張雅麗，袁偉*，付銳，王虹霞，葛振振

(1.長(zhǎng)安大學(xué)，汽車學(xué)院，西安710064；2.太原學(xué)院，機(jī)械與電氣工程系，太原030032)

0 引言

在提倡綠色環(huán)保城市的理念下，純電動(dòng)汽車因其零污染、低噪聲成為城市公交車的應(yīng)用主體，但是由于電池技術(shù)的局限性，使得純電動(dòng)公交車?yán)m(xù)駛里程有限，容易引起駕駛?cè)死锍探箲][1]，也增加了公交公司的運(yùn)營(yíng)成本。相比提升電池電機(jī)性能和改善能量管理策略所經(jīng)歷的技術(shù)難度和研究周期，改善駕駛行為實(shí)現(xiàn)公交車運(yùn)行過(guò)程能耗的降低將是一種不用改變車輛結(jié)構(gòu)，便捷、見(jiàn)效快的節(jié)能方式，研究表明，駕駛行為的改善可以增加純電動(dòng)汽車30%的行駛里程[2]。以往節(jié)能駕駛策略的研究對(duì)象多為傳統(tǒng)燃油車，由于純電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)燃油車的耗能方式和能耗特性有差異，因此，參照燃油車節(jié)能駕駛策略，研究純電動(dòng)公交車的節(jié)能駕駛策略，對(duì)于降低公交公司運(yùn)營(yíng)成本，減輕駕駛?cè)死锍探箲]具有重要意義。

隨著智慧城市的建設(shè)，車路協(xié)同技術(shù)為實(shí)現(xiàn)公交車節(jié)能駕駛提供了便捷途徑，利用車-車通信和車-路通信，使得公交車的運(yùn)行過(guò)程實(shí)現(xiàn)安全節(jié)能，同時(shí)提升了運(yùn)營(yíng)效率。相比社會(huì)車輛，公交車行駛線路固定，其駕駛行為具有一定的規(guī)律性和可控性。進(jìn)出站是公交車特有的駕駛場(chǎng)景，研究表明，出站過(guò)程消耗的能量占總行程的47%[3]，因此，對(duì)于純電動(dòng)公交車，降低出站能耗，利用再生制動(dòng)增加進(jìn)站制動(dòng)能量回收，將有效降低公交車運(yùn)行能源消耗，增加續(xù)駛里程。

國(guó)內(nèi)對(duì)純電動(dòng)汽車節(jié)能駕駛策略的研究起步較晚，對(duì)于純電動(dòng)公交車節(jié)能駕駛的研究較少，關(guān)于公交車進(jìn)出站的研究大多針對(duì)傳統(tǒng)燃油公交車或油氣混合動(dòng)力公交車。葉倩文[4]以公交車自到達(dá)公交站臺(tái)至離開(kāi)下游交叉口停車線路段范圍內(nèi)的運(yùn)行速度為研究對(duì)象，構(gòu)建了聯(lián)合駐站策略的公交車生態(tài)駕駛優(yōu)化模型。張智明等[5]基于車路協(xié)同

VICS(Vehicle Infrastructure Cooperative Systems)，設(shè)計(jì)分析公交站點(diǎn)間不同的“加速-勻速-減速”的行駛工況，結(jié)合交通信號(hào)燈信息和站點(diǎn)距離信息，利用ADVISOR(Advanced Vehicle Simulator)和遺傳算法的聯(lián)合仿真，以單位里程能耗量最低為目標(biāo)，獲得純電動(dòng)公交車在站點(diǎn)間的最優(yōu)行駛工況，使單位里程能耗降低了29.4%，但未優(yōu)化行駛時(shí)間。賀雪瑩[6]指出不同的駕駛員在進(jìn)出站過(guò)程中的能耗差高達(dá)60%，基于此研究背景，建立了良好駕駛行為模型，提出一種基于進(jìn)出站的良好駕駛技術(shù)參數(shù)獲取方法，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該方法可以為公交車進(jìn)出站提供駕駛建議，提高駕駛技術(shù)，降低能耗。此類建議雖能夠降低運(yùn)行能耗，但不具普適性，更換線路和公交車時(shí)不適用。HAN等[7]采集2個(gè)月的公交車進(jìn)出站數(shù)據(jù)，構(gòu)建駕駛行為模型，提出一種駕駛行為評(píng)估APP，從而發(fā)現(xiàn)良好進(jìn)出站行為，為公交車進(jìn)出站提供實(shí)時(shí)的操作建議，驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，此APP 顯著的影響了進(jìn)出站駕駛行為，提高了能耗經(jīng)濟(jì)性。V.AZ[8]利用公交車每日的通勤數(shù)據(jù)，依據(jù)多目標(biāo)方法尋找包含速度策略和加速度策略的最佳駕駛策略，策略具有靈活性，且促進(jìn)了蓄電池儲(chǔ)能的最佳利用，提高了電子制動(dòng)單元的能效和續(xù)航里程。國(guó)外研究相對(duì)超前，但研究對(duì)象為燃油車，由于耗能方式不同，其策略對(duì)電動(dòng)車節(jié)能駕駛策略的建立有一定的指導(dǎo)作用，但不能直接利用。

