基于GPS/GIS數(shù)據(jù)的短行程工況構(gòu)建方法研究*

杜常清 汪雨航 張 佩

(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院 武漢 430070)

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基于GPS/GIS數(shù)據(jù)的短行程工況構(gòu)建方法研究*

杜常清 汪雨航 張 佩

(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院 武漢 430070)

基于GPS/GIS數(shù)據(jù)的短行程工況構(gòu)建方法,根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果計(jì)算得到城市區(qū)域、道路等級(jí)和運(yùn)行時(shí)間段的加權(quán)因子，并闡述了加權(quán)因子的運(yùn)用方法.針對(duì)城市道路等級(jí)的特點(diǎn)，將工況分為支路、干道、主干道和快速路4個(gè)部分，根據(jù)短行程的方法分別構(gòu)建.將各部分構(gòu)建的工況組合得到完整的城市工況.計(jì)算構(gòu)建工況的特征參數(shù)，并與整個(gè)城市短行程數(shù)據(jù)庫(kù)的特征參數(shù)比較，發(fā)現(xiàn)平均相對(duì)誤差為2.12%，能代表道路的實(shí)際行駛工況.

工況構(gòu)建；GPS/GIS；加權(quán)因子

0 引 言

汽車行駛工況是汽車行業(yè)的一項(xiàng)重要的、共性基礎(chǔ)技術(shù)，是車輛能耗與排放測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，是汽車各項(xiàng)性能指標(biāo)標(biāo)定優(yōu)化時(shí)的主要基準(zhǔn).目前，歐、美、日等汽車發(fā)達(dá)國(guó)家，均采用適應(yīng)于各自的汽車行駛工況標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行車輛性能標(biāo)定優(yōu)化和能耗與排放認(rèn)證.本世紀(jì)初，我國(guó)政府為了促進(jìn)汽車節(jié)能減排技術(shù)進(jìn)步和保護(hù)環(huán)境，在沒(méi)有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)積累的情況下，直接采用歐洲的行駛工況，實(shí)施汽車產(chǎn)品能耗和排放的認(rèn)證，有效地促進(jìn)了汽車節(jié)能減排和技術(shù)的發(fā)展[1].但是，以歐洲工況為基準(zhǔn)所優(yōu)化標(biāo)定的汽車，實(shí)際使用中的排放性能和燃油消耗與優(yōu)化標(biāo)定值相差也越來(lái)越大.以此為基礎(chǔ)實(shí)施的排放法規(guī)和能耗標(biāo)準(zhǔn)，直接影響我國(guó)節(jié)能減排政策的實(shí)施效果.因此，構(gòu)建出基于國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的城市工況循環(huán)迫在眉睫.

目前用于構(gòu)建城市工況的方法有短行程方法、馬爾科夫方法、小波變換方法和聚類的方法等[2]，其中短行程的方法為各種方法的基礎(chǔ).本文提出的基于GPS/GIS的短行程構(gòu)建方法，創(chuàng)新性地將交通領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)應(yīng)用于城市工況構(gòu)建中，在不引入復(fù)雜數(shù)學(xué)方法的前提下，利用傳統(tǒng)的短行程方法得到代表性強(qiáng)的城市工況循環(huán).

1 短行程的工況構(gòu)建方法

短行程是指從一個(gè)怠速開(kāi)始到下一個(gè)怠速開(kāi)始的運(yùn)動(dòng)行程，通常包含一個(gè)怠速部分和一個(gè)行駛部分.每一行程被定義為一段行駛路徑，收集了試驗(yàn)車的速度和時(shí)間.

