城市道路典型行駛工況曲線的優(yōu)化與符合性判斷

溫 敏

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

城市道路典型行駛工況曲線的優(yōu)化與符合性判斷

溫 敏

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

車輛實際燃油消耗量與道路的交通狀況息息相關，為對車輛的實際油耗進行評價，有必要編制城市道路典型行駛工況曲線。然而，如何讓編制的典型行駛工況曲線符合實際道路的狀況，是需要解決的問題。文章建立了工況符合性判斷的方法，并基于工況的相關特征參數(shù)以及行駛工況在底盤測功機上的實際運用情況，明確了工況曲線的優(yōu)化方法，這些方法具有通用性。

燃油消耗量；城市道路；行駛工況曲線；符合性；優(yōu)化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.037

CLC NO.: U471.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)09-112-04

引言

根據(jù)GB18352.5-2013[1]，我國現(xiàn)今用于評價車輛排放及燃油經(jīng)濟性的工況仍沿用歐洲標準，采用NEDC循環(huán)工況。采用此工況，可以讓各廠家生產(chǎn)的車型站在同一個標準上進行比較與評價，具備一定的可比性，但另一方面，采用該標準評價出的車輛油耗，與用戶真實的駕駛情況不相符合。

當前，我國城市道路發(fā)展迅速，高架路增多，路面增寬、交通管制加強，但因車輛保有量大和非職業(yè)化駕駛員比例增大，一些中大型城市交通擁堵現(xiàn)象非常嚴重。與此相比，NEDC循環(huán)工況制定于上世紀90年代，其中的城區(qū)工況加速平緩，怠速時間短，使用檔位低，與實際城市道路行駛狀況相差較遠[2-4]。為此，需要建立反映實際道路結(jié)構(gòu)和交通流特征的城市道路行駛工況。

在經(jīng)歷實際道路行駛工況數(shù)據(jù)的采集、處理、并初步建立起典型城市道路行駛工況曲線之后，如何對曲線進行優(yōu)化以使其盡可能地符合實際道路行駛狀況，就顯得格外重要。

本文基于合肥市采集處理的典型行駛工況曲線，利用AVLCruise軟件，從多個方面對工況曲線進行優(yōu)化調(diào)整，以期獲得與實際道路行駛工況盡可能高的符合性。

1、工況符合性的判斷條件

編制城市典型行駛工況曲線的目的是為了運用這個工況曲線可以直接在轉(zhuǎn)轂試驗臺架上模擬出實際道路上的油耗情況。因此，需要站在油耗符合性與工況符合性兩方面設定判斷條件。

1.1油耗符合性

循環(huán)工況油耗測試精度的影響因素，包括駕駛員駕駛習慣的一致性，轉(zhuǎn)轂阻力加載的精度，油耗儀的測試精度，以及相關車輛狀態(tài)及環(huán)境條件的一致性等，基于這些影響因素客觀存在的事實，導致在轉(zhuǎn)轂上對實際道路行駛工況進行油耗模擬時，不可能做到試驗結(jié)果與實際油耗的絕對一致。

根據(jù)現(xiàn)有轉(zhuǎn)轂試驗的一般誤差范圍，駕駛員操作的差異等客觀因素，設定油耗符合性判斷條件如下：

同一臺車，同樣車輛狀態(tài)，同樣駕駛員，同樣環(huán)境條件下，在轉(zhuǎn)轂上利用典型工況曲線加載測試的油耗，與在選定的實際城市道路路線上測試的油耗，兩者偏差不超過±3%。兩類試驗各開展三次，測試的油耗結(jié)果取平均值再進行偏差比較。

1.2工況符合性

每段道路的工況特性以準則數(shù)進行判斷，準則數(shù)表達了車輛在道路上行駛的方方面面特性，可以用來判斷所選取的工況曲線是否符合整體道路行駛情況[5]，選取的準則數(shù)越多，反映出實際道路的特性也就越全面。

在進行道路工況采集之前，需要先設定好準則數(shù)，本文設定了如下32個準則數(shù)，分類如下：

（1）各工況所占時間比例：包括加速工況、減速工況、勻速工況、怠速工況4個參數(shù)；

（2）各車速段所占時間比例：0-70km/h間隔10km/h取一個車速區(qū)間段，另外車速大于 70km/h的作為一個車速區(qū)間段，共計8個參數(shù)；

（3）各加速度端所占時間比例：0-1.6m/s2間隔0.2m/s2取一個加速度區(qū)間段，另外加速度大于1.6m/s2的作為一個車加速度速區(qū)間段，共計9個參數(shù)；

