謝欣睿 陳海林 林 瑜 涂輝招

(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1) 上海 201804) (上海國(guó)際汽車(chē)城(集團(tuán))有限公司2) 上海 201805) (上海電科智能系統(tǒng)股份有限公司3) 上海 200063)

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的新能源分時(shí)租賃車(chē)運(yùn)行特征分析*

謝欣睿1)陳海林2)林 瑜3)涂輝招1)

(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1)上海 201804) (上海國(guó)際汽車(chē)城(集團(tuán))有限公司2)上海 201805) (上海電科智能系統(tǒng)股份有限公司3)上海 200063)

為了定量描述新能源分時(shí)租賃車(chē)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在的續(xù)駛里程短、電池性能不穩(wěn)定等問(wèn)題，基于新能源汽車(chē)分時(shí)租賃實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)及相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，從行駛里程分布、新能源車(chē)電池耗電特征、外界溫度對(duì)電池耗電性能的影響三個(gè)方面分析其中兩款純電動(dòng)新能源車(chē)車(chē)型的實(shí)際運(yùn)行特征.利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)工具分析表明，新能源分時(shí)租賃車(chē)主要用于短途出行，兩車(chē)型的耗電量與行駛里程均具有線(xiàn)性相關(guān)性，外界溫度較高或較低時(shí)均會(huì)使得新能源車(chē)電池耗電率增加.

新能源車(chē)；數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)；行駛里程；耗電特征；外界溫度

0 引 言

相比傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)，電動(dòng)汽車(chē)因其使用能源的特殊性，在道路運(yùn)行過(guò)程中存在續(xù)駛里程短[1-3]、電池性能不穩(wěn)定[4-5]等問(wèn)題，阻礙了新能源車(chē)的推廣和使用.為了定量描述新能源車(chē)存在的問(wèn)題，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的新能源車(chē)運(yùn)行特征研究對(duì)新能源車(chē)的發(fā)展具有重要意義.

國(guó)內(nèi)外均有學(xué)者基于實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行特征展開(kāi)研究.文獻(xiàn)[6]考慮車(chē)輛運(yùn)行狀況和道路交通狀況，結(jié)合北汽新能源生產(chǎn)的物流電動(dòng)車(chē)的實(shí)時(shí)在線(xiàn)的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模理論僅對(duì)電動(dòng)汽車(chē)行駛里程進(jìn)行分析與預(yù)測(cè).由于僅選取了其中一輛物流電動(dòng)車(chē)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，樣本量小，難以準(zhǔn)確反映實(shí)際運(yùn)行狀況.此外，僅分析了行駛里程與電池的剩余電量(SOC)值的關(guān)系；文獻(xiàn)[7-8]基于實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析了電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)際出行模式，包括出行頻率與出行距離分析、速度分析、電量消耗狀況分析等，但未考慮外界環(huán)境對(duì)電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)的影響.電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力由車(chē)載電池放電提供，外界溫度的變化會(huì)影響電池的放電性能，從而對(duì)電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行效率產(chǎn)生影響.低溫環(huán)境下，電池放電困難，從而影響電動(dòng)車(chē)的正常工作[9].高溫也會(huì)影響電動(dòng)車(chē)的充放電效率，甚至影響電池壽命或引起安全問(wèn)題.基于新能源車(chē)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的外界溫度對(duì)電池放電特征的影響的定量化研究較少.

本文基于上海分時(shí)租賃電動(dòng)汽車(chē)2015年的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，選取其中兩種純電動(dòng)車(chē)型(分別命名為車(chē)型1與車(chē)型2)，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，對(duì)行駛里程統(tǒng)計(jì)分析、電池耗電特征、外界溫度對(duì)耗電率的影響等方面進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)新能源分時(shí)租賃車(chē)的實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀況.

