交通影响能源消耗的一个重要因素,和驾驶行为是影响汽车油耗的主要因素之一。本文的目的是改善油耗监控数据库基于移动电话的数据。基于手机终端和车载诊断系统(OBD)安装在出租车,驾驶行为数据和燃料消耗量数据提取,分别。通过匹配手机收集的驾驶行为数据与燃料消耗量数据收集的OBD,驾驶行为之间的关系,探讨了燃料消耗,这车油耗可以预测基于移动电话的数据。燃料消耗预测模型是使用反向传播(BP)神经网络,支持向量回归(SVR)和随机森林。结果表明,平均速度、平均速度除了空闲(ASEI),平均加速度,平均减速,加速时间百分比、减速时间的百分比,和巡航时间百分比是燃料消耗评估的重要指标。这三个模型可以准确预测燃料消耗,绝对相对误差小于10%。证明了随机森林模型的最高精度和运行速度,使它适合广泛应用。该方法对改善监测数据库奠定了基础,精细管理城市交通燃料消耗。
汽车能源消耗和污染物排放是关键问题对城市交通的健康和可持续发展。随着中国汽车保有量的持续增长,私家车的能源消费增长了4.2倍,从13.12到6834万吨标准煤,从2005年到2015年。基于经济增长的人口、GDP和第二、三产业的比重,这一趋势可以预测未来的交通能源消耗。私家车的能源消费将继续增长在2020年以前,当它预计将达到1.1738亿吨标准煤
许多因素影响车辆的能源消耗,驾驶行为起着重要的作用。福特汽车公司进行的研究(
目前,有大量的能源消耗预测模型研究基于驾驶行为。胡锦涛et al。(
数据源支持燃料消耗预测的研究大多是基于收集的数据从主控制器的车辆,和车载诊断系统(OBD)与一个问卷调查。控制器和OBD受限于设备安装成本和司机的安装的意愿,所以只能实现小范围的小规模数据管理及高的不确定性。问卷调查的数据收集形式还缺乏灵活性,,很难保证数据的质量。
移动终端技术的快速发展,手机的应用传感器已被提升。手机终端被用于驾驶行为数据的收集和对危险驾驶的警告。约翰逊和Trivedi [
目前,燃料消耗和排放监测的数据统计北京市交通管理监控平台主要是基于OBD设备。数据收集的对象主要是出租车司机,司机,卡车司机和不包括所有运输企业。手机终端提供了一个可能的大规模数据收集。燃料消耗不能直接收集的手机终端,但它可以准确地预测探索手机和OBD数据之间的相关性。同时,驾驶行为数据收集的移动电话的影响类型,位置,摇晃(车辆振动所致),司机的手机使用,导致不稳定的驾驶行为数据,所以很多数据校准工作要做。通过构造一个燃料消耗预测模型,应用程序的手机数据可用于计算车辆的燃料消耗,节省安装成本的OBD设备,为交通管理部门提供了一个理论依据更准确地监测城市交通燃料消耗。
本研究提出了一种车辆燃料消耗预测方法基于全球定位系统(GPS)收集的数据从一个智能手机。出租车司机参加了这个实验。通过匹配的驾驶行为数据手机和OBD的油耗数据终端,影响燃料消耗的驾驶行为指标筛选,和燃料消耗使用机器学习算法建立了预测模型。司机的个人燃料消耗的预测模型基于手机的数据不仅可以进一步提高燃料消耗,并有很强的实时监控数据库错误宽容但也为宏观调控提供技术支持的城市交通能源消耗和效能评估交通能源政策。
因为手机不能获得数据的车辆的燃油消耗,直接从手机收集到的驾驶行为数据和收集的燃料消耗OBD是匹配的,和燃料消耗预测模型。收集的数据模型建设的过程中,从手机和OBD都适用。模型建立后,大规模的交通燃料消耗能够预测只使用手机的驾驶行为数据收集。的框架模型结构如图
数据收集:自然驾驶行为数据的多个司机收集基于GPS、线性加速度计、陀螺仪等传感器的手机。同时,实时车辆燃料消耗量数据收集的OBD终端同时安装在车辆。
指数提取:手机和OBD终端的数据是基于时间相结合。通过比较驾驶行为数据的一致性和差异的两个终端,指标预测车辆燃料消耗基于手机数据提取。
模型构建:训练集和测试集随机选择,和燃料消耗预测模型建成使用反向传播(BP)神经网络,支持向量机,随机森林。
效果评估:通过构建多次燃料消耗预测模型和比较三种预测模型的准确性和效率使用不同的方法,最好的方法来预测车辆燃料消耗提出了基于移动终端。
建设的框架模型。OBD意味着车载诊断系统和BP表示反向传播。
