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        中國(guó)乘用車(chē)工況構(gòu)建

        2020-07-02 06:55:58吳志新李孟良于晗正男賀可勛安曉盼

        劉 昱,吳志新,李孟良,于晗正男,汪 洋,賀可勛,安曉盼

        (中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司,天津300300)

        0 引 言

        學(xué)者對(duì)行駛工況的開(kāi)發(fā)進(jìn)行了一系列研究:楊延相等[5]以車(chē)速和加速度等行駛特征參數(shù)為準(zhǔn)構(gòu)建了天津工況.姜平等[6]采用離散小波變換對(duì)汽車(chē)實(shí)際行駛工況數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮重構(gòu)消除路面干擾因素的影響,構(gòu)建合肥市典型工況.王軍方等[7]采集北京市多類(lèi)車(chē)型的實(shí)際行駛數(shù)據(jù),構(gòu)建北京市典型行駛工況.秦大同[8],彭育輝等[9]分別利用k均值聚類(lèi)算法構(gòu)建乘用車(chē)城市工況和公交車(chē)行駛工況,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.我國(guó)在工況開(kāi)發(fā)方面取得了許多重要成果,但依然存在一些問(wèn)題:現(xiàn)有工況開(kāi)發(fā)研究局限在對(duì)城市或區(qū)域的調(diào)研,我國(guó)幅員遼闊,氣候和交通狀況差異顯著,缺乏全國(guó)范圍的自主行駛工況;現(xiàn)有研究主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)計(jì)算速度區(qū)間權(quán)重,構(gòu)建工況受車(chē)隊(duì)組建的主觀性影響較大.

        2015年,工信部聯(lián)合五部委共同委托中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心開(kāi)展為期3年的“中國(guó)工況”研究和開(kāi)發(fā),主要包括開(kāi)發(fā)中國(guó)汽車(chē)行駛工況并修訂相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn).本文提出中國(guó)工況開(kāi)發(fā)技術(shù)路線,從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、權(quán)重因子開(kāi)發(fā)和工況構(gòu)建等方面詳細(xì)介紹中國(guó)工況的開(kāi)發(fā)過(guò)程.

        1 技術(shù)路線

        技術(shù)路線是開(kāi)發(fā)工況的關(guān)鍵,在總結(jié)國(guó)內(nèi)外工況開(kāi)發(fā)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,制定我國(guó)乘用車(chē)工況開(kāi)發(fā)方法[10-11],如圖1所示,主要包括:

        (1)數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理.

        利用自主行駛的方法在典型城市采集車(chē)輛運(yùn)行數(shù)據(jù),將其切分短行程;制定包含運(yùn)行時(shí)間、速度范圍、加速度范圍、最大怠速時(shí)長(zhǎng)、均速比例和數(shù)據(jù)缺失率在內(nèi)的篩選規(guī)則,篩選短行程;將篩選后的短片段分為不同速度區(qū)間的運(yùn)動(dòng)片段庫(kù)和怠速片段庫(kù).

        (2)權(quán)重因子開(kāi)發(fā).

        當(dāng)仙靈骨葆膠囊的藥物成本在0.62~0.97元/粒變動(dòng)時(shí),其他參數(shù)不變,隨之ICER變動(dòng)范圍在21 479.25~48 498.90。當(dāng)仙靈骨葆膠囊的藥物成本選取了最小值0.62時(shí),芪骨膠囊方案和仙靈骨葆膠囊治療方案所需的總成本分別為1 998.93元和 1 320.44元,有效率為99.72%和98.32%,ICER為48 498.90。當(dāng)仙靈骨葆膠囊的藥物成本選取了最大值0.97時(shí),芪骨膠囊方案和仙靈骨葆膠囊治療方案所需的總成本分別為1 998.93元和 1 698.44元,有效率為99.72%和98.32%,ICER為21 479.25。

        獲取典型城市的車(chē)輛實(shí)際道路GIS 低頻交通量大數(shù)據(jù),建立速度—流量模型,得到各城市路網(wǎng)上所有行駛車(chē)輛的車(chē)輛小時(shí)數(shù)分布;計(jì)算不同速度區(qū)間的權(quán)重,以及同一速度區(qū)間不同城市的權(quán)重.

        (3)統(tǒng)一的速度—加速度分布建立.

        計(jì)算各城市各速度區(qū)間的速度—加速度分布,利用權(quán)重因子矩陣進(jìn)行加權(quán),獲取各個(gè)速度區(qū)間統(tǒng)一的速度—加速度分布.

        (4)工況合成.

