纯电动公交车交叉口节能驾驶策略

　　摘要：针对纯电动公交车在交叉口区域的高能耗问题，本研究设计了纯电动公交车通行交叉口区域的节能驾驶策略。根据公交车通行交叉口区域的驾驶行为将交叉口场景划分为4类，并根据运动学关系划分信号灯剩余时长区间，将其分为6种情况，综合考虑交叉口上游路段和下游路段设计节能驾驶策略。结合基于纯电动公交车能耗特征的单位里程能耗模型和纯电动公交车匀速、加速以及减速策略，在Matlab中开展仿真实验，验证所提出的节能驾驶策略，结果表明提出的节能驾驶策略至少可以降低8%以上的能耗。对划分的6种情况而言，到达调整段时信号灯为绿灯的驾驶策略可降低8.7%~42.63%的能耗，到达调整段时信号灯为红灯的驾驶策略可降低9.85%~51.65%的能耗。

　　关键字：交通工程;节能驾驶策略;仿真实验;纯电动公交车;交叉口

　　城市公共交通作为城市客运系统的主体，在提倡绿色环保城市的理念下快速发展，纯电动公交车因其低噪声、无污染逐步成为大中城市的首选车型。但其续驶里程有限，提高其能源利用率成为该领域研究热点。由于纯电动公交车的能耗规律和节能工况等与传统公交车有差异，传统的节能技术不能完全适用，因此，纯电动公交车的节能驾驶研究要区别于燃油车的研究。

　　电动论文范例：电动汽车无线充电的启动阶段控制策略

　　节能驾驶技术在减少能耗方面的可行性已被验证[1-2]。以V2V、V2I通信为基础的车联网系统有效实现了车-车、车-路之间的信息交互，行驶车辆能获得更多实时交通信息[3-4]。研究表明，信号灯增大了车辆延误和能耗[5];在交叉口，如果驾驶员能事先获取信号灯信息并采取相应的驾驶策略，可减少5%~30%的能耗[6-8]。同时，Unal等[9]的研究表明车辆在交叉口遇到红灯停车后再起步通过比不停车通过交叉口的能耗高得多。

　　因此，对纯电动公交车而言，利用车路协同实时获取交叉口信号灯信息，实现交叉口的节能驾驶，对节省纯电动公交车电能，延长续驶里程具有重要意义。国内外学者对电动汽车各行驶阶段的驾驶策略进行研究。李礼夫等[10]提出了基于加速特征参数β的加速曲线，得到了纯电动公交车在加速过程的最低单位里程能耗;Zhang等[11]提出一种纯电动公交车匀速和加速驾驶策略，通过在AVLCruise设置巡航控制任务确定能耗较低的速度区间，并用加速度特征参数β表征加速过程，确定加速过程的节能驾驶策略;李升波等[12]设计了一种电动汽车在交叉口的节能驾驶方法，通过确定匀速段的速度、加速段的末速度和减速段的初速度建立节能优化模型。

　　同时，基于车路协同的电动汽车节能驾驶研究逐渐得到重视。张智明等[13]基于车路协同分析了纯电动公交车在站点间的行驶工况，结合信号灯和站点距离信息，利用Advisor和遗传算法的联合仿真，获得最优行驶工况，与优化前相比，能耗降低29.4%。Miyatake等[14-15]提出了一种电动汽车节能驾驶技术，确定电动汽车在固定起点和终点、运行时间和道路条件下的最优速度分布，使总能耗达到最小，实车试验表明该方法可有效节能。此外，车路协同环境下电动汽车的节能驾驶研究主要集中于交叉口区域，通过信号灯信息确定车辆通行交叉口区域的驾驶策略。

　　靳秋思等[16]基于交叉口信号灯相位和配时信息，定量分析了交叉口区域内的驾驶行为特征，采用运动学知识将交叉口场景分为6种工况，针对这6种工况分别设计了生态驾驶策略模型和车辆轨迹优化算法。Barth等[17-19]利用信号灯信息和当前车辆位置计算出交叉口允许车辆通行的时间段和车辆能顺利通过交叉口的目标车速区间，通过比较当前车速和目标车速区间确定驾驶策略。程前等[20]在交叉口场景中研究了纯电动汽车的节能、安全和舒适性问题，并建立了数学模型;通过使用NSGA-Ⅱ算法来优化车速、加速度和总加权加速度，提出交叉路口下纯电动汽车的最优驾驶策略。

　　Yu等[21]分析了纯电动智能网联汽车(PE-ICV)在交叉口的驾驶特性，并建立了动力学模型，计算车速与能耗的关系，基于制动能量反馈和实时交叉口信息，优化了PE-ICV在不同车速和环境下的行驶策略。Zhang等[22]基于车路协同研究了交叉口电动汽车生态驾驶策略，通过底盘测功机试验建立了不同运行模式的微观能耗模型，并基于驾驶行为分析建立了结合当前车辆位置信息和信号灯信息的生态驾驶速度模型。Qi等[23]设计了基于MPC和HMI的节能进出场系统和电动汽车能耗估算模型，利用对比试验研究不同场景、不同信号灯剩余时间、不同运行速度下车辆通行交叉口的速度曲线和能耗。

