Modelos Ambientais¶

A microssimulação do Aimsun Next oferece vários modelos ambientais: o Modelo de Consumo de Combustível, o Modelo de Consumo de Bateria, o Modelo de Emissão de Poluentes QUARTET, o Modelo de Emissão de Poluentes de Panis et al., Modelo de Emissões de Londres (LEM) encerrar o Modelo de Emissões COPERT. Você pode ativar ou desativar cada uma no diálogo Scenario, na subaba Outputs to Generate > Statistics (veja abaixo).

Para ativar o Battery Consumption Model e o Fuel Consumption Model, primeiro você precisa marcar Consumo de energia na caixa de grupo Modelos Ambientais.

Todos os modelos ambientais funcionam de acordo com o tipo de motor. A composição de tipos de motor para um tipo de veículo do Aimsun Next pode ser definida no Caixa de diálogo Tipo de Veículo > Modelos Dinâmicos > subaba Motor. A caixa de diálogo Vehicle Type também inclui configurações para Engine Type na subaba Dynamic Models > London Emission Model e na subaba Microscopic Models > Environmental Models.

Os modelos ambientais estão disponíveis para tipos de motor a gasolina, diesel e LPG, com exceção do Battery Consumption Model, que está disponível apenas para veículos elétricos. Veículos não motorizados não estão incluídos em nenhum dos modelos ambientais. Observação: Os únicos modelos ambientais que incluem motocicletas são o Fuel Consumption Model e o QUARTET Model.

As seções a seguir explicam como esses modelos funcionam, descrevendo seus requisitos de entrada e as saídas geradas.

Nota: As unidades nos modelos ambientais são métricas.

Modelo de Consumo de Combustível¶

O Modelo de Consumo de Combustível aplica-se apenas a veículos com motor de combustão (gasolina, diesel ou GLP). Ele assume que cada veículo está em marcha lenta, trafegando em velocidade constante, acelerando ou desacelerando. O estado de cada veículo é determinado pelo simulador a cada passo de tempo e, então, o modelo usa a fórmula apropriada para calcular o combustível consumido para o estado determinado.

Para veículos em marcha lenta e em desaceleração, a taxa (em ml/s) pode ser considerada constante. Para um veículo em aceleração, ela é dada pela fórmula:

em que \(c_1\) e \(c_2\) são constantes e a e v são aceleração e velocidade, respectivamente.

A seguinte equação de consumo de combustível para um veículo em cruzeiro movendo-se à velocidade \(v\), foi determinada por Akcelic 1982. Ela contém três constantes: \(k_1\), \(k_2\), e \(v_m\), que precisam ser determinados empiricamente para cada tipo de veículo.

\(v_m\) é a velocidade na qual o combustível consumido por km é mínimo. Normalmente, isso é aproximadamente 50 km/h.

O UK Department of Transport 1994 fornece valores de consumo de combustível para todos os carros novos. Entre os valores fornecidos estão o consumo de combustível em litros por 100 km, para veículos trafegando a velocidades de 90 km/h e 120 km/h. Esses valores podem ser usados para determinar as constantes \(k_1\), \(k_2\) acima.

É fácil mostrar que, se \(F_1\) e \(F_2\) são as taxas de consumo de combustível em litros por 100 km/h para um veículo trafegando a uma velocidade constante de \(v_1\), \(v_2\) respectivamente, as equações são:

Para cada passo de tempo na simulação, o estado de cada veículo será determinado como parado em marcha lenta, acelerando, trafegando em velocidade constante ou desacelerando. O combustível consumido durante o passo de tempo da simulação, \(t\), será então calculado para cada veículo de acordo com seu estado usando as fórmulas fornecidas na tabela abaixo, onde \(F_i\) e \(F_d\) são as taxas de consumo de combustível em ml/s para veículos em marcha lenta e em desaceleração, respectivamente, e constantes que precisam ser calibradas.

