純電動公交車進出站節(jié)能駕駛策略的設(shè)計與仿真

張雅麗，袁偉*，付銳，王虹霞，葛振振

(1.長安大學(xué)，汽車學(xué)院，西安710064；2.太原學(xué)院，機械與電氣工程系，太原030032)

0 引言

在提倡綠色環(huán)保城市的理念下，純電動汽車因其零污染、低噪聲成為城市公交車的應(yīng)用主體，但是由于電池技術(shù)的局限性，使得純電動公交車續(xù)駛里程有限，容易引起駕駛?cè)死锍探箲][1]，也增加了公交公司的運營成本。相比提升電池電機性能和改善能量管理策略所經(jīng)歷的技術(shù)難度和研究周期，改善駕駛行為實現(xiàn)公交車運行過程能耗的降低將是一種不用改變車輛結(jié)構(gòu)，便捷、見效快的節(jié)能方式，研究表明，駕駛行為的改善可以增加純電動汽車30%的行駛里程[2]。以往節(jié)能駕駛策略的研究對象多為傳統(tǒng)燃油車，由于純電動汽車和傳統(tǒng)燃油車的耗能方式和能耗特性有差異，因此，參照燃油車節(jié)能駕駛策略，研究純電動公交車的節(jié)能駕駛策略，對于降低公交公司運營成本，減輕駕駛?cè)死锍探箲]具有重要意義。

隨著智慧城市的建設(shè)，車路協(xié)同技術(shù)為實現(xiàn)公交車節(jié)能駕駛提供了便捷途徑，利用車-車通信和車-路通信，使得公交車的運行過程實現(xiàn)安全節(jié)能，同時提升了運營效率。相比社會車輛，公交車行駛線路固定，其駕駛行為具有一定的規(guī)律性和可控性。進出站是公交車特有的駕駛場景，研究表明，出站過程消耗的能量占總行程的47%[3]，因此，對于純電動公交車，降低出站能耗，利用再生制動增加進站制動能量回收，將有效降低公交車運行能源消耗，增加續(xù)駛里程。

國內(nèi)對純電動汽車節(jié)能駕駛策略的研究起步較晚，對于純電動公交車節(jié)能駕駛的研究較少，關(guān)于公交車進出站的研究大多針對傳統(tǒng)燃油公交車或油氣混合動力公交車。葉倩文[4]以公交車自到達公交站臺至離開下游交叉口停車線路段范圍內(nèi)的運行速度為研究對象，構(gòu)建了聯(lián)合駐站策略的公交車生態(tài)駕駛優(yōu)化模型。張智明等[5]基于車路協(xié)同

VICS(Vehicle Infrastructure Cooperative Systems)，設(shè)計分析公交站點間不同的“加速-勻速-減速”的行駛工況，結(jié)合交通信號燈信息和站點距離信息，利用ADVISOR(Advanced Vehicle Simulator)和遺傳算法的聯(lián)合仿真，以單位里程能耗量最低為目標，獲得純電動公交車在站點間的最優(yōu)行駛工況，使單位里程能耗降低了29.4%，但未優(yōu)化行駛時間。賀雪瑩[6]指出不同的駕駛員在進出站過程中的能耗差高達60%，基于此研究背景，建立了良好駕駛行為模型，提出一種基于進出站的良好駕駛技術(shù)參數(shù)獲取方法，經(jīng)過驗證，該方法可以為公交車進出站提供駕駛建議，提高駕駛技術(shù)，降低能耗。此類建議雖能夠降低運行能耗，但不具普適性，更換線路和公交車時不適用。HAN等[7]采集2個月的公交車進出站數(shù)據(jù)，構(gòu)建駕駛行為模型，提出一種駕駛行為評估APP，從而發(fā)現(xiàn)良好進出站行為，為公交車進出站提供實時的操作建議，驗證發(fā)現(xiàn)，此APP 顯著的影響了進出站駕駛行為，提高了能耗經(jīng)濟性。V.AZ[8]利用公交車每日的通勤數(shù)據(jù)，依據(jù)多目標方法尋找包含速度策略和加速度策略的最佳駕駛策略，策略具有靈活性，且促進了蓄電池儲能的最佳利用，提高了電子制動單元的能效和續(xù)航里程。國外研究相對超前，但研究對象為燃油車，由于耗能方式不同，其策略對電動車節(jié)能駕駛策略的建立有一定的指導(dǎo)作用，但不能直接利用。

