一種基于gis和pems的城市公交線路節(jié)點處排放估算方法【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于GIS和PEMS的城市公交線路節(jié)點處排放估算方法，通過車載排放測試系統(tǒng)采集排放數(shù)據(jù)進而建立城市公交車排放模型，采用GIS進行線路節(jié)點(公交站點、交叉口)范圍內(nèi)軌跡點篩選，可以準確估算公交車輛在線路節(jié)點處各類尾氣排放量大小。本發(fā)明首先通過搭建車載排放測試系統(tǒng)獲取公交車逐秒排放數(shù)據(jù)并以速度和比功率為自變量進行回歸分析建立各類尾氣排放率模型，然后基于GIS進行線路節(jié)點范圍內(nèi)軌跡點篩選并對線路節(jié)點處公交車尾氣排放估算，從而為公交車排放控制、排放預測以及建立節(jié)能環(huán)保的公共交通系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持?！緦＠f明】-種基于GIS和PEMS的城市公交線路節(jié)點處排放估算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001]本發(fā)明設及交通領(lǐng)域，特別是城市公交線路節(jié)點處排放估算方法?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]隨著城市交通設施和居民生活條件的改善，機動車保有量持續(xù)增長，數(shù)量龐大的機動車帶來了嚴重的環(huán)境污染問題并成為空氣污染的重要源頭。為解決城市發(fā)展過程中的交通污染問題，國家先后出臺一系列政策提倡優(yōu)先發(fā)展公共交通。雖然城市公交車在機動車總量中所占比重不是很大，但其運行環(huán)境有自身特殊性，由于公交車發(fā)動機排量大、運行時間長、油品低W及工況變化頻繁，尤其是在線路節(jié)點處(公交站點、交叉口）頻繁加減速產(chǎn)生高排放，使其在整個機動車排放總量中的貢獻率較大。目前，尚未有城市公交在線路節(jié)點處尾氣排放的量化研究?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0003]發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種公交線路節(jié)點處尾氣排放估算方法，能夠為合理評估城市公交車的污染物排放水平提供依據(jù)W及建立節(jié)能環(huán)保的公共交通系統(tǒng)提供支持。[0004]技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：[0005]一種基于地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem,簡稱GIS)和搭建城市公交車車載排放測試系統(tǒng)（Portable血issionMeasurementSystem,簡稱陽MS)的城市公交線路節(jié)點處排放估算方法流程如下：[0006](1)計算城市公交車比功率[0007]現(xiàn)階段，比功率(VehicleSpecific化wer，簡稱VSP)被廣泛用于排放特征分析、行駛工況開發(fā)W及排放預測等領(lǐng)域，關(guān)于VSP的計算，對重型柴油車的計算尚無統(tǒng)一公式，根據(jù)比功率計算公式并結(jié)合各城市公交車實際情況進行相關(guān)參數(shù)取值，得到W加速度a和速度V為自變量的高峰時(7:00~9:00和16:00~19:00)的比功率和平峰時（除高峰時段外的其它時間）的比功率的近似計算公式如下：[000引VSP離二戶(a，v)[0009]VSPw=f聯(lián)(a，v)[0010](2)建立城市公交車微觀排放模型(V-VSP模型）[00川通過搭建車載排放測試系統(tǒng)，獲取城市公交車實際行駛過程中C02、CO、N0x和HC四類污染物氣體的瞬時排放數(shù)據(