基于服務(wù)水平的公交車能耗評價方法

徐 龍，劉 瑩，張建波，吳克寒

(1.北京交通發(fā)展研究院，北京100073；2.北京交通大學(xué)，北京100044；3.北京工業(yè)大學(xué)，北京100124)

0 引言

提升公交服務(wù)水平是提高城市公交出行分擔(dān)率的必要條件，是改善城市交通擁堵實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)化發(fā)展的重要手段.探索公交服務(wù)水平與能耗的相關(guān)關(guān)系，從兼顧節(jié)能減排的角度出發(fā)，為改善城市公交服務(wù)水平提供參考依據(jù)，逐步顯得更加重要.

公交服務(wù)水平[1]是評價公共交通系統(tǒng)為出行者提供載運(yùn)服務(wù)的可達(dá)性、舒適性等出行者直接感受的衡量標(biāo)準(zhǔn)，很大程度上依賴于公交線網(wǎng)規(guī)模和線路發(fā)車頻率等因素，而這些又與公交的能耗[2-3]直接相關(guān)，因此公交服務(wù)水平與能耗存在一定的相關(guān)關(guān)系.

然而現(xiàn)有的公交服務(wù)水平與能耗研究多從單一角度出發(fā)，很少兼顧公交服務(wù)水平改善與節(jié)能減排的雙重目標(biāo).同時，雖然針對影響公交服務(wù)水平或公交能耗的分析很多，但是對關(guān)鍵因素[4]的量化關(guān)系卻缺乏討論.本文旨在從影響公交服務(wù)水平與能耗的相關(guān)因素出發(fā)，構(gòu)建公交服務(wù)水平與公交能耗的量化關(guān)系，為公交服務(wù)水平改善和節(jié)能減排提供支持，具體思路如圖1所示.

1 公交服務(wù)水平與能耗影響因素

在公交服務(wù)水平研究方面，文獻(xiàn)[1]和[5]分析了公交出行分擔(dān)比例、公交換乘距離、公交發(fā)車頻率[6]、運(yùn)行速度、出行時間、滿載率等刻畫公交服務(wù)水平的指標(biāo).不同的評價指標(biāo)反映了公交車輛運(yùn)行的不同狀態(tài)，而油耗和公交運(yùn)行狀態(tài)緊密相關(guān).

在公交能耗研究方面，現(xiàn)有研究多從工況角度出發(fā)，涉及的影響因素主要有車重、速度、車輛性能等.如Wang等[7]以工況為基礎(chǔ)分析燃油類型對北京本地化的公交能耗影響.Zhai等[8]應(yīng)用機(jī)動車比功率(Vehicle Specific Power,VSP)方法研究柴油公交車的影響因素，認(rèn)為車輛的滿載、半載或空載等不同狀態(tài)也會影響油耗.當(dāng)交通條件發(fā)生變化時，公交行駛工況[9]的變化也會影響公交能耗.當(dāng)公交車輛以過低或者過高車速行駛時，其能耗都會大幅增加.王延偉[10]提出了公交車節(jié)能駕駛技術(shù)方案，詳細(xì)指出駕駛員的駕駛技術(shù)、駕駛習(xí)慣等因素也會影響公交車輛的能耗水平.此外，從運(yùn)行狀態(tài)來看，不同道路類型上公交車速度不同，能耗也會不同[11]，比如有公交專用道的路段和無公交專用道的路段公交能耗有明顯差異.

總結(jié)來看，公交能耗影響因素主要有行駛速度，載客量即滿載率[12]和道路條件等.而滿載率、行駛速度等因素同時也是評價公交服務(wù)水平的重要指標(biāo).如圖2所示，綜合公交服務(wù)水平與能耗的共同影響因素主要包括：滿載率、空調(diào)狀態(tài)、行駛速度、發(fā)車間隔和是否有公交專用道等.但現(xiàn)有研究缺乏綜合考慮服務(wù)水平與公交能耗估算和評價之間的量化關(guān)系，尚不能綜合評價公交服務(wù)質(zhì)量和節(jié)能減排.

圖2 公交服務(wù)水平與能耗影響因素相關(guān)性分析Fig.2 Correlation analysis of the impact factors of bus service level and energy consumption

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

本文數(shù)據(jù)主要包括公交能耗數(shù)據(jù)[13-14]、公交IC卡數(shù)據(jù)[15]和北京市GIS地圖.能耗數(shù)據(jù)通過在公交車上安裝CAN總線監(jiān)測設(shè)備，獲取位置、速度、里程、能耗等相關(guān)數(shù)據(jù)；IC卡數(shù)據(jù)記錄有車輛自編碼、線路編號、乘客刷卡時間和上下車站點(diǎn)編號等信息，由此可獲得公交的發(fā)車間隔和不同站點(diǎn)間滿載率等信息[16].

