CN106446398B - 基于交通运行数据和劣化率的轻型汽车排放速率计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于交通运行数据和劣化率的轻型汽车排放速率计算方法，该方法通过以VSP‑v所定义的运行模式作为排放表征参数来建立了机动车MOVES排放模型，之后对MOVES排放模型进行多次输入输出测试得到中国的轻型汽油车的基础排放速率库；然后再对轻型汽油车进行劣化规律分析，建立车龄与污染物浓度的拟合方程，计算轻型汽油车的劣化率；最后利用机动车劣化规律中所得结论，对建立的轻型汽油车的基础排放速率库进行校准与修正得到修正后的排放速率，该方法对优化道路运行工况、降低机动车排放量、提高城市空气质量具有重要的意义，对我国机动车污染控制措施的制定与实施也具有一定的借鉴意义。

Description

基于交通运行数据和劣化率的轻型汽车排放速率计算方法

技术领域

本发明涉及交通运行管理领域，更具体地，涉及一种基于交通运行数据和劣化率的轻型汽车排放速率计算方法。

背景技术

道路机动车排放已出现排放源总量大、运行工况恶化、时空分布极其不均的问题，通过淘汰“黄标车”、提高机动车排放标准与燃油标准等宏观静态控制措施来实现减排的手段，难以解决这种交通排放不均匀性带来的问题，使得交通污染管控措施须从粗放式向精细化转变，为此需建立高时空分辨率、可反映道路交通流的运行工况及其对排放影响的机动车动态排放清单，以支撑精细化交通污染管控措施的制定。

然而，建立高时空分辨率、可反映道路交通流的运行工况及其对排放影响的机动车动态排放清单存在多个技术难点。首先，机动车的排放受运行工况影响而出现复杂动态变化，不同工况下机动车的排放速率各不相同。即使某一时段内的平均速度相近，但因为运行工况的差异，总排放量也会出现很大差异，而现阶段运行工况的恶化更加剧了排放动态变化的复杂性。并且，随着累积行驶里程或车龄的不断增加，由于车身损耗、催化剂性能老化、气缸杂质聚积等因素，车辆的排放水平会出现不断劣化，因此，研究并掌握机动车污染物排放劣化规律是建立准确排放清单的关键。这就给建立准确的排放清单提出了两个要求：一是深入研究并掌握机动车动态排放特征。只有细致掌握机动车运行工况与动态排放的关系，才能为通过运行工况表征动态排放提供数据基础，同时找到能够准确反映机动车动态排放的表征参数。二是具备大规模获取道路机动车运行工况的手段。随着智能交通系统的快速发展，国内外多个城市都建成了大型浮动车系统，其定位精度及采样频率均较高，为大规模准确获取城市道路机动车提供了理想的数据来源。

发明内容

本发明提供一种基于交通运行数据和劣化率的轻型汽车排放速率计算方法， 该方法可优化道路运行工况、降低机动车排放量、提高城市空气质量。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种基于交通运行数据和劣化率的轻型汽车排放速率计算方法，包括以下步骤：

S1：以VSP-v所定义的运行模式作为排放表征参数来建立MOVES排放模型，对MOVES排放模型进行多次输入输出测试得到轻型汽油车的基础排放速率库；

S2：对轻型汽油车进行劣化规律分析，建立车龄与污染物浓度的拟合方程，计算轻型汽油车的劣化率；

S3：利用机动车劣化规律中所得结论，对建立的轻型汽油车的基础排放速率库进行校准与修正得到修正后的排放速率。

进一步地，所述步骤S1中以VSP-v所定义的运行模式作为排放表征参数的过程如下：

采用机动车比功率VSP与速度v两个变量/参数共同描述机动车的瞬时运行工况，对机动车比功率VSP与速度v的组合命名为运行模式OpMode，根据机动车比功率VSP与速度v的取值范围将机动车的运行工况共划分为23种运行模式，即有23个不同的机动车比功率VSP与速度v的取值组如下表：

其中，可将23种运行模式分成五类：刹车模式为OpMode 0、怠速模式为OpMode 1、低速运行模式为OpMode 11～16、中速运行模式为OpMode 21～30，高速运行模式为OpMode33～40；a_t为t时刻的加速度，m/s²；v_t为t时刻的瞬时速度，km/h；P_t为t时刻的机动车比功率VSP，kW/t。