進出站場景作為公交車運行過程的典型場景，耗能高，在整個行程時間占比高。以往針對純電動公交車進出站過程中節(jié)能策略的研究甚少，多是采集實際運行速度、加速度數(shù)據(jù)分析進出站過程中的駕駛行為特征及公交車進出站行為對道路交通流的影響[9]，鮮有定量地建立公交車進出站節(jié)能駕駛控制策略。公交車的進出站過程實質(zhì)上是一個“減速-加速”過程，針對純電動公交車進出站頻繁加減速、排隊進出站等現(xiàn)象，本文采集包含多通道數(shù)據(jù)的純電動公交車自然駕駛數(shù)據(jù)，通過分析進出站駕駛行為及能耗特性，建立加減速策略，根據(jù)站內(nèi)排隊車輛將進出站場景分為3類，分別提出進出站過程的節(jié)能駕駛策略，使純電動公交車節(jié)能駕駛策略的建立具有針對性強，定量等優(yōu)勢。

1 進出站駕駛行為及能耗特性分析

1.1 行駛數(shù)據(jù)采集

基于宇通智能網(wǎng)聯(lián)平臺，利用U12純電動公交車的車載監(jiān)控視頻設(shè)備和傳感器，采集監(jiān)控視頻和車輛運營狀態(tài)數(shù)據(jù)。采集線路選擇鄭州市B301公交BRT線路，全程18.1 km，從航海東路公交站到北三環(huán)豐樂路站，全程18個站點。整個數(shù)據(jù)采集過程不影響公交車的正常運營，駕駛?cè)送耆凑兆陨眈{駛習(xí)慣在指定公交線路上駕駛，共采集7 d 的自然駕駛數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包含多個通道，主要有車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)(例如：點火信號、車速、制動燈信號、加速度、轉(zhuǎn)向燈信號等)、駕駛?cè)瞬僮鲾?shù)據(jù)(例如：踏板開度、方向盤轉(zhuǎn)角等)、電機電池數(shù)據(jù)(例如：電池電流、電壓、SOC(State of Charge)，電機轉(zhuǎn)速、扭矩等)和雷達數(shù)據(jù)(與周圍車輛的相對速度、相對距離)等多項數(shù)據(jù)。

由于采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)項比較全面，數(shù)據(jù)量較大，通過CAN(Controller Area Network)協(xié)議轉(zhuǎn)化導(dǎo)出數(shù)據(jù)時耗費時間相當長，故根據(jù)研究需求，通過視頻通道數(shù)據(jù)挑選出研究所需的純電動公交車進出公交站的視頻片段，經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)化，將車輛運營狀態(tài)數(shù)據(jù)導(dǎo)出為.xlsx文件，得到247個有效的進出站片段用于后續(xù)分析。

由于設(shè)備局限性，沒有直接獲取到能耗數(shù)據(jù)，通過計算瞬時能耗和單位里程能耗，用于后續(xù)的能耗特性分析。

①瞬時能耗Ei(kWh)

式中：Ii為瞬時總電流(A)；Vi為瞬時總電壓(V)；ti為采樣時間間隔(s)；i為各片段采樣數(shù)。

②瞬時行駛距離Si(m)

在v-t圖像中，距離是速度的時間積分，原始數(shù)據(jù)中包含速度數(shù)據(jù)，通過對速度的時間積分求得瞬時行駛距離，為

式中：vi為瞬時速度(km·h-1)。

③瞬時單位里程電耗EEPK(kWh·km-1)

