城市交通系统汽车燃油消耗宏观预测方法——以苏州为例

1、城市交通系统汽车燃油消耗宏观预测方法以苏州为例奎些塑三堡兰笆垦兰堡笙！堂笙塑 o9 堡 1 旦oftransportationengineeringandinformationn0.4vo 1.7dec_2009城市交通系统汽车燃油消耗宏观预测方法以苏州为例华智李朝阳上海交通大学，船舶海洋与建筑工程学院，上海200030摘要:通过在苏州进行的城市交通系统汽车燃油消耗试验，分析了城市交通系统中影响汽车燃油消耗的诸因素.在对试验数拯分析的基础上，建立了城市交通系统燃油消耗宏观预测模型,捉出通过城市交通与用地协调发展，交通工程改善，市民错时上下班，公共交通优先等政策和手段降低 汽车油耗，减少能源使用

2、,改善城市环境，形成集约型城市交通体系，最终实现城市的可持续发展. 关键词:城市交通;汽车;燃油消耗;宏观预测模型屮图分类号:u471.23文献标识码:a文章编号:1672-4747(2009)04-0102-07amacroforecastingfuelconsumptionmodelof theurbantransportationsystemtakingsuzhouasanexamplehuazhilichaoyangschoolofnavalarchitecture,oceanandengineering,shanghaijiaotonguniversity,shanghai20003

3、0,china abstract:basedonanalyzingthefactorsaffectingvehiclefuelconsumptionintheurban transportationsystem,anexperimenttoanalyzethevehiciefuelconsumptionwascarried outatsuzhou.then,aruelconsumptionmacromodelwasdevelopedthroughtheexperiment dataregression.toachievethe 1 owervehic 1 efue 1 consumption,

4、reductionofenergyuse 收稿日期:2009.03-03.作者简介:华智（1984 一），男，汉族，江苏镇江人，上海交通大学交通运输规划与管理 系硕士研究乍，研究方向为交通运输规划与管理.城市交通系统汽车燃油消耗宏观预测方法智等 andimprovementoftheurbanerlvironment.somepoliciesandmeanssuchascoordination of urbantransportationandlanddevelopment,trafficengineeringimprovements9staggered workhours,publictra

5、nsportpriorityetc.shouldbeadopted.eventuallyacentralizedurban transportsystemcanberealizedtokeepthesustainabledevelopmentofthecity. keywords:urbantransportation,vehicles,fuelconsumption?macroforecastingmodel 0引言随着我国经济持续快速发展，工业化，城镇化进程加快，居民消费结构更新换代,能源需求不断增长， 与此同时，全球能源消费亦不断壇长，石油价格持续 攀升,可持续发展面临挑战【】交通运输业

6、是能源消 耗的大户,发达国家交通运输业的能耗占全国总能耗 的25%33%.石油是交通运输耗用的主要能源，所 占比重高达90%以上.在各种运输方式中，公路又 是能耗最大的部门，占运输总耗能的80左右在 我国，交通运输更是占全国总能耗的1/3左右.城市交通对城市拓展，经济增长和社会进步起到 了决定性的作用,但城市交通的无序发展也带来了能 源过多消耗，环境污染,交通事故增加和土地资源大 量使用等一些负面影响.环境,能源是未来城市交通系统规划和建设川必 须考虑的因素探索城市交通系统中燃油消耗规律，建立燃油消耗模型及评价方法,是城市交通可持续发 展的前提.2008年，笔者存苏州进行了一系列不同 城市交通

7、状况下小汽车燃油消耗试验,采集了大量试 验数据【3】通过对城市交通系统屮影响汽车燃油消耗 诸因素的分析，笔者利用spss软件分析了试验数据， 研究了城市交通在拥挤和畅通两种情况卜的单位公 里油耗，建立了适合城市交通环境下的汽车燃油消耗 宏观预测模型.1汽车燃油消耗宏观模型简介传统的城市交通系统评价内容侧晕丁交通系统 解决交通问题的能力与水平.新形势下，地市交通系统如何实现口j持续发展， 实现支撑社会经济发展,又体现”人木位”的双重口 标成为当前城市交通的首要问题.通过建立汽车燃油消耗宏观预测模型，科淫预测 存不通交通状况卜汽车燃油消耗水平，是新型城市交 通系统评价体系中的重要环节.1.1国内汽