1 數(shù)據(jù)處理與分析

1.1 數(shù)據(jù)屬性

本文采用的所有數(shù)據(jù)均來(lái)自于上海新能源分時(shí)租賃車(chē)的2015年的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù).監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)服務(wù)器接收端以不固定時(shí)間間隔接收兩種電動(dòng)汽車(chē)車(chē)型的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，并按車(chē)型和車(chē)號(hào)依次生成txt文本包.各車(chē)型車(chē)號(hào)采集得到的數(shù)據(jù)屬性包括數(shù)據(jù)采集時(shí)間、累計(jì)行駛里程、經(jīng)度、緯度、速度、SOC、車(chē)輛當(dāng)前狀態(tài)等,見(jiàn)表1.

表1 數(shù)據(jù)屬性

1.2 提取行程段

為分析新能源車(chē)運(yùn)行特征，本文選取行駛里程分布特征、電池耗電特征、外界溫度對(duì)耗電率的影響等方面進(jìn)行分析，需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，提取各車(chē)型實(shí)際運(yùn)行行程段.對(duì)行程段i的提取主要包括三步驟.①識(shí)別行程段i的啟動(dòng)時(shí)刻：對(duì)各車(chē)號(hào)電動(dòng)車(chē)實(shí)際行駛數(shù)據(jù)按時(shí)間順序進(jìn)行遍歷，若某時(shí)刻t車(chē)輛狀態(tài)為1且前一時(shí)刻t-1車(chē)輛狀態(tài)不為1，或者某時(shí)刻t與前一時(shí)刻t-1車(chē)輛狀態(tài)均為1且兩時(shí)刻相隔大于1h，則均判定為一個(gè)啟動(dòng)時(shí)刻.②識(shí)別行程段i的停止時(shí)刻：若某時(shí)刻t車(chē)輛狀態(tài)為1且下一時(shí)刻t+1車(chē)輛狀態(tài)不為1，或者某時(shí)刻t與下一時(shí)刻t+1車(chē)輛狀態(tài)均為1且兩時(shí)刻相隔大于1 h，則均判定為一個(gè)停止時(shí)刻.③根據(jù)行程段的停止時(shí)刻與啟動(dòng)時(shí)刻的數(shù)據(jù)采集時(shí)間、累計(jì)行駛里程、剩余電量(SOC)等數(shù)據(jù)屬性，通過(guò)對(duì)兩者作差可獲得行程段i的行駛時(shí)間、行駛里程、耗電量等運(yùn)行特征，行程段i的行程速度Vi和Ri為

(1)

(2)

式中：Vi為行程段i的行程速度，km/h；Si為行程段i的行駛里程，km；Ti為行程段i的行駛時(shí)間，h；Ci為行程段i的耗電量，%；Ri為行程段i的耗電率，%/h.

1.3 邏輯糾錯(cuò)

實(shí)際獲得行程段數(shù)據(jù)列中存在部分不符合實(shí)際情況的數(shù)據(jù)，均予以剔除.如行程時(shí)間過(guò)大或過(guò)小的情況，新能源分時(shí)租賃車(chē)滿(mǎn)電狀態(tài)下一般行駛不超過(guò)6 h，行程時(shí)間過(guò)小不具有研究意義，因此剔除單次行程時(shí)間大于6 h或小于6 min的數(shù)據(jù)；如行程速度不符合城市路網(wǎng)實(shí)際情況者，由于交叉口信號(hào)燈、車(chē)速限制等城市交通管控措施，單次行程段的行程速度一般不會(huì)超過(guò)100 km/h，因此剔除行程速度大于100 km/h的情況.

2 新能源分時(shí)租賃車(chē)運(yùn)行特征分析

2.1 數(shù)據(jù)情況

通過(guò)數(shù)據(jù)初步處理，得到車(chē)型1共1 148個(gè)行程段樣本，車(chē)型2共1 197個(gè)行程段樣本，各車(chē)型的運(yùn)行數(shù)據(jù)字段包括啟動(dòng)時(shí)刻、停止時(shí)刻、行駛時(shí)間、行駛里程、耗電量、行程速度、耗電率.由于新能源分時(shí)租賃車(chē)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)處理過(guò)程可能存在過(guò)度清洗情況，因此得到的行程段樣本量與實(shí)際值相比可能偏小.

