（环境工程专业论文）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.pdf

北京交通大学硕士学位论文 分类号：u 4 9 1 a b s t r a c t a b s t r a c t q u a n t i f y i n gf u e lc o n s u m p t i o na n de m i s s i o n si nt r a f f i c n e t w o r k si san e c e s s a r yw a yf o r e v a l u a t i n gt r a f f i cc o n t r o ls t r a t e g i e se f f e c t i v e l y a st h eb e s te x p l a n a t o r yp a r a m e t e ro f f u e lc o n s u m p t i o na n de m i s s i o n s ，v e h i c l es p e c i f i cp o w e r ( v s p ) h a sb e e nu s e dw i d e l y i nt h eq u a n t i t a t i o no fv e h i c l ef u e lc o n s u m p t i o na n de m i s s i o n s a tt h es a m et i m e ，p l e n t y o fd a t ao fa v e r a g et r a v e ls p e e dc a nb eo b t a i n e df r o mt r a f f i cd a t ac o l l e c t i o ne q u i p m e n t ， f o re x a m p l e ，f l o a t i n ge a rs y s t e m ，a n dt r a f f i cm o d e l s t h e r e f o r e ，i ti s i m p o r t a n tt o i n v e s t i g a t et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e s et w op a r a m e t e r s ，( v s pd i s t r i b u t i o na n dt h e a v e r a g et r a v e ls p e e d ) h o w e v e r , m o s tr e c e n ts t u d i e so fv s pd i s t r i b u t i o na r eo n l i g h t - d u t yv c 抽c l e s ( l d v s ) f o rl o wo rm o d e r a t es p e e dd r i v i n gc o n d i t i o n s i nt h i s c o n t e x t ，t h i st h e s i sc o n s i d e r e dh e a v y - d u t yv e h i c l e s ( h d v s ) a so n eo fo b j e c t i v e v e h i c l et y p e s ，a n di n c l u d e dh i g hs p e e da sa no b j e c t i v eo p e r a t i n gm o d e ，a n dt h e nt h i s t h e s i sc o n d u c t sc o m p a r a t i v ea n a l y s i so nt h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dm o d e l so f t h ev s pd i s t r i b u t i o no fl d va n dh d vf o rt r a f f i ce m i s s i o ne s t i m a t i o n f i r s t ，t h et h e s i sa n a l y z e sf u e lc o n s u m p t i o na n de m i s s i o nm o d e l si nw h i c hd i f f e r e n t m e t h o d o l o g i e sa r ea p p l i e dt o d e s c r i b ev e h i c l eb e h a v i o rc h a r a c t e r i s t i c s t h e s t u d y s y n t h e s i z e st