BP神经网络,支持向量回归(SVR)和随机森林是几种常用的预测方法精度高和运行效率。本研究建立了三种类型的预测模型,预测结果的差异相比,最后我们选择了最好的燃料消耗预测模型。
一个人工神经网络(ANN)是一个操作模型,模拟过程的神经元传递人类大脑感知信息。该方法具有自学习的特点和效率高在处理非线性、非结构化、大样本数据。误差反向传播算法(BP神经网络)
汽车燃料消费结构的基于BP神经网络的预测模型。
筛选后燃料消耗的预测指标,<我t一个lic>
n我t一个lic>确定指标作为输入变量。有5个隐层神经元,输出<我t一个lic>
y我t一个lic>是预测燃料消耗。连接输入层和隐层之间的重量<我nline-formula>
作为监督机器学习算法,支持向量机主要用于分类和回归问题(
车辆燃料消耗预测模型的结构基于支持向量回归(SVR)。
对于一个给定的样本集{<我t一个lic>
X我t一个lic>
通过添加一个凸优化问题,松弛因子,支持向量回归的问题可以转化为等价的解决方案如下:
三个参数,即<我nline-formula>
一个随机森林预测(RF)是一种有效的分类方法和分类
首先,<我t一个lic>
k我t一个lic>组训练样本集被放回抽样选定。其次,<我t一个lic>
米我t一个lic>特征是随机选择的<我t一个lic>
n我t一个lic>特性在分裂节点,每个训练样本集<我t一个lic>
k我t一个lic>决策树生成。每个决策树的节点分割采用最小均方误差的原理,并将两组的均方偏差之和最小化分割后的数据集。最后,预测车辆燃料消耗得到平均的预测价值<我t一个lic>
k我t一个lic>决策树。车辆燃料消耗预测模型的结构基于随机森林图所示
汽车燃料消费结构的基于随机森林预测模型。
三种模式的优缺点的基础上,不同的数据集。本研究构建三种燃料消耗预测模型,选择最合适和有效的模型来预测燃料消耗。
实验数据收集从OBD终端安装在出租车和手机终端,和采样间隔是1 s。收集的数据类型,如表所示
收集的数据类型OBD终端和手机终端。
| OBD终止 | 手机终端 |
|---|---|
| 时间 | 时间 |
| 全球定位系统(GPS)纬度和经度 | GPS纬度和经度 |
| 全球定位系统(GPS)方向角 | 海拔高度 |
| 速度在汽车仪表板 | GPS速度 |
| GPS速度 |
|
| 每分钟转数(RPM) |
|
| 转矩 |
|
| 空调的状态 |
|
| 氧传感器状态 |
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| 瞬时油耗 |
|
实验是在2017年8月进行的,和20司机参加了实验收集自然开车15天的数据。所有的出租车都是伊兰特的四缸,1.6升发动机和被national-level-IV排放标准认证。车载诊断(OBD)安装在每一个出租车在实验中收集驾驶行为和燃料消耗数据。OBD设备已经广泛应用于北京出租车公司在五年内监测的燃料消耗和排放数据统计为北京市交通管理监控平台。车辆的瞬时油耗从OBD收集等相关参数计算发动机负荷率、发动机转速、进气量,和燃料校正因子。通过比较燃料消耗的燃料消耗计算OBD收集的CAN总线(计算燃油喷射脉宽),瞬时油耗的误差在±3%,平均每100公里油耗是0.74%的错误(
在实验之前,手机持有者给每个司机和车辆在相同的位置。手机的屏幕被垂直于水平线。手机方向传感器应用于测试以确保手机的位置是固定的,统一的,和司机开车时需要保持他们的手机。
尽管OBD和手机GPS和司机必须把手机放在固定位置在开车,GPS数据的输出结果收集的OBD和手机是不同的,这可能是由于车辆振动时的震动的手机或手机类型的差异。在实际驾驶过程中,手机震动和类型差异是不可避免的。因此,本研究假设的建设燃料消耗预测模型可以减少手机和收集的数据误差的影响没有OBD设备准确预测燃料消耗。
通过匹配数据收集的OBD和手机终端,每个司机的日常驾驶行为和相应的燃料消耗。有很多驾驶行为影响车辆的燃油消耗的因素(
相关指标来预测燃料消耗。
| 指标 | 定义 | 单位 |
|---|---|---|
