王敏，楊亞萍

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

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不同速度區(qū)間下輕型車比功率分布特征分析

王敏，楊亞萍

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

機(jī)動(dòng)車比功率（vsp）已經(jīng)成為交通油耗和排放模型必不可少的參數(shù)。基于西安市快速路上大量逐秒速度數(shù)據(jù)，本文研究了不同平均行程速度區(qū)間下的 vsp分布。之前的研究針對(duì)的是低速區(qū)間（0-20km/h）和高速區(qū)間（>=60km/h），而文章研究的是介于二者之間的速度區(qū)間下的vsp分布。首先，采集出租車在快速路上實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)并以此建立輕型車的VSP分布，然后對(duì)不同平均行程速度區(qū)間下的vsp分布進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)vsp分布與平均行程速度具有規(guī)律性:vsp在正區(qū)間的分布比例明顯大于負(fù)區(qū)間，在高速區(qū)間下vsp接近于正態(tài)分布。

比功率分布；平均速度；對(duì)比分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.06.021

CLC NO.: U462.3+1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)06-60-03

引言

近年來(lái)，為了克服宏觀模型在交通策略排放評(píng)價(jià)方面的不足，有很多研究開始致力微觀層面，已經(jīng)開發(fā)了眾多的機(jī)動(dòng)車油耗排放評(píng)估模型。如基于平均速度的COPERT模型，基于道路類型和服務(wù)水平的HEEFA模型，而基于vsp參數(shù)的模型，如MOVES、IVE模型等因vsp能夠更好地刻畫機(jī)動(dòng)車在實(shí)際道路上的行為特性，越來(lái)越受到專家學(xué)者的青睞。

使用vsp來(lái)測(cè)算油耗排放的優(yōu)勢(shì)在于VSP值在機(jī)動(dòng)車實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中比較容易得到。機(jī)動(dòng)車 VSP 參數(shù)是基于其瞬時(shí)速度和加速度計(jì)算而得，概念是由Jiménez-Palacios所提出的，含義是發(fā)動(dòng)機(jī)每移動(dòng) 1t 質(zhì)量（包括自重）所輸出的功率，單位為kW/t（或W/kg）。

國(guó)內(nèi)有許多研究都是基于比功率。如宋國(guó)華等研究了城市快速路上機(jī)動(dòng)車比功率分布特性與模型，結(jié)果表明比功率可以有效用于實(shí)際道路機(jī)動(dòng)車油耗和排放的定量評(píng)價(jià)；孫鳳等研究了輕、重型車在不同速度區(qū)間下比功率分布與平均速度的變化關(guān)系。目前國(guó)內(nèi)基于比功率的研究中缺乏通過(guò)實(shí)際道路試驗(yàn)分析并得到不同比功率對(duì)應(yīng)的排放數(shù)據(jù)的研究。

1、研究綜述

目前，可以利用實(shí)測(cè)的逐秒速度數(shù)據(jù)或行駛周期來(lái)計(jì)算vsp分布，但是不能說(shuō)明交通運(yùn)行模式與 vsp分布的內(nèi)在關(guān)系，需建立能夠反映vsp分布隨著交通狀態(tài)而改變的可靠方法。王岐東等通過(guò)在不同城市測(cè)試了 27輛輕型車，得出了vsp可以反應(yīng)道路坡度等對(duì)排放因子的影響。張瀅瀅等研究了信號(hào)燈協(xié)調(diào)控制與非協(xié)調(diào)控制的vsp分布特征，以及對(duì)機(jī)動(dòng)車排放的影響，然而以上研究沒有定量分析vsp分布與交通參數(shù)間的關(guān)系。

為了滿足油耗排放測(cè)算的需求，基于平均行程速度建立VSP 分布是可行的技術(shù)路線。近期，宋國(guó)華等建立了面向輕型車在城市快速路上的VSP分布模型，其研究表明，當(dāng)平均行程速度超過(guò)20 km/h時(shí)，機(jī)動(dòng)車VSP分布接近正態(tài)分布。周溪溪等人研究了低速區(qū)間即平均行程速度低于 20km/h時(shí)的比功率分布特性，趙琦等研究了高速公路上輕型車比功率分布特征，而本文的研究重點(diǎn)是20-60km/h下平均行程速度區(qū)間下的vsp分布。