（4）各擋位使用所占時間比例：一至五擋，共計5個參數(shù)；

（5）平均車速：包含怠速工況在內(nèi)的所有行駛工況狀態(tài)下的車速平均值；

（6）平均行駛車速：不包含怠速工況在內(nèi)的各行駛工況狀態(tài)下的車速平均值；

（7）換擋車速：一至五擋，各相鄰擋位升擋時的車速，共計4個參數(shù)。

理論上說，如果編制的典型工況曲線的每一條準則數(shù)與實際道路采集的均一致，那么典型工況曲線就能完全反映實際道路工況的的特征，但實際上是做不到的。為了判斷是否絕大多數(shù)準則數(shù)與實際道路的準則數(shù)相近，引入相關系數(shù)進行分析判斷。

相關系數(shù)公式如式（1）

式中，ρ(X,Y)為X，Y兩組數(shù)的相關系數(shù)；

Cov(X ,Y)為X，Y兩組數(shù)的協(xié)方差；

D(X)、D(Y)表示X，Y的方差。

該公式也可寫成式(2)

式中，RXY同樣表示X，Y兩組數(shù)的相關系數(shù)。

本論文設定的判斷條件是所編制出的典型工況曲線所有準則數(shù)與實際道路工況所有準則數(shù)的相關系數(shù)不小于0.95。

2、工況曲線的優(yōu)化

2.1優(yōu)化前的行駛工況曲線

在進行城市道路采集路線選取時，需考慮城市道路的等級，城市道路分為快速路、主干道、次干道和支路四種道路。四種道路各有特點，紅綠燈數(shù)量、車流量、道路寬度、行車道數(shù)量、平均行車速度等各不相同，只有選取路線的四種等級道路比例與城市整體情況相符，采集的典型行駛工況才能真實全面地反映城市道路的工況特點。

基于前期的數(shù)據(jù)采集、分析與處理，得到初步的工況曲線如下圖1所示。

2.2典型行駛工況曲線的優(yōu)化

從以下方面對編制完成的典型工況曲線進行分析和優(yōu)化。

2.2.1各級道路長度比例

根據(jù)合肥市道路交通規(guī)劃部門數(shù)據(jù)顯示，合肥市市區(qū)快速路、主干道、次干道、支路四種級道路的分布比例約為15%:21%:25%:39%。考慮到市民為方便出行而進行的主觀性路線選擇，快速路的比例應該增加，次干道和支路的比例應該減小，最終設定四種分級道路長度比例范圍設定為20%-30%:35%-45%:15%-25%:10%-20%[5]。在編制好典型工況曲線后，利用AVLCruise軟件進行仿真計算，得到該工況的時間——行駛距離曲線，如下圖2所示，并進行分析。

從分析結(jié)果來看，快速路、主干道、次干道、支路的行駛距離分別為8128m、5613.9m、3162.9m、1166.7m，，比例為30.9%:30.2%:24.6%:14.3%，與設定的比例范圍對比，快速路和主干道兩個等級道路的典型工況曲線需要進行調(diào)整。

2.2.2發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍

在城市工況下正常行駛時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速一般不會過高或過低，過高一方面發(fā)動機需要為高速旋轉(zhuǎn)消耗更多的燃油，不經(jīng)濟，另一方面也會產(chǎn)生噪聲大的后果。轉(zhuǎn)速過低則發(fā)動機為維持運轉(zhuǎn)而多噴油，同樣不經(jīng)濟，另外也會產(chǎn)生抖動的后果。

本文綜合考慮發(fā)動機最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速、合適的升擋轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)轂試驗時駕駛員操作的合理性等多方面因素，設定工況曲線中，轉(zhuǎn)速范圍為800rpm-2600rpm。

利用 AVLCruise軟件對某版數(shù)據(jù)的支路工況進行了分析，繪制了時間——轉(zhuǎn)速與時間——擋位曲線，如下圖 3，判斷轉(zhuǎn)速是否超出設定范圍。

從分析結(jié)果來看，支路工況曲線中，存在轉(zhuǎn)速達到2733rpm的過高點和轉(zhuǎn)速為663rpm的過低點，這些需要通過調(diào)整車速或擋位進行優(yōu)化。

2.2.3換擋頻繁性

在連續(xù)升擋和連續(xù)降擋過程中，相鄰擋位間的操作時間間隔不可太小，否則在轉(zhuǎn)轂試驗時，駕駛員無法按時完成。

參考NEDC工況中的擋位設定，其中最短的升擋間隔為5.5s。為此，設置本工況最小升擋間隔為5s，下圖4截取了一段工況曲線進行說明。

上圖中，存在一段升擋間隔僅2.5s的換擋曲線，依據(jù)設定的原則，需要進行優(yōu)化調(diào)整。

2.2.4發(fā)動機負荷

如果工況曲線中的加速過程曲線設置過陡，則需要較大的加速度才可通過，這時就需要較大的發(fā)動機負荷。本文以實際工況扭矩分布于發(fā)動機的外特性扭矩曲線對比來判斷發(fā)動機的負荷。

本文道路行駛工況采集使用車輛配置 2.0T渦輪增壓發(fā)動機，外特性扭矩最大可達240Nm，但在2000rpm之前，發(fā)動機扭矩相對較小。而城市工況下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速主要分布在2000rpm之前。下圖5為利用AVLCruise軟件計算得到的發(fā)動機外特性扭矩曲線與城市工況扭矩分布對比圖。

