高速公路对汽车油耗及大气环境的影响分析优秀毕业论文.pdf

国内图书分类号 u412 21 国际图书分类号 625 8 工学硕士学位论文 高速公路对汽车油耗及大气环境的 影响分析 硕 士 研 究 生 刘 斌 导师 马松林教授 侯相深教授 申 请 学 位 工学硕士 学 科 专 业 道路与铁道工程 所 在 单 位 交通科学与工程学院 答 辩 日 期 2008 年 6 月 授予学位单位 哈尔滨工业大学 classified index u412 21 u d c 625 8 dissertation for the master degree in engineering impact analysis of highway on vehicle fuel consumption and atmosperic environment candidate liu bin supervisor prof ma songlin fuel consumption the hdm 4 model emission factor environmental effect 目录 iii 目录目录 摘要 i abstract ii 第 1 章 绪论 1 1 1 课题背景 1 1 1 1 课题来源 1 1 1 2 研究目的及意义 1 1 2 国内外研究现状及分析 2 1 2 1 机动车油耗国内外研究现状 2 1 2 2 机动车污染物排放因子国内外研究现状 4 1 2 3 国内外研究现状分析 7 1 3 主要研究内容和技术路线 7 1 3 1 主要研究内容 7 1 3 2 技术路线 8 第 2 章 车速与交通量及交通组成的关系 9 2 1 车速影响因素 9 2 2 车速 交通量关系 10 2 2 1 小汽车等效系数pcse 10 2 2 2 典型车速 交通量模型介绍及选择 10 2 3 车速 交通组成关系 14 2 4 本章小结 15 第 3 章 高速公路对汽车油耗的影响分析 16 3 1 汽车燃油消耗评价指标的确定 16 3 2 油耗模型的选择 17 3 3 hdm 4 理论油耗模型 18 3 3 1 车型选择 18 3 3 2 hdm 4 油耗模型介绍 19 3 3 3 hdm 4 油耗模型的不确定因素敏感性分析 25 3 4 hdm 4 理论油耗模型的修正 27 3 4 1 hdm 4 油耗模型预测值与我国油耗代表值的比较 27 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iv 3 4 2 hdm 4 油耗模型的分车型修正 27 3 5 hdm 4 修正油耗模型的效应分析 35 3 5 1 速度对百公里油耗的影响 35 3 5 2 坡度对百公里油耗的影响 36 3 6 高速公路对汽车油耗影响评价方法的建立 38 3 6 1 评价年份及评价路段的确定 38 3 6 2 模型参数 39 3 6 3 结果分析 39 3 7 本章小结 40 第 4 章 高速公路对大气环境的影响分析 41 4 1 机动车排放因子的选取 41 4 2 机动车类型的划分及车型比例的确定 42 4 3 单车排放因子的确定 43 4 3 1 典型机动车排放因子简介 43 4 3 2 典型机动车排放因子的离散性分析 43 4 3 3 各车型co hc和nox排放因子的确定 46 4 3 4 各车型co2排放因子的确定 50 4 4 高速公路对大气环境影响评价方法的建立 51 4 4 1 评价年份及辅道的确定 51 4 4 2 相关公路运行参数调查 51 4 4 3 确定各车型排放因子 52 4 4 4 各车型机动车污染物年排放量计算 52 4 4 5 结果分析 52 4 5 本章小结 53 第 5 章 应用实例 54 5 1 沪宁高速公路江苏段对汽车油耗及大气环境影响分析 54 5 1 1 沪宁高速公路江苏段及其辅道g312 线简介 54 5 1 2 沪宁高速公路江苏段对汽车油耗影响分析 54 5 1 3 沪宁高速公路江苏段对大气环境影响分析 59 5 2 沈大高速公路对汽车油耗及大气环境影响分析 64 5 2 1 沈大高速公路及其辅道g202 线简介 64 5 2 2 沈大高速公路对汽车油耗影响分析 64 5 2 3 沈大高速公路对大气环境影响分析 68 目录 v 5 3 成渝高速公路重庆段对汽车油耗及大气环境影响分析 74 5 3 1 成渝高速公路重庆段及其辅道 s108 线简介 74 5 3 2 成渝高速公路重庆段对汽车油耗影响分析 75 5 3 3 成渝高速公路重庆段对大气环境影响分析 79 5 4 综合分析 84 5 4 1 高速公路对汽车油耗影响的综合分析 84 5 4 2 高速公路对大气环境影响的综合分析 86 5 5 本章小结 89 结论 91 参考文献 93 附录 97 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 102 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 102 哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理 102 致谢 103 第 1 章 绪论 1 第第1章 绪论章 绪论 1 1 课题背景课题背景 1 1 1 课题来源课题来源 本课题来源于国道主干线系统综合评估基础参数研究中的专题五 高速 公路建设对土地利用 能耗及环境的影响 