2、數(shù)據(jù)收集及分析討論

本研究的目的是研究不同速度區(qū)間下的VSP分布特征，從而對(duì)其VSP分布特征進(jìn)行比較。

2.1數(shù)據(jù)收集

本研究的測(cè)試時(shí)間為2014年1月14日，收集了西安市快速路上出租車早高峰以及晚高峰的12020條逐秒速度。本次的測(cè)試過(guò)程為在一輛測(cè)試車輛上安裝車載GPS設(shè)備，然后駕駛?cè)藛T駕駛測(cè)試車輛沿測(cè)試路線正常行駛，收集測(cè)試車輛的逐秒速度數(shù)據(jù)。結(jié)束測(cè)試并導(dǎo)出原始GPS數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，最終得到11568條有效的逐秒速度數(shù)據(jù)。

2.2數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)的處理包括字段刪減、格式調(diào)整、缺失數(shù)據(jù)補(bǔ)齊、無(wú)效數(shù)據(jù)剔除等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的工具是EXCEL VBA程序。

1）以連續(xù)60s的速度為1組，將11568條有效速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，計(jì)算出每組的平均速度。

2）在采集到的表格中需要保留記錄號(hào)、日期、時(shí)間、經(jīng)度緯度以及速度字段，并在表中添加加速度、VSP(機(jī)動(dòng)車比功率)、平均速度等字段。

其中，輕型車的vsp的計(jì)算公式如下：

式中，vsp表示機(jī)動(dòng)車比功率(kW/ton)；v表示速度(m /s)；a表示加速度(m/s2)；grade表示坡度，在應(yīng)用中通常取0。

加速度的計(jì)算公式如式(2)所示。

其中

第i + 1秒的加速度，單位為m/s2；Vi+1—第i+1秒的速度，單位為m/s；Vi—第i秒的速度，單位為m/s。

3）使用EXCEL VBA對(duì)獲得的逐秒速度數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，對(duì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行修正和對(duì)丟失數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)齊。然后根據(jù)式（2）進(jìn)行逐秒加速度的計(jì)算，根據(jù)加速度和瞬時(shí)速度按照輕型車VSP的計(jì)算公式（1）分別計(jì)算逐秒的vsp;（3）計(jì)算每組的平均速度。將平均速度以2km/h進(jìn)行劃分，最終得到不同平均速度區(qū)間下的vsp分布。

2.3區(qū)間劃分與分布特征分析

2.3.1vspbin劃分

為了將交通參數(shù)轉(zhuǎn)化為vsp分布，首先需對(duì)vsp區(qū)間進(jìn)行聚類分析。為了減少誤差和簡(jiǎn)化計(jì)算，學(xué)者們提出了不同vsp間隔以及引入第二參數(shù)的 vsp劃分方法。由于計(jì)算得到的每秒vsp值大多數(shù)都集中在[-16，20]區(qū)間內(nèi)，所以為了更準(zhǔn)確地區(qū)分不同分區(qū)vsp的分布狀況以及減少數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)，將比功率分為了14個(gè)區(qū)，如表1所示。

表1　比功率分區(qū)

2.3.2分布特征

通過(guò)一系列的計(jì)算以及整理，最終得到不同行程速度區(qū)間下的vsp分布，見圖1-4。

圖1　20-30 km/h 下vsp分布圖

圖2　30-40 km/h 下vsp分布圖

圖3　40-50 km/h 下vsp分布圖

圖4　50-60 km/h 下vsp分布圖

由圖1-4可得出vsp的分布特征如下：

1）vsp在正區(qū)間的分布比例明顯大于負(fù)區(qū)間，當(dāng)平均速度越大時(shí)，正區(qū)間的分布比例也會(huì)增加。

2）在低速區(qū)間時(shí)，vsp的分布曲線趨勢(shì)大體一致，正負(fù)區(qū)間的比例基本一致；在高速區(qū)間時(shí)，vsp在正區(qū)間的分布比例明顯增加。