8、车燃油消耗宏观模型我国对运输系统的燃油消耗规律进行研究始于 20世纪90年代末，交通部公路科研所在”九五”期 问对我国公路上燃油消耗规律进行了大量调查研究， 建立了适合公路上的燃油消耗预测模型1;河北公路 规划设计院在”公路技术经济指标研究叫结合在 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5; 城市交通系统油耗的研究起步稍晚，国内学者王炜通 过人量试验，系统建立了城市交通能源消耗模型； 项乔君研究了城市交通系统屮影u向汽车燃油消耗诸 因素，提出影响汽车实际燃油消耗的主要因素是交叉 口间距和汽车行程时间71:艾国和利用车载行驶工况 测试系统,研究

9、了典型城市道路车辆燃油消耗得出 了车辆的燃油经济性水平在不同的使用环境下存在 显着差骨】；高磊以长春城市道路为研究对象，利用 冋归方法较为准确地对平峰期和高峰期的油耗指标 进行回归分析，建立了主干路,次干路，支路等不同 道路类型下相应的油耗模型1.1.2国外汽车燃油消耗宏观模型国外对汽车油耗的研究始于20世纪20年代,但 多数是针对发动机而言的从70年代开始,受全球 石油危机的影响,运输系统的燃油消耗问题受到了高 度重视，发达同家投入了大量的资金进行这方的研 究，取得了比较系统的成果，建立了简单实用的燃油 消耗宏观模型.模型一 1引:交通运输工程与信息2009年第4期kl+k2t式中:为车辆平

10、均单位油耗(ml/km);k,取决于车辆总质量;取决于车辆怠速油耗;，为车辆单位行程时间(s/km).模型二】：二kl+k2+3ank3=i.式中:,kl,k2,f定义同前;七3为平均一次停车耗油(ml/次);，为怠速油耗(m"s);为平均一次停车延误时间(s/次);a为停车次数极差(次)，定义为车辆在一次交通出行屮,实际停车次数和道路 交叉口数量之差.国外的研究同样证明:在城市交通系统屮，车辆 平均行驶速度越高(该速度有个上限值)，那么对应 的行程时间越短，延误时间越少,燃油消耗越低在 底特律城的一项车辆燃油消耗试验屮,表明城市交通 畅通会减少汽车燃油消耗和废气排放.在交通畅通和

11、拥堵两种状况卜，燃油消耗水平变动幅度达10% 30%t.模型一适用于车辆平均行驶速度低于69km/h的 情况根据试验，参数的具体取值为84.0+1.01, 1模型二是对模型一的后续研究，引入了停车次数 极差，进一步修正了该公式，提高了汽车燃油消耗宏 观模型的精度.2汽车燃油消耗宏观模烈建立以苏州为例2城市交通系统汽车燃油消耗影响因素分析 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g.g/(kw_h)来评价发动机燃油消耗，以 实际油揪ml)或百公里油耗q(i/100km)来评价汽 车整体燃油消耗】城市交通系统汽车燃油消耗宏观预测模型，主要

12、 是研究汽车行驶状况在受到交通量，行驶速度，交叉i i间距和控制方式等影响卜，汽车整体燃油消耗的规 律下面加以简要说明【”.(1)行驶速度汽车行驶速度决定了发动机的功率，转速和变速 器的档位,ii然也就彩响到燃油消耗通常汽车以屮 速匀速行驶时的燃油消耗最少在试验中，行驶速度 通过一次交通出行的行程时间表征.(2)交通量交通量对燃油消耗的影响主要是由于交通量变化时,汽车的行驶速度也发生变化同时，汽车所受 干扰影响变大，汽车也不可能保持匀速行驶.交叉口间距和控制方式交叉口会使得汽车在行驶过程屮的加速,减速所 占有的时间发生变化.在其他条件相同的情况卜'，交 叉口控制方式决定了汽车在交叉口的