        根據(jù)各速度區(qū)間的權(quán)重和工況曲線的總時(shí)長(zhǎng),確定各速度區(qū)間的時(shí)長(zhǎng);在此基礎(chǔ)上,對(duì)應(yīng)速度區(qū)間運(yùn)動(dòng)片段及怠速片段的平均時(shí)長(zhǎng),確定各速度區(qū)間運(yùn)動(dòng)片段和怠速片段數(shù)目;利用卡方檢驗(yàn)確定最優(yōu)的片段組合作為中國(guó)輕型乘用車(chē)工況(China Light-duty Passenger Car Test Cycle,CLTC).

        2 工況開(kāi)發(fā)

        2.1 數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

        選擇全國(guó)41 個(gè)典型城市,采用自主行駛的方式對(duì)約3 300輛車(chē)開(kāi)展數(shù)據(jù)采集.采集車(chē)輛覆蓋各種車(chē)輛類(lèi)型(M1、M2 和N1 類(lèi)車(chē),傳統(tǒng)車(chē)和新能源車(chē),不同排量),不同的道路類(lèi)型和行駛條件.

        車(chē)載終端將采集車(chē)輛GPS信號(hào)和OBD相關(guān)參數(shù)信息按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)協(xié)議編排,通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送到中國(guó)工況信息化平臺(tái)服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集.與傳統(tǒng)工況數(shù)據(jù)采集相比,本文方法保證采集到的數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上具有可比性,適合大規(guī)模數(shù)據(jù)采集.采集周期1年,共計(jì)1 600萬(wàn)km;采集參數(shù)主要包括時(shí)間、車(chē)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等.

        車(chē)輛從起步出發(fā)至目的地停車(chē),會(huì)經(jīng)過(guò)多次起步、停車(chē).定義車(chē)輛從一次停車(chē)開(kāi)始到下一次起步開(kāi)始為怠速片段,車(chē)輛在一次起步到下一次停車(chē)為運(yùn)動(dòng)片段.據(jù)此,車(chē)輛一次行程可視為多個(gè)短行程(一個(gè)運(yùn)動(dòng)片段加一個(gè)怠速片段)組合,如圖2所示.

        實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,受采樣設(shè)備(如GPS 在山區(qū)或隧道內(nèi)丟失信號(hào))或其他不可抗因素影響,一些采集數(shù)據(jù)不合理或無(wú)效,故制定多類(lèi)處理規(guī)則對(duì)短行程進(jìn)行預(yù)處理.

        對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析,借鑒WLTP 規(guī)則,制定片段時(shí)長(zhǎng)規(guī)則,運(yùn)動(dòng)片段長(zhǎng)度需在[10,3 600)s間.我國(guó)交通法規(guī)規(guī)定最高車(chē)速不能大于120 km/h,考慮車(chē)輛在高速路行駛時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定程度的超速現(xiàn)象,將片段最高車(chē)速設(shè)置為130 km/h.車(chē)輛加速度大于4 m/s2時(shí),相當(dāng)于車(chē)速在1 s 內(nèi)增加超過(guò)14 km/h,正常行駛條件下是不可能發(fā)生的,予以刪除;同樣,當(dāng)加速度小于-4.5 m/s2時(shí),數(shù)據(jù)也是不合理的.車(chē)輛怠速持續(xù)時(shí)間超過(guò)200 s,屬于非正常駕駛情況(如駕駛員停車(chē)休息,而GPS 仍在連續(xù)記錄),此類(lèi)片段使數(shù)據(jù)怠速比例偏高,影響最終開(kāi)發(fā)出工況的代表性,對(duì)其進(jìn)行修正.數(shù)據(jù)采集過(guò)程中GPS 車(chē)速難免出現(xiàn)丟失,為保證最終數(shù)據(jù)能代表車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),設(shè)置篩選條件為數(shù)據(jù)缺失率小于10%.

        圖1 工況開(kāi)發(fā)技術(shù)路線Fig.1 Technical route of driving cycle development

        圖2 短行程示意圖Fig.2 Schematic diagram of short trip

        2.2 特征計(jì)算及短行程數(shù)據(jù)庫(kù)劃分

        為描述各短片段差異,計(jì)算運(yùn)行時(shí)間、平均速度等11 種片段特征,定義參見(jiàn)文獻(xiàn)[10].各城市及全國(guó)總體平均速度和怠速比例如圖3和圖4所示.

        不同時(shí)間、地理位置和道路類(lèi)型的短片段反映的交通狀況可能是一致的,如繁忙的高速公路與擁擠的城市道路片段特征可能一致.將片段類(lèi)型和交通狀況聯(lián)系起來(lái),分為3 個(gè)運(yùn)動(dòng)片段庫(kù)和3個(gè)怠速片段庫(kù),分別對(duì)應(yīng)低速、中速和高速區(qū)間,速度區(qū)間閾值分別為60 km/h和80 km/h.