進(jìn)出站場(chǎng)景作為公交車運(yùn)行過(guò)程的典型場(chǎng)景，耗能高，在整個(gè)行程時(shí)間占比高。以往針對(duì)純電動(dòng)公交車進(jìn)出站過(guò)程中節(jié)能策略的研究甚少，多是采集實(shí)際運(yùn)行速度、加速度數(shù)據(jù)分析進(jìn)出站過(guò)程中的駕駛行為特征及公交車進(jìn)出站行為對(duì)道路交通流的影響[9]，鮮有定量地建立公交車進(jìn)出站節(jié)能駕駛控制策略。公交車的進(jìn)出站過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)“減速-加速”過(guò)程，針對(duì)純電動(dòng)公交車進(jìn)出站頻繁加減速、排隊(duì)進(jìn)出站等現(xiàn)象，本文采集包含多通道數(shù)據(jù)的純電動(dòng)公交車自然駕駛數(shù)據(jù)，通過(guò)分析進(jìn)出站駕駛行為及能耗特性，建立加減速策略，根據(jù)站內(nèi)排隊(duì)車輛將進(jìn)出站場(chǎng)景分為3類，分別提出進(jìn)出站過(guò)程的節(jié)能駕駛策略，使純電動(dòng)公交車節(jié)能駕駛策略的建立具有針對(duì)性強(qiáng)，定量等優(yōu)勢(shì)。

1 進(jìn)出站駕駛行為及能耗特性分析

1.1 行駛數(shù)據(jù)采集

基于宇通智能網(wǎng)聯(lián)平臺(tái)，利用U12純電動(dòng)公交車的車載監(jiān)控視頻設(shè)備和傳感器，采集監(jiān)控視頻和車輛運(yùn)營(yíng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。采集線路選擇鄭州市B301公交BRT線路，全程18.1 km，從航海東路公交站到北三環(huán)豐樂(lè)路站，全程18個(gè)站點(diǎn)。整個(gè)數(shù)據(jù)采集過(guò)程不影響公交車的正常運(yùn)營(yíng)，駕駛?cè)送耆凑兆陨眈{駛習(xí)慣在指定公交線路上駕駛，共采集7 d 的自然駕駛數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包含多個(gè)通道，主要有車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)(例如：點(diǎn)火信號(hào)、車速、制動(dòng)燈信號(hào)、加速度、轉(zhuǎn)向燈信號(hào)等)、駕駛?cè)瞬僮鲾?shù)據(jù)(例如：踏板開(kāi)度、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角等)、電機(jī)電池?cái)?shù)據(jù)(例如：電池電流、電壓、SOC(State of Charge)，電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩等)和雷達(dá)數(shù)據(jù)(與周圍車輛的相對(duì)速度、相對(duì)距離)等多項(xiàng)數(shù)據(jù)。

由于采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)項(xiàng)比較全面，數(shù)據(jù)量較大，通過(guò)CAN(Controller Area Network)協(xié)議轉(zhuǎn)化導(dǎo)出數(shù)據(jù)時(shí)耗費(fèi)時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，故根據(jù)研究需求，通過(guò)視頻通道數(shù)據(jù)挑選出研究所需的純電動(dòng)公交車進(jìn)出公交站的視頻片段，經(jīng)過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)化，將車輛運(yùn)營(yíng)狀態(tài)數(shù)據(jù)導(dǎo)出為.xlsx文件，得到247個(gè)有效的進(jìn)出站片段用于后續(xù)分析。

由于設(shè)備局限性，沒(méi)有直接獲取到能耗數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算瞬時(shí)能耗和單位里程能耗，用于后續(xù)的能耗特性分析。

①瞬時(shí)能耗Ei(kWh)

式中：Ii為瞬時(shí)總電流(A)；Vi為瞬時(shí)總電壓(V)；ti為采樣時(shí)間間隔(s)；i為各片段采樣數(shù)。

②瞬時(shí)行駛距離Si(m)

在v-t圖像中，距離是速度的時(shí)間積分，原始數(shù)據(jù)中包含速度數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)速度的時(shí)間積分求得瞬時(shí)行駛距離，為

式中：vi為瞬時(shí)速度(km·h-1)。

③瞬時(shí)單位里程電耗EEPK(kWh·km-1)

通過(guò)瞬時(shí)能耗和瞬時(shí)行駛距離計(jì)算得到瞬時(shí)單位里程電耗EEPK，即

1.2 駕駛行為參數(shù)特性分析

車輛行駛過(guò)程中最能反映駕駛行為的參數(shù)是速度和加速度，分析進(jìn)出站過(guò)程的速度和加速度，用以表征進(jìn)出站過(guò)程的駕駛行為特征。

