國(guó)六柴油車遠(yuǎn)程排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)項(xiàng)間相關(guān)性特征研究*

劉寶利 鄭春芳 郭 勇 劉保獻(xiàn) 楊妍妍 甄 凱

（1-中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司 天津 300300 2-北京市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心 3-清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院 4-大氣顆粒物監(jiān)測(cè)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

引言

2019 年，柴油車的氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）排放量分別超過(guò)汽車排放總量的80%和90%，而柴油貨車的NOx和PM 排放量分別占汽車排放總量的78.0%和89.9%[1]，NOx和PM 是我國(guó)大中城市空氣污染的重要來(lái)源。由于柴油車存在排放超標(biāo)、不添加車用尿素等問(wèn)題[2-3]，污染防治面臨的形勢(shì)十分嚴(yán)峻。GB 17691-2018 《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》規(guī)定采用遠(yuǎn)程排放監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)柴油車車載終端所發(fā)送的遠(yuǎn)程排放數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理、展示和管理[4]，利用排放在線監(jiān)管技術(shù)，建立在用柴油車排放監(jiān)測(cè)—管控—溯源—評(píng)估全鏈條的技術(shù)防控體系，已成為科學(xué)、精準(zhǔn)治理柴油車污染的重要手段和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[5-7]。

然而，某些數(shù)據(jù)異常以及其他因素導(dǎo)致遠(yuǎn)程排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題，造成上傳遠(yuǎn)程排放監(jiān)測(cè)平臺(tái)的被監(jiān)測(cè)柴油車數(shù)據(jù)與實(shí)際物理值出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，影響遠(yuǎn)程排放監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，甚至導(dǎo)致遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)無(wú)法達(dá)到預(yù)期的監(jiān)管效果[8]。因此，對(duì)車輛異常數(shù)據(jù)做到有效甄別極其重要。本文基于某重型車排放遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)，以某一型號(hào)國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)的重型柴油車為研究對(duì)象，抽取100 臺(tái)聯(lián)網(wǎng)在用車，對(duì)其上傳的發(fā)動(dòng)機(jī)排放相關(guān)數(shù)據(jù)項(xiàng)間Pearson 相關(guān)系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探究上傳遠(yuǎn)程排放監(jiān)測(cè)平臺(tái)的柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)排放相關(guān)數(shù)據(jù)項(xiàng)間的相關(guān)性特征，為遠(yuǎn)程排放監(jiān)測(cè)平臺(tái)識(shí)別柴油車排放相關(guān)數(shù)據(jù)上傳質(zhì)量提供一種監(jiān)管算法和依據(jù)。

1 分析內(nèi)容與方法

1.1 樣車及終端信息

樣車為監(jiān)測(cè)平臺(tái)上選取的某N3 類國(guó)六柴油車，共100 臺(tái)，整車及發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)/特性見(jiàn)表1。

表1 整車及發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)/特性

樣車搭載中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司研制的遠(yuǎn)程排放管理車載終端，用于將整車排放控制信息體傳輸給遠(yuǎn)程排放管理平臺(tái)[4]，遠(yuǎn)程排放管理車載終端的技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 遠(yuǎn)程排放管理車載終端技術(shù)參數(shù)

1.2 本文研究的數(shù)據(jù)項(xiàng)內(nèi)容

GB7691-2018 附錄Q 的表Q1 規(guī)定了車載終端上傳的發(fā)動(dòng)機(jī)排放相關(guān)數(shù)據(jù)流及其采集頻率[4]，本文為簡(jiǎn)化研究對(duì)象，剔除了GB7691-2018 附錄Q 的表Q1 中變化率小以及與發(fā)動(dòng)機(jī)本身運(yùn)行相關(guān)極弱的數(shù)據(jù)項(xiàng)，最終確定本文研究的車載終端上傳的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)項(xiàng)見(jiàn)表3。

表3 本文研究的車載終端上傳的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)項(xiàng)

