不同速度区间下轻型车比功率分布特征分析

王敏，杨亚萍

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）



不同速度区间下轻型车比功率分布特征分析

王敏，杨亚萍

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

机动车比功率（vsp）已经成为交通油耗和排放模型必不可少的参数。基于西安市快速路上大量逐秒速度数据，本文研究了不同平均行程速度区间下的 vsp分布。之前的研究针对的是低速区间（0-20km/h）和高速区间（>=60km/h），而文章研究的是介于二者之间的速度区间下的vsp分布。首先，采集出租车在快速路上实际运行的数据并以此建立轻型车的VSP分布，然后对不同平均行程速度区间下的vsp分布进行对比分析，发现vsp分布与平均行程速度具有规律性:vsp在正区间的分布比例明显大于负区间，在高速区间下vsp接近于正态分布。

比功率分布；平均速度；对比分析

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

近年来，为了克服宏观模型在交通策略排放评价方面的不足，有很多研究开始致力微观层面，已经开发了众多的机动车油耗排放评估模型。如基于平均速度的COPERT模型，基于道路类型和服务水平的HEEFA模型，而基于vsp参数的模型，如MOVES、IVE模型等因vsp能够更好地刻画机动车在实际道路上的行为特性，越来越受到专家学者的青睐。

使用vsp来测算油耗排放的优势在于VSP值在机动车实际运行过程中比较容易得到。机动车 VSP 参数是基于其瞬时速度和加速度计算而得，概念是由Jiménez-Palacios所提出的，含义是发动机每移动 1t 质量（包括自重）所输出的功率，单位为kW/t（或W/kg）。

国内有许多研究都是基于比功率。如宋国华等研究了城市快速路上机动车比功率分布特性与模型，结果表明比功率可以有效用于实际道路机动车油耗和排放的定量评价；孙凤等研究了轻、重型车在不同速度区间下比功率分布与平均速度的变化关系。目前国内基于比功率的研究中缺乏通过实际道路试验分析并得到不同比功率对应的排放数据的研究。

1、研究综述

目前，可以利用实测的逐秒速度数据或行驶周期来计算vsp分布，但是不能说明交通运行模式与 vsp分布的内在关系，需建立能够反映vsp分布随着交通状态而改变的可靠方法。王岐东等通过在不同城市测试了 27辆轻型车，得出了vsp可以反应道路坡度等对排放因子的影响。张滢滢等研究了信号灯协调控制与非协调控制的vsp分布特征，以及对机动车排放的影响，然而以上研究没有定量分析vsp分布与交通参数间的关系。

为了满足油耗排放测算的需求，基于平均行程速度建立VSP 分布是可行的技术路线。近期，宋国华等建立了面向轻型车在城市快速路上的VSP分布模型，其研究表明，当平均行程速度超过20 km/h时，机动车VSP分布接近正态分布。周溪溪等人研究了低速区间即平均行程速度低于 20km/h时的比功率分布特性，赵琦等研究了高速公路上轻型车比功率分布特征，而本文的研究重点是20-60km/h下平均行程速度区间下的vsp分布。

2、数据收集及分析讨论

本研究的目的是研究不同速度区间下的VSP分布特征，从而对其VSP分布特征进行比较。

2.1数据收集

本研究的测试时间为2014年1月14日，收集了西安市快速路上出租车早高峰以及晚高峰的12020条逐秒速度。本次的测试过程为在一辆测试车辆上安装车载GPS设备，然后驾驶人员驾驶测试车辆沿测试路线正常行驶，收集测试车辆的逐秒速度数据。结束测试并导出原始GPS数据后，对数据进行质量监控，最终得到11568条有效的逐秒速度数据。