jù)，根據(jù)公交車行駛速度將排放率數(shù)據(jù)分為怠速(v=0)、低速(OkmA<V《20km/h)、中速(20km/h<40km/h)和高速(40km/h<SOkmA)四組，采用回歸分析方法建立四類污染物氣體的排放率模型，其中，怠速情況W時間為自變量，非怠速時W車輛瞬時比功率和瞬時速度為自變量，，得到四類污染物氣體的排放率模型：[0012][0013][0014][0015][0016]式中；[0017]i表示污染物氣體類型，包括C〇2、C0、N0x和肥四類污染物氣體；[001引t表示怠速時間，單位為S;[0019]V為車輛瞬時速度，單位為km/h;[0020]VSP為車輛瞬時比功率，單位為kw/ton;[0021]為怠速時第i類污染物氣體排放率，單位為g/s;[0022]Ef?為低速時第i類污染物氣體排放率，單位為g/s;[0023]為中速時第i類污染物氣體排放率，單位為g/s;[0024]為高速時第i類污染物氣體排放率，單位為g/s;[0025](3)基于GIS進行公交線路節(jié)點范圍內(nèi)軌跡點篩選[0026]該過程需要嚴格按照GIS的建立流程進行，主要包括數(shù)據(jù)組織和功能實現(xiàn)：[0027]1)空間數(shù)據(jù)構(gòu)建[002引按照GIS中對空間實體的表現(xiàn)形式，將線路節(jié)點（公交站點、交叉口）抽象為矢量點狀數(shù)據(jù)，將公交站點和交叉口進行分層組織，分別用兩個點狀矢量圖層表示公交站點和交叉口，公交站點圖層屬性包括站點名稱、所在線路等，交叉口圖層包括交叉口名稱、交叉口范圍大小等;設置每個公交站點的線路節(jié)點范圍為40m，每個交叉口的線路節(jié)點范圍為該交叉口范圍的大小。[0029]2)線路節(jié)點范圍內(nèi)軌跡點篩選[0030]首先，根據(jù)公交車GI^數(shù)據(jù)中的經(jīng)締度，利用GIS技術(shù)生成公交車軌跡點，并從軌跡點中尋找怠速點（V=O),計算每個怠速點與將要計算尾氣排放量的線路節(jié)點的距離，從中選取距離最小的怠速點，將該怠速點記為P，距離記為Dmin;[0031]其次，P點離將要計算的線路節(jié)點處距離Dmin超過一定闊值則認為該P點不在此線路節(jié)點范圍內(nèi)。若線路節(jié)點類型為公交站點，依據(jù)《城市道路公共交通站、場、廠工程設計規(guī)范》將闊值設為20m，即判斷Dmin<20m是否成立，如不成立，則不滿足線路節(jié)點范圍定義，此種情況下的怠速排放不考慮，否則，P點為線路節(jié)點范圍內(nèi)怠速點。若線路節(jié)點類型為交叉口，判斷Dmin小于交叉口范圍大小的一半是否成立，如成立，P點為此線路節(jié)點范圍內(nèi)怠速點，否則不滿足線路節(jié)點范圍定義，不能W此P點來計算怠速排放量；[0032]最后，若P點為線路節(jié)點范圍內(nèi)怠速點，從生成的軌跡點中尋找出處于該點所對應的公交線路節(jié)點范圍內(nèi)的該點之后的減速點和該點之前的加速點，將所有公交線路節(jié)點范圍內(nèi)怠速點PW及所找出的加速點、減速點組合成線路節(jié)點范圍內(nèi)軌跡點并形成軌跡點序列化爪-化}，其中11為線路節(jié)點范圍內(nèi)軌跡點個數(shù)；[0033](4)線路節(jié)點處排放估算[0034]基于公交車GPS數(shù)據(jù)中的速度、加速點和時間，利用建立的比功率計算公式和城市公交微觀排放模型(V-VSP模型)計算線路節(jié)點范圍內(nèi)每個軌跡點處各類尾氣排放率，采用下式進行線路節(jié)點處排放估算：[0035][0036]式中；[0037]i表示污染物氣體類型，包括C〇2、CO、NOx和肥；[003引n為線路節(jié)點范圍內(nèi)軌跡點個數(shù)；[0039]Eu表示第i類污染物氣體在線路節(jié)點范圍內(nèi)軌跡點門處排放量，單位為g，依據(jù)公交車在軌跡點門處的速度、加速度W及時間計算比功率并結(jié)合排放率模型進行計算；[0040]Ei表示第i類污染物氣體在線路節(jié)點處的估算量，單位為g。