一種動態(tài)交通環(huán)境下的汽車最低碳路徑搜索方法
【專利摘要】一種動態(tài)交通環(huán)境下的汽車最低碳路徑搜索方法，步驟如下：一、建立道路交通網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)路況數(shù)據(jù)模型；二、建立汽車的二氧化碳即CO2排放模型；三、搜索給定起始點和目的點之間的最低碳路徑；通過以上步驟，可以從動態(tài)的交通網(wǎng)絡(luò)中搜索出一條最低碳排放量的行駛路徑，使車輛在r時刻從A點出發(fā)，連續(xù)行駛到達B點時，所排放的CO2總量最低；該方法既適用于一般性乘用車輛的最低碳路徑搜索服務(wù)，也適用于有較大載重量的貨車的最低碳路徑搜索服務(wù)。該方法有效地解決了在交通狀況時刻變化的情況下，如何為燃油型車輛(汽油、柴油等)優(yōu)化設(shè)計行駛路徑，以達到節(jié)油減排的目的。
【專利說明】一種動態(tài)交通環(huán)境下的汽車最低碳路徑搜索方法 一、 所屬技術(shù)領(lǐng)域：
[0001]本發(fā)明提供一種動態(tài)交通環(huán)境下的汽車最低碳路徑搜索方法，它可用于在交通擁 堵動態(tài)變化的環(huán)境下，為汽車出行提供最低碳路徑搜索服務(wù)，以使汽車在該路徑上行駛具 有最低的燃油消耗和二氧化碳排放量，屬于道路交通節(jié)能減排技術(shù)領(lǐng)域。 二、
【背景技術(shù)】：
[0002] 根據(jù)國際能源機構(gòu)（IEA)的2015年的報告，交通運輸領(lǐng)域（Transportation sector)已經(jīng)占據(jù)了全球碳排放總量的23%，而其中公路運輸占交通運輸所產(chǎn)生的碳排放 量的75%，是其中最主要的碳排放來源之一。而在公路運輸所產(chǎn)生的碳排放總量中，有很大 比例是由于城市及周邊地域擁堵的交通條件而額外增加的。根據(jù)國際公路運輸聯(lián)盟（IRU) 估算模型，交通擁擠情況使車輛的碳排放量額外地增加了300%。這是因為在擁堵的交通環(huán) 境中，車輛常常以低速行駛，并頻繁地加/減速和停車空轉(zhuǎn)，大大地降低了燃油的轉(zhuǎn)化效率， 致使二氧化碳的排放量大幅增加。汽車尾氣不僅僅排放了大量的二氧化碳，而且還是引起 大氣霧霾天氣污染的一個主要來源。特別是以燃燒柴油為動力的大、中型物流配送車輛，其 排放的尾氣中含有較高比例的PM2.5微小顆粒。
[0003] 城市及郊區(qū)的交通擁堵環(huán)境通常是動態(tài)變化的。合理選擇車輛行駛路線可以有效 的降低車輛的總碳排放量。根據(jù)模擬仿真計算的分析結(jié)果，降低的程度可達到20%_50%。 在現(xiàn)有的地圖路徑搜索算法中，廣泛米用的是面向行駛路徑最短或行駛時間最小的 Di jstra算法，未嘗見到有面向汽車碳排放最低的行駛路徑優(yōu)化算法。
[0004] 本項發(fā)明專利提出來的一種動態(tài)交通環(huán)境下的最低碳路徑搜索算法。算法根據(jù)給 定的車型、給定的起始地點和終點地點、以及給定的開始時刻，根據(jù)動基于歷史信息的態(tài)交 通環(huán)境，搜索碳排放量最低的行駛路徑，該路徑稱為最低碳路徑。當前我國（家庭、貨運)汽 車持有量在不斷增加，與交通基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的相對不足的矛盾將在較長一段時間范圍內(nèi)長 期持續(xù)存在。而隨著人們的節(jié)能減排和綠色出行意識的持續(xù)增強，以及國家層面的低碳鼓 勵措施與碳稅懲罰機制的陸續(xù)相繼出臺，因此本專利將具有緊迫的需求背景和非常廣泛的 應(yīng)用前景。 三、

