基于確定樣本容量的汽車循環(huán)工況研究

丁 偉，張 艷

（商丘師范學(xué)院電子電氣工程學(xué)院，河南 商丘 476000）

引言

行駛工況用于確定車輛污染物排放量和燃油消耗量、新車型的技術(shù)開發(fā)和評(píng)估以及測(cè)定在交通控制方面的風(fēng)險(xiǎn)等，是汽車工業(yè)一項(xiàng)核心技術(shù)[1]。開發(fā)能夠反映車輛實(shí)際行駛特征的行駛工況的意義在于：為考察某類車輛在某一地區(qū)的排放或能量消耗量提供評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)依據(jù)；為車輛設(shè)計(jì)的動(dòng)力匹配、經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)化提供參考[2]。

由于不同國(guó)家、城市和地區(qū)的交通條件不同，造成不同地方的車輛實(shí)際運(yùn)行工況有很大的差異，這種差異使得同一汽車在不同地方的實(shí)際運(yùn)行過程表現(xiàn)出不同的性能，特別是汽車的經(jīng)濟(jì)性和排放性差別較大。

目前，歐洲、美國(guó)、日本等許多地區(qū)和國(guó)家都有自己的汽車行駛工況，以指導(dǎo)汽車的設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)等工作[3]。其中中國(guó)乘用車排放測(cè)試工況采用的是ECE15工況，該工況屬于新車型認(rèn)證和產(chǎn)品一致性檢查采用的測(cè)試循環(huán)工況。若采用該工況去測(cè)試在用車，由于各城市具有不同的道路特征、交通流量分布、地理特征等因素，ECE15工況難以真實(shí)地反映該地車輛的實(shí)際排放量和燃油消耗量。近年來我國(guó)也開始了一些相關(guān)工況研究，而且結(jié)果初步表明，我國(guó)交通狀況、道路條件、城市結(jié)構(gòu)以及交通規(guī)則等與歐洲國(guó)家均有很大差異，因此可以說歐洲ECE15工況并不能完全反映我國(guó)車輛的實(shí)際行駛狀況[4]。

基于上述情況，國(guó)內(nèi)在循環(huán)工況的開發(fā)上進(jìn)行了許多研究，很多城市都開發(fā)出了適合本地區(qū)的輕型車循環(huán)工況[5-7]。鄭州市城市道路建設(shè)、交通狀況等與歐洲及國(guó)內(nèi)其他城市存在差異。因此，建立符合鄭州市交通特征的行駛工況，可以為鄭州市乘用車污染物排放提供評(píng)價(jià)和檢測(cè)依據(jù)。

1 公交線路確定

對(duì)每個(gè)區(qū)域的公交線路進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)線路數(shù)量的基本原理是：公交線路經(jīng)過的區(qū)域都進(jìn)行公交數(shù)量統(tǒng)計(jì)，即如果一條線路同時(shí)過兩個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的線路數(shù)量都統(tǒng)計(jì)一次。例如303路，它同時(shí)經(jīng)過一區(qū)和二區(qū)，一區(qū)和二區(qū)的線路數(shù)量都統(tǒng)計(jì)一次。每個(gè)區(qū)線路所占的比例就是該區(qū)的線路頻數(shù)除以總的線路頻數(shù)，劃分區(qū)域如圖1所示：

圖1 區(qū)域劃分

根據(jù)選線原則各區(qū)域所確定的公交線路分別為：

1.1 一區(qū)選線

一區(qū)中要選取12條路線，除去B3、B3區(qū)間后，還剩下10條路線。在288條路線中，強(qiáng)度最高的108路、Y809路、101路，而Y809路與其他線路重復(fù)太多，去除Y809路，選擇強(qiáng)度第四高的Y866路，對(duì)于1路、32路、603路、81路、95路、62路、109路，這些線路覆蓋范圍廣，而且重復(fù)路線較少，強(qiáng)度也高，所以選擇這些路線作為一區(qū)的代表。

1.2 二區(qū)選線

二區(qū)中要選取2條路線，選取303路、B12路，這兩條線路大部分在二區(qū)中，且重復(fù)線路少，強(qiáng)度高，覆蓋范圍廣，更具有二區(qū)的代表性，所以選擇這兩條路線作為二區(qū)的代表。

1.3 三區(qū)選線

三區(qū)中要選取1條線路，302路和60路這兩條線路最長(zhǎng)，覆蓋范圍最廣，但由于60路中只有少部分在三區(qū)，而302路大部分在三區(qū)，所以302路是三區(qū)中最具有代表的線路。

1.4 四區(qū)選線

四區(qū)中要選取2條路線，選取129路、86路，和B17路，由于B17路的強(qiáng)度低于86路，所以選擇86路。129路、86路兩條線路在四區(qū)重復(fù)線路少，強(qiáng)度高，它們范圍廣，更具有四區(qū)的代表性，所以選擇這兩條路線作為四區(qū)的代表。

1.5 五區(qū)選線

五區(qū)中要選取3條線路， 985路和160路以及26路這三條線路較長(zhǎng)，穿過的范圍最廣且重復(fù)較少，其他線路重復(fù)較多，線路短。這三條路線大部分在五區(qū)中，所以這三條更具代表性。