[0041]有益效果:本發(fā)明提供的特別設及一種基于GIS和PEMS的城市公交線路節(jié)點處排放估算方法，主要用于城市公交排放控制和預測，為城市公交排放控制和預測提供數(shù)據(jù)支持。[0042]該方法首先是通過選取具有代表性的城市公交車搭建車載排放測試系統(tǒng)(PEMS)獲取公交車實際行駛過程中的逐秒排放數(shù)據(jù)，并通過回歸分析建立城市公交微觀排放模型(V-VSP模型），繼而采用GIS技術(shù)進行線路節(jié)點范圍內(nèi)軌跡點篩選，并進行公交線路節(jié)點處排放估算，最終為城市公交排放控制和預測提供數(shù)據(jù)支持?！靖綀D說明】[0043]圖1為搭建車載排放測試系統(tǒng)示意圖；[0044]圖2為公交線路節(jié)點范圍示意圖；[0045]圖3為本發(fā)明方法流程圖?！揪唧w實施方式】[0046]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。[0047]-、本發(fā)明技術(shù)方案的構(gòu)思[004引本發(fā)明設及一種基于GIS和PEMS的城市公交線路節(jié)點處排放估算方法，其核屯、是通過建立城市公交微觀排放模型，從而通過本發(fā)明所基于GIS進行線路節(jié)點范圍內(nèi)軌跡點篩選，最終進行公交線路節(jié)點處尾氣排放估算。通過為城市公交車搭建車載排放測試系統(tǒng)，可W實時準確地獲取公交車實際行駛過程中C02、CO、M)x和HC四類尾氣的排放率數(shù)據(jù)。利用車載排放測試系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)，可W通過構(gòu)建城市公交微觀排放模型，準確掌握公交車各類尾氣的排放率，并結(jié)合GIS技術(shù)進行線路節(jié)點范圍內(nèi)軌跡點篩選，使得線路節(jié)點處排放得到合理估算。[0049]二、具體實施基于GIS和PEMS的公交線路節(jié)點處排放估算方法流程[0050]該方法首先是通過搭建車載排放測試系統(tǒng)，如附圖1所示，系統(tǒng)主要由SEMTECH-DS尾氣分析儀、尾氣流量計、排氣管、筆記本電腦和全球衛(wèi)星定位設備等組成，獲取公交車實際行駛過程尾氣中各類污染物氣體排放率數(shù)據(jù)，并結(jié)合比功率建立城市公交微觀排放模型，具體步驟如下：[0051](I)計算城市公交車比功率(VSP)[0052]依照比功率計算推導公式并根據(jù)各城市公交車實際情況進行相關(guān)參數(shù)取值，得到Wa和V為自變量的高峰(7:00~9:00和16:00~19:00)和平峰(除高峰時段外的其它時間）近似計算公式：[0053]VSP離=f離(a，v)[0054]VSPw=戶(a，v)[0055](2)建立城市公交車微觀排放模型(V-VSP模型）[0056]通過搭建車載排放測試系統(tǒng)獲取的城市公交車實際行駛過程中C〇2、CO、NOx和HC四類污染物氣體的瞬時排放率數(shù)據(jù)，根據(jù)公交車行駛速度將瞬時排放數(shù)據(jù)分為怠速(V=O)、低速（OkmA<V《20km/h)、中速（20km/h<40km/h)和高速（40km/h<V《80kmA)四組，采用回歸分析方法建立四類污染物氣體的排放率模型，其中，怠速情況W時間t為自變量，非怠速情況W公交車比功率VSP和公交車速度V為自變，得到四類污染物氣體的排放率模型：[0化7][0化引[0化9][0060][0061]式中；[0062]i表示污染物氣體類型，包括C02、C0、N0x和肥四類污染物氣體；[0063]t表示怠速時間，單位為S;[0064]V為公交車速度，單位為km/h;[00化]VSP為公交車比功率，單位為kw/ton;[0066]EfS為怠速時第i類污染物氣體排放率，單位為g/s;[0067]為低速時第i類污染物氣體排放率，單位為g/s;[006引左為中速時第i類污染物氣體排放率，單位為g/s;[0069]為高速時第i類污染物氣體排放率，單位為g/s;[0070]其次，應用GIS技術(shù)進行公交線路節(jié)點范圍內(nèi)軌跡點篩選，如附圖2所示，并對線路節(jié)點處排放進行估算，具體步驟如下：[0071](1)基于GIS進行公交線路節(jié)點范圍內(nèi)軌跡點篩選[0072]采用GIS技術(shù)對線路節(jié)點范圍內(nèi)軌跡點篩選需要嚴格按照GIS的建立流程進行，主要包括數(shù)據(jù)組織和功能實現(xiàn)。