1.3 Pearson 相關(guān)系數(shù)

本文研究的數(shù)據(jù)項(xiàng)內(nèi)容是由車載終端發(fā)送到柴油車遠(yuǎn)程排放監(jiān)測(cè)平臺(tái)的與發(fā)動(dòng)機(jī)排放相關(guān)的秒級(jí)數(shù)據(jù)構(gòu)成的，相同時(shí)間內(nèi)，不同數(shù)據(jù)項(xiàng)采集的數(shù)據(jù)數(shù)量相同。為了描述數(shù)據(jù)項(xiàng)間的關(guān)系特征，本文采用Pearson 相關(guān)系數(shù)來(lái)描述不同數(shù)據(jù)項(xiàng)兩兩之間的相關(guān)性。

Pearson 相關(guān)系數(shù)用于研究變量之間的關(guān)系和關(guān)聯(lián)強(qiáng)度，可以定量地衡量不同量綱單位變量之間的線性相關(guān)關(guān)系[9-13]，其計(jì)算公式如下：

式中：N 代表被分析的數(shù)據(jù)相關(guān)時(shí)間共有N s（i，j=1，2，…，N）；xi、yi分別代表一組數(shù)據(jù)項(xiàng)；ρ 代表兩組數(shù)據(jù)項(xiàng)的相關(guān)方向以及兩組數(shù)據(jù)項(xiàng)間相互關(guān)系的緊密程度，ρ 的取值范圍為：-1≤ρ≤1。ρ 的正負(fù)代表兩組數(shù)據(jù)項(xiàng)的相關(guān)方向，當(dāng)ρ ＞0 時(shí)，兩組數(shù)據(jù)項(xiàng)正相關(guān)；ρ ＜0 時(shí)，兩組數(shù)據(jù)項(xiàng)負(fù)相關(guān)。兩組數(shù)據(jù)項(xiàng)間相互關(guān)系的緊密程度體現(xiàn)在ρ 的數(shù)值上，|ρ|值越大，相關(guān)性越強(qiáng)。當(dāng)0.8 ＜|ρ|＜1 時(shí)，兩組數(shù)據(jù)項(xiàng)強(qiáng)相關(guān)；當(dāng)0.3 ＜|ρ|＜0.8 時(shí)，兩組數(shù)據(jù)項(xiàng)中等相關(guān)；當(dāng)|ρ|＜0.3 時(shí)，兩組數(shù)據(jù)項(xiàng)弱相關(guān)或相互獨(dú)立。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)項(xiàng)間Pearson 相關(guān)系數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表4 為100 臺(tái)聯(lián)網(wǎng)在用車發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)項(xiàng)兩兩之間Pearson 相關(guān)系數(shù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和極差統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其中，平均值表征100 臺(tái)聯(lián)網(wǎng)在用車數(shù)據(jù)項(xiàng)兩兩之間Pearson 相關(guān)系數(shù)的集中趨勢(shì)，是被研究車型數(shù)據(jù)項(xiàng)之間相關(guān)系數(shù)的抽象；標(biāo)準(zhǔn)差和極差表征數(shù)據(jù)項(xiàng)兩兩之間Pearson 相關(guān)系數(shù)的離散程度，標(biāo)準(zhǔn)差和極差越大，代表數(shù)據(jù)項(xiàng)兩兩之間Pearson 相關(guān)系數(shù)的離散程度越高，相應(yīng)被對(duì)比的數(shù)據(jù)項(xiàng)之間Pearson 相關(guān)系數(shù)的平均值越不能表征被研究車型；標(biāo)準(zhǔn)差和極差越小，相應(yīng)被對(duì)比的數(shù)據(jù)項(xiàng)之間Pearson 相關(guān)系數(shù)的平均值越能表征被研究車型。

表4 100 臺(tái)聯(lián)網(wǎng)在用車發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)項(xiàng)兩兩之間Pearson 相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 數(shù)據(jù)項(xiàng)間Pearson 相關(guān)系數(shù)的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差、極差之間的關(guān)系

對(duì)表4 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)一步數(shù)據(jù)擬合，得出數(shù)據(jù)項(xiàng)間Pearson 相關(guān)系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之間的擬合公式為：

