7］等人提出了公交車經(jīng)濟(jì)駕駛輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)調(diào)整公交車車速與駐站時(shí)間，使得公交車運(yùn)營狀態(tài)較好地適應(yīng)下游交叉口的信號(hào)控制，避免了公交車在交叉口處停車，從而降低燃油消耗和尾氣排放，并通過仿真驗(yàn)證了優(yōu)化效果。

現(xiàn)有的車速引導(dǎo)策略研究主要以減少公交車交叉口停靠時(shí)間為目標(biāo)，通過概念表述和仿真模擬的方法，分析其對(duì)公交車運(yùn)行的影響，而沒有考慮如何在提升公交運(yùn)行效率的同時(shí)減少公交車行駛油耗。作者擬針對(duì)公交車油耗量，通過建立公交車油耗模型，定量地分析車速引導(dǎo)策略對(duì)公交油耗的影響，確定公交車最佳綠色車速，并建立公交車綠色車速引導(dǎo)模型，最后通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)其效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 基于機(jī)動(dòng)車比功率的公交車油耗模型建立

機(jī)動(dòng)車行駛單位油耗與機(jī)動(dòng)車速度和加速度之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但單獨(dú)用速度或加速度來對(duì)油耗規(guī)律進(jìn)行討論都存在不足。因此，需要一個(gè)既與速度有關(guān)又與加速度有關(guān)的參數(shù)來對(duì)油耗規(guī)律進(jìn)行研究。在機(jī)動(dòng)車技術(shù)水平同等的情況下，機(jī)動(dòng)車的實(shí)際行駛特征以及道路特征可以用機(jī)動(dòng)車比功率（vehicle specific power，簡稱為VSP）來衡量。

現(xiàn)有VSP研究大多數(shù)是基于輕型車領(lǐng)域，而對(duì)于重型車和公交車的VSP計(jì)算目前尚沒有統(tǒng)一的公式。結(jié)合中國公交車車輛實(shí)際參數(shù)指標(biāo)和行駛環(huán)境［8］，建立了公交車車輛比功率的計(jì)算公式。

式中：VSP為機(jī)動(dòng)車比功率，kW／t；a為機(jī)動(dòng)車加速度，m／s2；v為機(jī)動(dòng)車行駛速度，m／s。

雖然VSP與油耗的關(guān)系較速度、加速度與油耗的變化關(guān)系等都有更好的趨勢(shì)性，然而，通過對(duì)大量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，即使是同一VSP下對(duì)應(yīng)的油耗也有較大的離散性。為了更清晰地分析VSP與油耗排放的關(guān)系，采用VSP聚類的方法，將VSP按照一定的間隔劃分為不同的區(qū)間單元，以每個(gè)區(qū)間下瞬時(shí)油耗率的平均值作為預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而有效降低數(shù)據(jù)的離散型。同時(shí)，因車輛的自重、發(fā)動(dòng)機(jī)及排放控制等因素的不同而導(dǎo)致油耗率的絕對(duì)值有顯著的差異，研究各個(gè)VSP區(qū)間下的絕對(duì)油耗率不具有普遍的適用性，故假設(shè)車輛在VSP區(qū)間單元為零時(shí)的油耗率為標(biāo)準(zhǔn)量，對(duì)各區(qū)間單元上的油耗率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，其公式為：

式中：NERi為VSP區(qū)間單元在i時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)化油耗率；ERi為VSP區(qū)間單元在i時(shí)的平均油耗率，mL／s；ER0為VSP區(qū)間單元在零時(shí)的平均油耗率，mL／s。

宋國華［9－10］等人對(duì)不同車型的測(cè)試車輛在固定路線上往復(fù)行駛進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，并記錄了相應(yīng)的行駛車速和油耗排放數(shù)據(jù)。通過對(duì)海量數(shù)據(jù)的處理，得出了5種不同車型（富康車、金杯車、捷達(dá)車、夏利車及公共汽車）VSP區(qū)間單元在零時(shí)的單位油耗（mL／s）。富康車、金杯車、捷達(dá)車、夏利車及公共汽車的ER0分別為0.32，0.58，0.69，0.22及1.69。同時(shí)測(cè)算各車VSP區(qū)間單元的標(biāo)準(zhǔn)化油耗率。其研究表明：機(jī)動(dòng)車在VSP＜0的狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，單位油耗較低，而且較穩(wěn)定；在VSP≥0的狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，單位油耗隨VSP的增加呈線性增加。對(duì)其進(jìn)行分段擬合，得：