傳統(tǒng)的短行程構(gòu)建方法為：利用試驗(yàn)車輛在選取的城市道路上行駛，并利用設(shè)備記錄速度和時(shí)間等數(shù)據(jù).對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行短行程分割，將具有相同交通特征的短行程歸為一類，從每一類中隨機(jī)抽取短行程構(gòu)建備選工況.計(jì)算所有備選工況和原實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的特征參數(shù)，選擇特征參數(shù)平均誤差最小的工況作為最終構(gòu)建工況.該方法具有構(gòu)建過(guò)程簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但是往往由于采集的數(shù)據(jù)量有限，路線規(guī)劃不合理，路線覆蓋范圍小等，而導(dǎo)致構(gòu)建的工況不能真實(shí)地反映城市中車輛實(shí)際運(yùn)行的特點(diǎn)，構(gòu)建工況和實(shí)際車輛運(yùn)行工況差別大.

因此，在工況構(gòu)建之前，利用GPS/GIS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出城市內(nèi)車輛使用特征，運(yùn)用該統(tǒng)計(jì)結(jié)果確定構(gòu)建工況各部分的權(quán)值.再運(yùn)用短行程的方法，根據(jù)城市道路等級(jí)，選取短行程構(gòu)建各等級(jí)道路的備選工況.合并各等級(jí)最終工況，得到完整的工況循環(huán).通過(guò)加權(quán)，使不同來(lái)源(區(qū)域、道路等級(jí)和時(shí)間段)的短行程數(shù)據(jù)在構(gòu)建工況時(shí)被獲取的概率不同，即讓市區(qū)實(shí)際工況中越多出現(xiàn)的短行程越有可能被納入最終的工況循環(huán)中，使得構(gòu)建的工況能真實(shí)有效地反映城市車輛運(yùn)行的實(shí)際工況.

2 GPS/GIS數(shù)據(jù)處理方法

傳統(tǒng)的工況構(gòu)建研究中為保證工況的代表性，需要收集城市道路的交通量信息以進(jìn)行路徑規(guī)劃.道路流量獲取手段有視頻檢測(cè)、感應(yīng)線圈檢測(cè)、紅外檢測(cè)等，這些方法不僅投入大，而且靈活性差，不可能獲取到大范圍的道路流量數(shù)據(jù).文中借助GPS/GIS數(shù)據(jù)估算道路實(shí)時(shí)的交通量，以統(tǒng)計(jì)出城市中車輛的使用特征，即城市中車輛在不同區(qū)域、不同道路和不同時(shí)間段中的分布.

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

GPS/GIS數(shù)據(jù)來(lái)自某出租車公司的運(yùn)行車輛，設(shè)備記錄下車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行的時(shí)間、速度、方向和位置信息，通過(guò)與基于GIS平臺(tái)的數(shù)字地圖匹配，將車輛位置關(guān)聯(lián)到實(shí)際的城市道路上，獲得城市道路的實(shí)時(shí)車速[3-4].該數(shù)據(jù)每5 min更新一次，每條道路每天可以獲取288次速度數(shù)據(jù).

2.2 流量模型構(gòu)建

2.2.1 交通運(yùn)行指數(shù)

為了更加直觀地反應(yīng)道路的擁堵情況，部分城市提出了指數(shù)化的道路運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)，北京市和上海市都提出了適應(yīng)于自己城市的道路交通擁堵指數(shù)(traffic performance index, TPI).由文獻(xiàn)[5]可知，將道路交通運(yùn)行指數(shù)定義為：能綜合反映道路交通運(yùn)行狀況的指標(biāo).交通運(yùn)行指數(shù)是通過(guò)交通調(diào)查并對(duì)路況進(jìn)行標(biāo)定得到的，其目的是建立道路車輛運(yùn)行速度與道路擁堵程度的關(guān)系.表1為TPI賦值依據(jù).

表1 交通運(yùn)行指數(shù)賦值表

2.2.2 車輛行駛時(shí)間

車輛行駛時(shí)間(vehicle-hours traveled,VHT)是指路段上平均交通量與車輛平均時(shí)間的乘積，包含了路段長(zhǎng)度和交通擁堵的雙重影響.不僅體現(xiàn)了交通負(fù)荷和交通強(qiáng)度，同時(shí)也能夠反映出出行者對(duì)于道路的交通需求[6].因此，在文中用VHT代替?zhèn)鹘y(tǒng)交通量，作為后文權(quán)重計(jì)算的基礎(chǔ).