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在數(shù)據(jù)融合前，分別從空間、時間和狀態(tài)層面進(jìn)行清洗.通過設(shè)定清洗規(guī)則，剔除原始數(shù)據(jù)中的空值、錯值和明顯不合理數(shù)據(jù)等.本文對不同線路依據(jù)道路屬性、行駛狀態(tài)等因素劃分不同的道路斷面，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取較為精確的斷面能耗值數(shù)據(jù).

2.3 數(shù)據(jù)融合

數(shù)據(jù)融合主要利用地理信息系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的空間層面分類，利用電子表格進(jìn)行時間層面、狀態(tài)層面的分類.數(shù)據(jù)融合如圖3所示.

公交能耗數(shù)據(jù)與IC卡數(shù)據(jù)融合示例如表1所示.

圖3 數(shù)據(jù)融合思路Fig.3 The data fusion scheme

表1 公交能耗數(shù)據(jù)與IC卡數(shù)據(jù)融合結(jié)果Table 1 The fusion result of the bus energy consumption and IC card data

2.4 分屬性數(shù)據(jù)提取

為精細(xì)量化不同屬性對公交能耗的影響特征，本文采用基于時空特性的數(shù)據(jù)屬性分類方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分類.數(shù)據(jù)屬性分類既要體現(xiàn)道路條件對公交車能耗的影響，同時還要體現(xiàn)交通擁堵情況、車輛運(yùn)行狀態(tài)、車型等因素的影響，具體如圖4所示.

圖4 基于時空特性的屬性劃分Fig.4 Property division based on time and space characteristics

3 公交服務(wù)水平與能耗的相關(guān)性分析

3.1 因素選取

本文選擇速度、滿載率和車型3個關(guān)鍵因素作為分析對象，討論公交服務(wù)水平與能耗的關(guān)系.各影響因素的計(jì)算方法如下：

速度=行駛距離/行駛時間，其中行駛距離根據(jù)公交路線斷面間的逐秒經(jīng)緯度坐標(biāo)計(jì)算得到，行駛時間為選取斷面間的行駛時間差.

滿載率=載客數(shù)/額定載客量，滿載率對應(yīng)公交線路相鄰兩站之間的斷面.

車型則分為單機(jī)、鉸接和雙層3種類型.

3.2 單影響因素與能耗的相關(guān)性分析

(1)速度和能耗相關(guān)性.

統(tǒng)計(jì)早高峰(8:00-9:00)48輛次公交車的能耗與IC卡數(shù)據(jù)，車速分布在10～30 km/h，早高峰公交運(yùn)行速度和百公里能耗之間呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)性，如圖5所示.

圖5 公交車百公里能耗與運(yùn)行速度的相關(guān)性Fig.5 The correlation between energy consumption per 100 km and speed of buses

利用SPSS對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析.不同函數(shù)形式的相關(guān)性如表2所示，冪函數(shù)形式下公交運(yùn)行速度和百公里能耗的擬合曲線的決定系數(shù)(R2)最高，為0.504.

表2 公交運(yùn)行速度和百公里能耗相關(guān)性擬合結(jié)果Table 2 The correlation fitting results of bus speed and energy consumption per 100 km

(2)滿載率和人均能耗相關(guān)性.

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，早高峰(8:00-9:00)間44輛次公交車的能耗與IC卡數(shù)據(jù)，班次客運(yùn)量與百人百公里油耗呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，如圖6所示.

圖6 公交滿載率和人均能耗相關(guān)性Fig.6 The correlation between the load rate and energy consumption per capita

利用SPSS對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析.不同函數(shù)形式的相關(guān)性如表3所示，逆函數(shù)形式下公交滿載率和人均能耗的擬合曲線的決定系數(shù)(R2)最高，為0.905.

表3 公交滿載率和人均能耗相關(guān)性擬合結(jié)果Table 3 The correlation fitting results of the load rate and energy consumption per capita

(3)車型和能耗相關(guān)性分析.

本文選擇3條類似的公交線路，統(tǒng)計(jì)其百公里能耗和百人百公里能耗數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖7所示.單機(jī)公交車百公里能耗比雙層公交車低約30%～40%，但單機(jī)車的百人百公里能耗卻比雙層公交車高約5%～15%.

4 基于服務(wù)水平的公交能耗預(yù)測模型

4.1 能耗預(yù)測模型構(gòu)建

本文利用不同車型的滿載率、平均速度，并區(qū)分有無公交專用道設(shè)置，構(gòu)建了基于服務(wù)水平的公交能耗評價模型，如式(1)所示.不同條件下的系數(shù)標(biāo)定結(jié)果如表4所示.

式中：E表示公交線路斷面區(qū)間的公交車百公里能耗(L/100 km)；Q表示公交線路斷面區(qū)間的公交車滿載率(%)；V表示公交線路斷面區(qū)間的平均速度(km/h)；a、b、m和n為不同車型和公交專用道條件下的系數(shù).