1 1 2 研究目的及意义研究目的及意义 近二十年来 随着我国经济的高速发展 全国机动车保有量以年平均约 10 的速度快速增长 1995 年全国机动车保有量突破 1000 万辆 截至 2000 年 全国机动车总保有量已经达到 1608 9 万辆 预计至 2010 年我国汽车保 有量将达到 5500 万辆左右 与此同时 全国范围内的各等级公路的建设也 已达到一定的规模 据统计 至 2006 年底全国公路总里程达 348 万公里 其中高速公路总里程达到 4 53 万公里 继续稳居世界第二 预计至 2010 年 我国高速公路总里程将达到 6 5 万公里 公路交通系统带动了国民经济 社会的发展 改善了人们的出行机动化 水平 但也带来了一系列的负面作用 具体表现为 1 公路交通系统对环境的影响 公路交通系统产生的环境污染包括大气污染 噪声污染及电磁波干扰等 等 其中公路交通系统产生的大气污染是由机动车辆 主要为汽车 排出的 空气污染物引起的 主要污染物有 一氧化碳 co 碳氢化合物 hc 氮氧化合物 nox 二氧化硫 so2 颗粒物质 铅化合物 碳烟 油 雾 及恶臭物质 它们大部分是有害有毒物质 有些还带有强烈刺激性 甚 至有致癌作用 1 计算结果表明 中国机动车单车排放水平很高 相当于目 前发达国家单车排放因子的数倍 与美国 欧洲六 七十年代未控制或初步 控制的水平相近 尽管目前全国机动车保有量相对国外并不大 但由于单车 排放因子很高 排放总量相当惊人 并且随着机动车保有量的持续增长 全 国机动车污染物排放总量持续攀升 截至 2000 年 全国机动车hc co和 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 nox排放量已分别达到 433 5 万吨 2810 2 万吨和 278 9 万吨 分别是 1995 年相应污染物排放总量的 1 30 1 58 和 1 38 倍 与对应年份全国机动车保 有量增长比例 1 55 基本持平 除普遍关注的hc co和nox外 由机动 车排放的co2 ch4 so2 pm10等污染物也不容忽视 2 公路交通系统的资源消耗严重 资源供需矛盾日益突出 公路交通系统所消耗的不可再生资源主要有两种 公路用地及能源 其 中交通系统的能源消耗与总能源消耗的比例是非常高的 在北美 交通运输 系统消耗总燃油的 60 70 其中绝大部分为汽车交通所消耗 这些车用燃 油是不可再生的能源 在我国 交通系统的能源消耗与总能源消耗的比例也 在逐渐提高 现已超过 30 尽管我国目前在交通系统中消耗的资源与发 达国家相比还不是很高 但随着道路交通设施的逐步改善 交通系统资源消 耗的比重会逐年增加 因此 能源与污染物问题已经成为公路建设当中一个不容忽视的问题 到 2007 年底 由 12 条国道主干线和公路主枢纽及信息系统构成 总长约 3 5 万公里的 五纵七横 国道主干线已基本贯通 而国道主干线的存在对 汽车油耗及大气环境的影响如何 有待我们去进一步研究 分析 本文通过 对选定高速公路与其辅道在汽车燃油消耗及污染物排放方面进行对比分析 以得到高速公路对汽车油耗及大气环境影响的具体程度 1 2 国内外研究现状及分析国内外研究现状及分析 根据本文研究内容 将国内外研究现状分为机动车油耗与机动车污染物 排放因子两个部分叙述 1 2 1 机动车油耗国内外研究现状机动车油耗国内外研究现状 1 国外研究现状 国外对机动车油耗的研究最早始于上世纪 20 年代 尽管在此以后的几 十年内对油耗的研究有增无减 但多数是针对发动机而言的 而对油耗理论 真正认识和有影响的研究应该是 70 年代以后实施的肯尼亚 加勒比地区 巴西 印度 南非和澳大利亚的大规模研究 油耗模型种类很多 归纳起来 可分为 3 类 2 1 多元回归模型 2 理论油耗模型 第 1 章 绪论 3 3 台架实验油耗模型 多元回归模型来自于大量的实验数据 一般具有很高的置信度 其不足 之处是异地适用性能差 台架实验油耗模型是通过室内台架试验 建立比油 耗 功率 转速图 它是汽车发动机油耗的基本数据 是研究汽车油耗的基 础 由于它们是室内实验得来的 因此可以使用在任何地方 缺点是要有专 门的设备取得实验数据 理论油耗模型是用功率平衡原理建立汽车油耗与外 部使用条件的关系式 这种模型具有很高的置信度和异地适应性 比如hdm highway development management 巴西油耗模型根 据野外实验结果用回归技术把单位油耗 ml s 与发动机功率和标定转速联 系起来 建立了理论 统计油耗模型 英国trl运输研究所用台架实验 比 油耗 功率 转速图 结果建立了实验油耗模型 renouf 1979 比油耗 ml s hp 是发动机功率与转速的函数 biggs 1988 3 采用了类似的建 模技术通过比油耗 ml s kw 建立了后来成为hdm 4 油耗模型基础的 arfcom油耗模型 在biggs的油耗模型中 单位油耗是外部输出功率的函 数 忽略了发动机转速对油耗的影响 仅把发动机转速用于发动机内部功率 计算 对于世界银行与亚洲银行开发的hdm 4 4 油耗模型而言 单位油耗 是发动机功率和转速的函数 2 国内研究现状 近几年 我国也开始对运输系统的燃油消耗规律进行研究 具体的有 交通部公路科研所在 九五 期间对我国公路上燃油消耗的规律进行了 大量的调查研究 建立了适合于公路上燃油消耗的预测模型 东南大学分析了城市交通系统中影响车辆油耗的主要因素 