CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE
ISTITUTO MOTORI
Determinazione dei fattori di
emissione medi di una tipologia
di veicoli in funzione di alcuni
parametri cinematici. Confronto
con COPERT III e IV
Livia Della Ragione, Giovanni Meccariello
XIV riunione dell’ Expert Panel
Venezia - 16 Ottobre 2008
In memoria e ricordo di Mario Rapone
BACKGROUND
La valutazione delle emissioni può essere realizzata
in differenti scale spazio-temporali in relazione a
differenti obiettivi
I modelli per la definizione dei fattori di emissione
possono essere categorizzati come macro-scale, mesoscale e micro-scale a seconda della finalità di utilizzo e
della quantità di informazioni che essi richiedono sia in
relazione al traffico, che alla composizione del parco
circolante, che alla caratterizzazione del driving
behaviour
XIV riunione dell’ Expert Panel
Venezia - 16 Ottobre 2008
BACKGROUND
Per lo sviluppo di piani di trasporto regionali o di una
specifica città ci si può riferire ad un approccio
modellistico meso
Modelli su mesoscala richiedono una approfondita
rappresentazione del traffico nell’area individuata e della
rete di trasporto in links
Per ciascun link le emissioni medie sono generalmente
valutate per ciascun veicolo come funzioni del flusso di
veicoli e della velocità media
XIV riunione dell’ Expert Panel
Venezia - 16 Ottobre 2008
BACKGROUND
Nell’ambito meso è stato sviluppato in Istituto Motori
nel contesto del progetto Europeo ARTEMIS, il modello
Kinematic Emission Model KEM
 Le emissioni predette sono calcolate su un micro-trip
basandosi su una dettagliata descrizione del profilo di
velocità, mediante parametri cinematici, ma utilizzando
meno informazioni rispetto ai modelli istantanei
 Si basa sull’analisi di un grande database di emissioni
provenienti dal progetto UE ARTEMIS.

XIV riunione dell’ Expert Panel
Venezia - 16 Ottobre 2008
BACKGROUND


L’obiettivo attuale è lo sviluppo di un tool che implementi il
modello KEM in un approccio DSS e permetta di stimare le
emissioni associate ad una condizione di traffico
Le parti costituenti il DSS sono il datawarehouse delle
emissioni, il model base e la GUI (grafical user interface )
 Sarà implementato un emission module che accetti come
input un certo numero di variabili cinematiche
caratterizzanti i cicli di guida e fornisca in output CO, CO2,
HC, NOX etc. in g/km
XIV riunione dell’ Expert Panel
Venezia - 16 Ottobre 2008
LA STRUTTURA DEL SISTEMA INFORMATIVO
Data
Base
DSS
Data
Quality
Approach
Data
Warehouse
Knowledge
base
Model base
- Statistical and
Simulation
Methods
- Emission Models
- algorithms rules
- results processing
rules
GUI Module
Easy
GIS
Interactive
PCA
...
Output - Report
Driving behavior
kinematics analysis
Emission
Factors
Emission
Map
...
DSS
GUI
Module
Output
Report
•Accesso ed estrazioni dal database
ARTEMIS / UTENTE  Datawarehouse
•Metodi statistici/algoritmi/regole
•Modelli di emissione
(predeterminati/elaborati)
•Interfaccia utente e moduli:
•EASY
•GIS
•…
•Profili dei cicli / analisi cinematiche
•Fattori di emissione
•Mappa delle emissioni
•…
IL MODEL BASE
 Nel Model Base sono implementati
metodi statistici
multivariati e regressione Partial Least Squares (PLS)
per la determinazione dei valori predetti e dei
coefficienti di calcolo delle emissioni
 Il modello di regressione ha come variabili di risposta Y
le emissioni di CO, HC, NOx, CO2 in g/km, misurate in
un ciclo di guida