從圖中可以看出，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1042rpm-1344rpm的區(qū)間內(nèi)，出現(xiàn)了城市工況扭矩分布點超出發(fā)動機外特性扭矩曲線的現(xiàn)象，這一情況在實際轉(zhuǎn)轂試驗時，會導致駕駛員無論將油門踏板踩多深，都無法跟上車速曲線的情況，為此，需要對車速曲線或當前擋位進行調(diào)整，降低發(fā)動機負荷。

2.2.5車速波動頻繁性

車速波動反映了道路行車中車流量的多少，速度波動越頻繁，對應的加速、減速頻繁，油耗會升高，因此車速波動一方面影響了轉(zhuǎn)轂上試驗員的駕駛，另一方面對整體工況油耗也有影響。

為分析車速波動頻繁性是否合理，以北美工況Ftp75來進行對比參考。

通過設定目標波峰并統(tǒng)計目標波峰的次數(shù)來判斷車速波動的頻繁性，如下圖6所示，實心圓點為找到的車速波峰點，以波峰點作為對稱點向兩邊分別移動4s，如空心點所示。以實心點速度值與兩邊空心點的速度值分別作差并取絕對值，并稱此絕對值為高程差，判斷兩高程差中最大的差值是否大于1.5 km/h。如果大于1.5 km/h，則定義該點為目標速度波峰，作為統(tǒng)計對象。

統(tǒng)計波峰點個數(shù)與整個工況的時間長度，與Ftp75對比如下表1：

表1 5條路線的典型準則數(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比

從上表可以看出，合肥市區(qū)工況的單位目標波峰個數(shù)比Ftp75工況大很多，因此需要優(yōu)化調(diào)整。

2.3典型工況曲線優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過以上多輪優(yōu)化，最終得到典型工況曲線如下圖7所示：

以上優(yōu)化的結(jié)果見下表2，可見優(yōu)化的要求均已達成。

表2 工況優(yōu)化結(jié)果

3、典型行駛工況符合性判斷

3.1油耗符合性判斷

經(jīng)過三輪轉(zhuǎn)轂油耗與實際道路油耗的對比試驗，結(jié)果如下表3：

表3 轉(zhuǎn)轂試驗與道路試驗油耗數(shù)據(jù)對比

從上表看出，三輪試驗轉(zhuǎn)轂數(shù)據(jù)與道路實測數(shù)據(jù)均不超過3%，滿足設計目標要求。

3.2工況符合性判斷

統(tǒng)計道路實測工況與典型道路工況的準則數(shù)，并計算相關系數(shù)。經(jīng)計算，典型道路工況與實測道路工況的相關系數(shù)達到0.9941，超過0.95，滿足設計目標要求。

4、結(jié)論

編制城市道路典型行駛工況曲線，除了能夠讓我們了解實際行駛工況與NEDC工況的差別外，更重要的是使我們可以利用這個工況，在底盤測功機上完成對實際行駛工況的試驗模擬，以便在產(chǎn)品開發(fā)階段更好地指導動力性能匹配工作。

本文從典型行駛工況是否能真正反映實際行駛工況這方面出發(fā)，提出了工況優(yōu)化的方法以及工況符合性的判斷方法，在典型工況曲線制作這方面具有一定通用性和參考價值。同時，經(jīng)過多輪次的油耗對比驗證，證明文中所提方法也是有效的。

[1] 中華人民共和國國家標準 GB 18352.3-2013. 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅴ階段）[S]. 2013-10-10發(fā)布.

[2] 熊國平.在城市總體規(guī)劃中體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略——以張家港為例[J].城市規(guī)劃匯刊, 1996(04)：50-54.

[3] 李朝陽,謝慶輝.大城市道路設施供需模型及其應用研究[J].城市發(fā)展研究,1998(040:39-42.

[4] 周千崎.發(fā)展我國大城市交通的研究[M].北京:中國建筑工業(yè)出版杜,1997:3-10.

[5] 溫敏,任平,陳彬.城市道路行駛工況中典型路線選擇方法研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程.2014(09):1-4.

The optimization and the conformity judgment of the urban road typical driving cycle curves

Wen Min
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Vehicle fuel consumption is closely related to road traffic, to evaluate the actual fuel consumption of the vehicle, it is necessary to prepare the urban road typical driving cycle curves. However, how to make the establishment of a typical driving cycle curve in line with the actual road conditions, is a problem needed to be solved. The method of working condition conformity judgment is presented in this paper, and based on the relevant characteristic parameters of the working condition and the practical application of the driving cycle on the chassis dynamometer, the optimization method of cycle curve is determined. These methods have generality.

fuel consumption; urban road; driving cycle curves; conformity; optimization

U471.1

A

1671-7988（2015）09-112-04

溫敏，工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心乘用車研究院。