Estado do veículo	combustível consumido (ml) durante t
Marcha lenta	\(F_i\) Δ \(t\)
Acelerando com aceleração de \(a\) (m/s/s) e velocidade \(v\) (m/s)	(\(c_1\) + \(c_2av\)) Δ \(t\)
Circulando à velocidade \(v\) (m/s)
Desaceleração	\(F_d\) Δ \(t\)

Parâmetros de entrada¶

Todas as configurações específicas do modelo de Consumo de Combustível podem ser encontradas na subaba Consumo de Energia dos tipos de motor a combustão. Para cada tipo de veículo, os seis parâmetros adicionais a seguir especificam as taxas de consumo de combustível do veículo e precisam ser especificados na caixa de diálogo Tipo de Veículo, na subaba Modelo Microscópico > Modelos Ambientais:

• \(F_i\): A taxa de consumo de combustível para veículos em marcha lenta em ml/s.

• \(C_1\) e \(C_2\) : As duas constantes na equação para a taxa de consumo de combustível de veículos em aceleração, em ml/s e em ml s²/m².

• \(F_1\): A taxa de consumo de combustível, em litros por 100 km, para veículos trafegando a uma velocidade constante de 90 km/h.

• \(F_2\): A taxa de consumo de combustível, em litros por 100 km, para veículos trafegando a uma velocidade constante de 120 km/h .

• \(F_d\): A taxa de consumo de combustível para veículos em desaceleração em ml/s.

• \(V_m\): A velocidade na qual a taxa de consumo de combustível, em ml/s, é mínima para um veículo trafegando a velocidade constante.

A seguir estão valores de exemplo desses parâmetros de entrada, retirados de Ferreira 1982 e do Departamento de Transportes do Reino Unido 1994.

Os valores de referência no estudo são calibrados apenas para veículos: A taxa de consumo de combustível para veículos em marcha lenta (Fi) é 0.333 ml/s, e na equação para as taxas de consumo de combustível para veículos em aceleração (C1;C2) são 0.420 ml/s e 0.260 ml s²/m². A taxa de consumo de combustível para veículos em desaceleração (Fd) é 0,537 ml/s. As taxas de consumo de combustível para veículos em velocidade de cruzeiro são as seguintes:

Mini/Carro Pequeno (A/B):

\(F_1\) = 4.7 (1/100km at 90 km/h)

\(F_2\) = 5.5 (l/100km at 120 km/h)

\(V_m\) = 50 km/h

Carro Médio/Grande (C/D):

\(F_1\) = 5.4 (l/100km at 90 km/h)

\(F_2\) = 6.5 (l/100km at 120 km/h)

\(V_m\) = 60 km/h

Carros Executivos/Utilitários Esportivos (E/F/J):

\(F_1\) = 6.4 (l/100km at 90 km/h)

\(F_2\) = 8.4 (l/100km at 120 km/h)

\(V_m\) = 70 km/h

Automóveis Multiuso/Vans de carga/Pequenas vans de passageiros (M):

\(F_1\) = 7 (l/100km at 90 km/h)

\(F_2\) = 11.5 (l/100km at 120 km/h)

\(V_m\) = 50 km/h

Ônibus:

\(F_1\) = 25.0 (l/100km at 90 km/h)

\(F_2\) = 22.0 (l/100km at 120 km/h)

\(V_m\) = 40 km/h

Caminhões:

\(F_1\) = 15–25 (l/100km at 90 km/h)

\(F_2\) = 16–24 (l/100km at 120 km/h)

\(V_m\) = 50 km/h

Motocicletas:

\(F_1\) = 2.8–4.8 (1/100km at 90 km/h)

\(F_2\) = 3.2–5.7 (l/100km at 120 km/h)

\(V_m\) = 50 km/h

Também incluímos valores de cruzeiro para ônibus e caminhões, mas observe que as outras taxas devem ser coletadas na literatura atual.

Saídas¶

As saídas produzidas pelo Modelo de Consumo de Combustível nos diferentes níveis de agregação são as seguintes:

• Para toda a rede, a distância total percorrida (em km) por todos os veículos que concluíram sua viagem, e o combustível total consumido por eles, em litros.

• Para cada seção e movimento de conversão, os quilômetros percorridos por todos os veículos que atravessaram a seção e o combustível total consumido por eles, em litros.

• Para cada rota, a distância total percorrida (em km) por todos os veículos que seguiram a rota, e o combustível total consumido por eles, em litros.

Modelo de Consumo de Bateria¶

O Battery Consumption Model aplica-se somente a veículos elétricos. Ele se baseia no seguinte artigo:

Fiori, C., Ahn, K., & Rakha, H. A. (2016). Power-based electric vehicle energy consumption model: Model development and validation. Applied Energy, 168, 257-268.