h ed e v e l o p m e n to fv s pd i s t r i b u t i o nm o d e l su s e do nt h eq u a n t i f i c a t i o no f v e h i c l ef u e lc o n s u m p t i o na n de m i s s i o n s t h er e s e a r c hc o n t e n to fi nt h i st h e s i si s r e f i n e db a s e do nr e v i e w i n gt h ep o t e n t i a ls h o r t a g e so ft h ee x s i t i n gs t u d i e s s e c o n d l y , d a t ac o l l e c t i o np l a na n dd a t ap r o c e s s i n gm e t h o da r ed e s i g n e df o rc o l l e c t i n g d r i v i n gb e h a v i o r sf o rl d v a n dh d v t h er e s u l t sa r ep r o d u c e dw i t hal a r g en u m b e ro f d r i v i n gs e g m e n t si nd i f f e r e n tb i n so fa v e r a g et r a v e ls p e e d sf o rl d va n dh d vo n d i f f e r e n tr o a dt y p e s ，t h ev s pd a t aa r ea l s oc a l c u l a t e df o ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c s o f v s pd i s t r i b u t i o n si nn e x tc h a p t e r t h e n ，t h et h e s i sp u te m p h a s i so na n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fv s pd i s t r i b u t i o n sf o r l d va n dh d vi nd i f f e r e n t s p e e db i n s t h es t u d y i l l u s t r a t e st h a t ，b o t hv s p d i s t r i b u t i o n so ft h el d va n dh d vf o l l o wn o r m a ld i s t r i b u t i o ni nd i f f e r e n ts p e e db i n s ， a n dt h ev a l u eo fv s pb i n sf o rt h ep e a ko fv s pf r a c t i o n sa r ei d e n t i c a lw i t ht h ev s p v a l u ew h e nc r u i s i n ga tt h ea v e r a g et r a v e ls p e e d a f t e rac o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s ， r e g u l a rr e l a t i o n s h i p sa r ef o u n db e t w e e nt h ev s pd i s t r i b u t i o na n dt h ea v e r a g et r a v e l 1 1 1 北京交通大学硕士学位论文 s p e e d m a t h e m a t i c a lm o d e l so fv s p d i s t r i b u t i o n sf o rl d va n dh d va r et h e nd e r i v e d f o rt r a f f i ce m i s s i o ne s t i m a t i o n t h e nt h er e a l - w o r l df u e lc o n s u m p t i o n sa r eu s e dt ot e s t t h e a p p l i c a b i l i t yo ft h ep r o p o s e dv s pd i s t r i b u t i o n sm o d e l f o rf u e lc o n s u m p t i o