通過瞬時能耗和瞬時行駛距離計算得到瞬時單位里程電耗EEPK，即

1.2 駕駛行為參數(shù)特性分析

車輛行駛過程中最能反映駕駛行為的參數(shù)是速度和加速度，分析進出站過程的速度和加速度，用以表征進出站過程的駕駛行為特征。

(1)進站過程

以站點為原點，公交車行進方向為橫軸的正向，故進站過程中橫軸坐標為負值，其絕對值為距站點的距離。由于進出站片段數(shù)量大，無法全部展示，隨機選取15個進站片段作速度變化圖發(fā)現(xiàn)，在接近站臺過程中，公交車明顯減速，且大部分車輛在距站臺110～50 m 范圍內(nèi)減速較明顯；在50 m 范圍內(nèi)所有車輛都會及時減速停車以便進站，且有部分公交車受前方進站公交車和站臺內(nèi)已經(jīng)?？抗卉嚨挠绊懀霈F(xiàn)減速為0 后重新啟動進站的情況，例如，9號和14號片段。進站速度如圖1所示。

圖1 進站速度Fig.1 Speed of entering stops

為分析公交車進站過程中減速度的基本分布特征，以247個進站過程的減速度為對象繪制箱線圖，發(fā)現(xiàn)減速度波動范圍在[0.15,2.50]m·s-2之間，優(yōu)化公交車進站減速過程要選擇最小減速度值作為減速段約束條件，由此確定進站減速段減速度約束區(qū)間為[0.15,2.50]m·s-2，其范圍滿足國際加速度標準規(guī)定的人能夠承受的保證舒適度的加速度范圍[10]。進站減速度箱線圖如圖2所示。

圖2 減速度箱線圖Fig.2 Box plot of deceleration

統(tǒng)計247 個進站過程的減速時間，繪制箱線圖，減速時間分布在區(qū)間[6,14]s，其均值為10 s。另外，袁靜[11]指出公交車進站減速時間分布在[6,10]s，故將進站過程減速時間ts設(shè)置為10 s。進站減速時間箱線圖如圖3所示。

圖3 進站減速時間Fig.3 Deceleration time during entering stops

(2)出站過程

以站點為原點，距站點的距離為橫坐標，隨機選取15 個出站片段作速度變化圖，在駛離站臺的過程中，公交車加速趨勢明顯，在50 m范圍內(nèi)車輛提速很快，即駕駛員想盡快離開站臺；在50～100 m范圍內(nèi)，仍為加速趨勢，但有小幅減速，即駕駛員在匯入車流過程中，有速度調(diào)整；在100 m范圍外，車輛基本處于勻速狀態(tài)，即車輛已結(jié)束速度調(diào)整，恢復(fù)正常駕駛過程。

圖4 出站速度Fig.4 Speed of leaving stops

為分析公交車駛出站臺過程加速度的基本分布特征，以247 個出站過程的加速度為分析對象繪制加速度箱線圖。發(fā)現(xiàn)，出站加速度在區(qū)間[0.0,2.5]m·s-2之內(nèi)，優(yōu)化公交車出站加速過程，需選擇最大加速度值作為加速段優(yōu)化約束條件，據(jù)此出站加速段加速度約束條件為[0.0,2.5]m·s-2，同樣滿足國際加速度標準規(guī)定的人能夠承受的保證舒適度的加速度范圍[10]。出站加速度箱線圖如圖5所示。

圖5 加速度箱線圖Fig.5 Box plot of acceleration

統(tǒng)計247 個出站過程的加速時間，繪制箱線圖。加速時間分布在區(qū)間[8,18]s，其均值為13.6 s，結(jié)合文獻[11]，直線式公交站臺公交車加速離站時間分布在[6,14]s，故結(jié)合均值取整設(shè)置出站過程加速時間te為14 s。出站加速時間箱線圖如圖6所示。