　　朱波等[24]提出一种基于道路信息的电动汽车驾驶方法，通过采集自车和信号灯状态信息，指导驾驶员进行节能驾驶。综上，国内外关于电动汽车的节能驾驶研究比较丰富，但仍存在以下问题：多数电动汽车的节能驾驶研究集中于分析加速过程对能耗的影响，缺乏减速过程的分析;对车辆通行交叉口的场景分类不全，针对细化信号灯剩余时长的研究仍有不足;部分研究只集中于交叉口上游的节能驾驶研究，忽略了交叉口下游的速度策略研究;针对纯电动公交车的节能驾驶研究比较缺乏。

　　本文在借鉴国内外节能驾驶研究的基础上，以降低纯电动公交车通行交叉口的单位里程能耗为目标，提出一种基于不同信号灯剩余时长的节能驾驶策略。本文其余部分安排如下:第一节介绍了分析方法，构建了纯电动公交车能耗模型;提出了纯电动公交车匀速、加速和减速的驾驶策略。第二节根据通行交叉口的不同驾驶行为对交叉口场景进行分类，将信号灯剩余时长分为6种情况，设计节能驾驶策略，并在Matlab中仿真验证。第三节是讨论。第四节给出了本研究的结论。

　　为使研究对象更加明确，特作出以下假设：①在交叉口区域的车路协同环境中设计纯电动公交车的节能驾驶策略，车辆可与路测设施实时通信;②仅研究单一交叉口;③研究对象为单个公交车，不考虑交叉口排队现象;④公交车行驶在公交专用车道上，不考虑其他因素的干扰;⑤仅考虑直行通过路口。

　　交叉口路段划分为更加高效地提出节能驾驶策略，将交叉口区域划分为以交叉口为原点的上游段、路口和下游段。上游段指上个交叉口到该交叉口停止线之间的路段，包括定速段、调整段;路口指两个交叉口停止线之间的距离，避免信号灯相位结束时公交车正处于路口位置并提高节能驾驶策略的利用率。本研究的主要目的是在车路协同环境下设计纯电动公交车通行交叉口区域的节能驾驶策略。针对以往交叉口区域的节能驾驶研究中未对交叉口场景进行划分或划分场景不全，而且对实际驾驶中经常出现的绿灯剩余时间短和红灯剩余时间长的驾驶策略研究较少。本研究根据公交车通行交叉口区域的驾驶行为将交叉口场景划分为4类，并根据运动学关系将信号灯剩余时长分为6种情况。

　　同时，针对已有的节能驾驶研究集中在上游段的接近速度，忽略下游段的驶出速度，本研究所设计的节能驾驶策略包含公交车在下游段恢复Veco的驾驶策略，使所提出的节能驾驶策略更加完整。针对之前学者对电动汽车的节能驾驶研究集中于加速和匀速过程，忽略了有能量回收的减速过程，本研究基于恒减速模型，研究了减速度d值与能耗的关系，结果表明随着d值的增加，能耗逐渐增大。该方法可用于任意纯电动公交车需要减速的场景中，即在行驶时间和减速距离一定的情况下可计算出能够回收较多能量的d值，减小纯电动公交车的能耗。

　　4结论

　　本研究基于车辆动力学和纯电动公交车的能耗特征构建了纯电动公交车的单位里程能耗模型，并基于巡航仿真试验，确定匀速段的节能驾驶速度Veco;基于加速特征参数β设计加速策略;基于恒减速模型设计减速策略。然后根据6种信号灯剩余时长，设计相应的节能驾驶策略;最后在Matlab中设计仿真实验，结果表明所提出的节能驾驶策略可有效降低纯电动公交车通行交叉口区域的能耗。

　　其中，到达调整段时信号灯为绿灯的驾驶策略可以降低8.7%~42.63%的能耗，到达调整段时信号灯为红灯的驾驶策略可以降低9.85%~51.65%的能耗。本研究只针对单个公交车通行单个交叉口的情形，没有考虑车辆跟驰和全局最优，同时公交车处于复杂的交通环境中，车辆排队或其他因素的干扰使公交车很难按照节能驾驶策略行驶。因此结合公交车实际所处的交通环境，实时调整节能驾驶策略并考虑全局能耗最优是未来研究工作的重点。

　　参考文献：References：

　　[1]WUG,BORIBOONSOMSINK,ZHANGWB,etal.EnergyandEmissionBenefitComparisonofStationaryandIn-VehicleAdvancedDrivingAlertSystems[J].TransportationResearchRecordJournaloftheTransportationResearchBoard,2010,2189(-1):98-106.

　　[2]GONDERJ,EARLEYWINEM,SPARKSW.FinalReportontheFuelSavingEffectivenessofVariousDriverFeedbackApproaches[R].OfficeofScientific&TechnicalInformationTechnicalReports,2011..

　　[3]付锐,张雅丽,袁伟.生态驾驶研究现状及展望[J].中国公路学报,2019,32(3):5-16.FURui,ZHANGYa-li,YUANWei.ResearchandDevelopmentofEco-drivingatHomeandBoard[J].ChinaJournalofHighwayandTransport.2019,32(3):5-16.

　　作者：袁伟1，王虹霞2，张雅丽1，葛振振1，付锐1，王畅1，曹龙1