我国城市汽车行驶工况调查研究

我国城市汽车行驶工况调查研究1建立城市汽车行驶工况的背景和意义汽车排放污染是目前世界上许多城市都面临的一个环境问题。随着汽车工业的发展，我国汽车保有量年增长率达到了12%以上，民用汽车由1987年的408万辆增至1998年的1 400万辆左右，10 a增长了近3.4倍。此外，农用车目前的保有量达1 500万辆，摩托车的保有量约为4 000万辆。按人口比而言，目前我国汽车数量并不多。但随着经济建设的发展，汽车数量还将迅速增加。特别是我国政府已将汽车工业列为发展其他工业的基础产业1。在我国，由于汽车制造技术水平还比较低，新车排放达标率低，在用车使用年限较长，维修保养制度还不够完善，交通管理，道路设施，法规标准等方面还满足不了汽车工业迅速发展的需要，汽车排放污染已影响到城市环境空气质量，引起了环保部门及人民群众的密切关注。为了有效地控制城市汽车排放污染，必须掌握汽车的排放量，制定出排放削减量，从而确定污染控制技术。单车的排放因子是机动车排放状况的最基本参数，也是确定机动车排放总量及其环境影响的重要依据，而建立汽车行驶工况模式是测试单车排放因子最基础的工作2。目前，我国轻型车排放测试规程采用欧共体的ECE 15工况，该工况属于新车型式认证和产品一致性检查采用的测试工况。若用该工况去测试在用车，由于各城市不同的道路特征、交通流量分布、地理特征、自然环境等等，均会影响到汽车的行驶速度，而车速是影响能耗和排放的重要因素，据此，采用ECE 15工况难以真实地得到城市在用车的实际排放因子和排放量。因此，开展对城市汽车行驶工况的研究是十分必要的。2调查对象城市的选择我国汽车污染突出表现在人口和交通高度集中的大型城市，所以，选择被调查城市一方面应是汽车保有量多，保有量增长速度比较快的城市；另一方面是汽车排放污染比较严重的城市，还须考虑汽车的车型分布应能代表全国绝大多数城市的情况，从而保证研究成果能取得预期的效果。按上述原则选择了北京、天津、上海、大连、广州5个城市作为调查研究城市。北京作为首都，经济发展速度较快，机动车保有量占全国总保有量的1/10，汽车造成的污染严重，NOx成为首要污染物，O3超标也较严重。其他几个城市在机动车保有量、大气污染等方面与北京有相似之处，但又有其自身的特点。天津市是北方海陆交通枢纽，近几年来为适应经济建设的发展，进行了大规模道路建设，市区内已建成3条环线(内、中、外环)，与原来的主干道、次干道形成较为合理的道路网络系统；但在海河西岸的市中心区，由于道路狭窄弯曲，交通仍不通畅，造成市区汽车排放污染严重。上海市是我国最大的工业城市和贸易中心，人口密集，交通繁忙，由于历史原因，许多工业集中在市区，工厂、住宅混杂现象比较突出，加上商业网点稠密且集中于城市中心，来往人流给交通带来很大的压力，研究表明，上海市的平均车速仅15 km/h，对环境造成严重污染。大连市是东北一座新兴的沿海工业和旅游城市，海运、铁路运输和公路交通都较发达，由于市内交通道路已形成固定的格局，道路窄、坡路多，进行道路改造潜力不大，因而，随着机动车保有量逐年增加，市区内的主要交通干道拥堵现象严重，车速降低，加重汽车排气对大气的污染，机动车道路两旁，NOx日均值100%超国家空气质量二级标准。广州市机动车的增长趋势在南方城市具有典型性，19801995年，机动车保有量增加了12.7倍，摩托车增加了29.2倍，且摩托车占机动车保有量的1/3，广州市区街道稠密，道路狭窄，加之汽车与摩托车混行抢道，造成交通堵塞严重，平均车速仅14 km/h，大气污染已非常严重，NOx是其首要污染物。3建立城市汽车行驶工况数据的采集3.1城市道路选择原则城市机动车道路行驶工况是根据车辆在道路上行驶时采集的各种参数，通过专用软件系统处理而建立的一种工况模式。因此，调查道路的选择对于工况模式的建立有着相当大的影响。研究表明，平均车速对城市机动车排放总量影响很大。因此，笔者在选择调查道路时，以平均车速的大小作为主要的选择原则，同时考虑所选道路的交通流量大小、车辆堵塞程度、早晚交通流量变化明显程度以及容易对城市造成严重污染的交通路段。总之，所选道路必须能够综合反映城市道路的整体状况。