上述五個(gè)區(qū)選定的路線詳細(xì)信息如表1所示：

表1 工況試驗(yàn)線路選定表

2 實(shí)際行駛工況的采集

采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用自主行駛法，自主行駛法不需要對(duì)試驗(yàn)線路進(jìn)行規(guī)劃，由駕駛員按正常駕駛試驗(yàn)車輛，可獲取大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)用車搭載為北京博洋公司開發(fā)的數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備，如圖2所示，采樣頻率為1 Hz，數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將采集得到的公交車實(shí)際行駛工況發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)平臺(tái)，可通過該平臺(tái)下載工況數(shù)據(jù)，獲得1 137 017條有效行駛數(shù)據(jù)。

圖2 數(shù)據(jù)采集終端

構(gòu)建的工況的準(zhǔn)確性與數(shù)據(jù)量之間關(guān)系如圖3所示，從圖3可以看出：采集的數(shù)據(jù)越多，結(jié)果會(huì)越準(zhǔn)確。但是當(dāng)采集的數(shù)據(jù)量達(dá)到一定值n后，即使增加數(shù)據(jù)量，準(zhǔn)確性也不會(huì)隨之顯著提高。并且，如果采集得到的樣本空間過大，勢(shì)必造成數(shù)據(jù)處理上的復(fù)雜性并為存儲(chǔ)設(shè)備帶來負(fù)擔(dān)，為此必須確定一個(gè)合適的樣本空間。

圖3 數(shù)據(jù)量與結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)系

為了判定樣本數(shù)量是否滿足工況構(gòu)建的要求，通過在MATLAB中編寫m文件，如圖4所示。計(jì)算采集數(shù)據(jù)中的特征參數(shù)的穩(wěn)定性，通過不斷增加數(shù)據(jù)量，查看特征參數(shù)的變化情況，當(dāng)數(shù)據(jù)量增加到一定程度時(shí)，特征參數(shù)的變化量很小，趨于穩(wěn)定，說明所選取的數(shù)據(jù)量已經(jīng)足夠，可以基本確定構(gòu)建汽車行駛工況所需的數(shù)據(jù)量[8]。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的，離散系數(shù)也稱變異系數(shù)，來判定特征參數(shù)的變異程度，其計(jì)算公式為：

圖4 樣本數(shù)量確定程序

式中，CV為離散系數(shù)；σ為樣本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差；μ為樣本數(shù)據(jù)的平均值。

根據(jù)離散系數(shù)計(jì)算公式，可得平均速度的離散系數(shù)為0.02,平均運(yùn)行速度的離散系數(shù)為0.013，怠速時(shí)間比例、加速時(shí)間比例、減速時(shí)間比例、勻速時(shí)間比例的離散系數(shù)分別為0.004、0.007、0.01、0.04。因?yàn)樘卣鲄?shù)的離散系數(shù)均小于0.1，可以說明獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量趨于穩(wěn)定，可以用來構(gòu)建工況。平均速度、平均運(yùn)行速度隨數(shù)據(jù)量增加的變化情況如圖5、圖6所示。

圖5 平均速度變化趨勢(shì)

圖6 平均運(yùn)速度變化趨勢(shì)

從圖5、圖6可以看出，工況數(shù)據(jù)量比較小的時(shí)候，平均速度和平均運(yùn)行速度波動(dòng)較大，隨著工況數(shù)據(jù)量的不斷增加，平均速度和平均運(yùn)行速度的波動(dòng)降低，最后基本趨于穩(wěn)定特征值出現(xiàn)明顯的起伏波動(dòng)，隨著樣本數(shù)量的增加，特征值的波動(dòng)減小，最終趨于一個(gè)比較穩(wěn)定的范圍。當(dāng)工況數(shù)據(jù)量超過10 000 000個(gè)，主要特征參數(shù)的波動(dòng)很小，說明工況特征參數(shù)基本穩(wěn)定，可以進(jìn)行車輛行駛工況的構(gòu)建。

對(duì)采集的得到的11 370 170條工況數(shù)據(jù)，在MATLAB編程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)片段劃分，利用主成分分析（PCA）和K- means聚類分析，得到基于確定樣本容量的公交循環(huán)工況，不同行駛工況的時(shí)間比例和時(shí)間長(zhǎng)度如表2所示，構(gòu)建的循環(huán)工況如圖7所示。

表2 不同行駛工況的時(shí)間比例和時(shí)間長(zhǎng)度

圖7 構(gòu)建的循環(huán)工況

工況總運(yùn)行時(shí)間為1 250 s，行駛距離為13.49 km，平均速度為13.9 km/h，最大加速度為1.45 m/s2，最大減速度為－1.5 m/s2，怠速時(shí)間比為25.2%。

3 結(jié)論

（1）綜合公交線路強(qiáng)度兼顧公交車運(yùn)行區(qū)域和運(yùn)行類型及各區(qū)域公交車數(shù)量所占比例，確定選取公交線路兼顧了公交線路強(qiáng)度、所選線路覆蓋鄭州市主干道、次干道、支路、環(huán)線及其外部區(qū)域，覆蓋率高，線路重復(fù)率低，能比較合理 代表鄭州地區(qū)的試驗(yàn)線路。

（2）運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的離散系數(shù)確定構(gòu)建工況所需的數(shù)據(jù)量，可以有效減少數(shù)據(jù)處理上的工作量，也可以減輕設(shè)備儲(chǔ)存的負(fù)擔(dān)。

（3）通過構(gòu)建的工況結(jié)果表明：鄭州市行駛工況具有平均速度低、怠速比例高、勻速比例低等特點(diǎn)。