O modelo foi configurado usando dados publicamente disponíveis para o Nissan Leaf. No entanto, o modelo incluído no Aimsun Next foi estendido para cobrir outros tipos de veículos, seguindo os mesmos perfis de veículos (por Segmentos de Automóveis Europeus) no modelo de aceleração MFC.

O único tipo de veículo atualmente suportado é Car e o Aimsun Next segue os Euro Car Segments: A, B, C, D, E, F, J e M. O modelo depende da dinâmica veicular, o que significa que o modelo MFC deve ser ativado primeiro para que o Battery Consumption Model seja aplicado a veículos elétricos.

O Battery Consumption Model usa uma abordagem retrospectiva: do ciclo de velocidade do veículo para a dinâmica do motor por meio do modelo de aceleração MFC. Dessa forma, ele obtém o trem de força motor/gerador do motor para obter o estado de carga instantâneo (SOC).

Também considera a eficiência dos diferentes processos envolvidos na operação do veículo: o motor/gerador, a frenagem regenerativa e a transmissão, conforme descrito no artigo.

O modelo implementado inclui uma extensão do modelo de Fiori et al. para capturar o efeito da temperatura ambiente (na faixa de −15°C a 20°C), devido à potência acessória consequente necessária para aquecer (ou resfriar) a cabine do veículo, que é descrita no artigo a seguir:

Iora, Paolo & Tribioli, Laura. (2019). Effect of Ambient Temperature on Electric Vehicles’ Energy Consumption and Range: Model Definition and Sensitivity Analysis Based on Nissan Leaf Data. World Electr. Veh. J. 2019, 10(1), 2..

O modelo é representado pelo diagrama abaixo. Há dois modos de operação do veículo: motorização, em que o motor de combustão é usado como motor (a energia da bateria flui para alimentar as rodas) e frenagem regenerativa, onde o motor é usado como gerador (a energia recuperada dos freios flui para a bateria). A imagem ilustra ambos os modos em operação.

Entradas¶

Você pode encontrar todas as configurações específicas do Battery Consumption Model no diálogo Vehicle Type > Microscopic Model > Environmental Models > subaba Energy Consumption Model.

Como este modelo depende fortemente dos parâmetros do modelo de Aceleração MFC – especificados no nível do tipo de veículo – a categoria do veículo e a composição do tipo de motor são escolhas cruciais ao executar este modelo.

A caixa de diálogo Vehicle Type também inclui um parâmetro para o Initial Energy Level (SOC or Fuel) de cada veículo, usando distribuição normal, como ocorre com outros parâmetros de tipo de veículo. Você pode editar diretamente os valores de Mean, Deviation, Minimum e Maximum.

Saídas¶

Os resultados produzidos pelo Battery Consumption Model em diferentes níveis de agregação são os seguintes:

• Para toda a rede, a distância total percorrida (km) por todos os veículos que concluíram sua viagem e a quantidade total de bateria consumida por eles (kWh).

• Para cada seção e movimento de conversão, os quilômetros percorridos por todos os veículos que atravessaram a seção, o movimento de conversão ou o link, e o total de bateria consumido por eles (kWh).

• Para cada subcaminho e rota OD, a distância total percorrida (km) por todos os veículos que seguiram a rota e a quantidade total de bateria consumida por eles (kWh).

Ao usar um modelo de consumo de energia para um veículo, a caixa de diálogo Veículo de Simulação exibe os seguintes atributos na aba Atributos Dinâmicos:

• Estado Atual do Combustível/Estado Atual de Carga
• Nível Atual de Combustível/Nível Atual de Energia
• Combustível Total Consumido/Energia Total Consumida.

Modelo de Emissão de Poluentes QUARTET¶

O Aimsun Next pode modelar emissões de poluentes para todos os veículos na simulação. Assim como no Fuel Consumption Model, o estado do veículo (em marcha lenta, em cruzeiro, acelerando ou desacelerando) e a velocidade/aceleração do veículo são usados para avaliar a emissão de cada veículo em cada passo de tempo da simulação.

Isso é feito referenciando tabelas de consulta para cada poluente, que fornecem emissões (em g/s) para cada combinação relevante de comportamento do veículo e velocidade/aceleração. Há diferentes conjuntos de tabelas de consulta para cada tipo de veículo e cada poluente.

