一种动态交通环境下的汽车最低碳路径搜索方法
【专利摘要】一种动态交通环境下的汽车最低碳路径搜索方法，步骤如下：一、建立道路交通网络的动态路况数据模型；二、建立汽车的二氧化碳即CO2排放模型；三、搜索给定起始点和目的点之间的最低碳路径；通过以上步骤，可以从动态的交通网络中搜索出一条最低碳排放量的行驶路径，使车辆在r时刻从A点出发，连续行驶到达B点时，所排放的CO2总量最低；该方法既适用于一般性乘用车辆的最低碳路径搜索服务，也适用于有较大载重量的货车的最低碳路径搜索服务。该方法有效地解决了在交通状况时刻变化的情况下，如何为燃油型车辆(汽油、柴油等)优化设计行驶路径，以达到节油减排的目的。
【专利说明】一种动态交通环境下的汽车最低碳路径搜索方法 一、 所属技术领域：
[0001]本发明提供一种动态交通环境下的汽车最低碳路径搜索方法，它可用于在交通拥 堵动态变化的环境下，为汽车出行提供最低碳路径搜索服务，以使汽车在该路径上行驶具 有最低的燃油消耗和二氧化碳排放量，属于道路交通节能减排技术领域。 二、
【背景技术】：
[0002] 根据国际能源机构（IEA)的2015年的报告，交通运输领域（Transportation sector)已经占据了全球碳排放总量的23%，而其中公路运输占交通运输所产生的碳排放 量的75%，是其中最主要的碳排放来源之一。而在公路运输所产生的碳排放总量中，有很大 比例是由于城市及周边地域拥堵的交通条件而额外增加的。根据国际公路运输联盟（IRU) 估算模型，交通拥挤情况使车辆的碳排放量额外地增加了300%。这是因为在拥堵的交通环 境中，车辆常常以低速行驶，并频繁地加/减速和停车空转，大大地降低了燃油的转化效率， 致使二氧化碳的排放量大幅增加。汽车尾气不仅仅排放了大量的二氧化碳，而且还是引起 大气雾霾天气污染的一个主要来源。特别是以燃烧柴油为动力的大、中型物流配送车辆，其 排放的尾气中含有较高比例的PM2.5微小颗粒。
[0003] 城市及郊区的交通拥堵环境通常是动态变化的。合理选择车辆行驶路线可以有效 的降低车辆的总碳排放量。根据模拟仿真计算的分析结果，降低的程度可达到20%_50%。 在现有的地图路径搜索算法中，广泛米用的是面向行驶路径最短或行驶时间最小的 Di jstra算法，未尝见到有面向汽车碳排放最低的行驶路径优化算法。
[0004] 本项发明专利提出来的一种动态交通环境下的最低碳路径搜索算法。算法根据给 定的车型、给定的起始地点和终点地点、以及给定的开始时刻，根据动基于历史信息的态交 通环境，搜索碳排放量最低的行驶路径，该路径称为最低碳路径。当前我国（家庭、货运)汽 车持有量在不断增加，与交通基础设施发展的相对不足的矛盾将在较长一段时间范围内长 期持续存在。而随着人们的节能减排和绿色出行意识的持续增强，以及国家层面的低碳鼓 励措施与碳税惩罚机制的陆续相继出台，因此本专利将具有紧迫的需求背景和非常广泛的 应用前景。 三、
【发明内容】
：
[0005] 3.1发明目的
[0006] 本项发明专利的目的在于提供一种动态交通环境下的汽车最低碳路径的搜索方 法，为电子地图GPS系统增加最低碳路径搜索功能，用于指导车辆出行选择最优的路径，以 达到节油减排的目的。
[0007] 3.2技术方案
[0008] 本发明是一种动态交通环境下的汽车最低碳路径搜索方法，该方法的步骤如下：
[0009] 步骤一、建立道路交通网络的动态路况数据模型
