交通运输系统节能技术与方法
随着新的运输理念提出和高级运输方式的发展，综合交通运输建设除了满足国民经济发展的需要外，还须满足生态原理规划、建设和管理，资源能源消耗低、污染排放少、与环境相协调，而能耗是其中一个关键因素.讨论综合交通运输能耗相关指标的概念，综合我国环境发展水平和经济发展水平的状况，以熵变耦合模型为基础，分别详细论证了近十五年间我国综合交通运输能耗水平与环境水平的协调关系，以及其与国民经济发展水平的协调关系，说明我国综合交通运输能耗的现状，从而为今后综合交通运输可持续发展研究提供新的思路与方法.
为识别区域综合交通系统能耗驱动因子，测算其对系统能耗的贡献度，将驱动因素分为规模效应、结构效应和技术效应，采用ASIF数据构造原理和时序列回归法识别各因子的相关性，运用迪氏分解方法建立扩展LMDI分解模型，计算各因子能耗贡献度.计算表明,规模效应和技术效应的影响程度在逐渐减弱，结构效应的影响程度在逐渐增加；运输结构还需要进一步优化，对系统能耗的影响还有很大下降空间；近年来能耗效率已经得到很大提高，但能耗效率对能耗的贡献正在逐渐减弱，未来提高运输强度对降低能耗有明显效果.经实证检验，计算模型可靠、结论可信，能为区域综合低碳交通政策制定提供更科学的依据.
随着工业化和城市化程度的提高，交通与能源矛盾日益突出.现有研究认为运 输业能源消耗与运输量、能源消耗强度有关，然而忽视了综合运输系统结构对能源消耗 的影响.为了解综合运输系统能耗与运输量、能耗强度、运输系统结构三者的定性与定量 关系，找出综合运输系统能耗快速增长的真正推动因素，本文以综合运输系统为研究对 象，建立基于完全分解的综合运输系统能耗影响分析模型，将能耗的影响因素分解成系 统结构、运输量、能源消耗强度三大因子，并对1995–2011 年的统计数据进行实例计算.研 究发现，运输量的大量增加是运输业能耗显著增加的主要因素.但值得关注的是，运输结 构对能源消耗的影响日益突出.所以，我国进一步构建综合运输系统时，应当做好各种运 输方式在能耗方面的优势比较及合理的整体发展规划，使得各种运输方式协调发展.应该 大力发展能源消耗率低且对环境影响小的铁路和水路运输.
为了降低交通运输系统能源消耗，同时满足居民的出行需求，需综合考虑机动 车燃油消耗和道路通行效率.针对此问题，引入交通网络车均燃油消耗和宏观基本图 (Macroscopic Fundamental Diagram，MFD)，建立了车辆完成率高、车均燃油消耗低的双目 标规划模型，并对模型进行求解.依据反馈原理和车流平衡方程提出了燃油消耗比例积分 控制(Fuel Consumption-Proportional Integral，FC-PI)控制方法，并通过FC-PI 控制方法降 低区域内车均燃油消耗，提高路网车辆完成率.最后通过实际城市路网验证所提出的燃油 消耗控制模型，并且与Bang-Bang 控制方法进行了比较.仿真结果显示，网络内车均燃油 消耗显著降低，同时网络内车辆完成率得到提高，且FC-PI 控制方法的控制效果要优于 Bang-Bang控制方法.
近年来交通领域能源消耗问题备受关注，本文从微观交通能耗预测出发，以实现北京市快速路基础路段的油耗预测为目的，基于出租车车载OBD/GPS终端，提取驾驶员微观驾驶行为数据，建立基于主成分分析与BP神经元网络的油耗组合预测模型，实现北京市快速路基础路段油耗的准确预测.结果表明：速度均值及标准差、最大车速、工况百分比、加速度及减速度均值、行驶距离和动能对油耗影响程度相对较高；同时模型能够实现城市快速路基础路段能耗的有效预测，预测精度达到92.46%.该方法的研究为城市交通能源消耗的监管与把控提供了支持.
为协调交通运输业能源消耗与经济增长之间的矛盾，实现行业发展对能源消耗的依赖性逐步减弱，采用脱钩模型对两者之间脱钩关系进行定量分析.同时，引入Cobb- Douglas 生产函数对传统LMDI模型进行改进，考虑综合运输结构的影响，进而对影响脱钩关系的主要因素进行分析.以河北省为案例进行实证研究发现，大多数年份均呈现弱脱钩状态，但近几年脱钩关系有反弹趋势.交通运输业固定资产投资、综合运输结构是阻碍脱钩的主要因素，其中，公路运输在综合运输结构对脱钩关系的阻碍方面作用最大；而技术进步是促进脱钩的主要因素，其中，公路运输、铁路运输对脱钩关系起主要促进作用.