3）對(duì)于所有平均行程速度區(qū)間，vspbin=0處的數(shù)據(jù)量最少。

4）在高速區(qū)間下vsp接近于正態(tài)分布。

3、研究結(jié)論

本文研究了城市快速路上不同平均行程速度區(qū)間下的vsp分布，結(jié)果表明，在高速區(qū)間下vsp分布接近于正態(tài)分布，在不同行程速度區(qū)間下vsp的分布曲線有著相似性。本文有助于更好的理解vsp分布的本質(zhì)，也可以利用實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)建立動(dòng)態(tài)排放模型。

基于以上結(jié)論，對(duì)進(jìn)一步的研究提出兩點(diǎn)建議。一，本文研究的是城市快速路上的vsp分布，可進(jìn)一步研究不同公路等級(jí)的不同行程速度區(qū)間下的vsp分布；二，采集更多的逐秒速度數(shù)據(jù)，當(dāng)樣本量足夠大時(shí)，才能減少其他因素如駕駛行為以及交通狀況帶來(lái)的影響。

[1] 宋國(guó)華,于雷.城市快速路上機(jī)動(dòng)車比功率分布特性與模型[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與息,2010,10(6):133-140.

[2] 孫鳳.面向交通排放測(cè)算的輕重型車比功率分布特性與模型研究[D].北京：北京交通大學(xué),2012.

[3] 周溪溪,宋國(guó)華,于雷.面向排放量化的低速區(qū)間機(jī)動(dòng)車比功率分布特性與模型[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2014.

[4] 趙琦,于雷,宋國(guó)華.輕型車與重型車高速公路比功率分布特征研究[J]. 交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息,2015.

[5] 黃冠濤.基于 MOVES的微觀交通排放評(píng)價(jià)[D].北京交通大學(xué),2011.

[6] 郭棟,趙韓濤,高松.不同比功率分區(qū)下輕型車排放特征分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013.

[7] U.S.Environmental Protection Agency.Motorvehicle emission simul atior(MOVES)2010 userguide[R].EPA-420-B-09-041.Washington,D. C.USA,2009

[8] Jiménez-Palacios J. Understanding and quantifyingmotor vehicle emissions with vehicle specific power andTILDAS remote sensing [D]. Massachusetts Institute ofTechnology, Cambridge, 1999.

[9] Frey H,Rouphail N,Zhai H. Comparing real-world fuelconsumption for diesel and hydrogen-fueled transitbuses and implication for emissions[J]. TransportationResearch PartD-Transport and Environ -ment,2007, 12(4): 281-291.

[10] 潘漢生,陳長(zhǎng)虹,景啟國(guó)等.輕型柴油車排放特性與機(jī)動(dòng)車比功率分布的實(shí)例研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2005. [11] 陳旭梅,王瑩,羨晨陽(yáng)等.基于比功率的北京快速公交車輛排放特征[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2012.

The Light Vehicles's VSP Distribution Characteristics Analysis under Different Speed Range

Wang Min, Yang Yaping
（Automobile Faculty, Chang'an University, Shannxi Xi'an 710064）

Vehicle specific power (vsp) has become essential parameters forthe model of transportation fuel consumption and emissions. Based on a lot-by-second speed data in Xi'an fast way, we studied thevsp distribution under different average travel speed section. Previous studies targeted at the low-speed range (0-20km / h) and the high-speed range (> = 60km / h), but the aim of this study is the vsp distributed of speed range between the two under. First, to acquire the data of a taxi's actual operationon the rapid way and to establish light vehicles'sVSPdistribution, followed by comparative analysis of the vsp distribution of different average travel speed range and we found the regularity between vsp distribution and average travel speed: vsp's distribution ratio in the positive range is significantly greater than the negative range and under the high speed range VSP is close to normal distribution.

Vehicle specific power distribution; average speed; comparative analysis

王敏，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)載運(yùn)工具運(yùn)用工程專業(yè)。

U462.3+1

A

1671-7988（2016）06-60-03