城市道路路段燃油经济性评价模型*

冯雨芹 冷军强 张亚平 李涵武 张春平

(1.哈尔滨工业大学交通科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150090;2.黑龙江工程学院汽车与交通工程学院，黑龙江哈尔滨150050;3.哈尔滨工业大学汽车工程学院，山东威海264209;4.黑龙江工程学院土木与建筑学院，黑龙江哈尔滨150050)

随着经济发展，世界能源危机日趋严重，迫切需要建设更加节能环保的交通系统.如何提高城市交通管理水平，使城市交通系统更高效、更环保、更低耗，最大限度地满足交通的可持续发展战略需要，是交通管理者及科研工作者共同努力的目标［1］.为提高交通领域的燃油经济性，国内外进行了大量研究，但研究成果主要集中于车辆自身性能方面，燃油消耗与交通流特征、道路设施等之间关系的研究较少［2］.本研究可以为建设节能环保的城市交通提供理论依据.

国内外燃油经济性模型可以分为如下类别:基于发动机负载的燃油经济性模型、基于机动车比功率(VSP)的燃油经济性模型、基于速度或加速度的燃油经济性模型、基于碳平衡原理的燃油经济性模型.其中基于发动机负载燃油经济性模型主要有:Post和Akcelik等［3-4］提出了瞬态燃油经济性物理模型;Barth等［5］于2001年，以 Access数据库为平台，建立了CMEM瞬时燃油经济性模型，该模型的输入参数主要有车重、传动系种类、道路坡度和行驶周期等.PAMVEC模型不需要输入复杂的参数，使用平均速度、速度比、加速特征值来描述车辆行驶工况进而预测其燃油经 济 性［6］;PERE 模型［7］采 用与CMEM类似的建模原则，为美国环保总局尾气排放模型 MOVES提供燃油经济性的计算方法.但是CMEM和PERE在与交通流状态结合应用时，均需要大量的车辆和发动机详细参数及行驶数据，并需要进行大量复杂的计算，因此不适用于基于交通流状态的燃油经济性预测;Brooker等［8］于2002年，在Matlab环境下，开发了ADVISOR瞬时燃油经济性模型，模型使用固定行驶工况来模拟车辆的运行状态和相应的功率流，同样通过机动车动态数据来预测瞬时的发动机负载和转矩，从而计算瞬时燃油经济性;与ADVISOR工作原理相类似的典型模型还有PSAT 和 EVSIM［9-10］;Silva等［11］于 2006 年以 Visual Basic程序为开发环境，构建了EcoGest瞬时油耗模型.基于VSP的代表模型主要有，Christopher等［12］于2007年开发了一种基于机动车比功率(VSP)的燃油经济性模型.Cappiello等［13］于2002年，基于回归统计分析构建了瞬态油耗EMIT模型，该模型具有运行简便、参数容易标定等特点.美国于20世纪80年代开始在试验室模拟循环工况，通过测试排放数据，利用碳平衡原理推导油耗.欧洲、日本也采用碳平衡原理结合循环工况来测量燃油经济性［14］.

目前车辆燃油经济性研究较多，但多数是针对发动机而言，而对于交通系统燃油消耗规律，如燃油经济性与交通流状态参数之间的关系研究甚少，所采用的燃油经济性评价指标定义大多仅是针对车辆性能展开，并没有与交通流状态紧密结合，使得评价结果与其影响因素交通流状态存在脱节现象，从而交通管理部门不能系统地综合权衡各种管控改进方案对燃油经济性的影响.

为此，文中提出经济油耗饱和度概念，建立道路燃油经济性评价指标——道路燃油经济性指数，将油耗评价绝对值转化为相对值，以实测数据为基础，从交通流状态角度建立燃油经济性评价模型，并对模型进行实例验证.

1 研究范围界定

城市路网中路段按类别可划分为快速路、主干路、次干路、支路.文中按照以上路段类别分别对其燃油经济性进行研究.针对以上研究范围，文中选择的研究路段主要为哈尔滨市的二环路、红旗大街、长江路、黄河路、淮河路、辽河路、嵩山路等.

路段作为路网基本组成单元之一，从路网角度可定义为相邻两个交叉口的连接线，但从其构造及交通功能角度看，是一个实实在在的空间范围.从交通特性角度分析，连接交叉口的路段通常可分为3个组成部分，分别为上游交叉口的出口路段、基本路段、下游交叉口的入口路段，如图1所示.以上各个组成部分除基本路段外，其余组成部分交通流运行都受交叉口影响.因此，在路段的研究中，只将基本路段列为研究范围，而将受交叉口影响的路段组成部分列为后续交叉口研究范围.

图1 路段组成Fig.1 Composition of link

2 路段燃油经济性评价指标的建立

目前国内外机动车燃油经济性评价指标主要有比油耗、实际油耗、怠速油耗、行驶油耗、单位油耗、实际单位油耗、行驶单位油耗、匀速100km油耗、实际100km油耗、行驶100 km油耗等［1］.在现有道路交通燃油经济性评价中，大多研究只是借用以上各评价指标.主要存在如下不足之处:其一，以上各指标仅适用于评价机动车自身性能，而对于评价城市道路交通的燃油经济性，从概念上讲具有不合理性;其二，以上各指标都是针对机动车自身性能而定义的，并没有与交通流状态紧密结合，而本研究的初衷是城市道路路段在不同交通流状态下的燃油经济性问题;其三，实际上即使在同一道路、同一交通流状态中不同车型的燃油经济性评价指标值也不同，甚至差异很大.另外，由于不同道路上交通组成也不同，使评价结果不具备横向(不同道路之间)对比意义.因此利用单一某一车型的油耗指标进行道路燃油经济性评价不尽合理.