圖6 出站加速時間Fig.6 Acceleration time during leaving stops

1.3 能耗特征分析

分別統(tǒng)計進站和出站過程的百公里能耗，發(fā)現(xiàn)進站過程百公里能耗多為負值，這是由于進站過程以制動過程為主，由于再生制動的存在，進站過程中多余的機械能轉(zhuǎn)化為電能為電池組充電。同時，進站時公交車受到站內(nèi)排隊公交車的影響，會頻繁的加減速，引起能耗的增加。而出站過程以加速為主，百公里能耗呈正值，其均值達到265.4 kWh·(100 km)-1，數(shù)值較大，出站耗能占整個進出站過程耗能的比重大，主要原因在于出站公交車速度從0 開始增加，還會受到乘客分批次上車，出站前方車輛的影響，加減速頻繁，因此，耗能高。為此，本文制定進出站節(jié)能策略借助車路協(xié)同技術(shù)提前獲得距站臺的距離、站內(nèi)停靠公交車數(shù)量等信息，盡量增加進站時再生制動回收的能量，減少出站時加速過程的耗能。將進出站過程簡化為“減速-加速”過程，設(shè)計其節(jié)能駕駛策略時可將道路分為：接近路段和出站路段2 段，分段提出節(jié)能駕駛策略。進、出站耗能箱線圖如圖7所示。

圖7 進出站百公里能耗Fig.7 Energy consumption of per 100 km for entering and leaving stops

進出站過程中影響能耗的主要因素是速度和加速度，特別是加速度，隨機選取4 段進出站片段，發(fā)現(xiàn)整個進出站過程中瞬時能耗變化趨勢與加速度變化趨勢高度一致，加速度的增加顯著地增加瞬時能耗，導(dǎo)致進出站過程能耗增加。因此，保持平穩(wěn)的加速會減少瞬時能耗的波動，減少進出站過程的能耗。進出站瞬時能耗與加速度關(guān)系如圖8所示。

圖8 進出站過程的速度、加速度、瞬時能耗和單位里程能耗Fig.8 Speed,acceleration,instantaneous energy consumption and energy consumption per kilometer of entering and leaving stops

2 進出站節(jié)能控制策略

2.1 進出站路段劃分

在車路協(xié)同背景下，通過車-車、車-路通信，公交車在進站過程時可以得知距站點的距離和當前站內(nèi)停靠的公交車數(shù)量。由于公交站點是固定的，可將該條線路上的站點信息、站臺長度、該站臺允許停靠的最大車輛數(shù)以及該站臺內(nèi)公交車?？繒r間的歷史平均數(shù)值等信息直接儲存在系統(tǒng)中。在所有信息已知的前提下，優(yōu)化公交車進站減速過程和出站加速過程。

將進出站過程劃分為以站臺為原點的接近路段和出站路段。接近路段指從上一個站臺到該次?？空九_之間的路段，包括定速段及調(diào)整段，其中，調(diào)整段可理解為進站過程。出站路段指駛出該站臺到恢復(fù)經(jīng)濟車速Veco時所行駛的路段，即恢復(fù)段。根據(jù)文獻[12]，純電動公交車的經(jīng)濟車速Veco為36 km·h-1。經(jīng)濟車速即單位里程能耗隨車速變化的U型曲線中單位里程能耗最低的速度。

節(jié)能駕駛策略用于接近路段時，定速段為勻速段，以Veco作為該段速度，加速度波動不超過±0.15 m·s-2。由于實際道路行駛時不可能存在完全的勻速行駛，眾多學(xué)者定義瞬時加速度的絕對值小于等于0.15 m·s-2的行駛過程為勻速過程[13]。根據(jù)實時車速，當前距站臺的距離及當前站臺內(nèi)?？抗卉嚁?shù)目優(yōu)化減速過程，以達到最大程度的能量回收。用于出站路段時，優(yōu)化恢復(fù)到Veco的加速過程，進出站路段劃分如圖9所示。

圖9 進出站路段劃分Fig.9 Division of road section about entering and leaving stops

2.2 進出站場景劃分

劃分公交車進出站場景時，為使研究對象更加明確，做以下假設(shè)

(1)公交車行駛在BRT 車道上，假設(shè)在進出站過程中不考慮行人、非機動車以及其他社會車輛的干擾。

(2)在進出站過程中僅考慮直線式公交站臺，即在進出站過程中不考慮換道，且公交車輛不能并排停放。

(3)假設(shè)公交車進站停車只停靠1次，即不存在公交車2次?？康却丝偷默F(xiàn)象。

公交車在進站過程中不可避免減速停車，在數(shù)據(jù)采集過程中，公交車的進站過程受站內(nèi)已經(jīng)?？康墓卉囉绊?，故以此將進出站場景分為2 種情景，如表1所示，進出站場景車速變化如圖10所示。