[0010] 从电子地图系统中提取当前区域内的道路交通网络结构，对道路网络中的交叉节 点进行编号，形成一个点集合，以符号v= {i I i = l，2，···，n}表示。其中i是节点的编号，η是 节点的总数量。再以符号Ν表示连接两个节点之间的有向路段的全体集合，即N={(i，j)|i e V，j e V，i矣j}，其中（i，j)表示一条由节点i驶向节点j的路段。对于每一个存在的路段 (i，j)￡N，预先计算距离(公里），再根据当前区域的历史路况记录，统计该路段上各时刻 点t的车流速度 Vlj(t)。以此建立动态路况数据模型，作为后续步骤中的汽车最低碳路径计 算的数据基础。
[0011] 步骤二、建立汽车的二氧化碳(C02)排放模型
[0012] 在动态路况模型中，一条路段上的车流速度是时间依赖函数，表示为v(t)，其中t 为时刻点。一条距离为D的路段的行驶时间的计算表达式为：
[0014] 上式中，r为出发时刻，V =r+h为到达时刻，L为行驶时间。
[0015] 同型汽车行驶于一条相同距离的路段，不同的行驶速度和载重量会导致不同的碳 排放值。对于给定的某型汽车行驶一公里的碳排放值，即碳排放率(kg/km)，可表示为函数e (f>)。其中，ν为行驶速度(km/h)，f为负载重量(kg)，a，i3, γ和P是与车辆类型相关的常数 项，可根据车辆类型的特征进行计算。因此，对于给定长度为D的路段，车辆从r时刻出发行 驶该路段的总碳排放值可以通过下面的一般表达式来计算：
[0017] 其中r为出发时间，r'为预期到达时间，e(f，v(t))为汽车的碳排放率函数。
[0018] 步骤三、搜索给定起始点和目的点之间的最低碳路径
[0019] 该步骤将在前面所述的步骤一和步骤二的基础上，为指定的车型、指定的出发时 亥IJ、以及指定的起始点A和目的点B，在网络地图上搜索出一条最低碳路径，使车辆具有最优 的碳排放值。
[0020] 下面先定义若干符号，用以描述该步骤的具体过程：
[0021] Pi指向节点i的上游节点
[0022] Si节点i的访问状态，0/1表示是否已经被访问 [0023] G从节点A出发到节点i的最低累计碳排放量 [0024] 从节点A出发到节点i的到达时间
[0025]该步骤的具体执行过程的文字描述如下：
[0026]
[0027]通过以上步骤，可以从动态的交通网络中搜索出一条最低碳排放量的行驶路径， 使车辆在r时刻从A点出发，连续行驶到达B点时，所排放的C02总量最低。该方法有效地解决 了在交通状况时刻变化的情况下，如何为燃油型车辆(汽油、柴油等)优化设计行驶路径，以 达到节油减排的目的。
[0028] 3.3优点和功效
[0029] 本发明所描述的最低碳路径搜索方法，可应用于交通状况情况随着时间变化的都 市交通区域、与都市相邻的市郊区域、以及混合区域的最优路径规划计算，帮助驾驶人员或 规划人员设计具有最低碳排放量的行驶路线。目前市面上的电子地图GPS系统软件为汽车 行驶提供了两种路径搜索方法：（1)面向行驶里程最短的路径搜索方法；（2)面向行驶时间 最短的路径搜索方法。本发明给出的面向碳排放量最小化的汽车路径搜索方法，可用于电 子地图GPS系统，为汽车行驶提供第三种路径搜索服务，即最低碳路径搜索服务。
[0030] 本发明方法有四点优点：（1)本方法所获得最低碳路径所有网络路径中碳排放量 最低的最优路径；（2)方法中考虑了每条路段的车辆行驶速度与时间动态相关性，以路段的 历史信息动态估算车辆行驶至该路段时刻的速度计算碳排放量，精确地考虑了不同时段车 行速度对车辆碳排放量的影响；（3)方法中考虑了车辆载重对碳排放量的影响，因此该方法 既适用于一般性乘用车辆的最低碳路径搜索服务，也适用于有较大载重量的货车的最低碳 路径搜索服务。（4)方法的复杂度为o(|v| 2)，具有很高的计算效率，其中|v|为节点数。尽管 该方法在利用分布积分计算每个路段的动态碳排放量时有一定的计算量，但该方法随着问 题规模仅是按多项式〇( I v|2)上升的。 四、
