馮雨芹 冷軍強(qiáng) 張亞平 李涵武 張春平

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150090;2.黑龍江工程學(xué)院汽車(chē)與交通工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150050;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，山東威海264209;4.黑龍江工程學(xué)院土木與建筑學(xué)院，黑龍江哈爾濱150050)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，世界能源危機(jī)日趨嚴(yán)重，迫切需要建設(shè)更加節(jié)能環(huán)保的交通系統(tǒng).如何提高城市交通管理水平，使城市交通系統(tǒng)更高效、更環(huán)保、更低耗，最大限度地滿足交通的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略需要，是交通管理者及科研工作者共同努力的目標(biāo)［1］.為提高交通領(lǐng)域的燃油經(jīng)濟(jì)性，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量研究，但研究成果主要集中于車(chē)輛自身性能方面，燃油消耗與交通流特征、道路設(shè)施等之間關(guān)系的研究較少［2］.本研究可以為建設(shè)節(jié)能環(huán)保的城市交通提供理論依據(jù).

國(guó)內(nèi)外燃油經(jīng)濟(jì)性模型可以分為如下類(lèi)別:基于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載的燃油經(jīng)濟(jì)性模型、基于機(jī)動(dòng)車(chē)比功率(VSP)的燃油經(jīng)濟(jì)性模型、基于速度或加速度的燃油經(jīng)濟(jì)性模型、基于碳平衡原理的燃油經(jīng)濟(jì)性模型.其中基于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載燃油經(jīng)濟(jì)性模型主要有:Post和Akcelik等［3-4］提出了瞬態(tài)燃油經(jīng)濟(jì)性物理模型;Barth等［5］于2001年，以 Access數(shù)據(jù)庫(kù)為平臺(tái)，建立了CMEM瞬時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性模型，該模型的輸入?yún)?shù)主要有車(chē)重、傳動(dòng)系種類(lèi)、道路坡度和行駛周期等.PAMVEC模型不需要輸入復(fù)雜的參數(shù)，使用平均速度、速度比、加速特征值來(lái)描述車(chē)輛行駛工況進(jìn)而預(yù)測(cè)其燃油經(jīng) 濟(jì) 性［6］;PERE 模型［7］采 用與CMEM類(lèi)似的建模原則，為美國(guó)環(huán)保總局尾氣排放模型 MOVES提供燃油經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算方法.但是CMEM和PERE在與交通流狀態(tài)結(jié)合應(yīng)用時(shí)，均需要大量的車(chē)輛和發(fā)動(dòng)機(jī)詳細(xì)參數(shù)及行駛數(shù)據(jù)，并需要進(jìn)行大量復(fù)雜的計(jì)算，因此不適用于基于交通流狀態(tài)的燃油經(jīng)濟(jì)性預(yù)測(cè);Brooker等［8］于2002年，在Matlab環(huán)境下，開(kāi)發(fā)了ADVISOR瞬時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性模型，模型使用固定行駛工況來(lái)模擬車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)和相應(yīng)的功率流，同樣通過(guò)機(jī)動(dòng)車(chē)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)瞬時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載和轉(zhuǎn)矩，從而計(jì)算瞬時(shí)燃油經(jīng)濟(jì)性;與ADVISOR工作原理相類(lèi)似的典型模型還有PSAT 和 EVSIM［9-10］;Silva等［11］于 2006 年以 Visual Basic程序?yàn)殚_(kāi)發(fā)環(huán)境，構(gòu)建了EcoGest瞬時(shí)油耗模型.基于VSP的代表模型主要有，Christopher等［12］于2007年開(kāi)發(fā)了一種基于機(jī)動(dòng)車(chē)比功率(VSP)的燃油經(jīng)濟(jì)性模型.Cappiello等［13］于2002年，基于回歸統(tǒng)計(jì)分析構(gòu)建了瞬態(tài)油耗EMIT模型，該模型具有運(yùn)行簡(jiǎn)便、參數(shù)容易標(biāo)定等特點(diǎn).美國(guó)于20世紀(jì)80年代開(kāi)始在試驗(yàn)室模擬循環(huán)工況，通過(guò)測(cè)試排放數(shù)據(jù)，利用碳平衡原理推導(dǎo)油耗.歐洲、日本也采用碳平衡原理結(jié)合循環(huán)工況來(lái)測(cè)量燃油經(jīng)濟(jì)性［14］.

目前車(chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)性研究較多，但多數(shù)是針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，而對(duì)于交通系統(tǒng)燃油消耗規(guī)律，如燃油經(jīng)濟(jì)性與交通流狀態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系研究甚少，所采用的燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)定義大多僅是針對(duì)車(chē)輛性能展開(kāi)，并沒(méi)有與交通流狀態(tài)緊密結(jié)合，使得評(píng)價(jià)結(jié)果與其影響因素交通流狀態(tài)存在脫節(jié)現(xiàn)象，從而交通管理部門(mén)不能系統(tǒng)地綜合權(quán)衡各種管控改進(jìn)方案對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響.