 Le variabili X indipendenti sono relative a parametri
cinematici atti a rappresentare il “real-world driving
behavior of vehicles in any traffic situation”
XIV riunione dell’ Expert Panel
Venezia - 16 Ottobre 2008
IL MODEL BASE
 Le variabili indipendenti sono relative all’equazione
dinamica del veicolo, con l’aggiunta del tempo al
minimo per tener conto delle emissioni prodotte
durante questa fase
MP(t)dtt (a+b*v(t)+c*v2(t)+d*Mv*a(t))*v(t) dt
In cui
M massa totale dei gas di scarico
P(t) la potenza erogata dal motore,
v(t) speed
a(t) l’accelerazione
Mv la massa del veicolo
ln Yij  a0  a1MV  a2 MV 2  a3 MV 3 
 a4 MVA _ POS  a5Trunning 
 a6Tidle  a7 Invdist   ij
Determinazione
dei fattori di
emissione
Parametri selezione/output Utente
Model Base - Easy
Fattori di
emissione in
g/km
Output- Report
Determinazione
delle variabili
cinematiche
Parco
circolante
Time series v(t)
del ciclo di guida
Tecnologia
Cilindrata
Omologazione
Parametri Utente da GUI
DSS –MODEL BASE
DSS
100
90
80
70
45
60
40
50
35
40
Datawarehouse
30
30
20
25
10
20
0
1
51
101
15
151
201
251
301
351
401
451
501
551
Model
Base
5
0
1
51
101
151
201
251
301
351
401
451
501
Data
mart
Data
base
10
GUI
PM Punto 1.9 JTD
140
CO
HC
NOx
…
0,3
0,1
0,2
…
0,3
0,2
0,4
…
PM Lybra 2.4 JTD
PM (mg/km)
120
100
80
60
40
20
0
7
cle
Cy
cle
Cy
5
cle
Cy
6
cle
Cy
y
ld
ld
ban -Road orwa
Co
Co
-Ur
ot
ad_
an_
Art
-M
Ro
Urb
Art
4
Art
CASO BENZINA
EURO III 1200-1400
cycle_name
Handbook.R4_II
Artemis.urban_3
Artemis.urban_4
Artemis.urban_1
Artemis.urban
Artemis.urban_5
Artemis.urban_2
Handbook.R3_III
Handbook.R4_I
Artemis.rural_3
WP321.TUG.Ries_r
Artemis.rural_1
Handbook.R3_II
Handbook.R3_I
Artemis.rural
Handbook.R2_III
Artemis.rural_2
Handbook.R2_II
Artemis.rural_4
Artemis.rural_5
Handbook.R2_I
Handbook.R1_III
Handbook.R1_II
Artemis.motorway
mvoverall
7.07075
8.74033
11.8094
15.5034
17.4801
21.6638
31.7773
31.9976
33.5706
43.0732
48.296
49.9263
52.3546
52.92
60.3353
65.5785
65.8795
77.1987
78.6237
87.4571
89.5038
100.333
107.66
116.679516
CO Obs
0.57212
0.88623
0.67890
0.58062
0.55914
0.45989
0.43571
0.46872
0.40841
0.35787
0.17308
0.60108
0.12987
0.18787
0.72936
0.68209
0.36940
0.16846
0.71302
0.44656
2.84489
1.28265
1.48755
1.46181
KEM CO
0.39987
0.58260
0.47827
0.32784
0.36611
0.32013
0.28589
0.22735
0.19356
0.20304
0.30807
0.42769
0.21566
0.19744
0.39493
0.26214
0.24703
0.28933
0.60799
0.39664
0.42902
0.58121
0.72248
1.13753
Valori osservati, KEM, Copert IV, Copert III
CO g/km
g/km
Vm (km/h)
CASO BENZINA
EURO III 1200-1400
cycle_name
mvoverall Nox Obs
Kem NOx
Handbook.R4_II
7.07075 0.009016
0.029553
Artemis.urban_3
8.74033 0.079096
0.059312
Artemis.urban_4
11.8094 0.054172
0.038439
Artemis.urban_1
15.5034 0.045646
0.035998
Artemis.urban
17.4801 0.065338
0.070188
Artemis.urban_5
21.6638 0.047785
0.030301
Artemis.urban_2
31.7773 0.059769
0.035559
Handbook.R3_III
31.9976 0.034913
0.027338
Handbook.R4_I
33.5706 0.007677
0.026796
Artemis.rural_3
43.0732 0.024139
0.019016
WP321.TUG.Ries_r
48.296 0.010199
0.028943
Artemis.rural_1
49.9263 0.047541
0.035077
Handbook.R3_II
52.3546
0.0097
0.017584
52.92 0.010951
0.019164
Artemis.rural
60.3353 0.051922
0.042682
Handbook.R2_III
65.5785 0.006025
0.018601
Artemis.rural_2
65.8795 0.025427
0.017842
Handbook.R2_II
77.1987 0.010838
0.014399
Artemis.rural_4
78.6237 0.043113
0.034289
Artemis.rural_5
87.4571 0.020173
0.017316
Handbook.R2_I
89.5038 0.040147
0.018184
Handbook.R1_III
100.333 0.025446
0.021112
Handbook.R1_II
107.66 0.026678