公交車瞬時(shí)油耗率的計(jì)算公式為：

2 公交車GPS行駛數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)介紹

運(yùn)行于上海市中心城區(qū)的18路公交車，運(yùn)行全程9 600m，通過42個(gè)交叉口，沿途設(shè)置17個(gè)停靠站。運(yùn)行路徑覆蓋了全程4 300m的西藏路公交專用道路段。針對(duì)18路公交車的運(yùn)行情況進(jìn)行分析，能有效描述上海市中心城區(qū)公交車的運(yùn)行情況和公交專用通道的使用情況。在公交專用道條件下，為公交系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化管理提供必要條件和充分依據(jù)。

2012年11月28日至12月4日期間，通過跟車調(diào)查的方式，獲取18路公交車運(yùn)行全程GPS數(shù)據(jù)159例，其中包括早高峰（7∶00－9∶00）數(shù)據(jù)67例和晚高峰（16∶30－18∶30）數(shù)據(jù)32例。通過處理，獲得每例數(shù)據(jù)的信息為：①起始時(shí)間。公交車出發(fā)時(shí)間，同時(shí)也是每輛公交車的編號(hào)。②運(yùn)行時(shí)間。公交車從起點(diǎn)至終點(diǎn)全程的耗時(shí)。③行駛時(shí)間。公交車全程行駛時(shí)間。④延誤時(shí)間。公交車延誤時(shí)間，包括交叉口延誤、?？空狙诱`和路段行駛延誤。⑤平均速度。⑥交叉口停車次數(shù)。⑦油耗。包括全程油耗、延誤油耗和行駛油耗。

2.2 公交車運(yùn)行參數(shù)描述

通過對(duì)公交車運(yùn)行參數(shù)的分析，描述了公交車的運(yùn)行特征。各參數(shù)特征的描述見表1。從表1中可以看出，公交車總運(yùn)行時(shí)間和延誤時(shí)間的波動(dòng)較大，其標(biāo)準(zhǔn)差分別為332s和265s。而公交車行駛時(shí)間的波動(dòng)較小，分布在1 400～1 800s之間。除公交車?？空狙诱`和路段行駛延誤外的數(shù)據(jù)都服從于正態(tài)分布。

表1 GPS數(shù)據(jù)描述性分析Table 1 Descriptive analysis of the GPS data

公交車總運(yùn)行時(shí)間的組成如圖1（a）所示。從圖1（a）中可以看出，延誤時(shí)間占很大比例（接近50%），公交車運(yùn)行效率有很大的提升空間。在延誤時(shí)間的組成中，交叉口延誤的影響因素組成如圖1（b）所示。從圖1（b）中可以看出，減少公交車交叉口?？繒r(shí)間是提高公交車運(yùn)行效率的最主要方法。

圖1 公交車運(yùn)行時(shí)間和延誤時(shí)間組成比例Fig.1 The constitute of the travel time and the delays

對(duì)比不同時(shí)間段的公交車運(yùn)行數(shù)據(jù)（見表2）可以發(fā)現(xiàn)，在高峰時(shí)段啟用公交專用道，使得高峰時(shí)間段的公交車運(yùn)行時(shí)間較平峰時(shí)間段的縮短，是由于其他車輛對(duì)公交車的影響表現(xiàn)于路段行駛延誤和交叉口延誤上的結(jié)果。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，不同時(shí)間段公交車的行駛時(shí)間和?？空狙诱`很相近。

2.3 公交車油耗情況描述

公交車油耗量和總運(yùn)行時(shí)間之間呈線性關(guān)系。由于公交車的延誤造成了油耗量的增加，延誤時(shí)間越多，油耗量越大。因此，對(duì)于這部分油耗量，減少公交車的延誤時(shí)間是減少公交車油耗的關(guān)鍵途徑。對(duì)比公交車行駛時(shí)間的分析（見表3）可知，在行駛時(shí)間波動(dòng)性較小的同時(shí)，公交車行駛油耗量卻變化很大。因?yàn)椴煌鸟{駛行為（加速、減速或勻速行駛）導(dǎo)致不同的行駛油耗，即使總的行駛時(shí)間差不多，不同的行駛軌跡也會(huì)導(dǎo)致油耗量的不同。因此，對(duì)這部分油耗，在提高公交車行駛效率、減少行駛時(shí)間的同時(shí)，還需要控制公交車的行駛軌跡，減少不必要的加、減速過程而造成的油耗。

