嚴(yán)寒地區(qū)冬季公共汽車行駛工況分析方法研究

【摘要】在公共汽車專用道的保障下，公共汽車在城市交通中占據(jù)越來越重要的地位。然而我國公共汽車的標(biāo)準(zhǔn)難以滿足不同地區(qū)不同的環(huán)境氣候、城市結(jié)構(gòu)、交通法規(guī)、交通狀況、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、駕駛員的習(xí)慣。因此，本文提出針對(duì)北方嚴(yán)寒地區(qū)的冬季公共汽車行駛工況分析方法。將采集到的行駛工況數(shù)據(jù)根據(jù)不同行駛狀態(tài)劃分為若干行駛行程片段，計(jì)算每個(gè)片段的對(duì)應(yīng)特征值，進(jìn)行主成分分析和聚類分析，通過相關(guān)性檢驗(yàn)和有效性檢驗(yàn)后，構(gòu)建適合當(dāng)?shù)氐男旭偣r，并以此作為優(yōu)化北方嚴(yán)寒地區(qū)公共汽車動(dòng)力系統(tǒng)以及提高燃油消耗率，提高乘坐舒適性的參考，間接為機(jī)動(dòng)車污染治理以及交通環(huán)境改善提供支持。

【關(guān)鍵詞】嚴(yán)寒地區(qū)；行駛工況；公共汽車優(yōu)化；主成分分析

1、研究背景和意義

私家車逐年增長不斷增大各大城市的道路和環(huán)境壓力，公共汽車成為更多人出行的選擇，同時(shí)對(duì)道路和環(huán)境壓力可以起到一定的緩解作用。我國所采用的是歐洲車輛工況，引進(jìn)后根據(jù)我國實(shí)際情況經(jīng)過一部分完善形成我國的國家標(biāo)準(zhǔn)。但由于我國各地區(qū)之間的環(huán)境氣候、城市結(jié)構(gòu)、交通法規(guī)、交通狀況、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、駕駛員的習(xí)慣等有很大的不同。對(duì)于公共汽車的適應(yīng)性和舒適性都有不同的要求，因此用單一的國標(biāo)來給所有地區(qū)實(shí)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化很明顯是不準(zhǔn)確的，在不同地區(qū)需要針對(duì)當(dāng)?shù)厍闆r對(duì)公共汽車的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使其在考慮適應(yīng)性和舒適性，提高公共汽車的競爭力，吸引更多的人選擇公共汽車作為交通工具的同時(shí)，提高燃油經(jīng)濟(jì)性、選配出適合在當(dāng)?shù)貙?shí)際運(yùn)行狀況的發(fā)動(dòng)機(jī)，降低公共汽車的尾氣排放，提高市民出行效率。

公共交通系統(tǒng)作為城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，規(guī)范的城市公共汽車交通規(guī)劃，提高城市公共汽車的質(zhì)量，提高市民上下班效率，可以提升城市的形象，為城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。本文針對(duì)中國北方地區(qū)冬季寒冷干燥、長時(shí)間冰雪覆蓋的氣候和路況條件對(duì)公共汽車的行駛工況進(jìn)行分析，為北方相似氣候地區(qū)的公共汽車動(dòng)力選配提供參考依據(jù)。數(shù)據(jù)處理以主成分分析、聚類分析等作為工具，形成片段數(shù)據(jù)庫。上述過程運(yùn)用統(tǒng)計(jì)原理，借助 MATLAB軟件完成。

2、試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

研究有代表性的北方冬季城市和線路，調(diào)研城市公共汽車的運(yùn)行情況，包括城市發(fā)展?fàn)顩r、公共汽車線路規(guī)劃，公共汽車運(yùn)行性質(zhì)、公共汽車運(yùn)載力需求等，分析公共汽車運(yùn)行中的特點(diǎn)和不足，依據(jù)特點(diǎn)選取有代表性的研究城市，再依據(jù)城市的特點(diǎn)選擇有代表性的公共交通線路。對(duì)于行駛工況的統(tǒng)計(jì)分析需要引入一組經(jīng)過測試后統(tǒng)計(jì)的特征值。表1給出了國內(nèi)外一些典型行駛工況部分特征值的對(duì)比分析。

工況構(gòu)建方法分析：搭建試驗(yàn)系統(tǒng)，通過試驗(yàn)時(shí)得到的氣候數(shù)據(jù)組成試驗(yàn)數(shù)據(jù)。選取能夠表征運(yùn)動(dòng)學(xué)片段的特征值，將特征值與運(yùn)動(dòng)學(xué)片段組成特征值矩陣。通過主成分分析法將特征值矩陣降維，通過比較得倒主成分得分矩陣，然后將得到的主成分得分矩陣使用動(dòng)態(tài)聚類的方法嘗試將分開后的主成分得分矩陣分類。并通過對(duì)比調(diào)研的實(shí)際情況和對(duì)比不同情況的行駛數(shù)據(jù)，確定合適的分類數(shù)和各類的類型，最后通過對(duì)不不同工況分類，論證建立統(tǒng)一的公共汽車行駛工況的準(zhǔn)確性。