按上述原则对5个城市的道路选择情况如下：北京市选择3种类型：第1种为快速路，即有立交桥的准高速路(如二环路、三环路)；第2种为一般道路，即三环路以内的有红绿灯的平面交叉的城区道路；第3种为高速路(如首都机场高速、京石高速北京段、京密高速北京段)。广州市选择4种类型：第1种为四车道，基本无红绿灯，路面比较宽，车流量大；第2种为二车道或三车道，有红绿灯的主干道，车流量比较大；第3种为单车道，路面狭窄的商业区道路；第4种为高速路。天津市选择3种类：第1种为环型路(如内环路、中环路)，基本无红绿灯，车流量大；第2种为放射路，环行路之间的主干道，有红绿灯，车流量也比较大；第3种为细路，相当于广州市的单行道，路面狭窄的商业区道路。上海市选择4种类型：第1种为内环高架路；第2种为商业区道路；第3种为城市主干道；第4种为浦东新区道路。大连市选择4种类型：第1种为单行路；第2种为高峰堵车干道路；第3种为一般干道路；第4种为高速路。由于是建立城市汽车行驶工况模式，所以调查道路基本在市区范围内。对于高速公路，单独进行道路行驶工况试验调查，处理数据时不与市区的数据合并处理，而是建立1种单独的高速公路工况模式。3.2城市道路调查方法汽车道路行驶工况调查主要采用2种方法：按照所选的不同类型道路，在不同日期(工作日、休息日)，不同时段(早、中、晚)，逐条道路进行数据采集，调查时应尽量模拟道路上的车流形态特征；先划定一个区域(该区域应包括事先划分的所有不同类型道路)，然后在该区域内随机跟踪一辆行驶的汽车，跟踪时应尽量模拟被跟踪司机的各种驾驶习惯。当被跟踪车辆驶出划定的区域时，停止跟踪，随机挑选下一辆汽车进行跟踪。在调查中，从最后的数据处理结果上看以上2种方法差别不大。所以可以选用其中任何一种方法进行道路行驶工况调查试验。3.3城市道路调查所用的仪器及设备汽车行驶工况调查所需的仪器及设备，见表1。表1工况调查所需的仪器及设备(略) 3.4城市道路数据的采集道路工况调查的数据采集工作，主要通过一套安装在仪器车上的车载数据采集装置(主要由记录仪、速度传感器、储存记忆卡3部分组成)来完成。速度传感器装在仪器车的主传动轴上，用电缆将其与记录仪联结，当车辆行驶时，速度传感器将路面上的各种信号传递给记录仪，然后与记录仪所记下的行驶时间和行驶距离一并转存到记录仪内的储存记忆卡上3。采集数据的时间，工作日为7：3020：00，非工作日为8：3019：00，这样就可以得到车流量高峰期与非高峰期、工作日与非工作日各个时段的车辆行驶参数。采集数据的方法是在所选择道路上往返行驶不少于2次，市中心道路及交通量大的道路往返行驶次数更多，有些多达810次。在进行道路行驶工况实验的时段内，记录仪每隔0.5 s自动记录一次数据，并储存在记忆卡中，在通过主要地点或路口时，人为作一次通过该点的核查记录操作，并将核查点的信号储存在记忆卡中。这种操作便于在工况解析时了解汽车在不同路段的行驶状况。通过对数据的统计分析，判断是否已采集了足够的数据样本，是否能较真实地反映城市道路交通及车辆行驶状况，从而使所建立的道路行驶工况能代表调查城市的实际情况。3.5城市道路调查结果5个城市的调查统计数字列于表2。表2城市道路调查统计表(略)4城市汽车道路行驶工况数据处理4.1原始数据处理道路行驶工况调查所采集的数据，是由记录仪每隔0.5 s自动记录一次得到的。数据进行处理时，必须先将储存记忆卡上的数据通过读写器转换成解压数据包，形成每0.5 s一个的速度数据，然后将其转换成文本文件，最后采用专用软件对道路行驶工况数据进行解析。这样就完成了原始数据的处理工作。4.2道路行驶工况数据的解析对道路行驶工况数据进行解析时，由专用软件将全部数据自动划分成时间间隔为1520 min的区间，计算出各区间数据的速度特征值和全部数据的特征值，根据相关系数的大小选出代表区间。解析过程主要分为4步完成：4.2.1区间数据的形成将全部数据分成若干个区间，每个区间以0 km/h的速度开始，经过1520 min采集的数据为一个区间。4.2.2区间特征参数的统计首先是行驶工况的判别。