2.2 行駛里程分布

通過(guò)對(duì)兩車(chē)型2015年的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)按行駛里程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以行駛里程按5 km為間距進(jìn)行分組，統(tǒng)計(jì)了兩車(chē)型各行駛里程分組的頻率，見(jiàn)圖1.

圖1 兩車(chē)型行駛里程頻率分布圖

由圖1可知，新能源分時(shí)租賃車(chē)多用于短途出行，車(chē)型1僅有3.8%的行程的行駛里程超過(guò)50 km，車(chē)型2僅有4.5%的行程的行駛里程超過(guò)50 km.由于電動(dòng)汽車(chē)存在續(xù)航里程短的問(wèn)題，新能源分時(shí)租賃車(chē)大多用于城市內(nèi)出行.計(jì)算兩車(chē)型的平均行駛里程可知，車(chē)型1的平均行駛里程為15.2 km，車(chē)型2的平均行駛里程為14.5 km.匯總兩車(chē)型的所有行程段數(shù)據(jù)，根據(jù)行程起始點(diǎn)經(jīng)緯度，將其匹配到上海市的GIS地圖上，獲得2015年新能源分時(shí)租賃車(chē)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)在上海各行政區(qū)的空間分布情況，見(jiàn)圖2.由圖2可知，2015年新能源分時(shí)租賃車(chē)的使用主要集中于上海東部及北部區(qū)域.

圖2 2015年新能源分時(shí)租賃車(chē)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的空間分布

3.3 耗電特征分析

為探究新能源車(chē)的耗電特征，分析了新能源車(chē)的耗電量與行駛里程的關(guān)系，并建立了相應(yīng)的模型.用Pearson相關(guān)系數(shù)法來(lái)分別刻畫(huà)兩車(chē)型的耗電量和行駛里程的相關(guān)性，結(jié)果見(jiàn)表2.由表2可知，兩車(chē)型的耗電量與行駛里程均存在顯著的相關(guān)性.因此可建立描述二者關(guān)系的模型.為便于擬合，本文對(duì)相同行駛里程的耗電量作平均處理，獲得惟一行駛里程與平均耗電量的數(shù)據(jù)列.

表2 兩車(chē)型的耗電量與行駛里程的Pearson系數(shù)

采用6種曲線(xiàn)估計(jì)方法分別擬合兩車(chē)型的耗電量與行駛里程的關(guān)系，包括線(xiàn)性模型、二次曲線(xiàn)模型、對(duì)數(shù)模型、復(fù)合模型、增長(zhǎng)模型，以及指數(shù)分布模型；同時(shí)采用決定系數(shù)R2來(lái)度量模型擬合優(yōu)度.計(jì)算表明，對(duì)兩車(chē)型來(lái)說(shuō)，線(xiàn)性模型和二次曲線(xiàn)模型均能更好描述耗電量與行駛里程的關(guān)系.為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本文選用線(xiàn)性模型為

Yki=β1kXki+uki

k=1,2;i=1,2,…,n

(3)

式中：k為車(chē)型；Yki為車(chē)型k的回歸模型的被解釋變量，即平均耗電量；Xki為車(chē)型k的回歸模型的解釋變量，即行駛里程；β1k為車(chē)型k的回歸模型的回歸系數(shù)；uki為車(chē)型k的回歸模型的隨機(jī)誤差.

表3為兩車(chē)型平均耗電量和行駛里程的線(xiàn)性回歸結(jié)果，并分別列出了兩車(chē)型的決定系數(shù)R2，以及F檢驗(yàn)顯著性結(jié)果.同時(shí)，圖3為散點(diǎn)圖和線(xiàn)性回歸圖.

表3 兩車(chē)型的線(xiàn)性回歸結(jié)果

圖3 兩車(chē)型的平均耗電量與行駛里程的關(guān)系

由圖3可知，兩車(chē)型的耗電量與行駛里程呈線(xiàn)性關(guān)系，且根據(jù)表3計(jì)算的β1可知，車(chē)型1的回歸系數(shù)略大于車(chē)型2，即車(chē)型1的耗電量隨行駛里程的變化比車(chē)型2略快.