建立城市交 通系统燃油消耗的微观模型和宏观预测模型 以微观模型为基础 分析在城 市交通系统中 不同的道路型式 不同的行驶工况对汽车燃油消耗的影响 以宏观预测模型为基础 结合交通流理论分析 计算在不同的道路型式 交 叉口 连接道路 和不同的车辆构成比例 交通流运行特征下总的燃油消耗 5 合肥工业大学与东南大学交通学院对京石高速公路及其辅道汽车油耗进 行对比分析 建立两种道路上分车种的汽车燃油消耗模型 并对同一车辆在 两种道路上的油耗差异进行比较 分析产生差异的原因 6 吉林大学对长平高速公路及其辅道汽车油耗进行对比分析 建立了高速 公路与普通公路的车速 油耗模型 给出了不同车型 不同纵坡下的油耗调 整系数 并对相同车速下不同车型的油耗作了对比分析 研究表明 无论何 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4 种车型 以相同速度行驶时 高速公路的百公里油耗总是低于一般普通公 路 速度越高 差别越大 7 河北公路规划设计院在 公路技术经济指标研究 中 结合在河北省公 路上进行的油耗调查 建立了山区和平原地带的单车油耗 车流油耗与运行 速度的回归模型 8 1 2 2 机动车污染物排放因子国内外研究现状机动车污染物排放因子国内外研究现状 车辆在行驶的过程中会不同程度的排放出一氧化碳 co 碳氢化合物 hc 氮氧化合物 nox 颗粒物 pm 等有害物质和温室气体二氧化 碳 co2 为定量确定车辆在高速公路和普通公路上行驶排放的污染物数 量 需要确定各种车型单车污染物排放因子 即每辆车行驶单位里程所排放 的污染物数量 单位是 g km 辆 排放因子反映了机动车的排放水平 是进 行控制对策研究的基础和依据 它将影响车辆排放水平的各种主要因素量 化 使车辆排放量与这些因素明确而有机地结合起来 在机动车污染的研究 中 排放因子的确定是关键 1 国外研究现状 目前 国外确定机动车单车污染物排放因子的方法主要有台架测试法 隧道实验法 道路车载测试法 道路遥感测试法 排放模型法五大类 其中 排放模型法又分为宏观模型及基于机动车行驶特征的模型 9 表 1 1是对这五类方法内容与特点的简单概括 2 国内研究现状 针对我国机动车排放水平和道路交通实际情况 国内许多专家学者开展 了大量的研究工作 比较有代表性的有 1986 年 原西安公路交通大学根据我国公路项目环境影响评价和隧道 通风设计的需要 开始了我国机动车污染物排放因子的研究 通过对一些典 型汽车污染物排放量的实测 得出了当时我国几种有代表性的汽车在等速行 驶的情况下 其污染物排放因子和 ece 15 工况污染物排放量 该成果成为 我国公路项目环境影响评价中计算机动车空气污染物排放强度的基础数据 已得到广泛应用 1996 年由北京市汽车研究所 清华大学环境工程系 广州市环境监测 中心站和中国环境科学研究院承担的世界银行援助项目 中国机动车排放污 染控制研究 在一些城市进行了单车基本排放因子测试 测试过程将机动车 第 1 章 绪论 5 按车型分为轻型车 重型车和摩托车三大类 轻型车采用国家标准 gb t11642 89 规定的测试规程 重型车采用 gb t14762 93 测试规程 摩托 车采用 gb t14622 93 测试规程 表1 1 五种排放因子测试方法的内容及特点 方法 内 容 特 点 台 架 测 试 法 在实验室条件下使用标准的测 试循环对车辆的排放情况进行测 试 一个测试循环由停车 起动 匀速 巡航 加速和减速的完整过 程组成 在实验室中进行 模拟车辆在典型 的外界环境下的测试 不能反映实际道 路上的排放状况 隧 道 实 验 法 利用公路隧道来监测道路汽车 尾气污染物的排放 公路隧道被看 作一个控制汽车尾气扩散的特殊设 施 其作用类似于用定容采样的方 法在实验室内监测 得到的是各种车型的平均排放因 子 难以进一步得到分车型的排放因 子 虽然可以利用多次实验的数据和分 车型的车流量数据进行多元回归得到分 车型的排放因子 但是其准确性无法保 证 车 载 测 试 法 利用车载排放测试仪器 在实 际道路上动态 实时地测量车辆排 放 不受位置 环境限制 测试方便 准确 真实 遥 感 测 试 法 在道路边架设仪器 通过不分 光红外分析法 ndir 等技术 在线 动态监测尾气管排放污染物 的浓度 进而求出该道路上的机动 车排放因子 自动化程度高 平均一天可以测试 上千台车 但仅能测出在一个基于混合 气比率或是燃油比率的特定位置上的瞬 时排放量估计值 受测试地点和环境影 响较大 测试数据不够准确 排 放 模 型 法 借助各种测试手段 对影响机 动车污染排放的主要因素进行判断 和识别 建立机动车污染排放与其 影响因素之间的数学关系或物理关 系 能够考虑影响机动车排放特性的多 种因素 但需要大量的测试数据 公式 中的一些参数在没有详细机动车档案记 录 专业技术资料的情况下难以确定 清华大学等单位利用美国mobile5 模型模拟北京等城市道路上机动车 的污染物排放量 并通过分析在机动车台架上测试的结果 对mobile5 进 行改进 试图建立适合中国城市特点的排放因子计算模型 在调查分析中国 1995 年 基准年 机动车基本数据基础上 建立了co thc nox等机动 车污染物排放因子的计算方法 10 北京大学与广州市环境科学研究所共同对广州市城市隧道进行实测 获 得了该市机动车污染物排放因子 11 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 