进一步地，所述步骤S1中得到轻型汽油车的基础排放速率库的具体过程如下：

S11：利用中国轻型排放标准中规定的车辆型式认证Ⅰ型试验工况“ECE15+EUDC”作为运动参数输入MOVES模型；

S12：将轻型车排放标准中规定的测试条件输入MOVES模型作为仿真计算的条件；

S13：对MOVES模型中各个年份的新车进行排放仿真测试，从而获得MOVES模型中各个年份新车的排放因子值；

S14：将各个排放因子值与中国排放标准限值进行比较，得到MOVES模型中与中国不同排放标准车辆所对应的新车年份，并根据该新车年份在MOVES模型中得出与中国排放标准车型相接近的排放速率库。

进一步地，所述步骤S2的具体过程如下：

收集轻型汽油车检查维护制度的台架测试数据，分析CO、HC、NO_X和光吸收系数随累积行驶里程或车龄的劣化规律，建立车龄与污染物浓度的拟合方程，得到拟合方程后，根据下式计算不同车龄机动车的劣化率：

其中，r_n为车龄为n年的机动车排放浓度与新车排放浓度的比例关系；e_n车龄为n年的机动车排放浓度；e₀车龄为0的新车排放浓度；通过该式可得出轻型汽油车在不同排放标准及车龄段下的排放劣化率。

进一步地，收集轻型汽油车检查维护制度的台架测试数据中存在不合格的数据，对这些不合格的数据进行剔除的过程是：对每辆被检车的测试数据，仅保留 一个检测周期内的首次检测数据，同时删除部分属性缺失的数据记录，仅保留有效数据记录，具体步骤如下：

1)按机动车排放标准将检测记录分类；

2)按车辆用途对数据进一步划分；

3)以累积行驶里程作为活动水平的代表参数，按10000km为划分单位，将检测数据按累积行驶里程进行划分，为避免因数据样本量过少而导致明显误差，将累积行驶里程大于40万公里的检测记录删除；

4)去除5％最高值与5％最低值的数据后，求出每个区间内CO、HC、NO的平均浓度值。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明通过以VSP-v所定义的运行模式作为排放表征参数来建立了机动车MOVES排放模型，之后对MOVES排放模型进行多次输入输出测试得到中国的轻型汽油车的基础排放速率库；然后再对轻型汽油车进行劣化规律分析，建立车龄与污染物浓度的拟合方程，计算轻型汽油车的劣化率；最后利用机动车劣化规律中所得结论，对建立的轻型汽油车的基础排放速率库进行校准与修正得到修正后的排放速率，该方法确定合适的动态排放表征参数和劣化系数，建立了“交通状态-轻型车运行工况-动态排放速率”的映射关系，对优化道路运行工况、降低机动车排放量、提高城市空气质量具有重要的意义，对我国机动车污染控制措施的制定与实施也具有一定的借鉴意义。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明方法的技术线路图；

图3为轻型汽油车(客车与货车)排放污染物随行驶里程劣化趋势。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1-2所示，一种基于交通运行数据和劣化率的轻型汽车排放速率计算方法，包括：

A：采用VSP-v定义运行模式作为排放表征参数；

用机动车比功率VSP与速度v两个变量/参数共同描述机动车的瞬时运行工况，对机动车比功率VSP与速度v的组合命名为运行模式OpMode，根据机动车比功率VSP与速度v的取值范围将机动车的运行工况共划分为23种运行模式，即有23个不同的机动车比功率VSP与速度v的取值组如下表1：

表1机动车运行模式(OpMode)定义

其中，可将23种运行模式分成五类：刹车模式为OpMode 0、怠速模式为OpMode 1、低速运行模式为OpMode 11～16、中速运行模式为OpMode 21～30，高速运行模式为OpMode33～40；a_t为t时刻的加速度，m/s²；v_t为t时刻的瞬时速度，km/h；P_t为t时刻的机动车比功率VSP，kW/t。

选取由VSP-v所定义的OpMode作为动态排放表征参数，考虑了机动车车 型(轻、重型车)、使用燃油(汽油)、机动车排放标准(国零～国Ⅳ/Ⅴ)三个维度，得出每一机动车种类(如“轻型车-汽油-国零”为一类)在23种OpMode下的排放速率，全面细致地反映车辆种类与排放速率之间的关系。中国主要道路机动车车型与MOVES模型车型的匹配表，如表2：