圖7 不同車輛類型的能耗情況對比分析Fig.7 Comparison of energy consumption of different vehicle types

表4 公交能耗模型系數(shù)標(biāo)定結(jié)果Table 4 The coefficient calibration of the bus energy consumption model

如圖8所示，公交專用道設(shè)置對公交車能耗存在影響.在無公交專用道時，當(dāng)滿載率為0，速度為10 km/h時，單車公交車的百公里能耗為30 L，隨著速度的提高，百公里能耗逐漸降低；在布設(shè)公交專用道的路段，當(dāng)滿載率為0，速度為10 km/h時，單車公交車的百公里能耗為25 L.

通過對3種車型的速度、滿載率、能耗擬合發(fā)現(xiàn)，同種車型的公交車，在畫有公交專用道的路段行駛，其公交車百公里能耗明顯低于無公交專用道的公交車輛.

4.2 模型應(yīng)用

本文開展如下2個案例研究，嘗試為公交車節(jié)能減排工作提供支持.

(1)能耗先進(jìn)值選取.

以能耗模型為基礎(chǔ)，本文選取了3種車型數(shù)據(jù)的前30%的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到北京市公交車對應(yīng)服務(wù)水平的能耗先進(jìn)值.根據(jù)前30%數(shù)據(jù)結(jié)果，計(jì)算出滿載率在0～25%、25%～50%、50%～75%、75%～100%、100%～125%之間，不同公交車型在不同速度下的百公里能耗推薦值，其結(jié)果如表5所示.

圖8 單機(jī)公交車速度、滿載率和能耗擬合關(guān)系Fig.8 The fitting relationship of speed,fully loaded rate and energy consumption of single bus

表5 不同車型在不同滿載率情況下的能耗推薦值Table 5 Energy consumption recommendations for different types of bus in different load rates

(2)滿載率和百公里能耗關(guān)系.

選取速度為10 km/h、20 km/h、30 km/h和40 km/h的情況，利用上述模型計(jì)算出各種車型的滿載率和人均百公里能耗之間的關(guān)系，如圖9所示.

圖9 公交車滿載率與人均百公里能耗關(guān)系Fig.9 The relationship between bus load rate and energy consumption per capita per 100 km

可以發(fā)現(xiàn)，公交車滿載率越高，人均百公里能耗越低，但節(jié)油效果越來越不明顯.且隨著滿載率的提高則勢必造成服務(wù)水平的降低.在滿載率超過60%時，節(jié)油效果的提升已經(jīng)不明顯.在相同的滿載率和速度條件下，不同類型公交車的人均百公里能耗按鉸接、雙層和單機(jī)的順序逐漸下降.且在平均速度低于40 km/h時，提高車輛的運(yùn)行速度可以有效的降低人均能耗.

5 結(jié) 論

本文基于實(shí)測的公交CAN總線數(shù)據(jù)和公交IC卡數(shù)據(jù)，從公交服務(wù)水平與能耗共同的影響因素：車型、速度、滿載率和公交專用道等方面進(jìn)行量化分析；并在此基礎(chǔ)上建立了基于服務(wù)水平的公交能耗評價模型，最后進(jìn)行了案例應(yīng)用.主要結(jié)論如下：

(1)公交服務(wù)水平與公交車能耗有明顯的相關(guān)性，而車型、速度、滿載率和是否設(shè)置公交專用道是公交服務(wù)水平與公交車能耗的共同影響因素.

(2)公交運(yùn)行速度與百公里能耗有較為明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，且采用冪函數(shù)擬合效果較好.而公交滿載率和人均能耗則存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，且采用逆函數(shù)擬合效果較好.

(3)車型與公交能耗有直接關(guān)系.單機(jī)車的百公里能耗比雙層車低約30%～40%，但單機(jī)車的萬人公里能耗卻比雙層車高約5%～15%.從單位周轉(zhuǎn)能力節(jié)能減排的角度考慮，采用雙層公交車是降低公交線路能耗的有效方法.同時，公交專用道也是降低公交單位能耗的有效手段.

(4)利用車型、公交專用道設(shè)置、公交運(yùn)行速度和滿載率數(shù)據(jù)構(gòu)建了基于服務(wù)水平的公交能耗評價模型.結(jié)果表明，在滿載率超過60%時，人均百公里能耗下降緩慢.當(dāng)平均速度低于40 km/h時，不同車型的公交車提高行駛速度可以有效地降低人均能耗.

受限于數(shù)據(jù)樣本有限和影響因素眾多等原因，本文的研究仍有許多可以深入討論的方面，同時基于服務(wù)水平的公交能耗模型仍有待進(jìn)一步細(xì)化和豐富.