(1)進(jìn)站過(guò)程

以站點(diǎn)為原點(diǎn)，公交車行進(jìn)方向?yàn)闄M軸的正向，故進(jìn)站過(guò)程中橫軸坐標(biāo)為負(fù)值，其絕對(duì)值為距站點(diǎn)的距離。由于進(jìn)出站片段數(shù)量大，無(wú)法全部展示，隨機(jī)選取15個(gè)進(jìn)站片段作速度變化圖發(fā)現(xiàn)，在接近站臺(tái)過(guò)程中，公交車明顯減速，且大部分車輛在距站臺(tái)110～50 m 范圍內(nèi)減速較明顯；在50 m 范圍內(nèi)所有車輛都會(huì)及時(shí)減速停車以便進(jìn)站，且有部分公交車受前方進(jìn)站公交車和站臺(tái)內(nèi)已經(jīng)?？抗卉嚨挠绊?，出現(xiàn)減速為0 后重新啟動(dòng)進(jìn)站的情況，例如，9號(hào)和14號(hào)片段。進(jìn)站速度如圖1所示。

圖1 進(jìn)站速度Fig.1 Speed of entering stops

為分析公交車進(jìn)站過(guò)程中減速度的基本分布特征，以247個(gè)進(jìn)站過(guò)程的減速度為對(duì)象繪制箱線圖，發(fā)現(xiàn)減速度波動(dòng)范圍在[0.15,2.50]m·s-2之間，優(yōu)化公交車進(jìn)站減速過(guò)程要選擇最小減速度值作為減速段約束條件，由此確定進(jìn)站減速段減速度約束區(qū)間為[0.15,2.50]m·s-2，其范圍滿足國(guó)際加速度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的人能夠承受的保證舒適度的加速度范圍[10]。進(jìn)站減速度箱線圖如圖2所示。

圖2 減速度箱線圖Fig.2 Box plot of deceleration

統(tǒng)計(jì)247 個(gè)進(jìn)站過(guò)程的減速時(shí)間，繪制箱線圖，減速時(shí)間分布在區(qū)間[6,14]s，其均值為10 s。另外，袁靜[11]指出公交車進(jìn)站減速時(shí)間分布在[6,10]s，故將進(jìn)站過(guò)程減速時(shí)間ts設(shè)置為10 s。進(jìn)站減速時(shí)間箱線圖如圖3所示。

圖3 進(jìn)站減速時(shí)間Fig.3 Deceleration time during entering stops

(2)出站過(guò)程

以站點(diǎn)為原點(diǎn)，距站點(diǎn)的距離為橫坐標(biāo)，隨機(jī)選取15 個(gè)出站片段作速度變化圖，在駛離站臺(tái)的過(guò)程中，公交車加速趨勢(shì)明顯，在50 m范圍內(nèi)車輛提速很快，即駕駛員想盡快離開(kāi)站臺(tái)；在50～100 m范圍內(nèi)，仍為加速趨勢(shì)，但有小幅減速，即駕駛員在匯入車流過(guò)程中，有速度調(diào)整；在100 m范圍外，車輛基本處于勻速狀態(tài)，即車輛已結(jié)束速度調(diào)整，恢復(fù)正常駕駛過(guò)程。

圖4 出站速度Fig.4 Speed of leaving stops

為分析公交車駛出站臺(tái)過(guò)程加速度的基本分布特征，以247 個(gè)出站過(guò)程的加速度為分析對(duì)象繪制加速度箱線圖。發(fā)現(xiàn)，出站加速度在區(qū)間[0.0,2.5]m·s-2之內(nèi)，優(yōu)化公交車出站加速過(guò)程，需選擇最大加速度值作為加速段優(yōu)化約束條件，據(jù)此出站加速段加速度約束條件為[0.0,2.5]m·s-2，同樣滿足國(guó)際加速度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的人能夠承受的保證舒適度的加速度范圍[10]。出站加速度箱線圖如圖5所示。

圖5 加速度箱線圖Fig.5 Box plot of acceleration

統(tǒng)計(jì)247 個(gè)出站過(guò)程的加速時(shí)間，繪制箱線圖。加速時(shí)間分布在區(qū)間[8,18]s，其均值為13.6 s，結(jié)合文獻(xiàn)[11]，直線式公交站臺(tái)公交車加速離站時(shí)間分布在[6,14]s，故結(jié)合均值取整設(shè)置出站過(guò)程加速時(shí)間te為14 s。出站加速時(shí)間箱線圖如圖6所示。

圖6 出站加速時(shí)間Fig.6 Acceleration time during leaving stops

1.3 能耗特征分析

分別統(tǒng)計(jì)進(jìn)站和出站過(guò)程的百公里能耗，發(fā)現(xiàn)進(jìn)站過(guò)程百公里能耗多為負(fù)值，這是由于進(jìn)站過(guò)程以制動(dòng)過(guò)程為主，由于再生制動(dòng)的存在，進(jìn)站過(guò)程中多余的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能為電池組充電。同時(shí)，進(jìn)站時(shí)公交車受到站內(nèi)排隊(duì)公交車的影響，會(huì)頻繁的加減速，引起能耗的增加。而出站過(guò)程以加速為主，百公里能耗呈正值，其均值達(dá)到265.4 kWh·(100 km)-1，數(shù)值較大，出站耗能占整個(gè)進(jìn)出站過(guò)程耗能的比重大，主要原因在于出站公交車速度從0 開(kāi)始增加，還會(huì)受到乘客分批次上車，出站前方車輛的影響，加減速頻繁，因此，耗能高。為此，本文制定進(jìn)出站節(jié)能策略借助車路協(xié)同技術(shù)提前獲得距站臺(tái)的距離、站內(nèi)停靠公交車數(shù)量等信息，盡量增加進(jìn)站時(shí)再生制動(dòng)回收的能量，減少出站時(shí)加速過(guò)程的耗能。將進(jìn)出站過(guò)程簡(jiǎn)化為“減速-加速”過(guò)程，設(shè)計(jì)其節(jié)能駕駛策略時(shí)可將道路分為：接近路段和出站路段2 段，分段提出節(jié)能駕駛策略。進(jìn)、出站耗能箱線圖如圖7所示。