n e s t i m a t i o n s i ti sf o u n dt h a tt h er e l a t i v ee r r o r so ff u e lc o n s u m p t i o ne s t i m a t i o nf o rl d v a n dh d va r e3 4 a n d3 0 r e s p e c t i v e l y f i n a l l y , a i m i n ga tt h ep r o b l e mi nt h ee x i s t i n ga p p l i c a t i o n st h a tu s i n gv s p d i s t r i b u t i o n s o fl d vf o rh d v se m i s s i o ne s t i m a t i o n ，d i f f e r e n c e so fv s pd i s t r i b u t i o n sb e t w e e nl d v a n dh d va r ea n a l y z e d ，a n de r r o ra n a l y s i si sc o n d u c e df o r t h em i s u s i n go fv s p d i s t r i b u t i o n s i ti sf o u n dt h a tt h ep e a ko fv s pd i s t r i b u t i o n so fh d vi sh i g h e rt h a nt h a t o fl d vi nt h es a m es p e e db i n ，e s p e c i a l l yi nh i g hs p e e dr a n g e i ti sa l s of o u n dt h a tt h e v a l u eo fv s pb i n sf o rt h ep e a ko fl d v sv s pd i s t r i b u t i o n si sa l w a y sh i g h e rt h a nt h a t o fh d v , a n dt h ed i f f e r e n c ei n c r e a s e sw i t ha v e r a g et r a v e ls p e e d t h e n ，t h er e a l - w o r l d a n dm o d e l e dv s pd i s t r i b u t i o n f o rl d va n dh d v , a sw e l la st h er e a l - w o r l df u e l c o n s u m p t i o nr a t ea r eu s e dt oe s t i m a t et h ee r r o r so fe s t i m a t i n gh d v f u e lc o n s u m p t i o n s t h es t u a yr e s u l td e m o n s t r a t e st h a tf u e lc o n s u m p t i o nf a c t o r so fm i s u s i n gl d v sv s p d i s t r i b u t i o na r es i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h o s ef r o mt h er e a l - w o r l d ，w i t ha na v e r a g e r e l a t i v ee r r o ro f2 4 9 3 ，a n dt h er e l a t i v ee r r o ri n c r e a s e sw i t ht h ea v e r a g et r a v e ls p e e d k e y w o r d s ：h e a v y d u t yv e h i c l e ( h d v ) ；l i g h t - d u t yv e h i c l e ( l d v ) ；v e h i c l e s p e c i f i cp o w e r ；a v e r a g e t r a v e l s p e e d ；f u e lc o n s u m p t i o n ；t r a f f i c e m i s s i o n e s t i m a t i o n c l a s s n o ：u 4 9 1 致谢 致谢 时光如梭，仿佛昨天还沉浸在踏进北交的喜悦中，今天便来到了毕业的路口。 两年的研究生涯并不漫长，然而时光虽短暂，在这里的收获和成长却值得我一生 铭记。