Atualmente, são considerados no máximo três poluentes, correspondentes aos três poluentes mais amplamente produzidos (monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio e hidrocarbonetos não queimados), mas poderemos modelar poluentes adicionais quando e se dados extras estiverem disponíveis.

Parâmetros de entrada¶

As entradas necessárias para o QUARTET Pollutant Emission Model são as seguintes:

• Para cada tipo de veículo (por exemplo, automóveis, ônibus, caminhões)

  • Para cada poluente modelado (ou seja, CO, NO_x, HC)

    • Nome do poluente

    • Taxa de emissão para veículos em aceleração em g/s (parâmetro AER na caixa de diálogo)

    • Taxa de emissão para veículos em desaceleração em g/s (parâmetro DER na caixa de diálogo)

    • Taxa de emissão para veículos em marcha lenta em g/s (parâmetro IER na caixa de diálogo)

    • Uma tabela de consulta para veículos trafegando a uma velocidade constante, composta por um conjunto de pares (ponto de quebra de velocidade (km/h), taxa de emissão (g/s)) para um máximo de 15 pontos de quebra.

    • Uma tabela de consulta para o impacto da inclinação na poluição, composta por um conjunto de triplas (ponto de quebra de velocidade (km/h), Inclinação %, Impacto). Dependendo da velocidade do veículo e da inclinação %, a poluição será multiplicada pelo impacto.

Os valores de emissões para automóveis e ônibus a gasolina, obtidos de um entregável do QUARTET em 1992, são resumidos nas próximas duas tabelas.

Saídas¶

A saída produzida pelo Modelo de Emissão de Poluentes QUARTET nos diferentes níveis de agregação é a seguinte:

• Para toda a rede, a distância total percorrida (em km) por todos os veículos que concluíram sua viagem e os quilogramas de cada poluente emitidos por eles.

• Para cada seção e movimento de conversão, a distância total percorrida (em km) por todos os veículos que cruzaram essa seção, e os quilogramas de cada poluente emitidos por eles.

• Para cada rota, a distância total percorrida (em km) por todos os veículos que seguiram essa rota, e os quilogramas de cada poluente emitidos por todos eles.

Modelo de Emissão de Poluentes de Panis et al.¶

O Aimsun Next pode modelar emissões instantâneas de poluentes causadas por aceleração/desaceleração e velocidade para todos os veículos neste modelo de simulação. Ele se baseia no artigo de Luc Int Panis, Steven Broekx e Ronghui Lui: Modelagem de emissões instantâneas do tráfego e da influência dos limites de velocidade do tráfego.

A cada passo de tempo da simulação, este modelo mede as emissões de cada poluente usando a mesma fórmula. No entanto, ele considera valores diferentes de fator de acordo com o tipo de veículo, o tipo de combustível e as medidas instantâneas de aceleração/desaceleração.

Em particular, o modelo de emissão instantânea considera dióxido de carbono (CO₂), óxidos de nitrogênio (NO_x), compostos orgânicos voláteis (VOC) e material particulado (PM).

Parâmetros de entrada¶

Cada tipo de veículo incluído na simulação deve ter seus parâmetros de emissões instantâneas definidos. Você pode fazer isso na caixa de diálogo Vehicle Type, na subaba Microscopic Model > Environmental Models.

Observe que o modelo assume que o tipo de veículo Car pode usar Petrol, Diesel, LPG (gás liquefeito de petróleo) ou EV (elétrico). Por padrão, assume-se inicialmente 75% Diesel e 25% Petrol. Veículos Bus e HDV podem usar Diesel ou EV, mas, por padrão, assume-se apenas diesel. Além disso, o modelo não inclui o cálculo de PMs no caso de EV, considerando o valor como zero.

Saídas¶

Quando a simulação for concluída, oito séries temporais serão adicionadas às seções, nós, movimentos de conversão e à replicação. Haverá duas para cada tipo de poluente (CO₂, NO_x, VOC e PM), fornecendo seus valores em g e em g/km (rotulados como "interurban"). As séries temporais podem ser visualizadas na caixa de diálogo de cada objeto afetado, na aba Time Series.