圖7 進(jìn)出站百公里能耗Fig.7 Energy consumption of per 100 km for entering and leaving stops

進(jìn)出站過(guò)程中影響能耗的主要因素是速度和加速度，特別是加速度，隨機(jī)選取4 段進(jìn)出站片段，發(fā)現(xiàn)整個(gè)進(jìn)出站過(guò)程中瞬時(shí)能耗變化趨勢(shì)與加速度變化趨勢(shì)高度一致，加速度的增加顯著地增加瞬時(shí)能耗，導(dǎo)致進(jìn)出站過(guò)程能耗增加。因此，保持平穩(wěn)的加速會(huì)減少瞬時(shí)能耗的波動(dòng)，減少進(jìn)出站過(guò)程的能耗。進(jìn)出站瞬時(shí)能耗與加速度關(guān)系如圖8所示。

圖8 進(jìn)出站過(guò)程的速度、加速度、瞬時(shí)能耗和單位里程能耗Fig.8 Speed,acceleration,instantaneous energy consumption and energy consumption per kilometer of entering and leaving stops

2 進(jìn)出站節(jié)能控制策略

2.1 進(jìn)出站路段劃分

在車路協(xié)同背景下，通過(guò)車-車、車-路通信，公交車在進(jìn)站過(guò)程時(shí)可以得知距站點(diǎn)的距離和當(dāng)前站內(nèi)停靠的公交車數(shù)量。由于公交站點(diǎn)是固定的，可將該條線路上的站點(diǎn)信息、站臺(tái)長(zhǎng)度、該站臺(tái)允許停靠的最大車輛數(shù)以及該站臺(tái)內(nèi)公交車?？繒r(shí)間的歷史平均數(shù)值等信息直接儲(chǔ)存在系統(tǒng)中。在所有信息已知的前提下，優(yōu)化公交車進(jìn)站減速過(guò)程和出站加速過(guò)程。

將進(jìn)出站過(guò)程劃分為以站臺(tái)為原點(diǎn)的接近路段和出站路段。接近路段指從上一個(gè)站臺(tái)到該次停靠站臺(tái)之間的路段，包括定速段及調(diào)整段，其中，調(diào)整段可理解為進(jìn)站過(guò)程。出站路段指駛出該站臺(tái)到恢復(fù)經(jīng)濟(jì)車速Veco時(shí)所行駛的路段，即恢復(fù)段。根據(jù)文獻(xiàn)[12]，純電動(dòng)公交車的經(jīng)濟(jì)車速Veco為36 km·h-1。經(jīng)濟(jì)車速即單位里程能耗隨車速變化的U型曲線中單位里程能耗最低的速度。

節(jié)能駕駛策略用于接近路段時(shí)，定速段為勻速段，以Veco作為該段速度，加速度波動(dòng)不超過(guò)±0.15 m·s-2。由于實(shí)際道路行駛時(shí)不可能存在完全的勻速行駛，眾多學(xué)者定義瞬時(shí)加速度的絕對(duì)值小于等于0.15 m·s-2的行駛過(guò)程為勻速過(guò)程[13]。根據(jù)實(shí)時(shí)車速，當(dāng)前距站臺(tái)的距離及當(dāng)前站臺(tái)內(nèi)?？抗卉嚁?shù)目?jī)?yōu)化減速過(guò)程，以達(dá)到最大程度的能量回收。用于出站路段時(shí)，優(yōu)化恢復(fù)到Veco的加速過(guò)程，進(jìn)出站路段劃分如圖9所示。

圖9 進(jìn)出站路段劃分Fig.9 Division of road section about entering and leaving stops

2.2 進(jìn)出站場(chǎng)景劃分

劃分公交車進(jìn)出站場(chǎng)景時(shí)，為使研究對(duì)象更加明確，做以下假設(shè)

(1)公交車行駛在BRT 車道上，假設(shè)在進(jìn)出站過(guò)程中不考慮行人、非機(jī)動(dòng)車以及其他社會(huì)車輛的干擾。

(2)在進(jìn)出站過(guò)程中僅考慮直線式公交站臺(tái)，即在進(jìn)出站過(guò)程中不考慮換道，且公交車輛不能并排停放。

(3)假設(shè)公交車進(jìn)站停車只?？?次，即不存在公交車2次?？康却丝偷默F(xiàn)象。

公交車在進(jìn)站過(guò)程中不可避免減速停車，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，公交車的進(jìn)站過(guò)程受站內(nèi)已經(jīng)?？康墓卉囉绊?，故以此將進(jìn)出站場(chǎng)景分為2 種情景，如表1所示，進(jìn)出站場(chǎng)景車速變化如圖10所示。