【附图说明】
[0031] 图1本发明方法的实施流程图。
[0032] 图2碳排放率与速度的关系图。
[0033]图3最低碳路径搜索示意图。
[0034]图中序号、符号、代号说明如下：
[0035] 图 2中：
[0036] #C02emission rate(kg/km):二氧化碳排放率(公斤/公里）
[0037] #Vehicle's speed(km/hour):车辆行驶速度（公里/小时）
[0038] #Vehicle(6.35T):整除质量为6.35吨的货运汽车
[0039] 图 3中：
[0040] ·Α:车辆行驶的起点
[0041] ·Β:车辆行驶的终点（目的点）
[0042] #1，2,3,4:车辆行驶经历的节点代号
[0043] #V12(t)，V23(t):分别表示路段(1，2)和路段(2,3)的车流速度与时间的函数 五、
【具体实施方式】
[0044] 本发明方法可以通过编写相应的计算机程序实现，可嵌入到当前电子地图GPS软 件系统中，作为电子地图路径搜索服务的一项基本功能。
[0045] 本发明一种动态交通环境下的汽车最低碳路径搜索方法，见图1所示，其具体实施 步骤如下：
[0046] 步骤一:建立道路交通网络的动态路况数据模型：
[0047] 执行该步骤主要包含5小步骤，分别是：（1)确定车辆行驶的地图区域；（2)根据地 图信息，建立该地图区域的抽象的有向图G=(V，N)，其中V是所有路段的交叉点的集合，N为 由连接相邻点的路段组成的集合；（3)从电子地图中获取各段的行驶距离；（4)根据该区域 的历史路况信息，以天为单位，统计集合N中的各路段在各时刻点的平均车流速度，时刻点 的选取可固定为等间距5分钟、10分钟或30分钟，具体可根据路况车流速度的变化幅度而 定；（5)建立四元组（i，j，t，v)组成的动态路况数据模型，如下表所示：
[0048]表1动态路况数据模型的示例
[0050] 上表中，各条数据按时间顺序排列。每条数据表示起始节点i到目标节点j之间的 示路段（i，j)在时刻点t的平均车流速度为V。对于表中两个时间点之间其他某时间点的车 流速度，采用线性插值方法取值。例如，在表1中，t = 05 : 30时刻的车流速度可插值计算为 62·5km/h〇
[0051] 步骤二:建立汽车的二氧化碳(C02)排放模型：
[0052] 该步骤主要包含2小步骤，分别是：（1)确定所驾驶车辆的类型；（2)根据车辆类型 确定其碳排放率函数e(f，v)，其中f为载重量，v为速度。具体如下：
[0053]关于汽车的碳排放率模型，目前文献资料中已经有多种的已知模型，均可表达为 函数e(f，v)的形式，本专利方法并不限定于某种特定模型。这里仅以知名的CMEM模型为例 予以说明。CMEM模型的碳排放率函数可以表达为如下形式：
[0054] c( /', ν) = α · I-' ' + β ·ν" + ν + φ· / (3)
[0055] 上式中：f为载重量，ν为速度，系数α，β，γ和^为与汽车类型相关的常数项。以某个 型整车质量6.35吨的柴油货运汽车为例，根据该型汽车的特征，各项参数可根据CMEM模型 计算为：α = 9·75862，β = 2·90264X 10-5，γ =0· 142139，和ρ=2_2384〇χ丨(?。当令车辆载重量 f = 〇时，可获得该型车辆的碳排放率与车行速度的曲线关系图，如图2所示。当f>0时，该曲 线平移上移，形状保持不变。对于任意路段(i，j)，车辆从r时刻开始行驶，根据公式(2)其碳 排放值的计算公式则为：
[0056]