表1 進出站場景描述Table 1 Scene description of entering and leaving stops

圖10 進出站場景車速變化Fig.10 Speed change in scene of entering and leaving stops

2.3 加減速策略

(1)加速策略

公交車從一個速度加速到另一個速度有很多種方式，VAZ 等[8]研究發(fā)現(xiàn)，在相同的加速時間內(nèi)，相比采用單個加速度加速，采用多個加速度加速將消耗更少的能量。LI 等[10]提出加速特征參數(shù)表征車輛不同的加速模式，因此，分析車輛的一般加速過程，車輛在時間t0到t過程中，速度由v0加速到v。速度和行駛時間t之間的關(guān)系即為車輛的加速模式，可由勻加速關(guān)系式推導(dǎo)而出，即

式中：t0為加速初始時間()t0=0；v0為初速度；vf為末速度；tf為加速結(jié)束時間；β為加速特征參數(shù)，，這里β=0.2,0.4,0.6,0.8,1.6,2.0,3.0,4.0。

能耗受速度、加速度以及行駛時間的影響[10]，由式(4)可知，速度和加速度可以用加速特征參數(shù)來表征，因此，可以通過確定β值來尋找較優(yōu)的加速曲線，達到較低的能源消耗。

本文使用相同的加速時間研究加速模式對能耗的影響。不同的β下，速度和加速度隨時間變化。當0＜β＜1時，加速初期加速度較大，速度增加較快；加速期結(jié)束時，加速度較小，速度變化較小，速度曲線呈凸形。當β=1 時，加速度在整個過程中保持不變。當β ＞1 時，加速初期加速度較小，速度增長緩慢；加速結(jié)束時，加速度值較大，速度增加較快，加速度曲線呈凹形。不同β時速度、加速度隨時間變化趨勢如圖11所示。

圖11 不同β 時速度和加速度隨時間的變化趨勢Fig.11 Trends of velocity and acceleration as a function of time for different values of β

仿真計算車輛在30 s 內(nèi)從0 加速至36 km·h-1的單位里程能耗值，如表2所示。

由表2 可知，隨著β值增大，純電動公交車在30 s行駛的距離逐漸減小，單位里程能耗逐漸上升，由此推斷，凸型速度曲線(0＜β＜1)比凹型速度曲線(β ＞1)的單位里程能耗小，且β值越小，其所對應(yīng)的單位里程能耗越低。因此，節(jié)能加速策略即選擇合理的β值。由采集的加速度數(shù)據(jù)可知，公交車運行的最大加速度為2.5 m·s-2，故在選擇β值時還要考慮加速全過程中加速度不能超過2.5 m·s-2。

表2 不同β 值的單位里程能耗值Table 2 Energy consumption per kilometer for different β

(2)減速策略

根據(jù)RAJ K.K.[14]的研究，本文擬采用恒減速模型。假定公交車需要在特定時間內(nèi)減速停車至站臺，將減速距離和行駛時間作為約束條件，即

式中：d為減速度(m·s-2)；v1、vt分別為減速初、末速度(m·s-1)，在進站過程中末速度為0；s為制動距離(m)；t為行駛時間(s)。

定義dmin為公交車以該減速度勻減速剛好至站臺，大于dmin的任何減速度d值均有其相對應(yīng)的勻速行駛段，車輛到達距離站臺200 m 時，由于交通條件允許，可勻速行駛時間t1，之后再勻減速至站臺停車。定義dmax為純電動公交車的最大減速度，本文公交車運行的最大減速度為2.5 m·s-2。恒減速模型如圖12所示。

式中：t1為勻速時間；t2為制動時間；x為進站距離。

本文使用相同的進站距離研究減速模式對能耗的影響。取x=200 m，減速初速度v0=36 km·h-1，則最小減速度為0.25 m·s-2。在[0.25，25.00]范圍內(nèi)取d值，作速度距離曲線如圖13所示。