分别建立了考虑能源消耗与拥挤收费的小汽车广义出行费用及考虑舒适性消耗的 公共汽车广义出行费用，构建了由这两种交通出行方式组成的交通系统总能源消耗函数.考虑 能耗对出行者路径选择行为的影响，建立能耗目标约束下的以出行时间最小为上层目标函数 的双层规划模型，其中上层模型以一定节能水平下的系统延误最小为目标；下层模型满足双 模式交通网络的随机用户平衡，并采用遗传算法和Frank-Wolfe 算法求解.通过算例，将道路拥 堵收费及节能目标抽象化后代入模型，探讨了道路收费前后交通能耗变化及在不同的节能目 标情况下，道路拥堵收费的节能效果.计算结果表明，在交通需求量较大时，实施道路拥挤收费 有利于减少交通能耗，当节能目标小于25%且同时采取道路收费时，路网出行时间都会相应 减少.
针对过饱和信号交叉口车辆高能耗问题，以信号交叉口整个过饱和交通状态持续时间作为研究时段，利用定数理论分析车辆排队长度、停车次数和通行时间，确定车辆在信号交叉口的减速、怠速、加速和匀速行驶时间，进一步依据车辆在不同行驶状态下的能源消耗率，建立了过饱和交叉口所有车辆第1 次停车至通过停车线的平均能耗模型. 为了验证模型的准确性，以某个两相位过饱和交叉口为例，对不同交通流量下的车辆能耗进行计算，并将计算结果与VISSIM仿真结果对比分析，结果表明，本文模型对过饱和信号交叉口的车辆能耗分析具有一定的合理性.同时，依据此模型分析了信号配时对过饱和交叉口车辆能耗的影响，说明了优化配时参数对于过饱和交叉口车辆节能具有重要意义.
随着车辆保有量的不断上涨，环境的不断恶化，控制车用燃油已成为北京市交通领域节能减排工作的重要措施之一.私人小客车作为车用燃油的主要用户，由于数量庞大，消费自主性较强，目前无法采用全样统计的方式获取其燃油消耗，仅能依靠抽样的方式，利用样本推算其整体燃油消耗.因此，为获取可靠的燃油消耗样本，准确反映全市私人小客车燃油消耗水平，明确能耗显著影响因素和设计科学的分层抽样框架成为了关键.本文利用北京市现有私人小客车能耗调查数据，通过构建计量回归模型分析私人小客车能耗关键影响因素；利用计量学中引入虚拟变量的处理方法，提出了分层抽样框设计原理和阈值划分模型，最终形成分层抽样框架.
近年来，快速增长的私人小客车带来的能耗排放问题日益严重，如何构建面向私人小客车的燃油核算模型，分析不同需求管理政策的宏观节能效果，是解决城市交通节能减排问题的关键.本文针对传统私人小客车能耗调查方式所获得数据准确性较差、无法满足精细化管理的问题，利用现有调查数据和监测数据，基于“OLS(Ordinary Least Square) +稳健标准差” 验证法，分析油耗显著性影响因素，提出基于交通大数据的私人小客车能耗核算模型，以实测数据验证其可靠性和有效性，并分析了不同交通需求管理政策(含组合政策)宏观节能效果.结果表明，当政策效果指标变化率相同时，实行“拥堵收费+控制大排量小客车数量”政策对于减少小客车燃油消耗总量的效果最为明显.
区间运行时间和操纵方法是实现高速列车节能运行的两个重要方面.本文构建了可调整区间运行冗余时间的高速列车多区间节能操纵模型.考虑到高铁枢纽车站和非枢纽站对列车到达时刻准点性的要求程度不同，模型中增加了枢纽车站的列车到达时刻与列车运行图定到达时刻一致性约束，以及非枢纽车站的列车到达时刻在一定时间范围内的约束.为了避免解空间中不满足定时约束的不可行解的数量影响算法效率，设计了一种三层编码的遗传算法来求解模型.通过1条包含3个枢纽车站、3个非枢纽车站的高速铁路线路验证，结果表明，本文所提出的高速列车多区间节能操纵方法能够保证枢纽车站列车到达时刻不变，非枢纽车站列车到达时刻在一定时间范围内变换时，求得多个区间的列车最优节能操纵速度轨迹.与基于牵引—惰行控制方法和单区间节能操纵方法在图定运行时分下的计算结果相比，本文所提出的方法节能率分别超过16%和4%.
为厘清中国交通运输业能源消耗量攀升的原因，本文应用中国交通运输业 1991-2014 年的数据，基于超越对数生产函数估计出各投入要素的产出弹性和技术进步 对产出增长的贡献率，进而测算出中国交通运输业的能源回弹效应.研究结果表明，样本 期内中国交通运输业存在较为严重的要素错配与效率损失；中国交通运输业仅有少数年 份出现了回弹效应，且有“回火”情形出现；多数年份里中国交通运输业由于能源效率无 改善或技术无进步而未形成能源回弹效应，中国交通运输业能源消耗量攀升的主要原因 在于行业“高增长、高能耗”的粗放式发展方式.