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0005] 3.1發(fā)明目的
[0006] 本項發(fā)明專利的目的在于提供一種動態(tài)交通環(huán)境下的汽車最低碳路徑的搜索方 法，為電子地圖GPS系統(tǒng)增加最低碳路徑搜索功能，用于指導(dǎo)車輛出行選擇最優(yōu)的路徑，以 達到節(jié)油減排的目的。
[0007] 3.2技術(shù)方案
[0008] 本發(fā)明是一種動態(tài)交通環(huán)境下的汽車最低碳路徑搜索方法，該方法的步驟如下：
[0009] 步驟一、建立道路交通網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)路況數(shù)據(jù)模型
[0010] 從電子地圖系統(tǒng)中提取當前區(qū)域內(nèi)的道路交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對道路網(wǎng)絡(luò)中的交叉節(jié) 點進行編號，形成一個點集合，以符號v= {i I i = l，2，···，n}表示。其中i是節(jié)點的編號，η是 節(jié)點的總數(shù)量。再以符號Ν表示連接兩個節(jié)點之間的有向路段的全體集合，即N={(i，j)|i e V，j e V，i矣j}，其中（i，j)表示一條由節(jié)點i駛向節(jié)點j的路段。對于每一個存在的路段 (i，j)￡N，預(yù)先計算距離(公里），再根據(jù)當前區(qū)域的歷史路況記錄，統(tǒng)計該路段上各時刻 點t的車流速度 Vlj(t)。以此建立動態(tài)路況數(shù)據(jù)模型，作為后續(xù)步驟中的汽車最低碳路徑計 算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
[0011] 步驟二、建立汽車的二氧化碳(C02)排放模型
[0012] 在動態(tài)路況模型中，一條路段上的車流速度是時間依賴函數(shù)，表示為v(t)，其中t 為時刻點。一條距離為D的路段的行駛時間的計算表達式為：
[0014] 上式中，r為出發(fā)時刻，V =r+h為到達時刻，L為行駛時間。
[0015] 同型汽車行駛于一條相同距離的路段，不同的行駛速度和載重量會導(dǎo)致不同的碳 排放值。對于給定的某型汽車行駛一公里的碳排放值，即碳排放率(kg/km)，可表示為函數(shù)e (f>)。其中，ν為行駛速度(km/h)，f為負載重量(kg)，a，i3, γ和P是與車輛類型相關(guān)的常數(shù) 項，可根據(jù)車輛類型的特征進行計算。因此，對于給定長度為D的路段，車輛從r時刻出發(fā)行 駛該路段的總碳排放值可以通過下面的一般表達式來計算：
[0017] 其中r為出發(fā)時間，r'為預(yù)期到達時間，e(f，v(t))為汽車的碳排放率函數(shù)。
[0018] 步驟三、搜索給定起始點和目的點之間的最低碳路徑
[0019] 該步驟將在前面所述的步驟一和步驟二的基礎(chǔ)上，為指定的車型、指定的出發(fā)時 亥IJ、以及指定的起始點A和目的點B，在網(wǎng)絡(luò)地圖上搜索出一條最低碳路徑，使車輛具有最優(yōu) 的碳排放值。
[0020] 下面先定義若干符號，用以描述該步驟的具體過程：
[0021] Pi指向節(jié)點i的上游節(jié)點
[0022] Si節(jié)點i的訪問狀態(tài)，0/1表示是否已經(jīng)被訪問 [0023] G從節(jié)點A出發(fā)到節(jié)點i的最低累計碳排放量 [0024] 從節(jié)點A出發(fā)到節(jié)點i的到達時間
