不同速度區間下輕型車比功率分布特征分析

王敏，楊亞萍

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

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不同速度區間下輕型車比功率分布特征分析

王敏，楊亞萍

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

機動車比功率（vsp）已經成為交通油耗和排放模型必不可少的參數。基于西安市快速路上大量逐秒速度數據，本文研究了不同平均行程速度區間下的 vsp分布。之前的研究針對的是低速區間（0-20km/h）和高速區間（>=60km/h），而文章研究的是介于二者之間的速度區間下的vsp分布。首先，采集出租車在快速路上實際運行的數據并以此建立輕型車的VSP分布，然后對不同平均行程速度區間下的vsp分布進行對比分析，發現vsp分布與平均行程速度具有規律性:vsp在正區間的分布比例明顯大于負區間，在高速區間下vsp接近于正態分布。

比功率分布；平均速度；對比分析

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，為了克服宏觀模型在交通策略排放評價方面的不足，有很多研究開始致力微觀層面，已經開發了眾多的機動車油耗排放評估模型。如基于平均速度的COPERT模型，基于道路類型和服務水平的HEEFA模型，而基于vsp參數的模型，如MOVES、IVE模型等因vsp能夠更好地刻畫機動車在實際道路上的行為特性，越來越受到專家學者的青睞。

使用vsp來測算油耗排放的優勢在于VSP值在機動車實際運行過程中比較容易得到。機動車 VSP 參數是基于其瞬時速度和加速度計算而得，概念是由Jiménez-Palacios所提出的，含義是發動機每移動 1t 質量（包括自重）所輸出的功率，單位為kW/t（或W/kg）。

國內有許多研究都是基于比功率。如宋國華等研究了城市快速路上機動車比功率分布特性與模型，結果表明比功率可以有效用于實際道路機動車油耗和排放的定量評價；孫鳳等研究了輕、重型車在不同速度區間下比功率分布與平均速度的變化關系。目前國內基于比功率的研究中缺乏通過實際道路試驗分析并得到不同比功率對應的排放數據的研究。

1、研究綜述

目前，可以利用實測的逐秒速度數據或行駛周期來計算vsp分布，但是不能說明交通運行模式與 vsp分布的內在關系，需建立能夠反映vsp分布隨著交通狀態而改變的可靠方法。王岐東等通過在不同城市測試了 27輛輕型車，得出了vsp可以反應道路坡度等對排放因子的影響。張瀅瀅等研究了信號燈協調控制與非協調控制的vsp分布特征，以及對機動車排放的影響，然而以上研究沒有定量分析vsp分布與交通參數間的關系。

為了滿足油耗排放測算的需求，基于平均行程速度建立VSP 分布是可行的技術路線。近期，宋國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，當平均行程速度超過20 km/h時，機動車VSP分布接近正態分布。周溪溪等人研究了低速區間即平均行程速度低于 20km/h時的比功率分布特性，趙琦等研究了高速公路上輕型車比功率分布特征，而本文的研究重點是20-60km/h下平均行程速度區間下的vsp分布。

2、數據收集及分析討論

本研究的目的是研究不同速度區間下的VSP分布特征，從而對其VSP分布特征進行比較。

2.1數據收集

本研究的測試時間為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。本次的測試過程為在一輛測試車輛上安裝車載GPS設備，然后駕駛人員駕駛測試車輛沿測試路線正常行駛，收集測試車輛的逐秒速度數據。結束測試并導出原始GPS數據后，對數據進行質量監控，最終得到11568條有效的逐秒速度數據。

2.2數據處理

數據的處理包括字段刪減、格式調整、缺失數據補齊、無效數據剔除等內容，實現這一過程的工具是EXCEL VBA程序。

1）以連續60s的速度為1組，將11568條有效速度數據進行分組，計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、日期、時間、經度緯度以及速度字段，并在表中添加加速度、VSP(機動車比功率)、平均速度等字段。

其中，輕型車的vsp的計算公式如下：

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

加速度的計算公式如式(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對獲得的逐秒速度數據進行質量控制，對錯誤數據進行修正和對丟失數據進行補齊。然后根據式（2）進行逐秒加速度的計算，根據加速度和瞬時速度按照輕型車VSP的計算公式（1）分別計算逐秒的vsp;（3）計算每組的平均速度。將平均速度以2km/h進行劃分，最終得到不同平均速度區間下的vsp分布。

2.3區間劃分與分布特征分析

2.3.1vspbin劃分

為了將交通參數轉化為vsp分布，首先需對vsp區間進行聚類分析。為了減少誤差和簡化計算，學者們提出了不同vsp間隔以及引入第二參數的 vsp劃分方法。由于計算得到的每秒vsp值大多數都集中在[-16，20]區間內，所以為了更準確地區分不同分區vsp的分布狀況以及減少數值標準，將比功率分為了14個區，如表1所示。

表1　比功率分區

2.3.2分布特征

通過一系列的計算以及整理，最終得到不同行程速度區間下的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在正區間的分布比例明顯大于負區間，當平均速度越大時，正區間的分布比例也會增加。

2）在低速區間時，vsp的分布曲線趨勢大體一致，正負區間的比例基本一致；在高速區間時，vsp在正區間的分布比例明顯增加。

3）對于所有平均行程速度區間，vspbin=0處的數據量最少。

4）在高速區間下vsp接近于正態分布。

3、研究結論

本文研究了城市快速路上不同平均行程速度區間下的vsp分布，結果表明，在高速區間下vsp分布接近于正態分布，在不同行程速度區間下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，也可以利用實時交通數據建立動態排放模型。

基于以上結論，對進一步的研究提出兩點建議。一，本文研究的是城市快速路上的vsp分布，可進一步研究不同公路等級的不同行程速度區間下的vsp分布；二，采集更多的逐秒速度數據，當樣本量足夠大時，才能減少其他因素如駕駛行為以及交通狀況帶來的影響。

[1] 宋國華,于雷.城市快速路上機動車比功率分布特性與模型[J].交通運輸系統工程與息,2010,10(6):133-140.

[2] 孫鳳.面向交通排放測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,2012.

[3] 周溪溪,宋國華,于雷.面向排放量化的低速區間機動車比功率分布特性與模型[J].環境科學學報,2014.

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

[5] 黃冠濤.基于 MOVES的微觀交通排放評價[D].北京交通大學,2011.

[6] 郭棟,趙韓濤,高松.不同比功率分區下輕型車排放特征分析[J].武漢理工大學學報,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,陳長虹,景啟國等.輕型柴油車排放特性與機動車比功率分布的實例研究[J].環境科學學報,2005. [11] 陳旭梅,王瑩,羨晨陽等.基于比功率的北京快速公交車輛排放特征[J].北京交通大學學報,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，就讀于長安大學載運工具運用工程專業。

U462.3+1

A

1671-7988（2016）06-60-03