3.4 外界溫度對(duì)耗電率的影響

本文從上海市新能源分時(shí)租賃車(chē)實(shí)際運(yùn)行角度出發(fā)，通過(guò)收集2015年上海的氣象數(shù)據(jù)，挖掘外界溫度對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池耗電特征的影響.收集的上海2015年歷史氣象數(shù)據(jù)包括最高溫度和最低溫度.假定1 d中的04:00為最低溫度，14:00為最高溫度，其余時(shí)刻溫度通過(guò)線(xiàn)性插值獲得，從而得到兩車(chē)型的各個(gè)運(yùn)行時(shí)刻的外界溫度數(shù)據(jù)，分別分析車(chē)型1和車(chē)型2的外界溫度對(duì)耗電率的影響，見(jiàn)圖4.

圖4 兩車(chē)型的外界溫度對(duì)耗電率的影響圖

由圖4可知，外界溫度對(duì)兩車(chē)型的耗電率均存在影響.由圖4a)可知，外界溫度在0～15 ℃時(shí)，車(chē)型1的平均耗電率較大，當(dāng)外界溫度在15～25 ℃時(shí)，平均耗電率有所降低，隨著外界溫度繼續(xù)升高，車(chē)型1的平均耗電率繼續(xù)增加.由圖4b)可知，外界溫度在20～30 ℃時(shí)，車(chē)型2的平均耗電率較低，而外界溫度在0～20 ℃以及高于30 ℃時(shí)，車(chē)型2的耗電率均較外界溫度在20～30 ℃時(shí)高.由此可見(jiàn)，外界溫度較高或較低時(shí)，電池耗電率均有所增加，耗電最經(jīng)濟(jì)的外界溫度為15～30 ℃.

4 結(jié) 束 語(yǔ)

本文基于新能源分時(shí)租賃車(chē)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析新能源車(chē)運(yùn)行特征，首先對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行行程段提取、邏輯糾錯(cuò)，再對(duì)預(yù)處理后的兩車(chē)型的行程段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.通過(guò)行駛里程分布統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，上海市的新能源分時(shí)租賃車(chē)主要用于短途出行，其中車(chē)型1的平均行駛里程為15.16 km，車(chē)型2的平均行駛里程為14.49 km；通過(guò)對(duì)兩車(chē)型的耗電量與行駛里程進(jìn)行相關(guān)性分析以及線(xiàn)性回歸，發(fā)現(xiàn)兩車(chē)型的耗電量與行駛里程呈線(xiàn)性關(guān)系，且車(chē)型1耗電量隨行駛里程的變化比車(chē)型2略快；通過(guò)收集上海氣象數(shù)據(jù)，分析外界溫度對(duì)兩車(chē)型的耗電率的影響，發(fā)現(xiàn)外界溫度對(duì)兩車(chē)型的耗電率均存在影響，溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)，電池耗電率均有所增加.

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Data-driven Method for Analyzing of Operating Characteristics of Shared Electric Vehicles

XIE Xinrui1)CHEN Hailin2)LIN Yu3)TU Huizhao1)

(KeyLaboratoryofRoadandTrafficEngineeringoftheMinistryofEducation,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)1)(ShanghaiInternationalAutomobileCityGroupCo.Ltd.,Shanghai201805,China)2)(ShanghaiSEARIIntelligentSystemCo.Ltd.,Shanghai200063,China)3)

A quantitative method to analyze the issues of limited range cruise and unstable battery status of shared electric vehicles is proposed using the data-driven method. On the basis of amount of empirical data and historical meteorological data, the operating characteristics of two types of electric vehicles are explored. The results show that the shared electric vehicles are mainly used for short distance trips. The relationship between the power consumption and driving mileage is statistically linear. The power consumption rate of shared electric vehicles will increase under relatively higher or lower temperature conditions.

electric vehicle; data-driven; driving mileage; power consumption; temperature

2017-06-09

*上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目資助(16DZ1203903)

U491

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.029

謝欣睿(1993—)：女，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榻煌L(fēng)險(xiǎn)管理