圖13 不同d 值的速度變化曲線Fig.13 Speed curves with different d values

仿真獲得單位里程能耗值如表3所示。由表3可知，在相同進站距離和相同進站速度時，隨著d值的增加，單位里程能耗逐漸增加，即隨著減速時間的減少，純電動汽車在減速過程中回收的能量減少，而耗能組件的能耗基本不變，當回收的能量不足以抵消耗能組件的能耗時，總能耗增加。

表3 不同d 值的單位里程能耗Table 3 Energy consumption per kilometer for different d

2.4 節(jié)能駕駛策略

在車輛接近站臺過程中，應(yīng)提前減速，以便恰好進站，出站時要合理規(guī)劃加速過程。那么，進出站節(jié)能駕駛策略的整體功能要求是：進站過程中盡量避免停車重新進站；與站內(nèi)已經(jīng)?？康能囕v保持一定的間距，以確保安全；加、減速過程中不能超過其約束條件；盡量降低能源消耗。

根據(jù)我國公交車站臺的設(shè)計標準，對于交通流量大的區(qū)域，直線式公交站臺設(shè)計時允許同時?？?輛公交車；對于交通流量小的區(qū)域，允許同時?？? 輛公交車，則場景劃分以站內(nèi)允許?？康淖畲蠊卉嚁?shù)作為劃分具體標準。

根據(jù)站內(nèi)?？抗卉嚨臄?shù)量，設(shè)計節(jié)能駕駛策略如下。

Case 1 站內(nèi)無?？寇囕v或?？寇囕v未超過允許?？康淖畲筌囕v數(shù)

假設(shè)車輛以Veco到達調(diào)整段時，站臺無?？寇囕v或者站內(nèi)的停靠車輛數(shù)未超過最大允許車輛數(shù)，此時有以下3種駕駛策略

策略1 進入調(diào)整段時，以適當?shù)臏p速度d1減速至站內(nèi)停車點。

策略2 進入調(diào)整段后仍以Veco行駛一段時間后以適當?shù)臏p速度d2停車。

策略3 到達調(diào)整段后，先以減速度d3將速度減小至某一速度，以該速度勻速行駛一段時間，再以減速度d4進站停車。

3種駕駛策略出站時，在滿足安全的前提下，以適當?shù)募铀俣燃铀僦罺eco。

Case 2 站內(nèi)?？寇囕v數(shù)為最大停車數(shù)

假設(shè)車輛以Veco到達調(diào)整段時，站內(nèi)的?？寇囕v數(shù)為最大允許車輛數(shù)，即站臺內(nèi)暫時不允許車輛進入，則此時有以下3種駕駛策略。

策略1 到達調(diào)整段后以適當?shù)臏p速度d5減速進入站臺。

策略2 進入調(diào)整段后以適當?shù)臏p速度d6行駛一段時間，之后以減速度d7減速至剛好停車進站。

策略3 到達調(diào)整段后，首先以減速度d8減速至某一低速，然后以該速度勻速行駛一段距離，之后以減速度d9減速至剛好停車進站。

3種駕駛策略出站時，在滿足安全的前提下，以適當?shù)募铀俣燃铀僦罺eco。

Case 3 站內(nèi)?？寇囕v數(shù)超過允許停靠的車輛數(shù)

假設(shè)車輛到達調(diào)整段時，站內(nèi)?？寇囕v數(shù)超過最大允許車輛數(shù)，即站臺不允許車輛進入，此時排隊停車無法避免，則此時有以下3種駕駛策略。

策略1 到達調(diào)整段后，以適當?shù)臏p速度d10減速至排隊進站公交車隊尾，當站臺內(nèi)允許進入時，重新啟動進入站臺。

策略2 進入調(diào)整段后以適當?shù)臏p速度d11行駛一段時間，之后以減速度d12減速至隊尾，當站臺內(nèi)允許進入時，重新啟動進入站臺。

策略3 到達調(diào)整段后，先以減速度d13降至某一低速，然后以該速度勻速行駛一段距離，之后以減速度d14減速至隊尾，當站臺內(nèi)允許進入時，重新啟動進入站臺。