構(gòu)建冬季北方公共汽車行駛工況，引入無偏估計(jì)理論計(jì)算運(yùn)動(dòng)學(xué)片段與對(duì)應(yīng)分類的相關(guān)性系數(shù)，然后提取相關(guān)性系數(shù)高，速度分布合理的運(yùn)動(dòng)學(xué)片段構(gòu)建公共汽車行駛工況，最后使用原始數(shù)據(jù)特征值驗(yàn)證建立的行駛工況的準(zhǔn)確性。建立公共汽車通用動(dòng)力系統(tǒng)配置模型。使用拉依達(dá)準(zhǔn)則剔除異常數(shù)據(jù)，并分析導(dǎo)致異常數(shù)據(jù)的原因，進(jìn)而提取合理的公共汽車速度值，然后根據(jù)公共汽車時(shí)間-速度曲線計(jì)算公共汽車以實(shí)際能夠達(dá)到的最高速度在平直路面上勻速行駛所需要的輪上功率建立公共汽車通用動(dòng)力系統(tǒng)配置模型。最后將正在運(yùn)行的公共汽車數(shù)據(jù)帶入模型匯總，分析建立的模型的有效性。

3、公共汽車行駛工況構(gòu)建

3.1主成分分析和聚類分析

將初始統(tǒng)計(jì)分析的多個(gè)變量經(jīng)過降維，得到少數(shù)變量，用來比較精確地表達(dá)原有分析結(jié)果，主成分分析的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示：

利用matlab對(duì)線路進(jìn)行主成分分析，得到主成分個(gè)數(shù)，主成分得分，因子載荷圖等相關(guān)信息。第一主成分的主要表征因子有：距離（km）、時(shí)間（s）、平均車速（km/h）、平均行駛速度（km/h）、最大車速（km/h）、最大加速度（m/s2）、平均加速度（m/s2）、最大減速度（m/s2）、加速段平均加速度（m/s2）。第二主成分的主要表征因子有：加速時(shí)間比例（%）、減速時(shí)間比例（%）第三主成分的主要表征因子有：怠速時(shí)間比例（%）、勻速時(shí)間比例（%）。然后，利用快速聚類法，依據(jù)個(gè)體間某類性質(zhì)的親屬程度，將相類似的個(gè)體快速地逐次聚類而進(jìn)行快速歸類。

3.2工況構(gòu)建

在進(jìn)行主成分分析和聚類分析之后，利用有效性檢驗(yàn)特征值和預(yù)擬合數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)來分析處理后的數(shù)據(jù)，在保證各片段的15 個(gè)行駛工況特征值和整體特征值的相關(guān)性系數(shù)在0.95以上的情況下，提取預(yù)擬合數(shù)據(jù)，之后依據(jù)片段有效性驗(yàn)證特征值驗(yàn)證預(yù)擬合數(shù)據(jù)，保證各閾值段的速度、加速度等時(shí)間比例不超過原始數(shù)據(jù)誤差的10%，則可以認(rèn)為擬合數(shù)據(jù)通過驗(yàn)證，最終將選取的數(shù)據(jù)擬合成為工況曲線。經(jīng)過有效性檢驗(yàn)，各特征值和整體誤差都沒超過10%，則認(rèn)為數(shù)據(jù)是有效的。

4、研究展望

從城市化交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，減緩道路壓力和環(huán)境壓力的角度考慮，公共汽車的發(fā)展與優(yōu)化尤為重要。因此，考慮我國南北氣候條件差異大的特點(diǎn)，針對(duì)北方冬季寒冷干燥，冰雪覆蓋的氣候特點(diǎn)總結(jié)公共汽車行駛工況的分析方法，以此作為優(yōu)化北方嚴(yán)寒地區(qū)公共汽車動(dòng)力系統(tǒng)以及提高燃油消耗率，提高乘坐舒適性的參考，間接為機(jī)動(dòng)車污染治理以及交通環(huán)境改善提供支持。

參考文獻(xiàn)

[1]中國報(bào)告大廳數(shù)據(jù)中心.2015.

[2]余志生.汽車?yán)碚摚ǖ谌妫M].機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

作者簡介

欒建澤（1995---），男，漢族，遼寧營口人，吉林大學(xué)交通學(xué)院2013級(jí)本科在讀生，主要研究領(lǐng)域：交通運(yùn)輸（汽車運(yùn)用工程）.