我深知，我所收获的点滴都离不开我的老师、同学和家人所给我的帮助和 支持! 值此论文即将结束之际，我要向他们表达我最真诚的谢意! 首先感谢我的恩师于雷教授。成为您的学生是上天给予我的恩赐。两年的相 处并不长久，但您给我的影响足以改变我的一生。还记得两年前刚刚走进这个团 队，我没有科研经历，没有项目思路，甚至都没有清晰的思维习惯，是您提供了 丰富的科研平台，让我得到了锻炼，提升了自己的科研能力。您渊博的学识、卓 越的视角、开阔的思路和专业的工作态度都使我受益匪浅。您就像我的引路人， 让我一点点学会专业、做到职业。您的谆谆教诲将鞭策着我不断奋斗、不断完善 自己的人生。 感谢陈旭梅老师两年来对我在科研工作和生活上的指导和帮助，您认真的科 研态度将会激励着我不断严格要求自己。感谢宋国华老师对我论文选题和撰写过 程中的大力支持，以及两年来在科研上、生活中对我的指导和帮助。两年前我的 思维还是一片浑浊，是您没有放弃我，并还耐心的教导我，让我慢慢成长起来， 您那句“为了未来美好幸福生活，每天都要铺块砖 的话语一直都铭记在我心中， 我也会用这句话不断激励自己前进。在此，向两位老师致以诚挚的感激。 感谢胥耀方师姐、朱琳师姐、赖瑾璇师姐、程颖师姐在科研工作和生活上对 我的鼓励和关怀，从你们身上我学到了很多；感谢赵琦师兄在论文数据处理以及 撰写过程中不厌其烦的为我解答疑难；感谢已经毕业的张嫣红师姐、高艺师姐、 黄冠涛师兄以及其他师兄师姐在实验室期间对我的帮助和关怀；感谢荆长林同学 在论文撰写过程中对我提供的技术支持；感谢刘巧仙、赵彦婷、徐龙、范海龙、 何巍楠等兄弟姐妹，因为有你们的陪伴，我的研究生涯才更充实难忘。感谢师弟 师妹们在c j s r c 一年的相处中所给予我的支持。最后，祝愿我们每个人的未来一 片辉煌! 感谢我的家人和男友郭威在我求学路上所给予的付出和理解，你们的支持和 肯定是我不断奋斗的动力，希望你们平安快乐。 谨以此文献给我的家人以及所有关心和帮助过我的老师、同学、朋友们! 图目录 图目录 图1 1 技术路线图5 图2 1m o b i l e 模型计算原理9 图2 2 基本排放因子劣化曲线图9 图2 3c o p e r t 模型计算原理1 l 图2 4m o v e s 模型计算原理13 图2 5i v e 模型计算原理1 4 图2 6c m e m 模型结构1 6 图3 1 轻型车城市道路g p s 数据分布2 7 图3 2 轻型车高速路g p s 数据分布2 7 图3 3 重型车城市道路g p s 数据分布2 8 图3 4 重型车高速路g p s 数据分布2 8 图3 5 轻型车高速路各平均行程速度区间下速度组的样本量3 1 图3 - 6 轻型车快速速路各平均行程速度区间下速度组的样本量3l 图3 7 轻型车主干路各平均行程速度区间下速度组的样本量3l 图3 8 轻型车次干路和支路各平均行程速度区间下速度组的样本量3 2 图3 - 9 重型车高速路各平均行程速度区间下速度组的样本量3 2 图3 1 0 重型车快速速路各平均行程速度区间下速度组的样本量3 3 图3 1 1 重型车主干路各平均行程速度区间下速度组的样本量3 3 图3 1 2 重型车次干路和支路各平均行程速度区间下速度组的样本量3 3 图4 1 轻型车快速路平均速度区间2 3 下的v s p 分布率3 9 图4 2 轻型车在快速路上不同行程速度区间下的v s p 分布图4 2 图4 3 轻型车在主干路上不同行程速度区间下的v s p 分布4 5 图4 - 4 轻型车在次干路和支路上不同行程速度区间下的v s p 分布4 7 图4 5 轻型车在高速路下不同行程速度区间的v s p 分布图5 1 图4 6 重型车在快速路上不同行程速度区间下的v s p 分布5 3 图4 7 重型车在主干路上不同行程速度区间下的v s p 分布5 6 图4 8 重型车在次干路和支路上不同行程速度区间下的v s p 分布5 9 图4 9 重型车在高速路上不同行程速度区间下的v s p 分布图一6 3 图4 1 0v s p 分布均值与匀速v s p 值的关系6 6 图4 一l l 速度聚类后v s p 分布均值与匀速v s p 值的关系一6 7 1 x 北京交通大学硕士学位论文 图4 - 1 2v s p 分布标准差与平均行程速度的关系6 8 图4 - 1 3 速度聚类后v s p 分布标准差与平均行程速度的关系6 8 图4 - 1 4v s p 分布均值与匀速v s p 值的关系7 0 图4 - 1 5 速度聚类后v s p 分布均值与匀速v s p 值的关系7 1 图4 - 1 6v s p 分布标准差与平均行程速度的关系7 2 图4 - 1 7 速度聚类后v s p 分布标准差与平均行程速度的关系7 2 图4 - 1 8 不同行程速度区间的预测油耗值与实测油耗值对比7 9 图4 - 1 9 不同行程速度区间的预测油耗值与实测油耗值对比8 3 图5 - 1 轻型车和重型车在高速路上不同行程速度区间下的v s p 分布8 6 图5 2 