[0025]該步驟的具體執(zhí)行過程的文字描述如下：
[0026]
[0027]通過以上步驟，可以從動態(tài)的交通網(wǎng)絡(luò)中搜索出一條最低碳排放量的行駛路徑， 使車輛在r時刻從A點出發(fā)，連續(xù)行駛到達B點時，所排放的C02總量最低。該方法有效地解決 了在交通狀況時刻變化的情況下，如何為燃油型車輛(汽油、柴油等)優(yōu)化設(shè)計行駛路徑，以 達到節(jié)油減排的目的。
[0028] 3.3優(yōu)點和功效
[0029] 本發(fā)明所描述的最低碳路徑搜索方法，可應(yīng)用于交通狀況情況隨著時間變化的都 市交通區(qū)域、與都市相鄰的市郊區(qū)域、以及混合區(qū)域的最優(yōu)路徑規(guī)劃計算，幫助駕駛?cè)藛T或 規(guī)劃人員設(shè)計具有最低碳排放量的行駛路線。目前市面上的電子地圖GPS系統(tǒng)軟件為汽車 行駛提供了兩種路徑搜索方法：（1)面向行駛里程最短的路徑搜索方法；（2)面向行駛時間 最短的路徑搜索方法。本發(fā)明給出的面向碳排放量最小化的汽車路徑搜索方法，可用于電 子地圖GPS系統(tǒng)，為汽車行駛提供第三種路徑搜索服務(wù)，即最低碳路徑搜索服務(wù)。
[0030] 本發(fā)明方法有四點優(yōu)點：（1)本方法所獲得最低碳路徑所有網(wǎng)絡(luò)路徑中碳排放量 最低的最優(yōu)路徑；（2)方法中考慮了每條路段的車輛行駛速度與時間動態(tài)相關(guān)性，以路段的 歷史信息動態(tài)估算車輛行駛至該路段時刻的速度計算碳排放量，精確地考慮了不同時段車 行速度對車輛碳排放量的影響；（3)方法中考慮了車輛載重對碳排放量的影響，因此該方法 既適用于一般性乘用車輛的最低碳路徑搜索服務(wù)，也適用于有較大載重量的貨車的最低碳 路徑搜索服務(wù)。（4)方法的復(fù)雜度為o(|v| 2)，具有很高的計算效率，其中|v|為節(jié)點數(shù)。盡管 該方法在利用分布積分計算每個路段的動態(tài)碳排放量時有一定的計算量，但該方法隨著問 題規(guī)模僅是按多項式〇( I v|2)上升的。 四、
【附圖說明】
[0031] 圖1本發(fā)明方法的實施流程圖。
[0032] 圖2碳排放率與速度的關(guān)系圖。
[0033]圖3最低碳路徑搜索示意圖。
[0034]圖中序號、符號、代號說明如下：
[0035] 圖 2中：
[0036] #C02emission rate(kg/km):二氧化碳排放率(公斤/公里）
[0037] #Vehicle's speed(km/hour):車輛行駛速度（公里/小時）
[0038] #Vehicle(6.35T):整除質(zhì)量為6.35噸的貨運汽車
[0039] 圖 3中：
[0040] ·Α:車輛行駛的起點
[0041] ·Β:車輛行駛的終點（目的點）
[0042] #1，2,3,4:車輛行駛經(jīng)歷的節(jié)點代號
[0043] #V12(t)，V23(t):分別表示路段(1，2)和路段(2,3)的車流速度與時間的函數(shù) 五、
【具體實施方式】
[0044] 本發(fā)明方法可以通過編寫相應(yīng)的計算機程序?qū)崿F(xiàn)，可嵌入到當前電子地圖GPS軟 件系統(tǒng)中，作為電子地圖路徑搜索服務(wù)的一項基本功能。
[0045] 本發(fā)明一種動態(tài)交通環(huán)境下的汽車最低碳路徑搜索方法，見圖1所示，其具體實施 步驟如下：
[0046] 步驟一:建立道路交通網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)路況數(shù)據(jù)模型：