表2 不同時(shí)間段公交車運(yùn)行參數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison of the buses in the different period of time

表3 公交車油耗量描述性分析Table 3 Descriptive analysis of the fuel cost of the buses

通過對(duì)公交車GPS行駛數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，其結(jié)果為：①公交車延誤時(shí)間占公交車總運(yùn)行時(shí)間很大比例，其中交叉口延誤是最主要原因；②公交車運(yùn)行時(shí)間的波動(dòng)性由其在交叉口延誤的波動(dòng)所引起；③公交車全程行駛時(shí)間較為穩(wěn)定，但行駛油耗量波動(dòng)較大；④提高公交車運(yùn)行效率，減少公交車停車延誤能有效減少公交車因?？慷鸬挠秃?；⑤規(guī)劃公交車行駛軌跡，控制公交車行駛車速，可減少公交車在行駛過程中的油耗量。

3 公交車綠色車速引導(dǎo)模型

3.1 公交車最佳引導(dǎo)車速

針對(duì)公交車勻速行駛過程，建立油耗模型。公交車勻速行駛1km的油耗量為：

分析可知：最小值出現(xiàn)在v＝32km／h，說明32km／h為公交車行駛過程中最佳綠色車速。

針對(duì)公交車行駛進(jìn)站停靠過程，根據(jù)不同行駛軌跡，建立對(duì)應(yīng)的油耗模型。

不進(jìn)行公交車車速引導(dǎo)：公交車以初始速度勻速行駛，臨近?？空緯r(shí)，減速至?？俊０ü卉噭蛩傩旭傠A段和公交車減速行駛階段。

圖2 公交車駛?cè)胪？空具\(yùn)行軌跡示意Fig.2 Trajectories of the buses to go to the station

進(jìn)行公交車車速引導(dǎo)：改變公交車初始速度后，勻速行駛一段距離，再減速至?？?。包括公交車改變初始速度階段、公交車勻速行駛階段和公交車減速行駛階段。其中：改變初始速度階段又可分為減速和加速兩種不同情況。

δ為公交車減速過程加速度，δ＝0.9m／s2；vini為檢測(cè)車輛初始速度；vs為公交車建議車速為情景j階段i總耗時(shí)；ER為公交車每秒油耗；F為公交車情景j階段i總油耗。

不對(duì)公交車進(jìn)行速度引導(dǎo)，公交車的總油耗為：

其中：

對(duì)公交車進(jìn)行速度引導(dǎo)，公交車油耗優(yōu)化方程為：

對(duì)于減速引導(dǎo)情況：

對(duì)于加速引導(dǎo)情況：

針對(duì)不同的公交車運(yùn)行初始速度和行駛距離，計(jì)算兩種行駛軌跡下的公交車總油耗，如圖3所示。

通過對(duì)兩種行駛軌跡下公交車的油耗量進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)：車速引導(dǎo)策略下的公交車總油耗整體比不采取引導(dǎo)策略的低。隨著行駛距離的增加，車速引導(dǎo)策略對(duì)公交車行駛油耗量減少的效果越明顯。但存在一個(gè)速度范圍（20km／h，35 km／h），當(dāng)公交車初始行駛速度處在該范圍時(shí)，兩種情況下公交車行駛總油耗量差別不大，此時(shí)沒有必要對(duì)公交車進(jìn)行綠色車速引導(dǎo)。