表1 進(jìn)出站場(chǎng)景描述Table 1 Scene description of entering and leaving stops

圖10 進(jìn)出站場(chǎng)景車速變化Fig.10 Speed change in scene of entering and leaving stops

2.3 加減速策略

(1)加速策略

公交車從一個(gè)速度加速到另一個(gè)速度有很多種方式，VAZ 等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在相同的加速時(shí)間內(nèi)，相比采用單個(gè)加速度加速，采用多個(gè)加速度加速將消耗更少的能量。LI 等[10]提出加速特征參數(shù)表征車輛不同的加速模式，因此，分析車輛的一般加速過(guò)程，車輛在時(shí)間t0到t過(guò)程中，速度由v0加速到v。速度和行駛時(shí)間t之間的關(guān)系即為車輛的加速模式，可由勻加速關(guān)系式推導(dǎo)而出，即

式中：t0為加速初始時(shí)間()t0=0；v0為初速度；vf為末速度；tf為加速結(jié)束時(shí)間；β為加速特征參數(shù)，，這里β=0.2,0.4,0.6,0.8,1.6,2.0,3.0,4.0。

能耗受速度、加速度以及行駛時(shí)間的影響[10]，由式(4)可知，速度和加速度可以用加速特征參數(shù)來(lái)表征，因此，可以通過(guò)確定β值來(lái)尋找較優(yōu)的加速曲線，達(dá)到較低的能源消耗。

本文使用相同的加速時(shí)間研究加速模式對(duì)能耗的影響。不同的β下，速度和加速度隨時(shí)間變化。當(dāng)0＜β＜1時(shí)，加速初期加速度較大，速度增加較快；加速期結(jié)束時(shí)，加速度較小，速度變化較小，速度曲線呈凸形。當(dāng)β=1 時(shí)，加速度在整個(gè)過(guò)程中保持不變。當(dāng)β ＞1 時(shí)，加速初期加速度較小，速度增長(zhǎng)緩慢；加速結(jié)束時(shí)，加速度值較大，速度增加較快，加速度曲線呈凹形。不同β時(shí)速度、加速度隨時(shí)間變化趨勢(shì)如圖11所示。

圖11 不同β 時(shí)速度和加速度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)Fig.11 Trends of velocity and acceleration as a function of time for different values of β

仿真計(jì)算車輛在30 s 內(nèi)從0 加速至36 km·h-1的單位里程能耗值，如表2所示。

由表2 可知，隨著β值增大，純電動(dòng)公交車在30 s行駛的距離逐漸減小，單位里程能耗逐漸上升，由此推斷，凸型速度曲線(0＜β＜1)比凹型速度曲線(β ＞1)的單位里程能耗小，且β值越小，其所對(duì)應(yīng)的單位里程能耗越低。因此，節(jié)能加速策略即選擇合理的β值。由采集的加速度數(shù)據(jù)可知，公交車運(yùn)行的最大加速度為2.5 m·s-2，故在選擇β值時(shí)還要考慮加速全過(guò)程中加速度不能超過(guò)2.5 m·s-2。

表2 不同β 值的單位里程能耗值Table 2 Energy consumption per kilometer for different β

(2)減速策略

根據(jù)RAJ K.K.[14]的研究，本文擬采用恒減速模型。假定公交車需要在特定時(shí)間內(nèi)減速停車至站臺(tái)，將減速距離和行駛時(shí)間作為約束條件，即

式中：d為減速度(m·s-2)；v1、vt分別為減速初、末速度(m·s-1)，在進(jìn)站過(guò)程中末速度為0；s為制動(dòng)距離(m)；t為行駛時(shí)間(s)。

定義dmin為公交車以該減速度勻減速剛好至站臺(tái)，大于dmin的任何減速度d值均有其相對(duì)應(yīng)的勻速行駛段，車輛到達(dá)距離站臺(tái)200 m 時(shí)，由于交通條件允許，可勻速行駛時(shí)間t1，之后再勻減速至站臺(tái)停車。定義dmax為純電動(dòng)公交車的最大減速度，本文公交車運(yùn)行的最大減速度為2.5 m·s-2。恒減速模型如圖12所示。

式中：t1為勻速時(shí)間；t2為制動(dòng)時(shí)間；x為進(jìn)站距離。

本文使用相同的進(jìn)站距離研究減速模式對(duì)能耗的影響。取x=200 m，減速初速度v0=36 km·h-1，則最小減速度為0.25 m·s-2。在[0.25，25.00]范圍內(nèi)取d值，作速度距離曲線如圖13所示。