3種駕駛策略出站時，在滿足安全的前提下，以適當?shù)募铀俣燃铀僦罺eco。

綜上所述，公交車進出站的節(jié)能駕駛策略流程如圖14所示。

圖14 節(jié)能駕駛策略流程圖Fig.14 Flow chart of energy saving driving strategy

3 仿真驗證

利用AVL Cruise(奧地利AVL公司，又名“李斯特內(nèi)燃機及測試設(shè)備公司(AVL List GmbH)”開發(fā)的一款燃油經(jīng)濟性以及排放性能的仿真軟件)驗證節(jié)能駕駛策略的有效性并選取較優(yōu)的速度曲線，通過單位里程能耗，進出站過程所花費的時間兩個指標進行評價。站臺和車輛的基本假設(shè)參數(shù)如表4所示。

表4 站臺和車輛的基本假設(shè)參數(shù)Table 4 Basic assumed parameters of station and bus

根據(jù)袁靜[11]對各類公交站點統(tǒng)計數(shù)據(jù)的調(diào)查研究可知，公交車在站臺的停車候客時間一般分布在20～55 s 之間。統(tǒng)計本文采集的247 個進出站片段的站臺停車時間，分布在區(qū)間[11,42]s，均值為30 s，因此，將30 s作為一輛公交車在站臺內(nèi)停靠的最大時長，即發(fā)生公交車進站排隊情況時，排隊等候的公交車最多需要40 s的時間才能進入站臺，包括：自車重新啟動加速進入站臺的時間和前車加速離開站臺的時間。以下從采集數(shù)據(jù)中隨機選取3個進出站片段，但保證3 個片段分別滿足3 個Case的站內(nèi)?？寇囕v數(shù)目的要求，分別以3個進出站片段采取的進出站策略為自然駕駛策略，在保證仿真環(huán)境與實際駕駛環(huán)境完全一樣的情況下，對比本文提出策略與自然駕駛策略的耗能情況和所花費的行駛時間。

Case 1 站內(nèi)?？抗卉嚁?shù)量未超過最大允許停車數(shù)

場景描述：公交車到達調(diào)整段時，站臺內(nèi)停靠車輛為1輛，小于最大允許停靠數(shù)量，出站時，在滿足安全的前提下，恢復(fù)Veco。

仿真結(jié)果如表5所示。

其中，采用策略1 行駛時，減速時間40 s，可直接進站；采用策略2 時，勻速行駛時間16 s，減速時間10 s；采用策略3 時，減速時間19 s，勻速行駛時間18 s。3種駕駛策略的速度曲線如圖15所示。

圖15 Case1中3種駕駛策略Fig.15 Three driving strategies of case1

由表5可知，在此交通場景下，策略2為較優(yōu)的駕駛策略，即在調(diào)整段內(nèi)先以Veco行駛16 s，然后以1 m·s-2勻減速行駛10 s，恰好停車進站；出站時，遵循式(4)取β=0.6，將速度在14 s內(nèi)恢復(fù)Veco。

Case 2 站內(nèi)?？抗卉嚁?shù)量為最大允許停車數(shù)

場景描述：公交車到達調(diào)整段時，站臺內(nèi)?？寇囕v為2 輛，為該站臺最大允許?？繑?shù)量出站時，滿足安全的前提下，恢復(fù)Veco。

仿真結(jié)果如表6所示，3 種駕駛策略的速度曲線如圖16所示。

表6 Case 2節(jié)能駕駛策略仿真結(jié)果Table 6 Simulation results of energy-saving driving strategy for case 2

圖16 Case 2中3種駕駛策略Fig.16 Three driving strategies of case 2

其中，采用策略1，在調(diào)整段內(nèi)減速時間42 s；采用策略2，在調(diào)整段內(nèi)減速時間48 s；采用策略3，在調(diào)整段內(nèi)減速時間42 s。3種策略均能使公交車不停車進站。

由表6可知，在交通場景下，策略3為較優(yōu)的速度曲線，即公交車在暫不能進入站臺的情況下，在進入調(diào)整段后以0.80 m·s-2勻減速行駛7 s 將速度降至18.72 km·h-1，然后保持18.72 km·h-1勻速行駛25 s，再以0.52 m·s-2勻減速行駛10 s進站；出站時，遵循式(4)取β=0.6，將速度在14 s內(nèi)恢復(fù)Veco。