轻型车和重型车在快速路上不同行程速度区间下的v s p 分布8 8 图5 3 轻型车和重型车在主干路上不同行程速度区间下的v s p 分布8 9 图5 4 轻型车和重型车在次干路和支路上不同行程速度区间下的v s p 分布9 1 图5 5 速度区间4 3 下的实测与模型得到的重型车v s p 分布对比图9 4 图5 - 6 速度区间4 7 下的实测与混用得到的重型车v s p 分布对比图9 4 图5 7 速度区间5 2 下的实测与模型得到的重型车v s p 分布对比图9 5 图5 8 实测与模型所得油耗因子对比图1 0 0 表目录 表目录 表2 1m o v e s 模型的运行模型区间划分1 3 表2 2i v e 模型的运行模式区间分类15 表3 1 原始g p s 数据样例2 3 表3 2 轻型车和重型车高速路和城市道路的g p s 数据样本量2 5 表3 3g p s 数据预处理结果2 6 表3 4 速度区间划分2 9 表3 5g p s 数据最终处理结果样例3 0 表4 1 轻型车在快速路上不同行程速度区间下的v s p 分布率表4 1 表4 2 轻型车在主干路上不同行程速度区间下的v s p 分布率表4 4 表4 3 轻型车在次干路和支路上不同行程速度区间下的v s p 分布率表4 6 表4 4 轻型车在高速路上不同行程速度区间下的v s p 分布率表4 9 表4 5 重型车在快速路上不同行程速度区间下的v s p 分布率表5 2 表4 6 重型车在主干路上不同行程速度区间下的v s p 分布率5 5 表4 7 重型车在次干路和支路上不同行程速度区间下的v s p 分布率表5 8 表4 8 重型车在高速路上不同行程速度区间下的v s p 分布率表6 1 表4 9 平均行程速度为7 4 k m h 的k - s 检验结果6 5 表4 1 0 轻型车7 0 1 2 0 k m h 下v s p 分布的k - s 检验结果6 6 表4 11 重型车7 0 1 2 0 k m h 下v s p 分布的k - s 检验结果6 9 表4 1 2 轻型车测试车辆基本信息7 4 表4 1 3 轻型车测试车辆的平均油耗率7 5 表4 1 4 不同平均行程速度的v s p 分布均值和标准差样例7 6 表4 15 平均行程速度为7 7 3 2 k m h 的v s p 分布率7 7 表4 1 6 轻型车测试车辆速度组样本量7 8 表4 1 7 重型车测试车辆基本信息一7 9 表4 1 8 重型车测试车辆的平均油耗率一8 0 表4 1 9 不同平均行程速度的v s p 分布均值和标准差样例8 1 表4 2 0 平均行程速度为7 3 0 6 k m h 的v s p 分布率8 2 表4 2 1 重型车测试车辆速度组样本量8 3 表5 1 各速度区间下的轻、重型车v s p 分布均值和标准差9 3 表5 2 不同行程速度区间下实测与利用轻重型车v s p 分布模型的v s p 分布的均 北京交通大学硕士学位论文 方误差9 6 表5 3m o v e s 模型的运行模型区间划分9 7 表5 4 测试车辆的基本信息9 7 表5 5m o v e s 中测试车辆的基准油耗率9 8 表5 6 实测与轻、重型车v s p 分布模型所得各速度区间下的平均油耗率9 9 表5 7 实测与轻、重型车v s p 分布模型所得各速度区间下的油耗因子1 0 0 表5 8 各平均行程速度区间下轻重型车v s p 模型与实测所得油耗因子的相对误差 1 0 2 绪论 1 绪论 近年来，交通网络的油耗排放测算成为交通排放领域的研究热点，利用机动 车比功率( v s p ) 分布测算道路油耗和排放已经逐渐被认可。然而，目前对机动车比 功率分布特性的研究还多局限于轻型车低中速区间行驶状态，而对重型车以及车 辆高速运行模式的研究还有待探索。本文将基于前人对轻型车在城市快速路上利 用v s p 分布刻画交通状态，初步分析常见交通参数与v s p 关系的研究基础，分 别开展轻型车和重型车在不同速度区间行驶状态下的比功率分布特性研究，探寻 车辆高速行驶状态下v s p 分布与平均速度的变化关系，尝试建立用于排放测算的 v s p 分布数学模型，利用实测油耗数据检验模型在油耗测算中的适用性。并对实 际应用中以轻型车v s p 分布表示重型车v s p 分布的现状问题作v s p 分布差异性 和排放测算误差分析研究。 1 1 研究背景与意义 气候变化和大气污染是全球社会普遍关心的重大问题。而交通运输作为国家 经济发展的基本需要和先决条件，直接影响着气候变化和大气环境，是温室气体 和各种污染物排放的重要贡献者。尤其，近几年随着我国经济的发展和工业化进 程的加速，机动车保有量大幅增加，道路交通成为各种交通方式中能耗排放最大 和增速最快的主体【l 】，也成为大中城市大气污染的主要来源。 2 0 0 9 年，国家汽车产销呈快速增长态势，成为世界汽车产销第一大国1 2 j ，由 此带来机动车拥有量的大幅增长。