6 上海市环境科学研究院利用美国sensors公司生产semtech d车载排放 测试仪随机选择了 7 辆重型柴油车开展了实际道路排放测试 该实验累积测 试道路长度为 186km 共取得 29090 个逐秒的有效工况点数据 给出了车 辆在不同道路上的工况点分布 分析了速度 加速度对尾气排放的影响 12 东南大学将mobile5 模型及其分析软件应用于我国城市典型机动车排 放因子计算分析 确定了南京在用机动车综合排放因子 并运用曲线估计方 法得到了以机动车平均行驶速度为自变量的南京机动车综合排放因子拟合模 型 13 长安大学利用隧道法测定了我国城市道路机动车co hc nox三种污 染物的排放因子 此外 还对动态环境下汽车污染物排放及环境因素影响进 行了研究 通过室内台架实验 道路实验和模拟环境实验 研究了不同车速 下汽油车co排放规律 14 北京交通大学利用车载尾气检测 oem 技术对在实际道路上行驶的 中巴车辆及捷达轿车进行测试 得到各自的实测排放因子 同时应用 mobile6 模型 在对相关参数进行适当调整后计算相应的排放因子 对得 到的排放因子进行比较和分析 并就mobile6 模型在我国的适用性做出探 讨 15 16 北京大学应用copert 模型计算中国机动车排放因子 根据中国机动车 实际构成 行驶工况和燃油特征确定了模型所需参数 然后应用该模型计算 得到了 2002 年中国机动车排放co nox nmvoc 非甲烷挥发性有机化 合物 和pm的排放因子 通过比较copert 模式 mobile模式和台架测 试得到的中国机动车排放因子发现 应用copert 模型计算获得的排放因 子更接近中国机动车实际排放情况 17 除了上述比较有代表性的研究外 交通部颁布的 公路建设项目环境影 响评价规范 给出了我国气态排放污染物等速工况下单车排放因子eij推荐 值 该推荐值参考了 1991 年执行的mobile4 1 版本模式 因素和计算方 法 结合我国对部分车辆所进行的实测结果统计修正得出 具体数据是由国 家发布的有关标准 以i型车出厂作产品一致性检查时的j类气态排放物的单 车排放因子标准值为基础 考虑了车速 环境温度 行驶里程增值 车辆折 旧更新和曲轴箱泄漏及油箱 化油器的蒸发等因素修正后 从大量的在用车 辆排放测试数据中统计计算得出的 我国的气态排放污染物等速工况单车排 放因子eij推荐值如 表 1 2 18 所示 第 1 章 绪论 7 表1 2 我国车辆单车排放因子推荐值 g km 辆 平均车速 km h 50 0 60 0 70 0 80 0 90 0 100 0 co 31 31 23 68 17 90 14 76 10 24 7 72 hc 8 14 6 70 6 06 5 30 4 66 4 02 小 型 车 no2 1 77 2 37 2 96 3 71 3 85 3 99 co 30 18 26 19 24 76 25 47 28 55 34 78 hc 15 21 12 42 11 02 10 10 9 42 9 10 中 型 车 no2 5 40 6 30 7 20 8 30 8 80 9 30 co 5 25 4 48 4 10 4 01 4 23 4 77 hc 2 08 1 79 1 58 1 45 1 38 1 35 大 型 车 no2 10 44 10 48 11 10 14 71 15 64 18 38 1 2 3 国内外研究现状分析国内外研究现状分析 通过上述机动车污染物排放因子国内外研究现状综述可以发现 目前对 于机动车污染物排放的研究大多局限在对单车的研究上 而对于高速公路的 存在 对减少机动车污染物排放具体贡献值的研究还是个空白 这正是本 文研究的重点之一 另外 目前国内对机动车油耗的研究较多 但对于 hdm 4 油耗模型在我国的适用性及修正问题的研究却少之又少 这也是本 课题研究的另一重点所在 1 3 主要研究内容和技术路线主要研究内容和技术路线 1 3 1 主要研究内容主要研究内容 高速公路对汽车油耗及大气环境的影响这两方面从宏观上讲是属于同一 个整体 因为没有汽车燃油消耗就没有汽车污染物的排放 但在各自的研究 内容上具有较大的差别 本文的主要研究内容为 1 归纳总结车速与交通量 交通组成的关系 2 高速公路对汽车油耗的影响分析 3 高速公路对大气环境的影响分析 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 8 1 3 2 技术路线技术路线 车速 交通量 关系 车速 交通组 成关系 分 车 型 车 速 道 路 平 整 度 车 型 参 数 线 形 参 数 模 型 参 数 hdm 4修正油 耗模型 百公里 油耗 单位时间单位 周转量下的每 公里油耗 汽车载 质量 已测各类汽车co hc及 nox排放因子汇总分析 本文各类汽车co hc及 nox排放因子与车速的关系 算术平均 加权平均 本文各类汽车 co2排放因子 的确定 高速公路各车 型车速 辅道 各车 型车速 各类汽车年 行驶量 高速公路对汽车油 耗影响分析 辅道 各类 汽车尾气 年排放量 各类汽车年 行驶量 汽车 运输 效率 高速公路各类 汽车尾气 年排放量 高速公路对大气环 境影响分析 实例分析 有无对比法 hdm 4油 耗模型 交通组成交通量车速 图1 1 本文技术路线图 第 2 章 车速与交通量及交通组成的关系 9 第第2章 车速与交通量及交通组成的关系章 