圖13 不同d 值的速度變化曲線Fig.13 Speed curves with different d values

仿真獲得單位里程能耗值如表3所示。由表3可知，在相同進(jìn)站距離和相同進(jìn)站速度時(shí)，隨著d值的增加，單位里程能耗逐漸增加，即隨著減速時(shí)間的減少，純電動(dòng)汽車在減速過(guò)程中回收的能量減少，而耗能組件的能耗基本不變，當(dāng)回收的能量不足以抵消耗能組件的能耗時(shí)，總能耗增加。

表3 不同d 值的單位里程能耗Table 3 Energy consumption per kilometer for different d

2.4 節(jié)能駕駛策略

在車輛接近站臺(tái)過(guò)程中，應(yīng)提前減速，以便恰好進(jìn)站，出站時(shí)要合理規(guī)劃加速過(guò)程。那么，進(jìn)出站節(jié)能駕駛策略的整體功能要求是：進(jìn)站過(guò)程中盡量避免停車重新進(jìn)站；與站內(nèi)已經(jīng)?？康能囕v保持一定的間距，以確保安全；加、減速過(guò)程中不能超過(guò)其約束條件；盡量降低能源消耗。

根據(jù)我國(guó)公交車站臺(tái)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于交通流量大的區(qū)域，直線式公交站臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)允許同時(shí)?？?輛公交車；對(duì)于交通流量小的區(qū)域，允許同時(shí)?？? 輛公交車，則場(chǎng)景劃分以站內(nèi)允許?？康淖畲蠊卉嚁?shù)作為劃分具體標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)站內(nèi)?？抗卉嚨臄?shù)量，設(shè)計(jì)節(jié)能駕駛策略如下。

Case 1 站內(nèi)無(wú)停靠車輛或?？寇囕v未超過(guò)允許?？康淖畲筌囕v數(shù)

假設(shè)車輛以Veco到達(dá)調(diào)整段時(shí)，站臺(tái)無(wú)?？寇囕v或者站內(nèi)的?？寇囕v數(shù)未超過(guò)最大允許車輛數(shù)，此時(shí)有以下3種駕駛策略

策略1 進(jìn)入調(diào)整段時(shí)，以適當(dāng)?shù)臏p速度d1減速至站內(nèi)停車點(diǎn)。

策略2 進(jìn)入調(diào)整段后仍以Veco行駛一段時(shí)間后以適當(dāng)?shù)臏p速度d2停車。

策略3 到達(dá)調(diào)整段后，先以減速度d3將速度減小至某一速度，以該速度勻速行駛一段時(shí)間，再以減速度d4進(jìn)站停車。

3種駕駛策略出站時(shí)，在滿足安全的前提下，以適當(dāng)?shù)募铀俣燃铀僦罺eco。

Case 2 站內(nèi)停靠車輛數(shù)為最大停車數(shù)

假設(shè)車輛以Veco到達(dá)調(diào)整段時(shí)，站內(nèi)的?？寇囕v數(shù)為最大允許車輛數(shù)，即站臺(tái)內(nèi)暫時(shí)不允許車輛進(jìn)入，則此時(shí)有以下3種駕駛策略。

策略1 到達(dá)調(diào)整段后以適當(dāng)?shù)臏p速度d5減速進(jìn)入站臺(tái)。

策略2 進(jìn)入調(diào)整段后以適當(dāng)?shù)臏p速度d6行駛一段時(shí)間，之后以減速度d7減速至剛好停車進(jìn)站。

策略3 到達(dá)調(diào)整段后，首先以減速度d8減速至某一低速，然后以該速度勻速行駛一段距離，之后以減速度d9減速至剛好停車進(jìn)站。

3種駕駛策略出站時(shí)，在滿足安全的前提下，以適當(dāng)?shù)募铀俣燃铀僦罺eco。

Case 3 站內(nèi)?？寇囕v數(shù)超過(guò)允許?？康能囕v數(shù)

假設(shè)車輛到達(dá)調(diào)整段時(shí)，站內(nèi)?？寇囕v數(shù)超過(guò)最大允許車輛數(shù)，即站臺(tái)不允許車輛進(jìn)入，此時(shí)排隊(duì)停車無(wú)法避免，則此時(shí)有以下3種駕駛策略。

策略1 到達(dá)調(diào)整段后，以適當(dāng)?shù)臏p速度d10減速至排隊(duì)進(jìn)站公交車隊(duì)尾，當(dāng)站臺(tái)內(nèi)允許進(jìn)入時(shí)，重新啟動(dòng)進(jìn)入站臺(tái)。

策略2 進(jìn)入調(diào)整段后以適當(dāng)?shù)臏p速度d11行駛一段時(shí)間，之后以減速度d12減速至隊(duì)尾，當(dāng)站臺(tái)內(nèi)允許進(jìn)入時(shí)，重新啟動(dòng)進(jìn)入站臺(tái)。

策略3 到達(dá)調(diào)整段后，先以減速度d13降至某一低速，然后以該速度勻速行駛一段距離，之后以減速度d14減速至隊(duì)尾，當(dāng)站臺(tái)內(nèi)允許進(jìn)入時(shí)，重新啟動(dòng)進(jìn)入站臺(tái)。