[007引1)空間數(shù)據(jù)構(gòu)建[0074]按照GIS中對空間實體的表現(xiàn)形式，將線路節(jié)點（公交站點、交叉口）抽象為矢量點狀數(shù)據(jù)，將公交站點和交叉口進行分層組織，分別用兩個點狀矢量圖層表示公交站點和交叉口，公交站點圖層屬性包括站點名稱、所在線路等，交叉口圖層包括交叉口名稱、交叉口范圍大小等。[0075]2)線路節(jié)點范圍內(nèi)軌跡點篩選[0076]首先，根據(jù)公交車GI^數(shù)據(jù)中的經(jīng)締度，利用GIS技術(shù)生成公交車軌跡點，并從軌跡點中尋找怠速點(V=O),計算每個怠速點與將要計算各類尾氣排放量大小的線路節(jié)點的距離，從中選取距離最小的怠速點，將該怠速點記為P，距離記為Dmin;[0077]其次，P點離將要計算尾氣排放量的線路節(jié)點的距離Dmin超過一定闊值則認為在該線路節(jié)點處未怠速，此時不滿足線路節(jié)點范圍定義，此點不能用來計算排放量。若線路節(jié)點類型為公交站點，依據(jù)《城市道路公共交通站、場、廠工程設計規(guī)范》將闊值設為20m，即判斷Dmin<20m是否成立，如不成立，則此點不能用來計算排放量，否則，P點為線路節(jié)點范圍內(nèi)怠速點。若線路節(jié)點類型為交叉口，判斷Dmin小于交叉口范圍大小的一半是否成立，如成立，P點為線路節(jié)點范圍內(nèi)怠速點，否則此點不能用來計算排放量；[0078]最后，若P點為線路節(jié)點范圍內(nèi)怠速點，從軌跡點序列中尋找與P點處于同一個線路節(jié)點范圍內(nèi)的P點之后的加速點和P點之前的減速點，遍歷所有的線路節(jié)點范圍內(nèi)怠速點，得到包括加速點、怠速點和減速點在內(nèi)的線路節(jié)點范圍內(nèi)軌跡點序列{P1、P2…Pn}(n為線路節(jié)點范圍內(nèi)軌跡點個數(shù)）。[0079](2)線路節(jié)點處排放估算[0080]基于公交車GPS數(shù)據(jù)中的速度、加速點和時間，利用建立的比功率計算公式和城市公交微觀排放模型(V-VSP模型)計算線路節(jié)點范圍內(nèi)每個軌跡點處各類尾氣排放率，采用下式進行線路節(jié)點處排放估算：[0081][0082]式中；[0083]i表示污染物氣體類型，包括C〇2、CO、NOx和肥；[0084]n為線路節(jié)點范圍內(nèi)軌跡點個數(shù)；[0085]Eu表示第i類污染物氣體在線路節(jié)點范圍內(nèi)軌跡點門處排放量，g，依據(jù)公交車在軌跡點門處的速度、加速度W及時間計算比功率并結(jié)合提出的排放率模型進行計算；[0086]Ei表示第i類污染物氣體在線路節(jié)點處的估算量，單位為g。W上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可W做出若干改進和潤飾，運些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍?！局鳈?quán)項】1.