车速与交通量及交通组成的关系 2 1 车速影响因素车速影响因素 车速的影响因素很多 包括道路条件 交通条件及车辆条件等等 具体 见图 2 1 图中其它因素包括天气 能见度及限速条件等等 车速 道路条件 驾驶员 车辆条件 其它因素 曲率 坡度 平整度 视距 道路宽度 交通条件 道路等级 交通量 交通组成 图2 1 车速影响因素 图 2 1 中 影响车速的交通条件分为交通量和交通组成两个部分 1 交通量 国际主要文献研究分析指出 pan 1995 19 交通量 是车速的主要影响因素 trb 1985 20 oecd 1983 21 需要特别指 出的是 在过去的很长一段时间内 交通量的基本表示方式为年平均日交通 量 aadt 这种方式的特点是简单 易于应用 也能从宏观上把握住车 速随交通量变化的一般规律 但这是初期研究缺乏数据支持的权宜之计 存 在着明显的缺陷 交通量对车速的影响 主要是行驶车辆之间的相互干扰 交通量增加导致车辆速度降低 当交通流接近道路通行能力时 汽车速度将 由于车辆之间的相互干扰而大大降低 由于 aadt 是年平均日交通量 但 一日内每小时交通量都在不断的变化 相应各小时的车流速度当然也不相 同 而且差异幅度较大 同样的 aadt 小时交通量分布不同 车辆行驶速 度的分布也不一样 日平均运行车速也可能不同 交通量基本表示方式采用 aadt 时 小时交通量不同带来的差异会被掩盖 采用小时交通量就能弥补 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 10 这种缺陷 而且能较好反映车速与交通量的关系 2 交通组成 交通组成包括小型客车 大型客车 小型货车 中型 货车 大型货车 拖挂车 交通流一般由多种车型组成 当道路处于拥挤状 态时 每种车型对平均车流速度产生不同的影响 2 2 车速 交通量关系车速 交通量关系 因本文实际条件受限 且车速 交通量关系是一个系统工程 故本节在 对几个典型车速 交通量关系模型进行介绍的基础上 总结出各自的适用范 围 以便选择一个能较符合本文实际条件的车速 交通量关系模型 2 2 1 小汽车等效系数小汽车等效系数 pcse 一般情况下 速度 交通量关系是以观测数据为基础 直接建立速度 交通量模型 这里的交通量是指换算交通量 换算交通量用小汽车等效系数 pcse 来表示 如上述所述 交通流一般由多种车型组成 当道路处于 拥挤状态时 每种车型对平均车流速度产生不同的影响 为了把不同车型换 成统一的标准如pcse 需要给出各车型的pcse值 通过对相关文献的研究 总结 2 22 23 24 本文采用的pcse值如 表 2 1所示 表2 1 pcse 值 no 车辆类型 等效系数 pcse no 车辆类型 等效系数 pcse no 车辆类型 等效系数 pcse 1 小汽车 1 0 6 轻型货车1 5 11 中拖拉机 3 5 2 摩托车 0 8 7 中型货车3 0 12 大拖拉机 3 5 3 微型汽车 1 0 8 重型货车3 0 13 畜力车 3 5 4 小公共汽车 1 5 9 拖挂车3 0 14 人力车 1 5 5 大公共汽车 3 0 10 小拖拉机1 7 15 自行车 0 3 2 2 2 典型车速 交通量模型介绍及选择典型车速 交通量模型介绍及选择 把交通量同车速直接建立关系是最常见的速度与通行能力研究方法 hoban 1987 25 对世界上主要速度 交通量研究文献作了较详尽的分析回 顾指出 不同国家采用了不同的关系 但简单的线性速度 交通量关系可适 用于大部分的速度 交通量关系分析 1 公路技术经济指标 中车速 交通量模型 第 2 章 车速与交通量及交通组成的关系 11 交通部公路规划设计院 公路技术经济指标 第二次修订本 中关于 行车速度模型的研究成果具体见 表 2 2 表2 2 交通量车速模型 公路等级 交通量车速模型 高 速 公 路 v 86 04 n 960 一 级 公 路 v 76 10 n 541 二 级 汽 车 专 用 公 路 v 65 90 n 440 二 级 公 路 v 156 7 n 三 级 公 路 v 99 1 n 四 级 公 路 v 70 5 n 等 外 公 路 v 72 6 n 表中 v 车辆平均技术车速 km h n 折算交通量 从 表 2 2可以看出 该模型适用于由各等级公路折算交通量计算对应交 通流的车辆平均技术车速 但对于某一等级公路而言 其道路宽度并不是统 一的 也就是说 同样的交通量 车辆之间的干扰程度不一样 即其车速 交通量关系不是唯一的 因此 用该模型计算可能会产生偏差 另外 该模 型计算得到的为交通流平均速度 而非各车型平均车速 为进一步分析带来 不便 2 hdm 车速 交通量模型 hdm车速 交通量模型基本原理如 图 2 2所示 它是以已知的自由流 速度和五个随道路等级变化的关键参数建立起来的 其基本原理为 在一定 公路条件下 交通量很小时 公路上行驶的车辆相互干扰很小 超车比较随 意 呈自由流状态 车辆行驶速度主要是有公路和车辆本身条件所决定 这 时 不同车型的车辆速度差别较大 随着交通量增大 车辆相互干扰逐渐增 加 超车受到一定限制 行驶速度降低 快慢车的速度差随之减少 交通量 增大到一定程度之后 干扰进一步加剧 超车越来越困难 在公路上行驶的 任一辆车的车速都与前方车速有关 车速急剧下降 整个交通流速度受到慢 车的影响和制约 各种车辆行驶速度区域受慢车的控制 交通量进一步增加 行车条件迅速恶化 交通堵塞时有发生 