對(duì)于任意道路，在統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)的VHT的計(jì)算公式為

(1)

式中：VHTi為統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)的車輛行駛時(shí)間；qi為該路段的車流量；ti為車輛的平均行程時(shí)間；Li為該路段的長(zhǎng)度；vi為平均行程車速.

2.2.3 速度-流量模型

速度-流量模型是將GPS/GIS數(shù)據(jù)中得到的速度信息，轉(zhuǎn)換為流量信息.

根據(jù)交通指數(shù)的大小將道路的擁堵情況分為3個(gè)等級(jí)分別為：暢通(VHT≤4)、緩行(47)，采用3段式速度-流量模型分段擬合[7].

式中：q為小時(shí)交通量；u為平均車速；kj為道路的堵塞密度；uf為道路的自由流速度；n為道路的車道數(shù).

對(duì)于不同等級(jí)的道路，其特征參數(shù)kj和uf是各不相同的.在確定模型的過(guò)程中，認(rèn)為道路一天最高的車速是自由流的車速.對(duì)于每種等級(jí)的道路，其阻塞密度的取值可以通過(guò)小范圍的道路抽樣，得到實(shí)測(cè)的交通流數(shù)據(jù)，再進(jìn)行反推計(jì)算得到[8].

需要指出的是該模型是理論模型，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)的交通量一定有差異，但是考慮到建立該模型的目的并不是為了獲取準(zhǔn)確無(wú)誤的交通量數(shù)據(jù)，而是在于反映出不同道路等級(jí)、不同區(qū)域和不同時(shí)間段交通量之間的差異，因此認(rèn)為該模型符合使用要求.

2.2.4 區(qū)域VHT以及各等級(jí)道路VHT的計(jì)算方法

將計(jì)算得到的小時(shí)交通量轉(zhuǎn)化為5 min交通量并由其求得5 min的VHT.累計(jì)每個(gè)5 min的交通量，可得到1 d總的交通量.在計(jì)算的過(guò)程中，還應(yīng)根據(jù)道路等級(jí)分類計(jì)算相應(yīng)的VHT總量.計(jì)算公式如下.

(3)

(4)

(5)

式中：q5 min為5 min交通量；vt為測(cè)試路段的平均車速；VHTid,day為代號(hào)為id的道路1 d的車輛行駛時(shí)間.

而在實(shí)際獲得的數(shù)據(jù)中，會(huì)存在一定的數(shù)據(jù)丟失或者在某些時(shí)間段道路上并沒(méi)有浮動(dòng)車駛過(guò)的情況，于是這些路段1 d的數(shù)據(jù)記錄沒(méi)有達(dá)到288次，此時(shí)將計(jì)算得到的結(jié)果按一定的比例放大.

(6)

式中：VHTi,day為按比例放大后道路的車輛行駛時(shí)間；k為道路數(shù)據(jù)的記錄次數(shù)；

按照道路等級(jí)計(jì)算1 d中每個(gè)等級(jí)道路的VHT總量為該等級(jí)所有道路的VHT的總和，即:

(7)

式中：i為某一個(gè)道路等級(jí)；n為該道路等級(jí)的道路數(shù)目.

累計(jì)每個(gè)道路等級(jí)的VHT就可以得到整個(gè)地區(qū)1 d總的車輛行駛時(shí)間，即:

(8)

GPS/GIS數(shù)據(jù)的處理方法流程見(jiàn)圖1.