3種駕駛策略出站時(shí)，在滿足安全的前提下，以適當(dāng)?shù)募铀俣燃铀僦罺eco。

綜上所述，公交車進(jìn)出站的節(jié)能駕駛策略流程如圖14所示。

圖14 節(jié)能駕駛策略流程圖Fig.14 Flow chart of energy saving driving strategy

3 仿真驗(yàn)證

利用AVL Cruise(奧地利AVL公司，又名“李斯特內(nèi)燃機(jī)及測(cè)試設(shè)備公司(AVL List GmbH)”開(kāi)發(fā)的一款燃油經(jīng)濟(jì)性以及排放性能的仿真軟件)驗(yàn)證節(jié)能駕駛策略的有效性并選取較優(yōu)的速度曲線，通過(guò)單位里程能耗，進(jìn)出站過(guò)程所花費(fèi)的時(shí)間兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。站臺(tái)和車輛的基本假設(shè)參數(shù)如表4所示。

表4 站臺(tái)和車輛的基本假設(shè)參數(shù)Table 4 Basic assumed parameters of station and bus

根據(jù)袁靜[11]對(duì)各類公交站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的調(diào)查研究可知，公交車在站臺(tái)的停車候客時(shí)間一般分布在20～55 s 之間。統(tǒng)計(jì)本文采集的247 個(gè)進(jìn)出站片段的站臺(tái)停車時(shí)間，分布在區(qū)間[11,42]s，均值為30 s，因此，將30 s作為一輛公交車在站臺(tái)內(nèi)?？康淖畲髸r(shí)長(zhǎng)，即發(fā)生公交車進(jìn)站排隊(duì)情況時(shí)，排隊(duì)等候的公交車最多需要40 s的時(shí)間才能進(jìn)入站臺(tái)，包括：自車重新啟動(dòng)加速進(jìn)入站臺(tái)的時(shí)間和前車加速離開(kāi)站臺(tái)的時(shí)間。以下從采集數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取3個(gè)進(jìn)出站片段，但保證3 個(gè)片段分別滿足3 個(gè)Case的站內(nèi)?？寇囕v數(shù)目的要求，分別以3個(gè)進(jìn)出站片段采取的進(jìn)出站策略為自然駕駛策略，在保證仿真環(huán)境與實(shí)際駕駛環(huán)境完全一樣的情況下，對(duì)比本文提出策略與自然駕駛策略的耗能情況和所花費(fèi)的行駛時(shí)間。

Case 1 站內(nèi)?？抗卉嚁?shù)量未超過(guò)最大允許停車數(shù)

場(chǎng)景描述：公交車到達(dá)調(diào)整段時(shí)，站臺(tái)內(nèi)?？寇囕v為1輛，小于最大允許?？繑?shù)量，出站時(shí)，在滿足安全的前提下，恢復(fù)Veco。

仿真結(jié)果如表5所示。

其中，采用策略1 行駛時(shí)，減速時(shí)間40 s，可直接進(jìn)站；采用策略2 時(shí)，勻速行駛時(shí)間16 s，減速時(shí)間10 s；采用策略3 時(shí)，減速時(shí)間19 s，勻速行駛時(shí)間18 s。3種駕駛策略的速度曲線如圖15所示。

圖15 Case1中3種駕駛策略Fig.15 Three driving strategies of case1

由表5可知，在此交通場(chǎng)景下，策略2為較優(yōu)的駕駛策略，即在調(diào)整段內(nèi)先以Veco行駛16 s，然后以1 m·s-2勻減速行駛10 s，恰好停車進(jìn)站；出站時(shí)，遵循式(4)取β=0.6，將速度在14 s內(nèi)恢復(fù)Veco。

Case 2 站內(nèi)?？抗卉嚁?shù)量為最大允許停車數(shù)

場(chǎng)景描述：公交車到達(dá)調(diào)整段時(shí)，站臺(tái)內(nèi)?？寇囕v為2 輛，為該站臺(tái)最大允許?？繑?shù)量出站時(shí)，滿足安全的前提下，恢復(fù)Veco。

仿真結(jié)果如表6所示，3 種駕駛策略的速度曲線如圖16所示。

表6 Case 2節(jié)能駕駛策略仿真結(jié)果Table 6 Simulation results of energy-saving driving strategy for case 2

圖16 Case 2中3種駕駛策略Fig.16 Three driving strategies of case 2

其中，采用策略1，在調(diào)整段內(nèi)減速時(shí)間42 s；采用策略2，在調(diào)整段內(nèi)減速時(shí)間48 s；采用策略3，在調(diào)整段內(nèi)減速時(shí)間42 s。3種策略均能使公交車不停車進(jìn)站。

由表6可知，在交通場(chǎng)景下，策略3為較優(yōu)的速度曲線，即公交車在暫不能進(jìn)入站臺(tái)的情況下，在進(jìn)入調(diào)整段后以0.80 m·s-2勻減速行駛7 s 將速度降至18.72 km·h-1，然后保持18.72 km·h-1勻速行駛25 s，再以0.52 m·s-2勻減速行駛10 s進(jìn)站；出站時(shí)，遵循式(4)取β=0.6，將速度在14 s內(nèi)恢復(fù)Veco。