13、延误时间:延误 吋间越长，汽车的燃油消耗也越多.2.2苏州城市交通系统汽车燃油消耗试验为了比较由于道路拥挤状况不同所造成的汽车 燃油消耗差异，木次试验在苏州占城区和工业园区分 别选择了两条典型试验路线为了能较实际地模拟城 市汽车驾驶行为,试验选取了具有熟练驾驶水平的出 租车驾驶员进行.2.2苏州城市交通系统汽车燃油消耗试验 试验路线如表1所示.路线一，二位于苏州老城 区,路线三，四位于苏州工业园区,具体线位见图1. 表1试验路线tabexperimentroutes2.2.2试验数据为了研究汽车的行驶状况在受到交通量,行驶速 度,交叉口间距和控制方式等的影响下，汽车整体燃 油消耗的规律，试验记

14、录了车辆的行程距离，行程吋 间，停车次数，停车延误，以及试验道路上的交叉口 个数试验时在每条线路上来回行驶两次，数据分析 整理结杲见表2.城市交通系统汽车燃油消耗宏观预测方法华智等 甚路线一 路线二*嚣口ati:_.ii.i路线三'路线四b图1试验路线fig 1 experimentroutes表2试验数据tab.2experimentdata-+i占交通运输工程与信息2009年第4期2.3苏州城市交通系统汽车燃油消耗试验分析2.3.1试验数据聚类分析聚类分析既口j以对样品聚类（q型聚类），又可以 对变量聚类（尺型聚类）木次处理的数据是城市交通 中汽车单位油耗以及影响单位油耗的各种因素

15、,因此采 用r型聚类.变量聚类的依据是变量间的相似系数【】 采取spss软件对试验数据进行分析，借助 hierarchicalcluster模块，将数据标准化后，采用ward's method聚类方法，设定cosine（夹角余弦）作为距离 测度,得到试验数据聚类的冰柱图，见图2所示.图2的分类仅仅从理论上捉供了对变量进行合罟g耀景单位行程时间/(s/kin)并的方法，究竟将变量分成几类需结合具体研究内容图3汽车单位油耗与单位行 程吋间的关系进一步分析.从城市交通汽车燃油消耗影响因素分析f.g.3r.i.ti.hipb.t.th.f.i.umpt;.结论出发，将变量分为四类比较合理其中单

16、位油耗同单位行程时间，停车延误次数,延误时间归为一类.xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx图2聚类冰柱fig.2ciustericicie此外，根据对城市交通燃油消耗的影响因素分析,单位燃油消耗也和交叉口个数及交叉口控制方式 相关，交叉口个数和控制方式的影响效果口j以通过停 车次数极差表征，在下文汽车燃油消耗非线性模型建 立中有进一步讨论.2.3.2用逐步回归法建立汽车燃油消耗模型 汽车单位油耗与单位行程时间，停车次数极弟的 关系如图3,图4所示可以看出，单位油耗随单位 行程吋间,停车次数极差的增加而增加，主要原因是 gg 耀 爱停车次数极差图4汽车单位油耗与停车次数极差的关系fig.4

17、reiationshipbetweentheruelconsumption andthelevelofparkingnumberofacar单位行程时间越长，表明城市交通状况越差,汽车很 难保持适宜速度行驶减速和加速行驶所占用的吋间 多.停车次数极差越大表明交叉口通行状况越差，汽 车频繁制动和启动这样不仅增加了汽车的能源消 耗，而且也增加了尾气排放和噪咅污染.根据汽车燃油消耗影响因索聚类分析，以及单位 油耗与单-位行程吋间和停车次数极差之间的正线性 相关分析结果，采取spss软件对变量进行分析，借 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

18、xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx城市交通系统汽车燃油消耗宏观预测方法华智等 助regression屮的linear模块，设定95%置信区 问的stepwise,经过多步迭代，得到线性相关分析模 型刚归结果见表3所示.表3模型表达式及相关系数tabi.3modelexpressionsandtheirreiative coefficients常数项1位行程吋间常数项堆位行2程【i寸间30.05663314.7470.0000.7120.0490.96914.6340.00071.8698.1398-8