圖1 數(shù)據(jù)處理流程圖

3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果在工況構(gòu)建中的應(yīng)用

3.1 區(qū)域加權(quán)

城市不同區(qū)域由于地理?xiàng)l件、區(qū)域功能、常住人口以及經(jīng)濟(jì)因素，引發(fā)居民的出行行為并不相同[9].同時(shí)，由于區(qū)域的道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不一致，道路條件不相同，車輛在不同城市區(qū)域的道路上行駛，會(huì)處于不同的工況.為了構(gòu)建的城市工況能夠反映整個(gè)城市中車輛的運(yùn)行狀態(tài)，需要將試驗(yàn)車輛采集數(shù)據(jù)的范圍覆蓋到城市的所有區(qū)域，并且在構(gòu)建城市短行程數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)進(jìn)行區(qū)域加權(quán)，以反映出不同區(qū)域的特點(diǎn).

3.1.1VHT的區(qū)域分布差異

由數(shù)據(jù)處理過(guò)程得到統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)每個(gè)區(qū)域所有道路的VHT信息.為保證圖像的可讀性，每個(gè)等級(jí)選擇了5條來(lái)自不同區(qū)域的道路，以30 min為觀測(cè)時(shí)間單位，作VHT隨時(shí)間變化折線圖，見(jiàn)圖2.

圖2 城市不同區(qū)域VHT-時(shí)間曲線圖

由圖2可知，來(lái)自不同城市區(qū)域的相同等級(jí)的道路，其VHT隨時(shí)間變化規(guī)律不同；并且相同等級(jí)道路承擔(dān)的交通量差別也很大.

3.1.2 區(qū)域權(quán)重的計(jì)算方法

利用m程序計(jì)算統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)每個(gè)區(qū)域的VHT和城市總VHT，區(qū)域加權(quán)因子即為該區(qū)域VHT與城市總VHT之比.

(9)

式中：WFarea為某區(qū)域的加權(quán)因子；VHTarea為該區(qū)域的VHT量；VHTcity為城市的VHT總量.

3.1.3 區(qū)域權(quán)值的應(yīng)用方法

在城市不同區(qū)域采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯合得到城市的工況數(shù)據(jù)庫(kù)之前，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除無(wú)效的數(shù)據(jù).預(yù)處理之后，統(tǒng)計(jì)出每個(gè)區(qū)域有效數(shù)據(jù)的總時(shí)長(zhǎng)，即該區(qū)域所有短行程總的時(shí)間長(zhǎng)度.調(diào)整各個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)量(用總的時(shí)間長(zhǎng)度表示)，使各區(qū)域的數(shù)據(jù)量之比等于加權(quán)因子之比.

3.2 道路等級(jí)加權(quán)

在市區(qū)不同速度等級(jí)的道路上行駛的車輛，由于道路本身的設(shè)計(jì)不同[10]，車輛的運(yùn)行狀態(tài)及相應(yīng)采集的數(shù)據(jù)必然會(huì)存在差異.因此，構(gòu)建的工況中將分為4個(gè)部分，對(duì)應(yīng)于城市中4個(gè)等級(jí)的道路.

3.2.1 不同等級(jí)道路上車速的分布

利用SPSS軟件，根據(jù)車輛的速度和時(shí)間數(shù)據(jù)繪制出1 d內(nèi)不同等級(jí)道路上車速隨時(shí)間(單位為分鐘)變化的散點(diǎn)圖，見(jiàn)圖3.

圖3 不同等級(jí)道路速度隨時(shí)間變化圖

由圖3可知，等級(jí)越高的道路，車輛行駛速度越趨于高，出現(xiàn)堵車(車速為0)的幾率更?。欢缆返燃?jí)越低，車輛行駛的速度越趨于分布較低的位置；在不同等級(jí)的道路上運(yùn)行的車輛具有不同的速度特性.所以，給不同等級(jí)的道路施以不同的權(quán)重是必要的，能夠反應(yīng)出城市不同等級(jí)道路上車輛運(yùn)行的特點(diǎn).