| 平均速度<我nline-formula>
|
| 公里/小时 |
| 平均速度除了空闲(ASEI)<我nline-formula>
|
| 公里/小时 |
| 平均加速度<我nline-formula>
|
| 米/秒<年代up>2年代up> |
| 平均减速<我nline-formula>
|
| 米/秒<年代up>2年代up> |
| 加速时间百分比<我nline-formula>
|
|
% |
| 减速时间百分比<我nline-formula>
|
|
% |
| 巡航时间百分比<我nline-formula>
|
| % |
| 燃料消耗<我nline-formula>
|
| L / 100公里 |
尽管路况、天气和其他因素对燃料消耗也有很大的影响,他们不认为是在这项研究中。本研究的主要目的是评估日常环保驾驶的出租车司机,以便帮助交通管理部门监督和提高出租车司机的环保驾驶技能,和环保驾驶培训课程可以提供给司机环保驾驶技能较差,以减少燃料消耗。因此,它是必要的估计每日平均油耗为出租车司机(L / 100公里)。因为每个出租车司机每天开着不同的路线,难以准确统计所有道路类型。尽管忽略道路条件和其他因素的影响导致减少燃料消耗的预测精度,本研究中采用的方法更适用于更广泛的条件和可能估计每日生态驾驶的驾驶员。未来的方法还提供了可行性示范精炼燃料消耗的预测。在未来的研究中,司机的燃料消耗预测结果在不同路况下(如坡道、曲线和十字路口)将分析和比较,以提高车辆燃料消耗预测的准确性。
采用皮尔逊相关分析验证OBD的驾驶行为数据之间的相关性和手机终端,结果如表所示
相关分析的驾驶行为收集的OBD和手机终端。
| 皮尔森相关系数 |
|
|
|---|---|---|
| 平均速度<我nline-formula>
|
0.975 | < 0.001 |
| ASEI<我nline-formula>
|
0.936 | < 0.001 |
| 平均加速度<我nline-formula>
|
0.793 | < 0.001 |
| 平均减速<我nline-formula>
|
0.670 | < 0.001 |
| 加速时间百分比<我nline-formula>
|
0.662 | < 0.001 |
| 减速时间百分比<我nline-formula>
|
0.662 | < 0.001 |
| 巡航时间百分比<我nline-formula>
|
0.060 | 0.467 |
为了验证通过手机收集的数据之间的相关性和燃料消耗量数据收集的OBD和提取相关指标预测燃料消耗,不同的驾驶行为之间的关系索引收集从手机收集到的OBD和燃料消耗进行了分析;结果如图所示
燃料消耗分布基于不同驾驶行为索引。(一)平均速度和燃料消耗之间的关系。(b)平均加速度和燃料消耗之间的关系。(c)平均减速和燃料消耗量之间的关系。(d)时间和燃料消耗比例之间的关系。
皮尔森相关是一种常见的基于过滤器的特征选择方法。通过分析驾驶行为之间的皮尔逊相关数据收集的手机和燃料消耗量数据收集的OBD,驾驶行为的关键指标,通过过滤影响车辆油耗可以选择。结果如表所示
相关分析的驾驶行为收集手机收集到的OBD终止和燃料消耗。
| 燃料消耗 | ||
|---|---|---|
| 皮尔森相关系数 |
|
|
| 平均速度<我nline-formula>
|
−0.8 | < 0.001 |
| ASEI<我nline-formula>
|
−0.659 | < 0.001 |
| 平均加速度<我nline-formula>
|
0.515 | < 0.001 |
| 平均减速<我nline-formula>
|
−0.314 | < 0.001 |
| 加速时间百分比<我nline-formula>
|
−0.363 | < 0.001 |
| 减速时间百分比<我nline-formula>
|
−0.293 | < 0.001 |
| 巡航时间百分比<我nline-formula>
|
−0.229 | 0.005 |
的建造过程,燃料消耗预测模型基于出租车司机的日常驾驶行为数据如图