Case 3 站內(nèi)?？抗卉嚁?shù)量超過最大允許停車數(shù)

公交車到達調(diào)整段時，站臺內(nèi)停靠車輛為3輛，超過最大允許停靠數(shù)量，即有公交車在站外等待入站，排隊無法避免，此時公交車按照節(jié)能駕駛策略行駛，出站時，在滿足安全的前提下，恢復(fù)Veco。

其中，根據(jù)假設(shè)一輛等待進站的公交車需40 s進入站臺，即假設(shè)自車到達調(diào)整段時，站臺外已有排隊公交車一輛，則自車從進入調(diào)整段起需70 s才能進入站臺。

仿真結(jié)果如表7所示，3 種駕駛策略的速度曲線如圖17所示。

圖17 Case 3中3種駕駛策略Fig.17 Three driving strategies of case 3

表7 Case 3節(jié)能駕駛策略仿真結(jié)果Table 7 Simulation results of energy-saving driving strategy for case 3

其中，采用策略1，公交車在調(diào)整段內(nèi)減速時間為37 s，行駛距離178 m，此時車輛離站內(nèi)停車點20 m，需等待33 s 進站；采用策略2，從進入調(diào)整段到停車時間為42 s，行駛距離184 m，停車等待28 s；采用策略3，從進入調(diào)整段到停車時間為48 s，行駛距離174 m，車輛需等待22 s。其中，重新加速進站花費時間15 s。

由表7可知，在交通場景下，策略2為較優(yōu)的速度曲線，即公交車在不能避免排隊等待的情況下，在進入調(diào)整段后以0.30 m·s-2勻減速行駛20 s，然后以0.18 m·s-2勻減速行駛22 s 停車至隊尾，之后以0.40 m·s-2勻加速行駛10 s 提速至13.5 km·h-1再以0.80 m·s-2減速進站；出站時，遵循式(4)取β=0.6，將速度在14 s內(nèi)恢復(fù)Veco。

基于表5～表7 得出，3 種工況下節(jié)能率較高的速度曲線，則公交車進出站的節(jié)能駕駛策略如表8所示，其中，n為最大允許值。

表8 公交車進出站節(jié)能駕駛策略Table 8 Energy-saving driving strategy for entering and leaving stops

4 結(jié)論

相比社會車輛運行過程的隨機性和受到道路交通影響的不確定性，公交車具有行駛線路固定、站點?？?，駕駛行為相對具有規(guī)律性的特點。進出站過程作為公交車運行的典型場景，其耗能在整個行程中占比大，針對進出站過程，本文以純電動公交車為研究對象，采集某固定線路的自然駕駛數(shù)據(jù)，分析其運行過程中的駕駛行為和能耗特征，將進出站過程簡化為“減速-加速”過程，并以此提出進出站節(jié)能駕駛策略。得到以下結(jié)論：

(1)由實際運行數(shù)據(jù)并結(jié)合文獻，發(fā)現(xiàn)純電動公交車進出站加速度約束區(qū)間為[0.15,2.50]m·s-2，進站減速時間集中在[6,14]s，出站加速時間集中在區(qū)間[8,18]s。

(2)進出站過程中能源消耗較大的時間段與加速度變化頻繁的時間段相對應(yīng)，說明加速度的頻繁波動是引起進出站能耗高的主要原因。

(3)利用加速特征參數(shù)表征加速過程，發(fā)現(xiàn)凸型速度曲線(0＜β＜1)比凹型速度曲線(β ＞1)的單位里程能耗小，且β值越小，其所對應(yīng)的單位里程能耗越低。

(4)減速策略采用恒減速策略，發(fā)現(xiàn)在相同進站距離和相同進站速度時，隨著減速度值的增加，單位里程能耗逐漸增加。

(5)依據(jù)站內(nèi)?？康墓卉嚁?shù)量將進出站場景分為3 類，分別提出幾種節(jié)能駕駛策略，通過仿真驗證策略的有效性，發(fā)現(xiàn)所提策略在公交車進出站時可以節(jié)省12.17%～44.43%的電能，對于增加純電動汽車續(xù)駛里程，降低公交公司運營成本具有良好的效果。