為此，文中提出經(jīng)濟(jì)油耗飽和度概念，建立道路燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)——道路燃油經(jīng)濟(jì)性指數(shù)，將油耗評(píng)價(jià)絕對(duì)值轉(zhuǎn)化為相對(duì)值，以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從交通流狀態(tài)角度建立燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)模型，并對(duì)模型進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證.

1 研究范圍界定

城市路網(wǎng)中路段按類(lèi)別可劃分為快速路、主干路、次干路、支路.文中按照以上路段類(lèi)別分別對(duì)其燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究.針對(duì)以上研究范圍，文中選擇的研究路段主要為哈爾濱市的二環(huán)路、紅旗大街、長(zhǎng)江路、黃河路、淮河路、遼河路、嵩山路等.

路段作為路網(wǎng)基本組成單元之一，從路網(wǎng)角度可定義為相鄰兩個(gè)交叉口的連接線，但從其構(gòu)造及交通功能角度看，是一個(gè)實(shí)實(shí)在在的空間范圍.從交通特性角度分析，連接交叉口的路段通?？煞譃?個(gè)組成部分，分別為上游交叉口的出口路段、基本路段、下游交叉口的入口路段，如圖1所示.以上各個(gè)組成部分除基本路段外，其余組成部分交通流運(yùn)行都受交叉口影響.因此，在路段的研究中，只將基本路段列為研究范圍，而將受交叉口影響的路段組成部分列為后續(xù)交叉口研究范圍.

圖1 路段組成Fig.1 Composition of link

2 路段燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立

目前國(guó)內(nèi)外機(jī)動(dòng)車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有比油耗、實(shí)際油耗、怠速油耗、行駛油耗、單位油耗、實(shí)際單位油耗、行駛單位油耗、勻速100km油耗、實(shí)際100km油耗、行駛100 km油耗等［1］.在現(xiàn)有道路交通燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)中，大多研究只是借用以上各評(píng)價(jià)指標(biāo).主要存在如下不足之處:其一，以上各指標(biāo)僅適用于評(píng)價(jià)機(jī)動(dòng)車(chē)自身性能，而對(duì)于評(píng)價(jià)城市道路交通的燃油經(jīng)濟(jì)性，從概念上講具有不合理性;其二，以上各指標(biāo)都是針對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)自身性能而定義的，并沒(méi)有與交通流狀態(tài)緊密結(jié)合，而本研究的初衷是城市道路路段在不同交通流狀態(tài)下的燃油經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題;其三，實(shí)際上即使在同一道路、同一交通流狀態(tài)中不同車(chē)型的燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)值也不同，甚至差異很大.另外，由于不同道路上交通組成也不同，使評(píng)價(jià)結(jié)果不具備橫向(不同道路之間)對(duì)比意義.因此利用單一某一車(chē)型的油耗指標(biāo)進(jìn)行道路燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)不盡合理.

鑒于此，為了克服不同車(chē)型和不同交通流狀態(tài)對(duì)油耗指標(biāo)值的影響，文中結(jié)合交通流狀態(tài)建立了道路交通燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，并定義為道路燃油經(jīng)濟(jì)性指數(shù)EI.為此，引入經(jīng)濟(jì)油耗飽和度概念:當(dāng)車(chē)輛在某一類(lèi)別道路條件下運(yùn)行，燃油油耗數(shù)值最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的飽和度為經(jīng)濟(jì)油耗飽和度.在此基礎(chǔ)上提出道路燃油經(jīng)濟(jì)性指數(shù)EI:將某一類(lèi)型車(chē)輛在所研究類(lèi)別城市道路的經(jīng)濟(jì)油耗飽和度下運(yùn)行的油耗指標(biāo)(如實(shí)際100km油耗)作為基準(zhǔn)值，并將該類(lèi)型車(chē)輛實(shí)際油耗指標(biāo)與該基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，從而將道路燃油經(jīng)濟(jì)性從定義上即與交通流狀態(tài)緊密結(jié)合在一起，將絕對(duì)油耗值轉(zhuǎn)化為相對(duì)油耗值，避免了不同類(lèi)型車(chē)輛間燃油經(jīng)濟(jì)性的差異.道路燃油經(jīng)濟(jì)性指數(shù)計(jì)算公式為

式中:EI為道路燃油經(jīng)濟(jì)性指數(shù)，EI≤1，該值越接近于1，說(shuō)明交通流狀態(tài)越接近于經(jīng)濟(jì)交通流狀態(tài)，此時(shí)的飽和度越接近于經(jīng)濟(jì)油耗飽和度，道路燃油經(jīng)濟(jì)性越好，反之，則道路燃油經(jīng)濟(jì)性越差;FC1為某一類(lèi)別道路實(shí)際交通流狀態(tài)下的燃油消耗指標(biāo)值;FC0為與FC1相對(duì)應(yīng)類(lèi)別的道路燃油消耗指標(biāo)基準(zhǔn)值，即經(jīng)濟(jì)油耗值.