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 12 图2 2 hdm 车速 交通量模型 注 1 si i 1 2 3 为不同车型的自由流速度 2 qo qnom qult为不同状态下的临界交通量 3 snom sult分别为理论通行能力和最大通行能力对应车流速度 hdm 车速 交通量模型具体计算公式为 0 85min nomi ss 2 1 sqs 0 qq 2 2 0 0 nom nom ssqq sqs qq 0nom qqq 2 3 nomultnom nom ultnom ssqq sqs qq nomult qqq 2 4 ult sqs ult qq 2 5 式中 i s i类车车速 sq 车辆之间存在相互干扰时的车速 km h s 自由流车速 km h hdm 4车速 交通量模型还给出了一些默认参数值 见表2 3 第 2 章 车速与交通量及交通组成的关系 13 表2 3 hdm 4 车速 交通量模型默认参数值 道路宽度 m q0 qult qnom qult qult 标准车 h sult km h 12 0 4 0 95 8000 40 因hdm车速 交通量模型是以国外的实验数据为基础建立起来的 而 国外的道路条件 交通组成等条件与我国实际情况存在较大差异 这就给模 型的应用带来了困难 若要用之 须对其进行修正 3 路面管理系统原理 中速度 交通量模型 路面管理系统原理 中速度 交通量模型是将观测时间区间内各车型 速度平均 建立平均速度与交通量的关系 其模型通式见 2 6 具体结 果见表2 4 ff uua q 2 6 式中 u 交通量q下的汽车速度 km h ff u 自由流速度 也叫截距 km h a 回归参数 也叫斜率 q 当量交通量 辆 h 表2 4 速度 交通量关系模型 路段编号 宽度 回归系数 小汽车轻型货车 中型货车 重型货车 大客车 截距 uff 96 2 67 6 66 3 61 8 64 1 曲线坡度 a 0 0120 0 0066 0 0063 0 0052 0 0054 置信度 r2 0 79 0 56 0 64 0 53 0 54 g104 18 0m 样本数 60 60 60 60 60 截距 uff 91 4 64 3 63 5 65 7 62 曲线坡度 a 0 0176 0 0094 0 0097 0 0118 0 0099 置信度 r2 0 71 0 55 0 57 0 70 0 61 g206 15 0m 样本数 47 47 47 47 47 截距 uff 87 5 64 5 57 6 61 7 60 6 曲线坡度 a 0 0205 0 0131 0 0098 0 0126 0 0111 g327 11 0m 置信度 r2 0 68 0 69 0 64 0 64 0 61 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 14 续表 2 4 样本数 20 20 20 20 20 截距 uff 85 1 64 4 62 6 63 4 61 1 曲线坡度 a 0 0234 0 0168 0 0154 0 0173 0 0157 置信度 r2 0 72 0 76 0 65 0 73 0 76 s097 9 0m 样本数 52 52 52 52 52 截距 uff 69 1 55 6 57 7 55 7 54 1 曲线坡度 a 0 0311 0 0213 0 0272 0 0251 0 0221 置信度 r2 0 54 0 59 0 6 0 64 0 6 s017 7 0m 样本数 35 35 35 35 35 从表2 4可以看出 各路段各车型的r2在0 53 0 76之间 一般小于 0 70 低r2值的原因为 一 同一类车辆由多种型号车辆组成 产生较大 的速度差别 二 观测时间间隔的不统一 另外 回归模型的斜率为 0 0052 0 0331 即每增加1000辆 h的交通量 车速将降低5 33km h 且 斜率与道路 车型有关 在进行高速公路对汽车油耗及大气环境影响分析时 是将高速公路情况 与其辅道进行对比分析的 根据前期数据调查情况可知 有关交通部门在对 辅道进行交通调查时 通常只调查其车流速度及交通量数据 并无调查各车 型车速 此时 就需根据车速 交通量关系模型 由交通量数据求得所需车 型车速 综上 考虑到模型应用的方便性及适应性 本文选择 路面管理系统原 理 中速度 交通量模型对辅道各车型车速进行分析 2 3 车速 交通组成关系车速 交通组成关系 上述对车速 交通量模型的分析可知 交通量数据是该模型的基础数 据 倘若在实际应用中 由于种种原因无法得到交通量数据 而只有某一条 道路的平均车流速度 即全车型车速 此时 必须根据分车型车速与全车型 车速的关系 即车速 交通组成关系 以通过全车型车速求得各分车型车 速 根据论文所依据项目前期调查所得资料 沈阳 大连高速公路后评价 报告 得到沈大高速公路及g202线 二级公路 车速调查数据 见 附表 1及 附表2 为了方便分析 根据表中调查数据 将沈大高速公路及g202 线 二级公路 分车型车速与全车型车速的关系定为线性关系 选择全车型 第 2 章 车速与交通量及交通组成的关系 15 平均车速为自变量x 各车型车速为因变量y 利用spss软件和excel软件 对全车型车速与各车型车速作线性回归分析 表2 5是对两条道路车速线性 回归的综合表示 