[0047] 執(zhí)行該步驟主要包含5小步驟，分別是：（1)確定車輛行駛的地圖區(qū)域；（2)根據(jù)地 圖信息，建立該地圖區(qū)域的抽象的有向圖G=(V，N)，其中V是所有路段的交叉點的集合，N為 由連接相鄰點的路段組成的集合；（3)從電子地圖中獲取各段的行駛距離；（4)根據(jù)該區(qū)域 的歷史路況信息，以天為單位，統(tǒng)計集合N中的各路段在各時刻點的平均車流速度，時刻點 的選取可固定為等間距5分鐘、10分鐘或30分鐘，具體可根據(jù)路況車流速度的變化幅度而 定；（5)建立四元組（i，j，t，v)組成的動態(tài)路況數(shù)據(jù)模型，如下表所示：
[0048]表1動態(tài)路況數(shù)據(jù)模型的示例
[0050] 上表中，各條數(shù)據(jù)按時間順序排列。每條數(shù)據(jù)表示起始節(jié)點i到目標節(jié)點j之間的 示路段（i，j)在時刻點t的平均車流速度為V。對于表中兩個時間點之間其他某時間點的車 流速度，采用線性插值方法取值。例如，在表1中，t = 05 : 30時刻的車流速度可插值計算為 62·5km/h〇
[0051] 步驟二:建立汽車的二氧化碳(C02)排放模型：
[0052] 該步驟主要包含2小步驟，分別是：（1)確定所駕駛車輛的類型；（2)根據(jù)車輛類型 確定其碳排放率函數(shù)e(f，v)，其中f為載重量，v為速度。具體如下：
[0053]關(guān)于汽車的碳排放率模型，目前文獻資料中已經(jīng)有多種的已知模型，均可表達為 函數(shù)e(f，v)的形式，本專利方法并不限定于某種特定模型。這里僅以知名的CMEM模型為例 予以說明。CMEM模型的碳排放率函數(shù)可以表達為如下形式：
[0054] c( /', ν) = α · I-' ' + β ·ν" + ν + φ· / (3)
[0055] 上式中：f為載重量，ν為速度，系數(shù)α，β，γ和^為與汽車類型相關(guān)的常數(shù)項。以某個 型整車質(zhì)量6.35噸的柴油貨運汽車為例，根據(jù)該型汽車的特征，各項參數(shù)可根據(jù)CMEM模型 計算為：α = 9·75862，β = 2·90264X 10-5，γ =0· 142139，和ρ=2_2384〇χ丨(?。當令車輛載重量 f = 〇時，可獲得該型車輛的碳排放率與車行速度的曲線關(guān)系圖，如圖2所示。當f>0時，該曲 線平移上移，形狀保持不變。對于任意路段(i，j)，車輛從r時刻開始行駛，根據(jù)公式(2)其碳 排放值的計算公式則為：
[0056]
[0057] 上式中：r '為到達時間，可由公式（1)通過分步積分計算獲得。公式(4)的Eijr也可 通過分步積分計算獲得，v的取值通過參照表1中的動態(tài)路況數(shù)據(jù)表獲得。
[0058]步驟三:搜索給定起始點和目的點之間的最低碳路徑：
[0059] 完成該步驟完成為給定型號的汽車搜索從r時刻出發(fā)由A點到B點的最低碳路徑， 見圖3所示。首先在地圖上確定出發(fā)點A和目的點B，再確定車輛的從A點出發(fā)的時刻點r，然 后執(zhí)行技術(shù)方案中所給出的最低碳路徑搜索方法，搜索出r時刻出發(fā)由A到B連續(xù)行駛的低 碳路徑，即A ~>1~>2~>3~>4~^B。
[0060] 該最低碳路徑搜索方法的計算機偽代碼流程描述如下：
[0063] (注:方法中的符號7/"表示后面的文字為注釋說明）
[0064] 完成以上三個方法步驟，可以獲得指定車輛在指定時刻t出發(fā)由起始點A到目標點 B的最低碳路徑Q、總的碳排放值CB、以及相應(yīng)的到達時間TB，為汽車出行提供了一種綠色低 碳路徑方案。