19、300.000 0.4110.0590.5596.9150.000 鬟蓑 3.5160.6170.4605.696o.从表3可以得出两个单位燃油消耗线性模型：模型 l:=30.1+0.71t模型 2:=719+0,4it+3.52an式中:为车辆单位公里油耗(ml/km):t为车辆单位行程时|rj(s/kin).ai/为停车次数极差(次)， 定义为车辆在一次交通出行中,实际停车次数和道路 交叉口数量之差.模型2中单位行程时间的标准化冋归系数相对停车次数极差的标准化回归系数较大,可知它对汽车 单位油耗的影响较大.从表4中修正判定系数看,随着停车次数极差选入，模型2的拟合情况更好.表4模型总结ta

20、b4modeisummary汽车单位油耗对学,#化残差散点图中，学生化残 差围绕均线均匀分布，人部分残差绝对值在1.5以内, 提示方差齐,模型具有统计学意义，如图5所示.1.51.00.5焉0.0().51.01.5 60.0080.00100.00120.00140.00160.00180.00 单位油耗/(ml/km)图5单位油耗对学生化残弟散点fig.5unitrueiconsumptiontosresid2.3.3汽车燃油消耗非线性模型文中利用逐步冋归法，建立了城市交通系统的 燃油消耗多元线性模型,拟合情况良好，但是仅利 用单位行程时间和停车次数极差未能充分表征城市 交通特征，文献11

21、给出的非线性模型综合考虑了单 位行程时问，单位停车延误时间和停车次数极差， 比较系统地表征了汽车在城市各种交通环境下单位 燃油消耗木节利用试验数据拟合回归了该非线性 模型，见表5.表5参数估计tab5parameterestimates从表5可以得出单位燃涌消耗非线性模型：:62.6+0.46t+o.28?-an式中:为车辆单位公里油耗(ml/km);t为车 辆单位行程吋间(s/kin);为平均一次停车延误吋 问,(s/次);ans为停车次数极差(次);平”值 根据具体城市和出行时问而定.2.4试验结论汽车在主城lx二的平均每公里油耗远高于汽车在 量麟冀交通运输工程与信息2009年第4期工业园

22、区的每公里油耗,在不同的交通拥挤状况下， 每公里油耗变动幅度达14%38%,如图6所示. 180.00160.00立 140.00 120.00墨 too-oo30.00黯60.00图6区位单位油耗箱线fig.6boxpiorsofundifferenttruelconsumptionatlocations这主要原因是主城区道路交通复杂，交叉口间距 较短，车流量大，非机动车干扰较多，车辆很难保持 匀速行驶，减速和加速频繁，导致汽车油耗很高在 参考文献1江泽民对中国能源问题的思考j】.上海交通大学,200&42(3):346-347.2国建华交通运输的可持续发展j.中国铁路， 2003,

23、(12):24-25.【3】上海交通大学.2008苏”城市道路交通发展年度报 告【r】苏州:苏州市规划局,2008.4李朝阳.现代城市道路交通规划【m】.上海:上海 交通大学出版社,2006.【5】潘玉利路面管理系统原理【m】.北京:人民交通 出版社,1998.6王炜，向乔君等城市交通系统能源消耗与环境 彩响分析方法【m】.北京:科学岀版社,2002.【7】项乔君.城市交通系统汽车燃油消耗宏观预测方法土木工程,2004,37(9):104-105.8艾国和.典型城市道路车辆燃油消耗研究【d】.武 汉:武汉理工大学,2005.9高磊基于城市道路工况的汽车燃油消耗模型研 究【d】.吉林:吉林大学,2007.工业园区，上述情况得到很大程度的改善，车辆单-位公里油耗大幅度降低.3结束语本文利用在苏州古城区和工业园区进行的汽车燃油消耗试验获得的数据，通过分析影响汽车燃油消 耗的诸多交通因素，建立了冋归模型,得出了燃油消 耗主要和每公里行程时间，交叉口间距和控制方式， 停车次数密切相关的结论.通过对比车辆在主城区和工业园区的平均每公 里油耗的差异，反映了交通状况对汽车燃油消耗的