0.024103
116.679516 0.038648
0.034829
Handbook.R3_I
Artemis.motorway
Valori osservati, KEM, Copert IV, Copert III
NOx g/km
g/km
Vm (km/h)
FORMULE COPERT
Fattore di
riduzione E3
Benzina Euro III
EF Nox = 0,5595 - 0,01047V+ 10,8E-05V²
-76%
COPERT III
emission factors - cilindrata < 1.4 cc EF CO = 9,846-0,2867V+0,0022V²
-44%
EF VOC o HC= 0,628 - 0,01377V + 8,52E-05V²
-85%
COPERT IV
EF = ( a + c × V + e × V²)/(1 + b × V + d × V²)
emission factors - tutte le cilindrate
Coefficienti Copert IV
C.IV Nox E1
C.IV Nox E2
C.IV Nox E3
C.IV Nox E4
a
b
5.25E-01
2.84E-01
9.29E-02
1.06E-01
a
C.IV HC E1
C.IV HC E2
C.IV HC E3
C.IV HC E4
b
c
1.78E-01
1.66E+06
3.65E-02
0.00E+00
b
1.12E+01
6.05E+01
7.17E+01
1.36E-01
d
-1.00E-02
-8.69E-03
-1.49E-03
-1.58E-03
-2.34E-02
-1.22E-02
1.35E+00
4.11E+06
5.57E-02
1.18E-02
a
C.IV CO E1
C.IV CO E2
C.IV CO E3
C.IV CO E4
c
d
e
-1.27E-03
-1.03E+04
-1.88E-04
d
-1.02E-01
1.52E-01
1.14E+01
-8.91E-04
9.36E-05
1.14E-04
6.53E-06
7.10E-06
4.43E-04
3.97E-05
-6.77E-03
-1.45E+04
-1.10E-03
-3.47E-05
c
1.29E-01
3.50E+00
3.54E+01
-1.41E-02
e
1.25E-05
8.84E-07
e
-9.47E-04
-2.52E-02
-2.48E-01
4.99E-05
6.77E-04
-1.68E-04
GRAPHICAL USER INTERFACE (GUI)
EASY MODULE utilizza una metodologia statistica, sviluppata in Istituto Motori, per l’analisi
delle emissioni inquinanti relazionate alle caratteristiche cinematiche dei cicli di guida.
Per la determinazione dei fattori di emissione il modulo di calcolo determinerà i coefficienti per
ottenere le stime di previsione di un determinato ciclo di guida data una combinazione di
tecnologia/cilindrata/omologazione.
Il tool si basa, in un
modulo di calcolo
nell’ambito del Model
Base, di un insieme di
modelli statistici basati
sulla regressione PLS
per l’individuazione dei
coefficienti per la
previsione dei fattori di
emissione e per
l’individuazione di indici
statistici delle stime.
SVILUPPO
RAPPRESENTAZIONE DELLE EMISSIONI TRAMITE GIS
Deve essere ideato e sviluppato un modulo di
elaborazione del sistema IM-CNR che valuta per ciascun
arco della rete di traffico rappresentata dal GIS
informazioni riguardanti:
• classificazione del tipo di strada
per ciascun arco del percorso
• le emissioni prodotte da diverse
classi di veicoli per ciascuna
tipologia di strada, utilizzando i
moduli del sistema informatico IM
CNR, per predefinite situazioni
traffico/strada.
• le emissioni da correnti tipiche di
traffico per la zona geografica
considerata ricavate da dati ACI,
per
predefinite
situazioni
traffico/strada
ed
ipotizzate
composizione
veicolari
della
corrente (se non disponibili come
dato di input).
• le emissioni dei veicoli valutate
fanno riferimento ad una specifica
strada (per esempio autostrada e/o
tangenziale) per la quale sono
disponibili dati di flusso e/o di
densità veicolare e/o di velocità
media.
SVILUPPO E CONCLUSIONI
1. Realizzare il disegno concettuale di KEM
2. Integrare il Datawarehouse con nuovi dati
provenienti da altre sperimentazioni o da terzi per
migliorare la predittività dei modelli.
3. Integrare il Datawarehouse con dati provenienti da
sperimentazioni su altri tipi di veicoli (due ruote,
track …) e sviluppare i relativi modelli predittivi
4. Implementare tool fruibile …
XIV riunione dell’ Expert Panel
Venezia - 16 Ottobre 2008
KEM
Grazie per l’attenzione..…
Riferimenti Istituto Motori
dott. Livia Della Ragione
[email protected]
dott. Giovanni Meccariello [email protected]
XIV riunione dell’ Expert Panel
Venezia - 16 Ottobre 2008