对每个区间的速度数据进行判别，即：怠速(速度等于0 km/h)、等速(每秒钟的速度变化介于0.5 km/h之间)、加速(每秒钟的速度变化大于+0.5 km/h)、减速(每秒钟的速度变化小于-0.5 km/h)，根据速度变化情况来确定行驶工况。其次是短行程(short trip)的设定。车辆从怠速结束行至下一个怠速开始，这期间所行驶的距离为一个短行程，如图1所示。 图1短行程示意图(略)最后是计算各区间数据的特征值。主要包括：最高速度(km/h)、平均速度(km/h)、怠速时间比例(%)、加速时间比例(%)、等速时间比例(%)、减速时间比例(%)、平均短行程(m)、平均短行程时间(s)、每个短行程的平均工况数、车速变化系数(扣除怠速状态的车速的标准偏差/扣除怠速状态的平均速度)及相关系数等。4.2.3代表行驶工况区间数据的选取代表区间数据是通过相关系数来选取。将每一个区间数据计算出来的特征值与全区间数据的特征值相比较，选择相关性好的数据作为代表区间数据，一般给出3个系数供选择。4.2.4获得工况曲线和特征参数根据每0.5 s采集的速度数据，用EXCEL软件作出代表区间数据的速度与时间变化曲线，将所有参数列于表3。图2为行驶工况操作框图。表3城市道路行驶工况参数表(略) 图2行驶工况解析操作框图(略)5解析结果5.1城市道路行驶工况解析结果根据城市的道路特征及车辆的行驶特征，将城市行驶工况的调查数据按所选择的不同道路类型分别进行处理，得出不同道路类型的行驶工况。同时又将整个城区道路的调查数据进行综合处理，得出城区综合行驶工况，该工况基本代表该城市的道路行驶工况。通过对行驶工况数据的解析，得出城市道路行驶工况特征参数，然后按照选定的代表区间数据，即可建立城市道路行驶工况曲线图。图3就是解析得到的5个对象城市道路行驶工况图。将城市道路行驶工况曲线数据，转化成汽车排放试验用的行驶工况数据文件，输入到实验控制的计算机中，形成排放试验使用的工况曲线。按照这样的工况曲线进行汽车排放试验，就可测出各种汽车在该城市的排放系数，为计算城市的汽车排放提供关键参数。 图35个调查城市道路行驶工况(略)5.2城市道路行驶速度工况解析结果将城市综合道路的调查数据以10 km/h的速度间隔进行划分、解析，得出不同速度类型的工况特征参数，根据相应的速度数据，可以建立城市道路不同速度下的工况曲线图。用这些工况曲线进行汽车排放试验，可以测出不同速度下的排放系数，这样就可以更精确地计算出城市的汽车排放量。6结论五城市的道路行驶工况与ECE 15工况的参数相比较，见表4。从表4可看出，每个城市工况均与ECE 15-04工况有明显差别。平均速度方面，北京、天津与其相差不大，但上海、广州却明显低于ECE 15工况。怠速比例除上海市外，均低于ECE 15工况。加速比例和减速比例，5个城市均高于ECE 15工况。等速比例除大连外，其他城市均低于ECE 15工况。这说明中国城市的行车条件普遍较差，道路不畅，平均速度低，另外，较高的加、减速时间比率和较低的等速时间比率，反映出城市中的机动车始终处于急起、急停的运行状态之中，既增加了排放，同时也使得燃油经济性降低。表4工况参数对照表(略) 从表4还可以发现，每个城市的平均车速都小于20 km/h(大连除外)，而车速是影响能源消耗和污染物排放的一个重要因素。经北京市有关研究证明，当车速为10 km/h时，CO的排放是车速为20 km/h的1.6倍，HC的排放是1.63倍，所以提高行车速度，能在很大程度上降低汽车排放污染。道路类型的不同，对汽车排放污染物有很大影响。如北京市的快速路，其怠速比例为0.33%，而有红绿灯的城区道路的怠速比例为23.61%；天津市中环路的怠速比例为12.64%，而城区窄街路则为20.48%；大连市一般主干道的怠速比例为2.54%，而单行路则为6.54%；上海市的内环高架路的怠速比例为1.22%，而商业区道路比例则为33.15%；广州市的三车道(二车道)的怠速比例为10.91%，而单行道则为17.76%。四车道是市中心的环市路，东风路及中山路等主要干道，车流量大，堵车严重，所以怠速比例为19.40%。汽车在怠速时，其排污量比其他工况下要高，据统计，怠速时CO的排放量是加速时的1.6倍，等速时的1.8倍。据此，改善城市道路交通系数，将有助于减少汽车排放污染。若