的建造过程,燃料消耗预测模型。
燃料消耗的基于BP神经网络预测模型,“trainlm”算法用于训练,对数函数“tansig”是用于激动人心的功能,和线性函数“purelin”是用于节点传递函数。模型的训练时间被设置为100次,和收敛条件设置为模型的误差小于0.001。
基于SVR的燃料消耗预测模型,测定的值不敏感损失函数和惩罚参数是基于详尽的方法,和这两个系数的最优值被限制的迭代的数量计算的误差小于一定的绝对值。径向基函数(RBF)的核函数作为SVR模型。
基于随机森林的燃料消耗预测模型50回归树集合进行训练。回归树的数量之间的关系和out-of-bag错误如图
Out-of-bag随机森林模型的误差。
一个培训过程的燃料消耗预测结果如图所示
燃料消耗预测的结果。
为了评估的准确性和效率三个燃料消耗预测模型,四个指标,即均方根误差(RMSE),平均绝对百分误差K,平方,和模型运行时间,比较。这些指标的前三的计算方法如下:
模型评价结果如表所示
模型评价结果。
| 预测方法 | 均方根误差(RMSE) |
|
|
时间(年代) |
|---|---|---|---|---|
| BP神经网络 | 0.872 | 0.075 | 0.547 | 0.724 |
| 支持向量回归 | 0.888 | 0.073 | 0.519 | 0.933 |
| 随机森林 | 0.783 | 0.069 | 0.635 | 0.140 |
在这项研究中,出租车司机的驾驶行为数据和燃料消耗量数据收集的OBD和手机终端,分别是匹配的。驾驶行为和燃料消耗之间的关系进行了分析,提取影响油耗和驾驶行为有关指标通过基于过滤器的特征选择方法。使用7个选择驾驶行为指标(即平均速度、ASEI,平均加速度平均减速,加速时间百分比,减速时间的百分比,和巡航时间百分比),三个燃料消耗预测模型基于BP神经网络,SVR,随机森林了。
模型误差和运行时的结果对比分析表明,三种模型可以准确预测燃料消耗,和随机森林模型的准确性和效率,最高的RMSE 0.783 L / 100公里,平均绝对百分比误差(<我t一个lic>
K我t一个lic>)的6.9%,模型运行时间0.14秒。这一发现是一致的研究Wickramanayake和Bandara
值得强调的是,在早期阶段的模型建设、驾驶行为收集的数据通过手机和燃料消耗量数据收集的OBD应用。预测模型建立后,手机数据可以直接用于预测每日燃料消耗的驱动程序没有安装OBD设备。应用这种方法可以改变传统的燃料消耗方式收购,和使用手机数据来评估个人的生态影响驾驶行为可以节省设备安装的成本。同时,因为并不是所有的出租车司机都愿意OBD设备安装在出租车,这种方法可以帮助提高用户数据源,可以大大提高数据库大小的出租车燃油消耗。因此,该方法在本研究中可以改善深度、宽度、和细化的燃料消耗水平监测和管理出租车司机的驾驶行为,从而奠定理论基础和提供技术支持的城市,以减少燃料消耗。
本研究旨在提出一种方法来预测车辆能源消耗使用手机数据。尽管本研究中使用的样本容量是有限的,它提供了一个更大的规模和基础更精确的燃料消耗的预测。在未来的研究中,收集的样本将会进一步扩大,各种路况下的油耗,交通状况,天气条件会被考虑。通过数据浓缩,模型优化和改进的预测指标,该方法可以精确能耗监管奠定理论基础的出租车企业。与此同时,由于出租车相对同质,燃料消耗预测模型在本研究中是固定的,只有出租车司机为研究对象。在未来的研究中,更多类型的车辆,如公共汽车和卡车,可以考虑。差异化的燃料消耗预测模型可以构建基于不同的车辆类型进一步改善城市能源消耗的监视和管理。
驾驶行为和燃料消耗量数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。
作者宣称没有利益冲突。
这项研究是由中国国家重点研发项目(批准号2018 yfb1601000),中国国家自然科学基金(批准号61672067),北京市自然科学基金(批准号17 jh0001),联合实验室为未来交通和城市同理计算,和北京城市交通工程研究中心操作保证,北京科技大学。