[0057] 上式中：r '为到达时间，可由公式（1)通过分步积分计算获得。公式(4)的Eijr也可 通过分步积分计算获得，v的取值通过参照表1中的动态路况数据表获得。
[0058]步骤三:搜索给定起始点和目的点之间的最低碳路径：
[0059] 完成该步骤完成为给定型号的汽车搜索从r时刻出发由A点到B点的最低碳路径， 见图3所示。首先在地图上确定出发点A和目的点B，再确定车辆的从A点出发的时刻点r，然 后执行技术方案中所给出的最低碳路径搜索方法，搜索出r时刻出发由A到B连续行驶的低 碳路径，即A ~>1~>2~>3~>4~^B。
[0060] 该最低碳路径搜索方法的计算机伪代码流程描述如下：
[0063] (注:方法中的符号7/"表示后面的文字为注释说明）
[0064] 完成以上三个方法步骤，可以获得指定车辆在指定时刻t出发由起始点A到目标点 B的最低碳路径Q、总的碳排放值CB、以及相应的到达时间TB，为汽车出行提供了一种绿色低 碳路径方案。
【主权项】
1. 一种动态交通环境下的汽车最低碳路径搜索方法，其特征在于:其实施步骤如下： 步骤一、建立道路交通网络的动态路况数据模型 从电子地图系统中提取当前区域内的道路交通网络结构，对道路网络中的交叉节点进 行编号，形成一个点集合，以符号v= {i | i = l，2,…，n}表示;其中i是节点的编号，η是节点 的总数量;再以符号Ν表示连接两个节点之间的有向路段的全体集合，即Ν = {(i，j) | i e V，j eV，i矣j}，其中（i，j)表示一条由节点i驶向节点j的路段;对于每一个存在的路段(i，j) e N，预先计算距离D^，再根据当前区域的历史路况记录，统计该路段上各时刻点t的车流速度 以此建立动态路况数据模型，作为后续步骤中的汽车最低碳路径计算的数据基础； 步骤二、建立汽车的二氧化碳即C0 2排放模型 在动态路况模型中，一条路段上的车流速度是时间依赖函数，表示为v(t)，其中t为时 刻点;一条距离为D的路段的行驶时间的计算表达式为：(1) 上式中，r为出发时刻，V =r+Tr为到达时刻，Tr为行驶时间； 同型汽车行驶于一条相同距离的路段，不同的行驶速度和载重量会导致不同的碳排放 值;对于给定的某型汽车行驶一公里的碳排放值，即碳排放率(kg/km)，表示为函数e (f，v); 其中，v为行驶速度即km/h，f为负载重量即kg，a，i3，y和？是与车辆类型相关的常数项，根据 车辆类型的特征进行计算；因此，对于给定长度为D的路段，车辆从r时刻出发行驶该路段的 总碳排放值通过下面的一般表达式来计算： ·,(2) 其中r为出发时间，r'为预期到达时间，e(f，v(t))为汽车的碳排放率函数； 步骤三、搜索给定起始点和目的点之间的最低碳路径 该步骤将在前面所述的步骤一和步骤二的基础上，为指定的车型、指定的出发时刻、以 及指定的起始点A和目的点B，在网络地图上搜索出一条最低碳路径，使车辆具有最优的碳 排放值； 下面先定义各符号及其说明，用以描述该步骤的具体过程： 匕指向节点i的上游节点 &节点i的访问状态，0/1表示是否已经被访问 G从节点A出发到节点i的最低累计碳排放量 从节点A出发到节点i的到达时间 该步骤的具体执行过程的文字描述如下：通过以上步骤，能从动态的交通网络中搜索出一条最低碳排放量的行驶路径，使车辆 在r时刻从A点出发，连续行驶到达B点时，所排放的C02总量最低;该方法有效地解决了在交 通状况时刻变化的情况下，如何为燃油型车辆优化设计行驶路径，以达到节油减排的目的。
【文档编号】G01C21/34GK105865476SQ201610453161
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】肖依永
【申请人】北京航空航天大学