3 燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)模型的建立

由于本研究的目的是評(píng)價(jià)不同交通流狀態(tài)對(duì)路段燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，因而，構(gòu)建模型的目標(biāo)是量化不同交通流參數(shù)下道路交通油耗的相對(duì)變化，并非油耗的絕對(duì)值.

3.1 數(shù)據(jù)采集

利用Corrsys-Datron CDS-DFL1車(chē)載燃油消耗測(cè)試系統(tǒng)，分別對(duì)所研究路段在不同交通流狀態(tài)下的油耗進(jìn)行了采集，并同時(shí)利用浮動(dòng)車(chē)觀測(cè)實(shí)時(shí)交通流數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)車(chē)輛為捷達(dá)汽油車(chē)，為了獲取不同交通流狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，測(cè)試車(chē)輛按照固定路徑(包括快速路、主干路、次干路、支路)分別在高峰與平峰進(jìn)行不斷的重復(fù)測(cè)試.

3.2 模型建立

根據(jù)采集數(shù)據(jù)的聚類(lèi)分析結(jié)果，本研究選取飽和度為模型自變量，利用SPSS軟件進(jìn)行回歸分析，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中一半用于回歸分析，另一半數(shù)據(jù)用于模型檢驗(yàn).以快速路為例進(jìn)行分析，用于回歸分析的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 快速路油耗測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Fuel consumption data of expressway

回歸形式為

式中:FC為燃油消耗指標(biāo);V/C為飽和度;a、b、c為擬合參數(shù).

各類(lèi)別道路模型回歸結(jié)果如表2所示.為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，用快速路另一半數(shù)據(jù)對(duì)回歸模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證數(shù)據(jù)散點(diǎn)及擬合曲線如圖2所示，驗(yàn)證結(jié)果如表3所示，大多數(shù)相對(duì)誤差控制在9%以?xún)?nèi)，模型準(zhǔn)確性較高.

由圖2可見(jiàn)，油耗最低點(diǎn)并非對(duì)應(yīng)飽和度最小值，其變化趨勢(shì)是當(dāng)飽和度小于經(jīng)濟(jì)油耗飽和度(該例為0.4左右)時(shí)，油耗相對(duì)經(jīng)濟(jì)油耗略高，大約高10%左右;當(dāng)越過(guò)經(jīng)濟(jì)油耗飽和度時(shí)，油耗隨飽和度呈現(xiàn)增加趨勢(shì).以上變化趨勢(shì)的原因是當(dāng)飽和度較小時(shí)，從交通流運(yùn)行狀態(tài)角度駕駛員能夠自由選擇行駛速度，但同時(shí)由于城市道路限速等管控措施的存在，加減速行駛工況相對(duì)經(jīng)濟(jì)油耗飽和度條件下比較頻繁，且加減速度比較大，從而油耗略高;隨著飽和度增加，自由行駛機(jī)會(huì)減少，車(chē)輛運(yùn)行逐漸由自由行駛變?yōu)楦Y行駛，從而加減速行駛工況減少，油耗隨之減小;隨著飽和度進(jìn)一步增加(越過(guò)經(jīng)濟(jì)油耗飽和度)，車(chē)流較為擁堵，車(chē)輛經(jīng)常處于開(kāi)開(kāi)停停狀態(tài)，且延誤也大幅增加，油耗急速增加.

表2 油耗模型回歸參數(shù)值Table 2 Regression parameters of fuel consumption models

圖2 油耗與飽和度關(guān)系擬合曲線Fig.2 Fitted curve of relationship between fuel consumption and saturation

表3 模型驗(yàn)證數(shù)據(jù)Table 3 Validation data

根據(jù)式(2)及表2中各參數(shù)標(biāo)定結(jié)果，可計(jì)算各類(lèi)別道路經(jīng)濟(jì)油耗飽和度及經(jīng)濟(jì)油耗值，計(jì)算結(jié)果如表4所示.

表4 經(jīng)濟(jì)油耗飽和度及經(jīng)濟(jì)油耗值Table 4 Economical fuel-consumption saturation and economical fuel consumption

根據(jù)表4中經(jīng)濟(jì)油耗值、表2中油耗模型回歸參數(shù)，依據(jù)式(1)、式(2)建立各類(lèi)別道路燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)模型如下.

快速路:

主干路:

次干路:

支路:

4 結(jié)語(yǔ)

在大量實(shí)測(cè)路段油耗和交通流數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立了基于飽和度的城市道路路段燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)模型，揭示了交通流狀態(tài)與燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系，模型形式簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便，評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確.根據(jù)評(píng)價(jià)模型可以方便地計(jì)算出各類(lèi)別城市道路的經(jīng)濟(jì)油耗飽和度，對(duì)于從燃油經(jīng)濟(jì)性角度提高交通管理水平有著重要的理論與實(shí)際意義.文中僅研究了城市道路路段的燃油經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)模型，而交叉口作為城市路網(wǎng)的重要組成部分，其燃油經(jīng)濟(jì)性直接關(guān)系交通系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性，這將是進(jìn)一步的研究?jī)?nèi)容.

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