Se você marcou Statistics: Store in Database na aba Outputs to Generate do cenário, estas sete tabelas aparecerão no banco de dados selecionado: MISYSIEM, MISECTIEM, MITURNIEM, MINODEIEM, MISTREAMIEM, MIPTIEM e MIODPAIRIEM. Para obter mais informações sobre essas tabelas, consulte Definição do Banco de Dados de Saída.

Modelo de Emissões de Londres (LEM)¶

O London Emission Model (LEM) está incluído nos simuladores microscópico, mesoscópico e híbrido do Aimsun Next. Ele estima o CO₂ e NO_x emissões para um veículo, usando um modelo calibrado de emissões por velocidade média desenvolvido em colaboração com a Transport for London (TfL) em 2017.

O LEM foi desenvolvido como um modelo capaz de levar em conta a variabilidade na atividade dos veículos e fornecer emissões mais precisas em links curtos ou para períodos curtos do que os modelos tradicionais de velocidade média.

O LEM deriva as emissões de um veículo usando a velocidade média de um determinado tipo de veículo. O modelo instantâneo PHEM foi aplicado a um conjunto de ciclos de condução reais medidos em Londres em 2017. Essas medições foram então generalizadas para fornecer uma relação entre velocidade média e emissões. A abordagem adotada pelo modelo LEM foi derivar as emissões de um veículo individual usando sua velocidade média ao longo de um conjunto de microviagens que compõem sua viagem

Uma microviagem é definida como um segmento de uma viagem em que a velocidade aumenta de parado para > 5 km/h e retorna a parado. Isso é ilustrado abaixo em um gráfico típico de velocidade versus tempo em um ciclo de condução urbano.

O LEM então usa uma de duas relações polinomiais, derivadas por análise de regressão, para estimar o CO₂ e NO_x produzido por esse veículo usando essa micro-trip.

Aqui, y é a emissão (gramas/km); a, b, c, e z são constantes derivadas que são definidas para cada veículo e tipo euro, x é a velocidade média na microviagem.

No Aimsun Next, a velocidade média de um veículo individual dentro de uma seção ou de um link é usada para então derivar localmente as emissões desse veículo. As emissões totais da rede são consideradas como a soma das emissões de todos os veículos em todas as seções.

É importante observar, ao usar este modelo, que ele é calibrado para condições urbanas e de cidade e não deve ser usado para rodovias, que podem ter ciclos de condução diferentes.

Parâmetros de entrada¶

A proporção de veículos de um determinado tipo de combustível e classe Euro é definida no tipo de veículo na Modelo de Emissões de Londres > Guia de Composição da Frota.

O modelo considera os seguintes tipos de combustível e classes Euro:

Nota: O táxi definido no LEM é para o London Hackney Taxi e não incluiria veículos de aluguel privado (PHVs). Para veículos de aluguel privado, recomenda-se usar o tipo de veículo LEM genérico, car.

O modelo não leva em conta a inclinação das vias. No entanto, o modelo leva em conta o peso do veículo no Aimsun Next para definir constantes a, b, c e z mais detalhadas para veículos de carga grandes e veículos de carga pesados. Se o tipo de veículo usar o tipo HGV no modelo London Emissions, ele também poderá ser considerado articulado quando estiver acima de um determinado peso. Isso é definido conforme abaixo.

Você pode ativar ou desativar as saídas do modelo na caixa de diálogo Cenário na Saídas a Gerar > subaba Estatísticas.

Saídas¶

Você pode ativar ou desativar as saídas do modelo na caixa de diálogo Cenário, na subaba Outputs to Generate > Statistics.

Quando a simulação estiver concluída, duas séries temporais para CO₂ e NO_x serão adicionados às seções (g/km), links (g/h) e à replicação (g). As séries temporais podem ser visualizadas na caixa de diálogo de cada objeto afetado, na aba Séries Temporais.

Modelo de Emissões COPERT¶

O COPERT Emission Model está incluído nos simuladores microscópicos do Aimsun Next como um fast track para o Next 24.0.2. Ele é capaz de estimar CO, NO_x e emissões de escapamento de PM para uma frota de veículos; usando um modelo calibrado de emissões por velocidade média desenvolvido pelo Joint Research Centre da Comissão Europeia e coordenado pela European Enviroment Agency (EEA).