表2车辆类型匹配表

B：对MOVES排放模型进行多次输入输出测试，建立基础排放速率库，其具体是；

基于中国机动车排放标准及《道路机动车大气污染物排放清单编制技术指南》中规定的测试工况、测试条件和排放限值或典型值，对MOVES排放模型进行多次输入输出测试，得到MOVES排放模型中与中国机动车排放标准所规定排放水平相近的“新车”，建立基础排放速率库。

为了在MOVES排放速率库中匹配出符合中国轻型车辆排放水平的轻型车排放速率库，利用中国轻型排放标准中规定的车辆型式认证Ⅰ型试验工况及其排放限值来作为排放标准匹配的中间参数。具体匹配方法如下：

1)将轻型车排放标准中规定的Ⅰ型试验工况“ECE15+EUDC”作为运动参数输入MOVES模型，Ⅰ型试验工况如图3所示；

2)将轻型车排放标准中规定的测试条件(燃油组分、温度、湿度等)输入MOVES模型作为仿真计算的各项条件；

3)在规定工况及条件下，对MOVES模型中各个年份的新车(轻型车，车龄为0)进行排放仿真测试，从而获得MOVES模型中各个年份新车的排放因子值(g/km)。

4)将各个排放因子值与中国排放标准限值进行比较，得到MOVES模型中与中国不同排放标准车辆所对应的新车年份，并根据该新车年份在MOVES模型中得出与中国排放标准车型相接近的排放速率库。

经过匹配测试，得到我国不同排放标准下轻型汽油车(质量小于1250kg)的基础排放速率库，如表3所示：

表3本地轻型汽油车基础排放速率

C：轻型汽油车劣化规律分析，建立车龄与污染物浓度的拟合方程，计算劣化率，具体计算过程如下：

收集轻型汽油车检查维护制度的台架测试数据，分析CO、HC、NO_X和光吸收系数随累积行驶里程或车龄的劣化规律，建立车龄与污染物浓度的拟合方程，得到拟合方程后，根据下式计算不同车龄机动车的劣化率：

本研究收集了佛山市十余个机动车尾气检测站的机动车尾气检测数据，共收集2011～2013年佛山市轻型汽油车尾气检测数据1459715条，共735568辆被检车辆，其中客车706206辆，货车29362辆，选取ASM5025工况检测结果进行分析，为较准确反映在用车的排放情况，剔除因首次上线检测不合格而重测的数据。

数据的处理方法如下：对每辆被检车的测试数据，仅保留一个检测周期内的首次检测数据。同时，删除部分属性(如检测时间、累积行驶里程等)缺失的数 据记录，仅保留有效数据记录。

轻型汽油车检测数据处理步骤：①按机动车排放标准将检测记录分类；②按车辆用途(客车、货车)对数据进一步划分；③以累积行驶里程作为活动水平的代表参数，按10000km为划分单位，将检测数据按累积行驶里程进行划分。为避免因数据样本量过少而导致明显误差，将累积行驶里程大于40万公里的检测记录删除。④去除5％最高值与5％最低值的数据后，求出每个区间内CO、HC、NO的平均浓度值(％或ppm)。

表4各污染物拟合曲线

以下是根据上述处理得到的轻型汽油车排放水平随累积行驶里程劣化规律：

为研究轻型汽油车排放水平随使用水平的劣化关系，分别作出轻型汽油客车和轻型汽油货车的污染物CO、HC、NO的排放浓度随累积行驶里程的劣化关系图，如图3所示。为进一步量化排放水平的劣化趋势，计算各劣化曲线的拟合方程和拟合度R²，如表4所示，各污染物的浓度单位均为体积分数(％或10^-6)。

D：利用机动车劣化规律中所得结论对其进行部分校准与修正；

由于基础排放速率库是由“新车”的基础排放速率构成的，而没有考虑在用车排放水平的劣化影响。随着行驶里程或车龄的不断增加，由于车身损耗、催化剂性能老化、气缸杂质聚积等因素，车辆的排放水平会出现不断劣化，需要对在用车的排放速率加以修正。