2.2数据处理

数据的处理包括字段删减、格式调整、缺失数据补齐、无效数据剔除等内容，实现这一过程的工具是EXCEL VBA程序。

1）以连续60s的速度为1组，将11568条有效速度数据进行分组，计算出每组的平均速度。

2）在采集到的表格中需要保留记录号、日期、时间、经度纬度以及速度字段，并在表中添加加速度、VSP(机动车比功率)、平均速度等字段。

其中，轻型车的vsp的计算公式如下：

式中，vsp表示机动车比功率(kW/ton)；v表示速度(m /s)；a表示加速度(m/s2)；grade表示坡度，在应用中通常取0。

加速度的计算公式如式(2)所示。

其中

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

3）使用EXCEL VBA对获得的逐秒速度数据进行质量控制，对错误数据进行修正和对丢失数据进行补齐。然后根据式（2）进行逐秒加速度的计算，根据加速度和瞬时速度按照轻型车VSP的计算公式（1）分别计算逐秒的vsp;（3）计算每组的平均速度。将平均速度以2km/h进行划分，最终得到不同平均速度区间下的vsp分布。

2.3区间划分与分布特征分析

2.3.1vspbin划分

为了将交通参数转化为vsp分布，首先需对vsp区间进行聚类分析。为了减少误差和简化计算，学者们提出了不同vsp间隔以及引入第二参数的 vsp划分方法。由于计算得到的每秒vsp值大多数都集中在[-16，20]区间内，所以为了更准确地区分不同分区vsp的分布状况以及减少数值标准，将比功率分为了14个区，如表1所示。

表1　比功率分区

2.3.2分布特征

通过一系列的计算以及整理，最终得到不同行程速度区间下的vsp分布，见图1-4。

图1　20-30 km/h 下vsp分布图

图2　30-40 km/h 下vsp分布图

图3　40-50 km/h 下vsp分布图

图4　50-60 km/h 下vsp分布图

由图1-4可得出vsp的分布特征如下：

1）vsp在正区间的分布比例明显大于负区间，当平均速度越大时，正区间的分布比例也会增加。

2）在低速区间时，vsp的分布曲线趋势大体一致，正负区间的比例基本一致；在高速区间时，vsp在正区间的分布比例明显增加。

3）对于所有平均行程速度区间，vspbin=0处的数据量最少。

4）在高速区间下vsp接近于正态分布。

3、研究结论

本文研究了城市快速路上不同平均行程速度区间下的vsp分布，结果表明，在高速区间下vsp分布接近于正态分布，在不同行程速度区间下vsp的分布曲线有着相似性。本文有助于更好的理解vsp分布的本质，也可以利用实时交通数据建立动态排放模型。

基于以上结论，对进一步的研究提出两点建议。一，本文研究的是城市快速路上的vsp分布，可进一步研究不同公路等级的不同行程速度区间下的vsp分布；二，采集更多的逐秒速度数据，当样本量足够大时，才能减少其他因素如驾驶行为以及交通状况带来的影响。

[1] 宋国华,于雷.城市快速路上机动车比功率分布特性与模型[J].交通运输系统工程与息,2010,10(6):133-140.

[2] 孙凤.面向交通排放测算的轻重型车比功率分布特性与模型研究[D].北京：北京交通大学,2012.

[3] 周溪溪,宋国华,于雷.面向排放量化的低速区间机动车比功率分布特性与模型[J].环境科学学报,2014.

[4] 赵琦,于雷,宋国华.轻型车与重型车高速公路比功率分布特征研究[J]. 交通运输系统工程与信息,2015.

[5] 黄冠涛.基于 MOVES的微观交通排放评价[D].北京交通大学,2011.

[6] 郭栋,赵韩涛,高松.不同比功率分区下轻型车排放特征分析[J].武汉理工大学学报,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] 潘汉生,陈长虹,景启国等.轻型柴油车排放特性与机动车比功率分布的实例研究[J].环境科学学报,2005. [11] 陈旭梅,王莹,羡晨阳等.基于比功率的北京快速公交车辆排放特征[J].北京交通大学学报,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，就读于长安大学载运工具运用工程专业。

U462.3+1

A

1671-7988（2016）06-60-03