需要说明的是 由于该调查各车型车速所处范围有限 故 表中各多项式也只对该范围具有一定的适用性 表2 5 全车型车速与分车型车速拟合关系 沈大高速 g202 车型 拟合多项式 r2 拟合多项式 r2 小客车 y 1 3831x 20 322 0 8732y 1 1687x 5 5969 0 5595 大客车 y 0 9014x 4 3868 0 6097y 0 6423x 14 173 0 5642 小货车 y 1 1016x 18 178 0 7593y 1 1662x 8 5654 0 5638 中货车 y 0 8783x 2 7697 0 5742y 1 3325x 13 397 0 5302 大货车 y 0 6031x 13 949 0 5620y 1 7572x 32 265 0 5070 2 4 本章小结本章小结 本章在对车速影响因素进行介绍的基础上 得知车速与交通量及交通组 成之间存在着密切的关系 之后 通过对代表性车速 交通量关系模型的介 绍 分析各自的使用范围 选择了适应本文实际情况的速度 交通量模型 对于速度 交通组成关系模型 则根据 沈阳 大连高速公路后评价报告 中相关数据 利用spss软件及excel软件进行线性回归得到沈大高速公 路及g202线分车型车速与全车型车速的关系 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 16 第第3章 高速公路对汽车油耗的影响分析章 高速公路对汽车油耗的影响分析 3 1 汽车燃油消耗评价指标的确定汽车燃油消耗评价指标的确定 反映汽车燃油消耗特征的指标有两类 即发动机燃油消耗指标和汽车整 体燃油消耗指标 通常以发动机的比油耗ge g kw h 来评价发动机燃油消 耗 以实际油耗fc ml 或百公里油耗q l 100km 来评价汽车整体燃油 消耗 26 因发动机的比油耗ge未能反映发动机在具体汽车上的功率利用情 况与汽车行使条件的影响 所以这一指标不能用来直接评价整个汽车的燃油 消耗 对于本文而言 为了直观起见 选取等速百公里油耗q对高速公路及 其辅道的汽车油耗进行评价 等速百公里油耗q与汽车油耗模型指标单位油 耗ufc的转换关系式为 360 qufc v 3 1 式中 q 等速车辆百公里油耗 l 100km ufc 车辆单位油耗 ml s v 车辆行驶速度 km h 另外 由于高速公路给交通运输带来更多的是时间效益 即提高了汽车 在单位时间内的运输效率 6 若只考虑机动车油耗并不全面 为综合比较分 析高速公路及其辅道上汽车运输效益 进一步采用如式 3 2 及式 3 3 的汽车运输效率w以及单位时间单位周转量下的每公里油耗q 这两 个指标都综合考虑了汽车的载质量 行驶速度和燃油消耗量 能较全面反映 汽车的运输效益 具体为 2 10 v wm q 3 2 式中 w 汽车运输效率 t km h l km m 载质量 t q 等速车辆百公里油耗 l 100km 1 q w 3 3 第 3 章 高速公路对汽车油耗的影响分析 17 式中 q 单位时间单位周转量下的每公里油耗 l km t km h 其 他符号意义与式 3 2 同 不同的燃油消耗指标可从不同方面对汽车燃油消耗进行评价 表3 1是 对本文所采取的汽车燃油消耗指标的综合表示 表3 1 汽车燃油消耗指标 名词 符号 单位 解释 单位油耗 ufc ml s 汽车油耗模型指标 是汽车油耗的基本指标 等速百公里油耗 q l 100km 汽车以某一车速匀速行驶的油耗 反映汽车 油耗的基本指标 可用于比较同类型汽车在 油耗方面的差异 汽车运输效率 w t km h l km 考虑了汽车的载质量 行驶速度和燃油消耗 量 能较全面反映汽车的运输效益 单位时间单位周转量 下的每公里油耗 q l km t km h 反映汽车油耗的基本指标 是汽车运输效率 倒数 3 2 油耗模型的选择油耗模型的选择 不同的模型具有不同的预测结果 造成模型不同的因素有很多方面 模 型的计算原理 选取的表征参数 模型的地域性等等 但在选择模型的时候 无法将这么多影响因素一一加以讨论比较 尤其是在不能完全验证结果的时 候 在实际条件受限时 理论油耗模型作为研究机动车油耗的工具之一 目 的在于在使用的过程中为中国的机动车燃油消耗规律研究积累数据和经验 而目前中国大部分的油耗模型结果并未得到完全验证 所以应先从实际应用 的角度考虑模型的选择 本文选用由世界银行与亚洲银行联合开发的hdm 4油耗模型对我国机 动车油耗规律进行研究 其选择依据为 1 本文由于客观条件的限制 尚无法实测油耗 2 选择hdm 4油耗模型考虑了当前公路工程货款中世行的项目较 多 金额较大 有尽快实现国际接轨的需求 3 hdm 4油耗模型数据库的完整性 为了使用方便 机动车油耗 模型研究者通常都选择一个或几个与机动车油耗关联最为密切的参数来近似 代表机动车的行驶特征 通过不同的数学方法或物理原理建立这参数与油耗 之间的关系 这些模型之间的差距很大程度上并不是在模型的算法 而是在 基础数据的累积上 越成熟的模型 测试数据库的覆盖面越广 对机动车燃 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 18 油消耗的反映也越真实 模型数据库的完整性也就反映了这些模型的成熟 度 hdm 4油耗模型是以数万次的分车型道路试验为基础建立起来的 其 测试数据库的覆盖面非常广 具有较好的数据库完整性 4 hdm 4油耗模型参数的可获性 