【主權(quán)項】
1. 一種動態(tài)交通環(huán)境下的汽車最低碳路徑搜索方法，其特征在于:其實施步驟如下： 步驟一、建立道路交通網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)路況數(shù)據(jù)模型 從電子地圖系統(tǒng)中提取當前區(qū)域內(nèi)的道路交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對道路網(wǎng)絡(luò)中的交叉節(jié)點進 行編號，形成一個點集合，以符號v= {i | i = l，2,…，n}表示;其中i是節(jié)點的編號，η是節(jié)點 的總數(shù)量;再以符號Ν表示連接兩個節(jié)點之間的有向路段的全體集合，即Ν = {(i，j) | i e V，j eV，i矣j}，其中（i，j)表示一條由節(jié)點i駛向節(jié)點j的路段;對于每一個存在的路段(i，j) e N，預(yù)先計算距離D^，再根據(jù)當前區(qū)域的歷史路況記錄，統(tǒng)計該路段上各時刻點t的車流速度 以此建立動態(tài)路況數(shù)據(jù)模型，作為后續(xù)步驟中的汽車最低碳路徑計算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)； 步驟二、建立汽車的二氧化碳即C0 2排放模型 在動態(tài)路況模型中，一條路段上的車流速度是時間依賴函數(shù)，表示為v(t)，其中t為時 刻點;一條距離為D的路段的行駛時間的計算表達式為：(1) 上式中，r為出發(fā)時刻，V =r+Tr為到達時刻，Tr為行駛時間； 同型汽車行駛于一條相同距離的路段，不同的行駛速度和載重量會導(dǎo)致不同的碳排放 值;對于給定的某型汽車行駛一公里的碳排放值，即碳排放率(kg/km)，表示為函數(shù)e (f，v); 其中，v為行駛速度即km/h，f為負載重量即kg，a，i3，y和？是與車輛類型相關(guān)的常數(shù)項，根據(jù) 車輛類型的特征進行計算；因此，對于給定長度為D的路段，車輛從r時刻出發(fā)行駛該路段的 總碳排放值通過下面的一般表達式來計算： ·,(2) 其中r為出發(fā)時間，r'為預(yù)期到達時間，e(f，v(t))為汽車的碳排放率函數(shù)； 步驟三、搜索給定起始點和目的點之間的最低碳路徑 該步驟將在前面所述的步驟一和步驟二的基礎(chǔ)上，為指定的車型、指定的出發(fā)時刻、以 及指定的起始點A和目的點B，在網(wǎng)絡(luò)地圖上搜索出一條最低碳路徑，使車輛具有最優(yōu)的碳 排放值； 下面先定義各符號及其說明，用以描述該步驟的具體過程： 匕指向節(jié)點i的上游節(jié)點 &節(jié)點i的訪問狀態(tài)，0/1表示是否已經(jīng)被訪問 G從節(jié)點A出發(fā)到節(jié)點i的最低累計碳排放量 從節(jié)點A出發(fā)到節(jié)點i的到達時間 該步驟的具體執(zhí)行過程的文字描述如下：通過以上步驟，能從動態(tài)的交通網(wǎng)絡(luò)中搜索出一條最低碳排放量的行駛路徑，使車輛 在r時刻從A點出發(fā)，連續(xù)行駛到達B點時，所排放的C02總量最低;該方法有效地解決了在交 通狀況時刻變化的情況下，如何為燃油型車輛優(yōu)化設(shè)計行駛路徑，以達到節(jié)油減排的目的。
【文檔編號】G01C21/34GK105865476SQ201610453161
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月21日
【發(fā)明人】肖依永
【申請人】北京航空航天大學(xué)