据北京市公安局公安交通管理局发布消息称， 截至2 0 1 2 年2 月1 5 日，北京市机动车保有量已突破5 0 0 万辆，达到5 0 1 7 万辆p j 。 据统计显示，北京市机动车从1 0 0 万辆升至2 0 0 万辆用了6 年时间，从3 0 0 万辆 到4 0 0 万辆用了2 年7 个月，从4 0 0 万辆到5 0 0 万辆仅用了2 年2 个月时间。如 此飞速增长的汽车保有量所带来的问题也显而易见。据2 0 1 0 年发布的全国第一次 污染源普查数据显示，机动车排放的氮氧化物( n o x ) 已经达到5 4 9 4 5 万吨，一 氧化碳( c o ) 为3 9 4 7 4 6 万吨，碳氢化合物( h c ) 达到4 7 8 6 2 万吨【4 j 。与此同 时，预计交通部门的二氧化碳排放增量将占我国2 0 0 5 年至2 0 3 0 年所有排放增量 的3 3 【5 】【6 1 。机动车尾气排放会对城市环境造成铅污染、c o 污染、h c 污染、n o x 污染、噪声污染等，其所含的c o 、n o x 、h c 以及颗粒物等人体健康也会造成巨 北京交通大学硕士学位论文 大的危害。我国环境保护部“十二五”规划已将氮氧化物和氨氮列入排放总量控 制的约束性指标，指出“十二五”期间氮氧化物的减排目标为1 0 【7 1 。此外，作 为温室气体排放的重要贡献者，机动车排放的二氧化碳等温室气体会进一步加重 以全球气候变暖为主要特征的生态危机。由此看来。有效控制和降低机动车尾气 排放是改善城市环境、保护人体健康、保证社会经济可持续发展的战略问题。 为能够最大程度的控制和降低机动车尾气排放，准确有效的交通策略排 放评价成为必需，而实现对交通网络油耗排放的量化就成为一种必要手段。 相关研究已表明【8 】【9 1 ，机动车做功( v s p ) 对油耗排放有明确的物理解释意义 和统计相关性，已成为油耗和排放的最佳解释变量，因此很多研究就开始从基于 比功率的方法建立油耗排放模型。例如美国环保署开发的新一代模型 m o v e s 2 0 1 0 是通过v s p 来描述驾驶行为的改变【l 们。然而，路网中全面的g p s 逐秒数据难于获取，目前的交通流采集设备，如浮动车系统或r t m s ( r e m o t e t r a f f i cm i c r o w a v es e n s o r ，微波检测器) ，以及路网层次的交通模型却可以提供相 当可靠的平均速度【l l 】。因此，如何利用平均速度探寻与v s p 分布之间的关系，建 立用于交通排放测算的v s p 分布模型，是实现v s p 分布反映交通流特性、交通 网络油耗排放动态量化的关键。目前对机动车比功率分布特性的研究多局限于对 轻型车城市道路行驶状态的描述，而对重型车以及车辆高速行驶状态下的研究还 有待挖掘。 在此背景下，本文将在采集大量轻型车和重型车在高速路、快速路、主干路、 次干路和支路的驾驶行为数据基础上，分别研究轻型车和重型车在不同速度区间 尤其高速行驶状态下的比功率分布特性，探寻车辆高速行驶状态下v s p 分布与平 均速度的变化关系，尝试建立用于油耗排放测算的v s p 分布数学模型，并利用实 测油耗数据检验模型在油耗测算中的适用性。最后针对实际应用中存在误用轻型 车v s p 分布表示重型车v s p 分布的现象，拟在对比分析二者在不同类型道路的 比功率分布一致性和差异性的基础上，应用构建的轻、重型车的v s p 分布模型分 别分析其与实测的重型车v s p 分布的差异。引入m o v e s 模型中重型车基础油耗 率数据分别测算利用轻、重型车v s p 分布模型得到的重型车v s p 分布的排放以 及实测重型车v s p 分布的排放，分析应用于排放测算的误差。其一方面对轻型车 v s p 分布表示重型车v s p 分布的适用性作出解释，另一方面进一步研究重型车 v s p 分布模型在预测油耗排放的可行性。本文的研究将易于获取的交通行为参数 与机动车做功关联起来，为有效的实现油耗排放的实时量化评价提供方法指导， 进而为有效的评价交通策略，最大程度的控制和降低机动车尾气排放提供理论依 据。 2 绪论 1 2 研究目标与内容 本文的研究目标是：分析轻型车和重型车在不同速度区间尤其高速行驶状态 下的比功率分布特性，探寻车辆高速行驶状态下v s p 分布与平均速度的变化关系； 建立用于交通排放测算的v s p 分布数学模型，并利用实测油耗数据检验模型在油 耗测算中的适用性，为实现油耗排放的实时量化评价奠定基础；最后针对实际应 用中存在轻型车v s p 分布表示重型车v s p 分布的现象，引入m o v e s 模型中重 型车的基础油耗率数据分别量化实测重型车v s p 分布和应用轻、重型车v s p 分 布模型得到的v s p 分布的排放误差，开展轻、重型车排放测算的应用研究。 为实现上述研究目标，本文将从以下几个方面展开研究： ( 1 ) 开展国内外研究综述 整理和分析目前不同机动车行为特性刻画方法的排放测算模型，主要针对基 于固定行驶周期和比功率分布两类机动车行为特性刻画方法的综述，并掌握v s p 分布用于油耗排放量化的最新研究进展。