模型的参数可获性是指提供模 型所需要数据的能力 这是由模型的开发国和使用国的管理系统的差异造成 的 模型的参数越多 计算的范围越全面 但获取的难度越大 造成的不确 定性也就越大 hdm 4模型所需的参数很多 考虑的范围较全面 而且虽 然所需参数种类很多 但都是在实际应用中较容易获得的 即hdm 4油耗 模型参数具有很强的可获性 5 hdm 4油耗模型的地域性与可移植性 任何一个国外开发的模 型要在中国使用都会存在模型地域性问题 主要表现就是模型的开发工况和 采用的标准体系与中国的实际情况不同 hdm 4油耗模型及参数是以澳大 利亚arfcom油耗模型 biggs 1988 27 为基础标定的 因此hdm 4油耗 模型难免也存在着地域性问题 模型的可移植性能很好的解决模型地域性问 题 模型的可移植性是指根据当地情况对模型中的参数进行修正的难易程 度 反应了模型反应当地情况的能力 而hdm 4油耗模型是个开放的模 型 在实际应用中能较好的根据实际情况进行修正 3 3 hdm 4 理论油耗模型理论油耗模型 3 3 1 车型选择车型选择 利用hdm 4油耗模型预测机动车油耗时 涉及到具体车型的选择 如 rioh 1996a 28 所述 各类车都含有很多种车型 而同类车辆的不同车 型具有相似的特征 因而从理论上讲有可能从中选取一个比例较大的车型 通过这个车型反映所属类别的平均状况 因此 本文对每类车辆选择一个代 表车型用以进行油耗预测 表3 2中各代表车型分别代表小客车 小货车 中货车 重货车及大客车 第 3 章 高速公路对汽车油耗的影响分析 19 表3 2 油耗车型的基本参数 车辆参数 小汽车 轻型载货 汽车 中型载货 汽车 重型载货 汽车 大客车 代表车型 单位 桑塔纳bj130 ca141 jn162 lck6980 载质量 a kg 280 2000 4500 8300 2680 空车质量 b kg 1030 2075 4950 9100 7915 总质量 c a b kg 1310 4075 9450 17400 10595 乘客数 5 3 3 4 42 车身全长 mm 4546 5910 6710 7920 9840 车体全宽 mm 1690 1860 2430 2500 2480 满载车身全高 mm 1427 2100 2410 2901 3250 轮距 mm 1414 1460 1800 1964 1950 发动机类型 jv 492qa2f ca6102 x6130 eq6100 燃料类型 汽油 汽油 汽油 柴油 汽油 额定功率 kw 马力 66 90 62 5 85 99 2 135 154 210 99 2 135 最大转速 r min 5200 3800 3000 2100 3000 最大车速 km h 169 85 90 80 90 轮胎类型 185 70r650 16 825 20 1100 20 900 20 轮胎数量 4 6 6 6 6 轮胎直径 mm 544 714 928 1034 970 齿速比 档位 1 3 454 5 568 7 70 7 034 7 31 齿速比 档位 2 1 944 2 832 4 10 4 594 4 31 齿速比 档位 3 1 286 1 634 2 34 2 638 2 45 齿速比 档位 4 0 909 1 000 1 51 1 554 1 54 齿速比 档位 5 0 794 1 0 1 0 1 00 齿速比 倒档 r 3 167 5 001 8 27 5 968 7 66 差速比 4 111 5 83 5 897 5 196 6 33 3 3 2 hdm 4 油耗模型介绍油耗模型介绍 如本文绪论中所述 在hdm 4油耗模型中 单位油耗是发动机功率和 转速的函数 其中 发动机功率分为两类即内部功率和外部功率 内部功率 用于克服发动机内部摩擦 附属设施 风扇 电机等 运行等阻力 外部功 率则用于克服重力 道路阻力和空气阻力等 hdm 4油耗模型通式为 max ptr ufcpengpaccs edt 3 4 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 20 式中 ufc 单位油耗 ml s 怠速单位油耗 ml s 燃料 功率效率因子 ml kj ptr 发动机外部功率 kw peng 克服发动机内部摩擦功率 kw paccs 克服发动机附属设施运行功率 kw edt 动力传动系效率 1 发动机外部功率ptr 当汽车在道路上行驶时 发动机必须输出外部功率ptr去克服作用于汽 车上的各种外部阻力 外部阻力是道路即环境等阻力的总和 这些阻力主要 包括空气阻力fa 坡度阻力fg 滚动阻力fr 曲度阻力fcr及惯性阻力fi 当汽车稳态行驶时 加速度为零 因而不存在惯性阻力 图3 1给出了车辆 在某一纵坡上所受外部阻力情况 行车方向 图3 1 在纵坡上车辆受力情况 空气阻力fa 空气阻力一般用式 3 5 表示 在式 3 5 中 空气阻力是空气密 度 空气动力系数 车辆挡风面积 车辆速度及风速的函数 具体为 2 0 5 w facdafvv 3 5 式中 fa 空气阻力 n cd 空气动力系数 空气密度 kg m3 第 3 章 高速公路对汽车油耗的影响分析 21 af 汽车挡风面积 m2 v 车辆速度 m s wv 前进反方向方向的风速 m s 通过一系列分析 3 4 29 30 hdm 4模型所采用的空气阻力计算公式如式 3 6 2 0 7