一種基于GIS和PEMS的城市公交線路節(jié)點處排放估算方法，其特征在于所述方法包括下列步驟：步驟1、計算城市公交車在高峰和平峰時的比功率其中：高峰是指7:00~9:00和16:00~19:00，平峰是指除高峰時段外的其它時間；f為以公交車的加速度a和速度v為自變量的比功率近似計算公式；步驟2、通過搭建城市公交車車載排放測試系統(tǒng)獲取城市公交車實際行駛過程中C02、CO、NOx和HC四類污染物氣體的瞬時排放數(shù)據(jù)，根據(jù)公交車行駛速度將瞬時排放數(shù)據(jù)分為怠速、低速、中速和高速四組，其中怠速時v=〇,低速時0km/h<X20km/h，中速時20km/h<v<40km/h，高速時40km/h<X80km/h，采用回歸分析方法建立四類污染物氣體的排放率模型，其中，怠速時以怠速時間t為自變量，非怠速時以步驟1中公交車比功率VSP和公交車速度v為自變量，得到四類污染物氣體的排放率模型如下：式中：i表示污染物氣體類型，包括C02、CO、NOx和HC四類污染物氣體；t表示怠速時間，單位為s;v為公交車速度，單位為km/h;VSP為公交車比功率，單位為kw/ton;?為怠速時第i類污染物氣體排放率，單位為g/s;￡f?為低速時第i類污染物氣體排放率，單位為g/s;?為中速時第i類污染物氣體排放率，單位為g/s;￡f為高速時第i類污染物氣體排放率，單位為g/s;步驟3、基于GIS進行公交線路節(jié)點范圍內(nèi)軌跡點篩選，具體包括如下步驟：步驟3-1、構(gòu)建空間數(shù)據(jù)按照GIS中對空間實體的表現(xiàn)形式，將公交站點和交叉口這兩種線路節(jié)點抽象為矢量點狀數(shù)據(jù)，并將公交站點和交叉口進行分層組織，公交站點和交叉口分別各采用一個點狀矢量圖層表示，設置每個公交站點的線路節(jié)點范圍為40m，每個交叉口的線路節(jié)點范圍為該交叉口范圍的大小；步驟3-2、線路節(jié)點范圍內(nèi)軌跡點篩選首先，根據(jù)公交車GPS數(shù)據(jù)中的經(jīng)煒度，利用GIS技術(shù)生成公交車的軌跡點，并從軌跡點中尋找怠速點，計算每個怠速點與將要計算尾氣排放量的線路節(jié)點之間的距離，針對將要計算尾氣排放量的線路節(jié)點選出與之距離最小的怠速點，將該怠速點記為P，該怠速點與對應的將要計算尾氣排放量的線路節(jié)點的距離記為Dmin;其次，對任意一個選出的怠速點P:若與之對應的將要計算尾氣排放量的線路節(jié)點為公交站點，判斷該怠速點P對應的Dmin是否滿足Dmin〈20m，如滿足，該怠速點P為公交線路節(jié)點范圍內(nèi)怠速點，否則公交車在此線路節(jié)點范圍內(nèi)未怠速，不考慮怠速排放估算;若與之對應的將要計算尾氣排放量的線路節(jié)點為交叉口，判斷該怠速點P對應Dmin小于對應的交叉口范圍大小的一半是否成立，如成立，則該怠速點P為此公交線路節(jié)點范圍內(nèi)怠速點，否則公交車在此線路節(jié)點范圍內(nèi)未怠速，不考慮怠速排放估算；最后，對每個公交線路節(jié)點范圍內(nèi)怠速點P，從生成的軌跡點中尋找出處于該點所對應的公交線路節(jié)點范圍內(nèi)的該點之后的減速點和該點之前的加速點，將所有公交線路節(jié)點范圍內(nèi)怠速點P以及所找出的加速點、減速點組合成線路節(jié)點范圍內(nèi)軌跡點并形成軌跡點序列沾、內(nèi)…pn}，其中η為線路節(jié)點范圍內(nèi)軌跡點個數(shù)；步驟3-3、線路節(jié)點處排放估算根據(jù)公交車的速度、加速點以及當前時間，選擇步驟2中得到的相應的四類污染物氣體的排放率模型，計算線路節(jié)點范圍內(nèi)每個軌跡點匕處四類污染物氣體的排放率，這里j取1~n，采用下式進行線路節(jié)點處排放估算：式中：i表示污染物氣體類型，包括C02、CO、NOx和HC四類污染物氣體；η為線路節(jié)點范圍內(nèi)軌跡點個數(shù)；表示第i類污染物氣體在線路節(jié)點范圍內(nèi)軌跡點匕處的排放量，單位為g，依據(jù)公交車在軌跡點Pj處的速度、加速度以及時間利用步驟1計算比功率并結(jié)合步驟2提出的排放率公式進行計算；Ei表示第i類污染物氣體在線路節(jié)點處的排放的估算量，單位為g。【文檔編號】G08G1/01GK105957348SQ201610521796【公開日】2016年9月21日【申請日】2016年7月1日【發(fā)明人】李鐵柱,王雷,于謙【申請人】東南大學