在此基础上，总结现有研究存在的局限 性，确定本文的研究内容。 ( 2 ) 采集轻型车和重型车在不同类型道路的驾驶行为数据 采集大量轻型车和重型车在不同类型道路上的测试数据，并对所得数据进行 预处理和地图匹配工作，筛选得到高速路、快速路、主干路、次干路和支路不同 道路类型的测试数据，为后续研究机动车比功率分布特性和建立v s p 分布的数学 模型提供数据支持。 ( 3 ) 研究轻型车和重型车比功率分布特性，建立v s p 分布模型 本文利用不同行程速度区间下的v s p 分布，分别研究轻型车和重型车在低中 速区间和高速区间下v s p 分布，探寻高度区间下v s p 分布与平均行程速度之间 的关系，进而尝试建立应用于油耗排放测算的v s p 分布数学模型，并利用车载尾 气检测设备采集实时连续的速度和油耗数据检验模型在油耗测算的适用性。 ( 4 ) 分析轻型车v s p 分布模型应用于重型车的排放测算误差 针对实际应用中存在轻型车v s p 分布表示重型车v s p 分布的现象，本文在 对比分析轻型车和重型车不同类型道路上v s p 分布一致性和差异性的基础上，利 用本文构建的轻、重型车v s p 分布应用于重型车，分别分析其与实测重型车v s p 分布的差异，进而引入m o v e s 模型中重型车的基础油耗率数据分别测算实测数 据v s p 分布和应用轻、重型车v s p 分布模型得到的v s p 分布的排放，量化测算 误差大小，对轻型车v s p 分布表示重型车v s p 分布的适用性作出解释，并进一 步检验重型车v s p 分布模型在排放测算中的可行性。 3 北京交通大学硕士学位论文 1 3 研究技术路线 根据以上研究目标和研究内容，本研究的技术路线如下： 首先，对国内外研究现状进行综述。分别针对基于固定行驶周期和基于比功 率分布两类机动车行为特性刻画方法从参数输入、测算原理以及特点进行综述， 并综述国内外基于v s p 分布方法用于油耗排放测算的最新研究进展。在此基础上， 总结现有研究存在的局限性，确定本文的研究内容。 其次，设计轻型车和重型车在不同类型道路上的数据采集方案和处理方法， 为后续研究机动车比功率分布特性和建立v s p 分布的数学模型提供数据支持。 然后，基于上述的数据处理结果，以机动车比功率理论知识为基础，分别研 究轻型车和重型车在不同速度区间下的v s p 分布特性，进一步深入研究高速区间 下轻型车和重型车的v s p 分布与平均行程速度之间的关系，建立轻型车和重型车 的平均行程速度与v s p 分布之间的数学模型。并对所构建的模型在油耗测算方面 的适用性利用实测逐秒速度和油耗数据进行检验和应用。 最后，对实际应用中存在以轻型车v s p 分布表示重型车v s p 分布的现象进 行误差分析，并进一步检验重型车v s p 分布模型在排放测算中的可行性性，引入 m o v e s 中重型车的基准油耗率数据，测算排放误差。 4 绪论 面向排放测算的机动车行为特性刻画研究iv s p 分布研究现状 基于固定行驶周期的机动车行为特性刻画方法 基于比功率分布的机动车行为特性刻画方法 确定本文的研究内容 数据需求分析1 数据处理方法卜 数据处理结果j l 机动车比功率理论ll 轻型车与重型车v s p 分布特性l f 机动车比功率( v s p ) 不同速度区间下的轻型车v s p 分布特性 1 v s p 聚类方法 _ + 不同速度区间下的重型车v s p 分布特性f 一1 、l 口1 1 米j = i i 廿ii 、小i _ 口土v a r ，丌t h 十讦。l l 卿分布 j r iv s p 分布模型应用与检验ll 轻型车与重型车v s p 分布模型构建i 厂轻型邶啡模型检验一 裹耋黧v 晰模型构建li+一踱型牟5 r 竹f f 】俣型倒建r l 重型车v s p 分布模型检验 重型车v s p 分布模型构建j 图1 1 技术路线图 f i g 1 1d e s i g no f t h es t u d y 5 析计施果分设实结 求案案集 需方方采集集集据采采采数广。，、l 北京交通人学硕十学位论文 6 国内外研究综述 2 国内外研究综述 基于上述研究目标和拟定的研究内容，需要对面向排放测算的机动车行为特 性刻画方法进行剖析，挖掘测算排放的机理，分析刻画机动车行为特性不同方法 的特点，为本文的研究指明方向。因此，本章分别从面向排放测算的机动车行为 特性刻画方法，机动车比功率v s p 分布研究现状两个方面开展国内外研究综述， 为本文的研究提供思路指导。同时总结现有研究存在的局限性，确定本文的研究 内容。 2 1 面向排放测算的机动车行为特性刻画研究综述 根据排放测算机理的不同，对机动车行为特性的刻画方法包括基于固定行驶 周期和基于比功率分布两大类。