圖3 不同控制策略下公交車油耗Fig.3 Fuel cost of the buses in different strategies

針對(duì)綠色車速引導(dǎo)過程，在不同行駛距離和初始速度的條件下，計(jì)算引導(dǎo)過程中的建議車速如圖4所示。

圖4 不同條件下公交車建議行駛速度Fig.4 Suggested speed in different conditions

從圖4中可以看出：當(dāng)公交車初始行駛速度較小時(shí)，需通過綠色車速引導(dǎo)策略對(duì)公交車進(jìn)行加速引導(dǎo)，建議車速因行駛距離的不同存在明顯差異；當(dāng)公交車初始行駛速度位于（20km／h，35km／h）區(qū)間時(shí)，計(jì)算所得的綠色建議車速與初始速度相差不大，沒必要對(duì)公交車進(jìn)行綠色誘導(dǎo)；當(dāng)公交車初始行駛速度較大時(shí)，需通過綠色車速引導(dǎo)策略對(duì)公交車進(jìn)行減速引導(dǎo)，計(jì)算所得的建議車速穩(wěn)定，為30km／h。需要說明的是，當(dāng)行駛距離較小時(shí)，初始速度不可能取得較大值，因此建議車速與其他情況有明顯差異。

通過對(duì)綠色車速引導(dǎo)建議速度分析，發(fā)現(xiàn)其與公交車最佳綠色行駛速度一致，因此確定30km／h為公交車行駛過車中的最佳引導(dǎo)車速。

3.2 模型建立

公交車綠色車速引導(dǎo)模型流程如圖5所示。

圖5 綠色車速引導(dǎo)流程Fig.5 Green－speed－guidance model

4 仿真與結(jié)果

選取上海市西藏路鳳陽路至瞿溪路公交專用道路段作為案例，分別對(duì)無控制策略、傳統(tǒng)車速引導(dǎo)策略和綠色車速引導(dǎo)策略下公交車運(yùn)行情況進(jìn)行仿真分析。無控制策略、傳統(tǒng)引導(dǎo)策略和綠色車速引導(dǎo)策略下公交車的平均行駛時(shí)間分別為1 425，1 235和1 285s。

兩種引導(dǎo)策略下公交車的平均行駛時(shí)間均小于無控制策略的。傳統(tǒng)車速引導(dǎo)策略提升13%，綠色引導(dǎo)策略提升10%，說明引導(dǎo)策略對(duì)公交車運(yùn)行情況有所改善，傳統(tǒng)引導(dǎo)策略提升效果更大，但并不明顯。

傳統(tǒng)引導(dǎo)策略和綠色車速引導(dǎo)策略下公交車的平均行駛油耗分別為1 280和1 185mL。綠色車速引導(dǎo)策略下公交車的油耗較傳統(tǒng)車速引導(dǎo)策略下的低些，實(shí)現(xiàn)了公交車高效、低耗的控制目標(biāo)。

5 結(jié)語

該模型具體描述為：

1）行駛路段無公交?？空?/p>

監(jiān)控階段：公交車路段行駛過程。實(shí)時(shí)監(jiān)控并誘導(dǎo)公交車以綠色最佳行駛車速行駛，直到公交車在一周期內(nèi)即將通過下游交叉口。

控制階段：公交車通過下游交叉口過程。結(jié)合下游交叉口實(shí)際信號(hào)燈情況，對(duì)公交車進(jìn)行速度誘導(dǎo)，減少公交車交叉口?？繒r(shí)間，提高公交車運(yùn)行效率。

2）行駛路段有公交停靠站

停站階段：通過綠色車速引導(dǎo)策略，計(jì)算公交車進(jìn)站過程綠色建議速度，實(shí)行綠色誘導(dǎo)，使公交車行駛進(jìn)入?？空?。

離站階段：公交車完成上、下客關(guān)閉車門后，結(jié)合下游交叉口信息，按照行駛路段無公交?？空厩闆r進(jìn)行速度引導(dǎo)。

針對(duì)車速引導(dǎo)策略在公交優(yōu)先發(fā)展中的實(shí)際應(yīng)用，為減少公交車行駛油耗，作者提出了一種綠色車速引導(dǎo)策略。基于車輛比功率（VSP），建立了公交車油耗模型，確定30km／h為公交車綠色最佳引導(dǎo)車速并建立引導(dǎo)模型，最后通過仿真模擬，驗(yàn)證了該策略的效果。仿真結(jié)果表明：通過對(duì)公交車進(jìn)行車速引導(dǎo)，能夠減少公交車的油耗。綠色車速引導(dǎo)策略較傳統(tǒng)車速引導(dǎo)策略雖然在很小程度上損失一定的公交車行駛效率，但在減少公交車行駛油耗方面效果更明顯，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了公交車的高效、低耗的優(yōu)化目標(biāo)。

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