        2.3 權(quán)重因子開(kāi)發(fā)

        傳統(tǒng)方法根據(jù)實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)計(jì)算權(quán)重,使構(gòu)建工況受車(chē)隊(duì)組建的主觀性影響較大.為克服傳統(tǒng)方法的不足,本文創(chuàng)新性引入百度后臺(tái)GIS交通量大數(shù)據(jù)計(jì)算權(quán)重因子.統(tǒng)計(jì)各速度區(qū)間交通量,除以總交通量,獲得不同速度區(qū)間的權(quán)重因子,如表1所示.可以看出,我國(guó)車(chē)輛主要運(yùn)行在城區(qū)(低速)和城郊(中速),在高速區(qū)間運(yùn)行比例較低.

        圖3 各城市平均速度Fig.3 Average speed of different cities

        圖4 各城市怠速比例Fig.4 Idle ratio of different cities

        表1 各城市低/中/高/速區(qū)間的交通量及加權(quán)因子Table 1 Traffic volume and weighting factors of low/medium/high speed phases

        2.4 統(tǒng)一的速度—加速度分布建立

        低速區(qū)間統(tǒng)一的速度—加速度分布建立如圖5所示,其中,左側(cè)3個(gè)圖分別為城市1、城市2和城市n的速度—加速度分布?xì)馀輬D,氣泡越大表示該工況點(diǎn)的分布頻率越高,W1,W2和Wn分別為對(duì)應(yīng)城市低速區(qū)間的權(quán)重.根據(jù)低速區(qū)間各城市的速度—加速度分布和對(duì)應(yīng)區(qū)間的城市權(quán)重,加權(quán)獲得低速區(qū)間統(tǒng)一的速度—加速度分布.其他速度區(qū)間的加權(quán)方案與低速區(qū)間相同.

        圖5 低速區(qū)間速度—加速度分布圖Fig.5 Velocity-acceleration distribution of low speed phase

        2.5 工況構(gòu)建

        與世界輕型車(chē)測(cè)試工況(Worldwide Harmonized Light-Duty Driving Test Cycle,WLTC)類(lèi)似,CLTC 工況的持續(xù)時(shí)間也設(shè)置為1 800 s.1 800 s 的持續(xù)時(shí)間既能滿足統(tǒng)計(jì)學(xué)的代表性,又具備在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行排放測(cè)試和油耗測(cè)試的可行性.工況曲線各速度區(qū)間時(shí)長(zhǎng)由1 800 s 乘以其權(quán)重得到,低速區(qū)間時(shí)長(zhǎng)674 s;中速區(qū)間時(shí)長(zhǎng)693 s;高速區(qū)間時(shí)長(zhǎng)433 s.

        各車(chē)速區(qū)間運(yùn)動(dòng)片段和怠速片段數(shù)目為

        式中:T為時(shí)長(zhǎng);Tst為運(yùn)動(dòng)片段的平均時(shí)間長(zhǎng)度;Tid為怠速片段的平均時(shí)間長(zhǎng)度;nst為運(yùn)動(dòng)片段個(gè)數(shù);nid為怠速片段個(gè)數(shù).各參數(shù)取值通過(guò)數(shù)據(jù)分析獲得,計(jì)算結(jié)果圓整后如表2所示.

        表2 各速度區(qū)間運(yùn)動(dòng)及怠速片段數(shù)目Table 2 Number of motion segments and idle segments in each speed interval

        計(jì)算運(yùn)動(dòng)片段與怠速片段的累計(jì)頻率分布,低速和中速區(qū)間根據(jù)各區(qū)間短片段個(gè)數(shù)ni,將累計(jì)頻率分布均分成ni等份.在每個(gè)等分區(qū)間找到該區(qū)間50%分位累計(jì)分布對(duì)應(yīng)的x點(diǎn),x點(diǎn)時(shí)長(zhǎng)作為從數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇片段的依據(jù).由于高速區(qū)間時(shí)長(zhǎng)限制,高速區(qū)間運(yùn)動(dòng)片段和怠速片段時(shí)長(zhǎng)通過(guò)怠速比例計(jì)算得到.各速度區(qū)間運(yùn)動(dòng)片段時(shí)長(zhǎng)選擇結(jié)果如圖6~圖8 所示,怠速片段選擇方式同運(yùn)動(dòng)片段.

        圖6 低速區(qū)間運(yùn)動(dòng)片段時(shí)長(zhǎng)選擇Fig.6 Short trip length selection of low-speed phase

        圖7 中速區(qū)間運(yùn)動(dòng)片段時(shí)長(zhǎng)選擇Fig.7 Short trip length selection of the middle-speed phase

        圖8 高速區(qū)間運(yùn)動(dòng)片段時(shí)長(zhǎng)選擇Fig.8 Short trip length selection of high-speed phase

        根據(jù)片段時(shí)長(zhǎng)選擇候選運(yùn)動(dòng)片段,并按照笛卡爾積自由組合.短片段組合數(shù)目較多,利用平均速度、相對(duì)正加速度等參數(shù)對(duì)短片段組合進(jìn)行初步篩選,使計(jì)算量和卡方檢驗(yàn)次數(shù)控制在合理范圍內(nèi).對(duì)滿足條件的短片段組合進(jìn)行卡方檢驗(yàn).選擇卡方檢驗(yàn)結(jié)果較好的,即卡方值p較小的組合作為最優(yōu)解.