O COPERT foi desenvolvido como um modelo tradicional de velocidade média. O modelo estima emissões de todos os modos relevantes de operação de veículos rodoviários:

_ Operação do motor termicamente estabilizada (emissões 'quentes'). _ A fase de aquecimento (emissões de 'partida a frio'). Este comportamento é excluído para o modelo.

O modelo COPERT contém emissões para mais de 450 tipos individuais de veículos. Os dados do modelo são divididos, entre outros, por tipos de emissão veicular. Para mais informações sobre o modelo, acesse: https://copert.emisia.com. As emissões quentes do modelo são calculadas pela seguinte equação:

Aqui, EF é a emissão 'quente' (gramas/km); os coeficientes gregos são constantes derivadas definidas para cada tipo de veículo COPERT, V é a velocidade média na viagem. E RF é um fator de redução (correção). O tipo de veículo COPERT é definido por:

• Tipo de Veículo de Emissão: Automóveis de Passageiros, Veículos Comerciais Leves, Veículos Pesados, Ônibus Urbanos, Ônibus Rodoviários e Veículos da Categoria L. Esta última categoria é excluída do modelo.
• Tipo de motor e Emissões padrão: Para mais informações, consulte a tabela 1.
• Peso: Dado por 'Chassis' Type: Euro Car Segment para Passenger Cars; NI,NII,NII para Light Commercial Vehicles; Articulated, Rigid entre outras categorias específicas para Heavy Duty Trucks, Buses and Coaches. Para mais informações, consulte a tabela 2.
• Carga de Veículo: Apenas para Heavy Duty Trucks (distribuição interna de 0% a 100%).
• Condições da via: Inclinação e Tipo de Via. Road Type é definido pelo HCM Type no objeto Road Type; as opções são: None (Urban Off Peak), Urban Peak (Urban), Highway (Freeway) e Rural (Multilane Highway).

Os parâmetros Slope e Load somente são incluídos no caso de modelagem de PM para Heavy Duty Truck, Coaches and Buses.

No caso das Hot Emissions, o parâmetro Slope é usado apenas nos casos de modelagem de Heavy Duty Trucks, Buses e Coaches no cálculo de emissão do poluente PM. Além disso, o Road Type é aplicado no caso de cálculos de PM Emission.

No Aimsun Next, a velocidade média de um veículo individual dentro de uma seção ou de um movimento de conversão é usada para então derivar localmente as emissões desse veículo. As emissões totais da rede são consideradas como a soma das emissões de todos os veículos em todas as seções e movimentos de conversão.

Parâmetros de entrada¶

A proporção de veículos de um determinado tipo de motor e classe Euro é definida no tipo de veículo em Modelo de Emissões COPERT > Guia de Composição da Frota.

O modelo considera os seguintes tipos de combustível e classes Euro:

Tabela 1. Emissão Padrão por Tipos de Motor e por Tipos de Veículo de Emissão. Nota: Euro 0 é originalmente denominado 'Conventional' no COPERT. Os Euro 0,1,2,3 incluídos na categoria Passenger Car são tratados como Euro 4 devido à falta de dados para esse tipo de Standard Emissions. Ano das Standard Emissions incluído entre parênteses.

O modelo considera as categorias de Chassi (peso):

Tabela 2. Peso por Tipos de Chassi.

Você pode ativar ou desativar as saídas do modelo na caixa de diálogo Cenário na Saídas a Gerar > subaba Estatísticas. Observação: LEM e COPERT são modelos excludentes: somente um deles pode ser ativado.

Saídas¶

Você pode ativar ou desativar as saídas do modelo na caixa de diálogo Cenário, na subaba Outputs to Generate > Statistics.

Quando a simulação é concluída, três séries temporais para CO, NO_x e PM serão adicionados às seções (gramas/km), ao movimento de conversão (gramas/km) e à replicação (gramas). As séries temporais podem ser visualizadas na caixa de diálogo de cada objeto afetado, na aba Time Series, em COPERT Emission Time Serie. As Time Series são divididas por Vehicle Type Object.

Se você marcou Statistics: Store in Database na aba Outputs to Generate do cenário, três tabelas serão adicionadas ao banco de dados selecionado: MISECTCOPERT, MITURNCOPERT e MISYSCOPERT. Para obter mais informações sobre essas tabelas, consulte Definição do Banco de Dados de Saída.