本发明采用在用车污染物排放水平随累积行驶里程的劣化关系，结合中国机动车排放标准中的劣化系数和相关研究得出不同车型的劣化率。

对于轻型汽油车，因使用水平的代表参数是累积行驶里程，为得到汽油车排放水平在不同车龄下的劣化率，需要根据在用车年均行驶里程将累积行驶里程转化为车龄，从而建立车龄与污染物浓度的拟合方程。根据相关文献可知，轻型车的年均行驶里程约为23000km。得到拟合方程后，通过式(1)可得出汽油车在不同排放标准及车龄段下的排放劣化率，如表5所示。

表5轻型汽油车排放水平随车龄劣化率

以上为各种车辆的排放水平随车龄的劣化关系。在计算机动车排放时，确定了排放计算的基准年后，即可根据各车型的车龄，将排放速率库中的排放速率乘以劣化率得到修正后的排放速率。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于交通运行数据和劣化率的轻型汽车排放速率计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：以VSP-v所定义的运行模式作为排放表征参数来建立MOVES排放模型，对MOVES排放模型进行多次输入输出测试得到轻型汽油车的基础排放速率库；

S2：对轻型汽油车进行劣化规律分析，建立车龄与污染物浓度的拟合方程，计算轻型汽油车的劣化率；

S3：利用机动车劣化规律中所得结论，对建立的轻型汽油车的基础排放速率库进行校准与修正得到修正后的排放速率；

所述步骤S1中以VSP-v所定义的运行模式作为排放表征参数的过程如下：

采用机动车比功率VSP与速度v两个参数共同描述机动车的瞬时运行工况，对机动车比功率VSP与速度v的组合命名为运行模式OpMode，根据机动车比功率VSP与速度v的取值范围将机动车的运行工况共划分为23种运行模式，即有23个不同的机动车比功率VSP与速度v的取值组如下表：

其中，可将23种运行模式分成五类：刹车模式为OpMode 0、怠速模式为OpMode 1、低速运行模式为OpMode 11～16、中速运行模式为OpMode 21～30，高速运行模式为OpMode 33～40；a_t为t时刻的加速度，m/s²；v_t为t时刻的瞬时速度，km/h；P_t为t时刻的机动车比功率VSP，kW/t；

所述步骤S1中得到轻型汽油车的基础排放速率库的具体过程如下：

S11：利用中国轻型排放标准中规定的车辆型式认证Ⅰ型试验工况“ECE15+EUDC”作为运动参数输入MOVES模型；

S12：将轻型车排放标准中规定的测试条件输入MOVES模型作为仿真计算的条件；

S13：对MOVES模型中各个年份的新车进行排放仿真测试，从而获得MOVES模型中各个年份新车的排放因子值；

S14：将各个排放因子值与中国排放标准限值进行比较，得到MOVES模型中与中国不同排放标准车辆所对应的新车年份，并根据该新车年份在MOVES模型中得出与中国排放标准车型相接近的排放速率库。

2.根据权利要求1所述的基于交通运行数据和劣化率的轻型汽车排放速率计算方法，其特征在于，所述步骤S2的具体过程如下：

收集轻型汽油车检查维护制度的台架测试数据，分析CO、HC、NO_X和光吸收系数随累积行驶里程或车龄的劣化规律，建立车龄与污染物浓度的拟合方程，得到拟合方程后，根据下式计算不同车龄机动车的劣化率：

其中，r_n为车龄为n年的机动车排放浓度与新车排放浓度的比例关系；e_n车龄为n年的机动车排放浓度；e₀车龄为0的新车排放浓度；通过该式可得出轻型汽油车在不同排放标准及车龄段下的排放劣化率。

3.根据权利要求2所述的基于交通运行数据和劣化率的轻型汽车排放速率计算方法，其特征在于，收集轻型汽油车检查维护制度的台架测试数据中存在不合格的数据，对这些不合格的数据进行剔除的过程是：对每辆被检车的测试数据，仅保留一个检测周期内的首次检测数据，同时删除部分属性缺失的数据记录，仅保留有效数据记录，具体步骤如下：

1)按机动车排放标准将检测记录分类；

2)按车辆用途对数据进一步划分；

3)以累积行驶里程作为活动水平的代表参数，按10000km为划分单位，将检测数据按累积行驶里程进行划分，为避免因数据样本量过少而导致明显误差，将累积行驶里程大于40万公里的检测记录删除；

4)去除5％最高值与5％最低值的数据后，求出每个区间内CO、HC、NO的平均浓度值。