        式中:a為速度—加速度分布點(diǎn);N為分布點(diǎn)總數(shù);Va為選擇片段a點(diǎn)的速度—加速度分布值;Wa為對(duì)應(yīng)點(diǎn)的統(tǒng)一的速度加速度分布值.

        為確定CLTC 工況中第1 個(gè)怠速片段和運(yùn)動(dòng)片段,對(duì)調(diào)研中每天采集的第1個(gè)怠速片段和運(yùn)動(dòng)片段進(jìn)行單獨(dú)統(tǒng)計(jì)分析.第1個(gè)怠速片段的平均持續(xù)時(shí)間約17 s,選擇與其最接近的時(shí)長(zhǎng)14 s的怠速片段作為第1個(gè)怠速片段.第1個(gè)運(yùn)動(dòng)片段的平均時(shí)長(zhǎng)為58 s,平均速度為25 km/h,選擇卡方檢驗(yàn)獲得低速區(qū)間運(yùn)動(dòng)片段中與之最接近的短片段作為第1 個(gè)運(yùn)動(dòng)片段.為模擬市區(qū)擁堵情況,將CLTC工況低速區(qū)間中最大速度最小的3 個(gè)運(yùn)動(dòng)片段和時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)的3 個(gè)怠速片段進(jìn)行組合模擬城區(qū)道路中交通擁堵的工況.將CLTC工況最后一個(gè)怠速片段均設(shè)置為10 s,保證采樣穩(wěn)定性.將低速、中速和高速區(qū)間依次排列得到最終工況曲線.

        CLTC工況共包含11個(gè)運(yùn)動(dòng)片段和12個(gè)怠速片段,運(yùn)動(dòng)和怠速片段交替排列,工況時(shí)長(zhǎng)1 800 s,平均車(chē)速29.0 km/h,最大車(chē)速114 km/h,怠速比例22.1%,如圖9所示.

        圖9 CLTC 工況Fig.9 CLTC cycle

        3 CLTC工況與采集數(shù)據(jù)及其他典型工況對(duì)比

        為驗(yàn)證所構(gòu)建工況的有效性,選擇平均速度等7 個(gè)典型參數(shù)對(duì)工況曲線特征進(jìn)行描述.計(jì)算CLTC 工況,NEDC 工況,美國(guó)聯(lián)邦輕型車(chē)測(cè)試工況(Federal Test Procedure,FTP-75),WLTC工況,以及車(chē)輛實(shí)際采集數(shù)據(jù)的工況特征,對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行GIS 加權(quán),結(jié)果如表3 所示.為衡量各典型工況與我國(guó)車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行工況的差異,計(jì)算各典型法規(guī)工況與實(shí)際采集數(shù)據(jù)GIS加權(quán)值的差異百分比,結(jié)果如表4所示.

        表3 各工況與實(shí)際采集數(shù)據(jù)特征Table 3 Driving characteristics of different cycles and actual collected data

        表4 各工況與實(shí)際采集數(shù)據(jù)差異Table 4 Comparison of differences between typical cycles and actual collected data

        從表3 和表4 可以看出:與其他典型工況相比,CLTC 具有平均速度低,怠速比例高和加減速頻繁的特點(diǎn);在平均速度等典型工況特征方面,CLTC 工況與實(shí)際采集數(shù)據(jù)GIS 加權(quán)結(jié)果吻合度最高,最大偏差為7.55%,NEDC、FTP75 和WLTC工況與我國(guó)實(shí)際偏差較大.

        4 結(jié) 論

        依托“中國(guó)工況”項(xiàng)目,在全國(guó)41 個(gè)城市展開(kāi)全球范圍內(nèi)范圍最大、規(guī)模最廣的一次數(shù)據(jù)采集,全面了解我國(guó)乘用車(chē)的實(shí)際行駛特征;創(chuàng)新性提出利用GIS數(shù)據(jù)計(jì)算工況各速度區(qū)間權(quán)重,克服傳統(tǒng)工況構(gòu)建方法宏觀權(quán)重受主觀選擇影響的不足;開(kāi)發(fā)了中國(guó)乘用車(chē)工況CLTC,與其他典型工況相比,中國(guó)工況具有低平均速度、高怠速比例和頻繁加減速的特點(diǎn).對(duì)比構(gòu)建的CLTC工況曲線特征參數(shù)與其他典型工況曲線及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)GIS 加權(quán)結(jié)果,驗(yàn)證了CLTC工況的有效性.

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