3.2.2 道路等級(jí)權(quán)重計(jì)算方法

由數(shù)據(jù)處理得到的每個(gè)城市在統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)各道路等級(jí)的VHT以及該城市總的VHT.計(jì)算出各個(gè)等級(jí)道路的VHT在城市總的VHT中的比例，就可以得到各個(gè)道路等級(jí)的加權(quán)因子.統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)的加權(quán)因子計(jì)算公式為：

(10)

式中：WFrate為rate等級(jí)道路的加權(quán)因子；VHTrate為rate等級(jí)道路在統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)總的VHT；VHTall為統(tǒng)計(jì)時(shí)段內(nèi)所有等級(jí)VHT的重量，也就是城市總VHT.

3.2.3 道路等級(jí)權(quán)重運(yùn)用方法

1) 工況循環(huán)中的各道路等級(jí)部分 根據(jù)城市道路等級(jí)，將工況循環(huán)分為快速路段、主干道段、干道段和支路段.每個(gè)部分的工況由來(lái)自該等級(jí)道路的數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建，四個(gè)部分合起來(lái)構(gòu)成整個(gè)工況循環(huán).

2) 道路等級(jí)權(quán)重施加 在進(jìn)行道路等級(jí)加權(quán)之前需要先確定工況循環(huán)的長(zhǎng)度，如在WLTC項(xiàng)目中將工況將總時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為1 800 s，NEDC將工況設(shè)置為1 200 s[11].文中將循環(huán)總時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為1 200 s，利用率越高的速度等級(jí)應(yīng)該在循環(huán)中占據(jù)越長(zhǎng)的時(shí)間.由此可得各道路等級(jí)部分的時(shí)間長(zhǎng)度為

(11)

式中：rate為不同的道路等級(jí)；T為整個(gè)工況循環(huán)的時(shí)間長(zhǎng)度；WFrate為該道路等級(jí)的加權(quán).

3.3 時(shí)間段加權(quán)

將高峰時(shí)段定義為早6點(diǎn)至晚10點(diǎn)，其余時(shí)間定義為非高峰時(shí)段，并且只針對(duì)來(lái)自干道和支路的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間段加權(quán).計(jì)算流程見(jiàn)圖4.

圖4 時(shí)間段權(quán)重計(jì)算流程圖

3.3.1 權(quán)重計(jì)算方法

(12)

(13)

式中：WFi,peak為i等級(jí)道路高峰時(shí)間段的加權(quán)因子；VHTi,peak為該等級(jí)道路高峰時(shí)間段的VHT；VHTirate為該等級(jí)道路總的VHT；WFi,no-peak為該等級(jí)道路非高峰時(shí)段的加權(quán)因子.

3.3.2 時(shí)間段權(quán)重的運(yùn)用

道路等級(jí)加權(quán)完成之后，工況循環(huán)的各個(gè)部分的時(shí)間長(zhǎng)度已經(jīng)被確定.根據(jù)實(shí)驗(yàn)車輛采集得到的短行程數(shù)據(jù)，計(jì)算出每個(gè)道路等級(jí)的平均短行程時(shí)間長(zhǎng)度，就能得到每個(gè)道路等級(jí)需要的短行程的數(shù)目.

在構(gòu)建工況之前，使用于構(gòu)建主干道和支路工況的數(shù)據(jù)庫(kù)中，高峰時(shí)段數(shù)據(jù)與非高峰時(shí)段數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度(該道路等級(jí)所有短行程時(shí)間長(zhǎng)度之和)之比等于不同時(shí)段的加權(quán)因子之比.

當(dāng)時(shí)間段加權(quán)完成后，每個(gè)道路等級(jí)的代表性短行程數(shù)據(jù)庫(kù)就構(gòu)建完成了.