Case 3 站內(nèi)停靠公交車數(shù)量超過(guò)最大允許停車數(shù)

公交車到達(dá)調(diào)整段時(shí)，站臺(tái)內(nèi)停靠車輛為3輛，超過(guò)最大允許停靠數(shù)量，即有公交車在站外等待入站，排隊(duì)無(wú)法避免，此時(shí)公交車按照節(jié)能駕駛策略行駛，出站時(shí)，在滿足安全的前提下，恢復(fù)Veco。

其中，根據(jù)假設(shè)一輛等待進(jìn)站的公交車需40 s進(jìn)入站臺(tái)，即假設(shè)自車到達(dá)調(diào)整段時(shí)，站臺(tái)外已有排隊(duì)公交車一輛，則自車從進(jìn)入調(diào)整段起需70 s才能進(jìn)入站臺(tái)。

仿真結(jié)果如表7所示，3 種駕駛策略的速度曲線如圖17所示。

圖17 Case 3中3種駕駛策略Fig.17 Three driving strategies of case 3

表7 Case 3節(jié)能駕駛策略仿真結(jié)果Table 7 Simulation results of energy-saving driving strategy for case 3

其中，采用策略1，公交車在調(diào)整段內(nèi)減速時(shí)間為37 s，行駛距離178 m，此時(shí)車輛離站內(nèi)停車點(diǎn)20 m，需等待33 s 進(jìn)站；采用策略2，從進(jìn)入調(diào)整段到停車時(shí)間為42 s，行駛距離184 m，停車等待28 s；采用策略3，從進(jìn)入調(diào)整段到停車時(shí)間為48 s，行駛距離174 m，車輛需等待22 s。其中，重新加速進(jìn)站花費(fèi)時(shí)間15 s。

由表7可知，在交通場(chǎng)景下，策略2為較優(yōu)的速度曲線，即公交車在不能避免排隊(duì)等待的情況下，在進(jìn)入調(diào)整段后以0.30 m·s-2勻減速行駛20 s，然后以0.18 m·s-2勻減速行駛22 s 停車至隊(duì)尾，之后以0.40 m·s-2勻加速行駛10 s 提速至13.5 km·h-1再以0.80 m·s-2減速進(jìn)站；出站時(shí)，遵循式(4)取β=0.6，將速度在14 s內(nèi)恢復(fù)Veco。

基于表5～表7 得出，3 種工況下節(jié)能率較高的速度曲線，則公交車進(jìn)出站的節(jié)能駕駛策略如表8所示，其中，n為最大允許值。

表8 公交車進(jìn)出站節(jié)能駕駛策略Table 8 Energy-saving driving strategy for entering and leaving stops

4 結(jié)論

相比社會(huì)車輛運(yùn)行過(guò)程的隨機(jī)性和受到道路交通影響的不確定性，公交車具有行駛線路固定、站點(diǎn)?？?，駕駛行為相對(duì)具有規(guī)律性的特點(diǎn)。進(jìn)出站過(guò)程作為公交車運(yùn)行的典型場(chǎng)景，其耗能在整個(gè)行程中占比大，針對(duì)進(jìn)出站過(guò)程，本文以純電動(dòng)公交車為研究對(duì)象，采集某固定線路的自然駕駛數(shù)據(jù)，分析其運(yùn)行過(guò)程中的駕駛行為和能耗特征，將進(jìn)出站過(guò)程簡(jiǎn)化為“減速-加速”過(guò)程，并以此提出進(jìn)出站節(jié)能駕駛策略。得到以下結(jié)論：

(1)由實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)并結(jié)合文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)純電動(dòng)公交車進(jìn)出站加速度約束區(qū)間為[0.15,2.50]m·s-2，進(jìn)站減速時(shí)間集中在[6,14]s，出站加速時(shí)間集中在區(qū)間[8,18]s。

(2)進(jìn)出站過(guò)程中能源消耗較大的時(shí)間段與加速度變化頻繁的時(shí)間段相對(duì)應(yīng)，說(shuō)明加速度的頻繁波動(dòng)是引起進(jìn)出站能耗高的主要原因。

(3)利用加速特征參數(shù)表征加速過(guò)程，發(fā)現(xiàn)凸型速度曲線(0＜β＜1)比凹型速度曲線(β ＞1)的單位里程能耗小，且β值越小，其所對(duì)應(yīng)的單位里程能耗越低。

(4)減速策略采用恒減速策略，發(fā)現(xiàn)在相同進(jìn)站距離和相同進(jìn)站速度時(shí)，隨著減速度值的增加，單位里程能耗逐漸增加。

(5)依據(jù)站內(nèi)?？康墓卉嚁?shù)量將進(jìn)出站場(chǎng)景分為3 類，分別提出幾種節(jié)能駕駛策略，通過(guò)仿真驗(yàn)證策略的有效性，發(fā)現(xiàn)所提策略在公交車進(jìn)出站時(shí)可以節(jié)省12.17%～44.43%的電能，對(duì)于增加純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程，降低公交公司運(yùn)營(yíng)成本具有良好的效果。