鉴于此，为了克服不同车型和不同交通流状态对油耗指标值的影响，文中结合交通流状态建立了道路交通燃油经济性评价指标，并定义为道路燃油经济性指数EI.为此，引入经济油耗饱和度概念:当车辆在某一类别道路条件下运行，燃油油耗数值最小时所对应的饱和度为经济油耗饱和度.在此基础上提出道路燃油经济性指数EI:将某一类型车辆在所研究类别城市道路的经济油耗饱和度下运行的油耗指标(如实际100km油耗)作为基准值，并将该类型车辆实际油耗指标与该基准值进行比较，从而将道路燃油经济性从定义上即与交通流状态紧密结合在一起，将绝对油耗值转化为相对油耗值，避免了不同类型车辆间燃油经济性的差异.道路燃油经济性指数计算公式为

式中:EI为道路燃油经济性指数，EI≤1，该值越接近于1，说明交通流状态越接近于经济交通流状态，此时的饱和度越接近于经济油耗饱和度，道路燃油经济性越好，反之，则道路燃油经济性越差;FC1为某一类别道路实际交通流状态下的燃油消耗指标值;FC0为与FC1相对应类别的道路燃油消耗指标基准值，即经济油耗值.

3 燃油经济性评价模型的建立

由于本研究的目的是评价不同交通流状态对路段燃油经济性的影响，因而，构建模型的目标是量化不同交通流参数下道路交通油耗的相对变化，并非油耗的绝对值.

3.1 数据采集

利用Corrsys-Datron CDS-DFL1车载燃油消耗测试系统，分别对所研究路段在不同交通流状态下的油耗进行了采集，并同时利用浮动车观测实时交通流数据.实验车辆为捷达汽油车，为了获取不同交通流状态下的数据，测试车辆按照固定路径(包括快速路、主干路、次干路、支路)分别在高峰与平峰进行不断的重复测试.

3.2 模型建立

根据采集数据的聚类分析结果，本研究选取饱和度为模型自变量，利用SPSS软件进行回归分析，实测数据中一半用于回归分析，另一半数据用于模型检验.以快速路为例进行分析，用于回归分析的测试数据如表1所示.

表1 快速路油耗测试数据Table 1 Fuel consumption data of expressway

回归形式为

式中:FC为燃油消耗指标;V/C为饱和度;a、b、c为拟合参数.

各类别道路模型回归结果如表2所示.为验证模型的准确性，用快速路另一半数据对回归模型进行验证，验证数据散点及拟合曲线如图2所示，验证结果如表3所示，大多数相对误差控制在9%以内，模型准确性较高.

由图2可见，油耗最低点并非对应饱和度最小值，其变化趋势是当饱和度小于经济油耗饱和度(该例为0.4左右)时，油耗相对经济油耗略高，大约高10%左右;当越过经济油耗饱和度时，油耗随饱和度呈现增加趋势.以上变化趋势的原因是当饱和度较小时，从交通流运行状态角度驾驶员能够自由选择行驶速度，但同时由于城市道路限速等管控措施的存在，加减速行驶工况相对经济油耗饱和度条件下比较频繁，且加减速度比较大，从而油耗略高;随着饱和度增加，自由行驶机会减少，车辆运行逐渐由自由行驶变为跟驰行驶，从而加减速行驶工况减少，油耗随之减小;随着饱和度进一步增加(越过经济油耗饱和度)，车流较为拥堵，车辆经常处于开开停停状态，且延误也大幅增加，油耗急速增加.

表2 油耗模型回归参数值Table 2 Regression parameters of fuel consumption models

图2 油耗与饱和度关系拟合曲线Fig.2 Fitted curve of relationship between fuel consumption and saturation

表3 模型验证数据Table 3 Validation data

根据式(2)及表2中各参数标定结果，可计算各类别道路经济油耗饱和度及经济油耗值，计算结果如表4所示.

表4 经济油耗饱和度及经济油耗值Table 4 Economical fuel-consumption saturation and economical fuel consumption

根据表4中经济油耗值、表2中油耗模型回归参数，依据式(1)、式(2)建立各类别道路燃油经济性评价模型如下.

快速路:

主干路:

次干路:

支路:

4 结语

在大量实测路段油耗和交通流数据的基础上，建立了基于饱和度的城市道路路段燃油经济性评价模型，揭示了交通流状态与燃油经济性的关系，模型形式简单，应用方便，评价结果准确.根据评价模型可以方便地计算出各类别城市道路的经济油耗饱和度，对于从燃油经济性角度提高交通管理水平有着重要的理论与实际意义.文中仅研究了城市道路路段的燃油经济性评价模型，而交叉口作为城市路网的重要组成部分，其燃油经济性直接关系交通系统整体经济性，这将是进一步的研究内容.

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