4 工況構(gòu)建

在后續(xù)的構(gòu)建工作中，因?yàn)楦黜?xiàng)加權(quán)完成，整個(gè)工況循環(huán)的框架已經(jīng)搭建起來(lái)，并得到各等級(jí)道路的短行程數(shù)據(jù)庫(kù).此后，針對(duì)每一個(gè)道路等級(jí)部分，運(yùn)用傳統(tǒng)短行程的方法，從相應(yīng)的短行程數(shù)據(jù)庫(kù)中選取短行程構(gòu)建備選工況，計(jì)算每部分備選工況的特征參數(shù)和特征參數(shù)的平均相對(duì)誤差，選擇平均相對(duì)誤差最小的作為該部分的最終工況.組合各部分的最終工況得到完整的城市工況.

利用基于GPS/GIS數(shù)據(jù)的短行程方法構(gòu)建的城市工況見(jiàn)圖5.計(jì)算該工況的特征參數(shù)與城市短行程庫(kù)的特征參數(shù)，如表2.計(jì)算得到平均相對(duì)誤差為2.12%，最大的相對(duì)誤差為5.72%，表明利用該方法構(gòu)建的城市工況具有良好的代表性.

圖5 基于GPS/GIS數(shù)據(jù)的短行程方法構(gòu)建的工況

特征參數(shù)全體短行程庫(kù)構(gòu)建工況相對(duì)誤差/%Vm/(km·h-1)37.337.450.40Vmr/(km·h-1)41.8542.822.27δv/(km·h-1)20.8519.970.4amax/(m·s-2)2.952.960.34amin/(m·s-2)-3.11-3.071.30Pm/kW2.152.202.27pi/%14.6814.531.02pa/%30.9729.823.86pc/%22.5623.935.72pd/%30.5131.753.28aa/(m·s-2)0.830.852.35ad/(m·s-2)-0.71-0.71.43

5 結(jié) 論

1) 根據(jù)城市交通的特點(diǎn)，提出了基于道路擁堵指數(shù)的三段式速度-流量模型；

2) 提出了GPS/GIS數(shù)據(jù)的處理方法，利用VHT代替交通量來(lái)反應(yīng)道路的交通負(fù)荷和需求；

3) 提出了不同種類權(quán)重的計(jì)算方法和在工況構(gòu)建中的運(yùn)用方法；

由于采用的速度-流量模型是基于傳統(tǒng)的交通流理論中速度、密度和流量三者的關(guān)系，與實(shí)際道路交通量有一定的差異，可能造成權(quán)值的偏差.同時(shí)，在將來(lái)構(gòu)建各部分工況的過(guò)程中，可以引入聚類分析和主成分分析降維，以減少構(gòu)建過(guò)程中隨機(jī)抽取造成的較大的計(jì)算量.

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[2]姜平．城市混合道路行駛工況的構(gòu)建研究[D]．合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2011．

[3]張建華．基于GPS浮動(dòng)車獲取道路實(shí)時(shí)車速的方法研究[D]．昆明：昆明理工大學(xué)，2013．

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Research on Short Trip Driving Cycle Development Based on GPS/GIS Data

DU Changqing WANG Yuhang ZHANG Pei

(SchoolofAutomotiveEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)

A modified short trip cycle development method is proposed, based on GPS/GIS data，different weighting factors to area, road level and running period are given according to the statistic result, and the ways to apply these weighting factors are defined. In accordance with different road levels in urban area, the driving cycle consists of four phases which respectively represent the fast road, main artery, artery and trail. All phases are developed via shot trip method and the whole driving cycle is achieved by combining the four phases. Characteristic parameters of the developed cycle are calculated and compared with that of the urban short trip database, with the finding that the average relative error is 2.12%, which proved the representatives of the cycle developed.

driving cycle development; GPS/GIS; weighting factor

2016-08-26

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275367)、國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAG09B00)資助

U491.11 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.009

杜常清(1975- )：男，博士，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)檐囕v新能源及其動(dòng)力裝置