基于固定行驶周期的机动车行为特性刻画方法是 通过对大量测试结果进行统计回归得到的经验结果，而基于比功率分布的机动车 行为特性刻画方法考虑了机动车在道路上的实际行驶工况，更接近现实中的情况。 目前，基于固定行驶周期的机动车行为特性刻画方法的研究成果中具有代表 性的模型有美国的m o b i l e 模型( m o b i l es o u r c ee m i s s i o nf a c t o rm o d e l ) 和欧盟 的c o p e r t 模型( c o m p u t e rp r o g r a mt oc a l c u l a t ee m i s s i o n sf r o mr o a dt r a n s p o r t ) ； 基于比功率分布的机动车行为特性刻画方法的研究成果中主流的模型有m o v e s 模型( m o t o rv e h i c l ee m i s s i o ns i m u l a t o r ) 、i v e 模型( i n t e m a t i o n a lv e h i c l ee m i s s i o n m o d e l ) 、c m e m 模型( c o m p r e h e n s i v em o d a le m i s s i o n sm o d e l ) 等。下面将分别 从模型的输入参数、测算原理、特点等角度展开详细的介绍。 2 1 1 基于固定行驶周期的机动车行为特性刻画方法 面向排放测算的机动车行为特性刻画的传统方法是采用行驶周期来表达。行 驶周期( d r i v i n gc y c l e ) 是指一段车速随时间的变化历程，由一系列连续速度数 据构成，以代表一个城市或地区的机动车驾驶行为特性【1 2 】。行驶周期是真实交通 状况的代表，针对国家标准行驶周期不能反映地方城市机动车行为特性的缺陷， 很多城市也建立了非标准行驶周期【1 4 】【1 5 】【1 6 】。目前国际上典型的标准行驶周期有 美国的f t p 7 5 ( f e d e r a lt e s tp r o c e d u r e ) 行驶周期【l7 1 、欧洲e c e ( e c o n o m i c 7 北京交通大学硕士学位论文 c o m m i s s i o nf o re u r o p e ) + e u d c ( e x t r au r b a nd r i v i n gc y c l e ) 行驶周期【1 8 1 、日本 1 0 - 1 5 工况行驶周期【1 。7 】等。 排放测算模型中基于固定行驶周期的代表模型有m o b i l e 模型和c o p e r t 模型，下面将分别展开介绍。 、 ( - - ) i m o b i l e 模型 m o b i l e 模型由美国环保署依据f t p 测试工况开发，并推荐使用的计算机 动车平均排放的法规程序，目前最新版本为m o b i l e 6 2 1 9 】。除加少i l 夕b ，全美各州 在建立排放清单时法定应用的宏观排放模型均为m o b i l e 。 ( 1 ) 参数输入 m o b i l e 模型参数来源于美国环保署组织的对各种不同在用车排放水平的检 测，以及联邦测试程序的f t p 中测得的排放结果，在美国具有相当的广泛性和代 表性【2 0 】。 m o b i l e 模型需要输入平均行驶速度、燃油雷氏蒸汽压、机动车车型、环境 温度、车龄分布、车辆里程分布等对排放因子影响较大的参数，来预测机动车油 耗排放因子。对于同一辆车，一定时间内对其排放影响较大的因素是机动车在道 路上以速度行驶表现的行驶特性【2 1 1 。 ( 2 ) 模型原理 m o b i l e 模型是通过速度修正因子来反映不同机动车驾驶行为特性对排放的 变化。具体为划分不同的平均速度区间，每个速度区间对应一个行驶周期，然后 利用台架测试获取该行驶周期的排放，将其与基本排放因子之间的比例作为速度 修正因子。m o b i l e 6 中在获取速度修正因子时，对平均速度的区间划分更为细 致，与此同时，还增加了道路等级作为新的划分条件。 m o b i l e 模型的计算原理f 2 2 】是：首先基于台架测试得到在标准工况下不同 排放控制水平车辆的基本排放因子；然后，对基本排放因子作以下假设：随行驶 里程增加基本排放因子线性劣化，其曲线截距和斜率分别为零公里排放因子 ( z m l ) 和劣化率( d r ) ；接着，根据实际条件与标准工况下的各种影响因子因 素的差别，修正基本排放因子，最终得到实际条件下的排放因子。该模型的计算 原理如图2 - 1 所示【2 引。从图中可以看出，m o b i l e 模型最主要的是基本排放因子 的计算。 8 国内外研究综述 图2 1m o b i l e 模型计算原理 f i g 2 - ls t r u c t u r eo f m o b 几em o d e l m o b i l e 模型中基本排放因子劣化曲线图如图2 2 所示。 基 机动军行驶里程 图2