式中：y 為標(biāo)準(zhǔn)差；x 為平均值；R 為擬合度。

由此可得出數(shù)據(jù)項(xiàng)間Pearson 相關(guān)系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差與平均值之間的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)項(xiàng)間Pearson 相關(guān)系數(shù)的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差之間的關(guān)系

同時(shí)得出數(shù)據(jù)項(xiàng)間Pearson 相關(guān)系數(shù)的極差與平均值之間的擬合公式為：

式中：y 為極差；x 為平均值；R 為擬合度。

由此可得出數(shù)據(jù)項(xiàng)間Pearson 相關(guān)系數(shù)的極差與平均值之間的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)項(xiàng)間Pearson 相關(guān)系數(shù)的平均值與極差之間的關(guān)系

從圖1 和圖2 可以看出，隨著數(shù)據(jù)項(xiàng)間Pearson相關(guān)系數(shù)的平均值在[-1，1]區(qū)間變化，其對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差、極差均呈先升高后下降趨勢(shì)，而極差的變化趨勢(shì)更為明顯。該趨勢(shì)表明，數(shù)據(jù)項(xiàng)間Pearson 相關(guān)系數(shù)平均值的絕對(duì)值較大時(shí)，其集中趨勢(shì)較為顯著，即Pearson 相關(guān)系數(shù)的平均值達(dá)到了強(qiáng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，兩個(gè)Pearson 相關(guān)數(shù)據(jù)項(xiàng)具有強(qiáng)相關(guān)的特征。

2.3 強(qiáng)相關(guān)數(shù)據(jù)項(xiàng)Pearson 相關(guān)系數(shù)分布特征

從表4 可知，具有強(qiáng)相關(guān)的數(shù)據(jù)項(xiàng)主要有發(fā)動(dòng)機(jī)凈輸出轉(zhuǎn)矩分別與發(fā)動(dòng)機(jī)燃料流量、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量、DPF 壓差之間，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量、DPF 壓差之間，發(fā)動(dòng)機(jī)燃料流量分別與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量、DPF 壓差之間，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量與DPF 壓差之間，SCR 入口溫度與SCR 出口溫度之間。圖3～圖11 分別為100 臺(tái)聯(lián)網(wǎng)在用車各強(qiáng)相關(guān)數(shù)據(jù)項(xiàng)之間Pearson 相關(guān)系數(shù)的實(shí)際分布及正態(tài)擬合情況，其中，μ、σ、skew、kurtosis 分別代表數(shù)據(jù)分布的均值、方差、偏態(tài)系數(shù)以及峰度系數(shù)。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)凈輸出轉(zhuǎn)矩與發(fā)動(dòng)機(jī)燃料流量的Pearson相關(guān)系數(shù)分布

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)凈輸出轉(zhuǎn)矩與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量的Pearson相關(guān)系數(shù)分布

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)凈輸出轉(zhuǎn)矩與DPF 壓差的Pearson相關(guān)系數(shù)分布

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量的Pearson相關(guān)系數(shù)分布

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與DPF 壓差的Pearson相關(guān)系數(shù)分布

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)燃料流量與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量的Pearson相關(guān)系數(shù)分布

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)燃料流量與DPF 壓差的Pearson相關(guān)系數(shù)分布

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量與DPF 壓差的Pearson相關(guān)系數(shù)分布

從圖3～圖11 可以看出，各強(qiáng)相關(guān)數(shù)據(jù)項(xiàng)之間的Pearson 相關(guān)系數(shù)分布較為集中，且存在Pearson相關(guān)系數(shù)下邊界。

2.4 強(qiáng)相關(guān)數(shù)據(jù)項(xiàng)工程機(jī)理分析

Pearson 相關(guān)系數(shù)不能反映兩組數(shù)據(jù)之間的因果關(guān)系，但國(guó)六柴油車的強(qiáng)相關(guān)數(shù)據(jù)項(xiàng)之間有其工程機(jī)理（運(yùn)行機(jī)制及工程原理）。這是因?yàn)閲?guó)六柴油車的主要排放控制技術(shù)路線基本一致，主要以高低壓EGR、兩級(jí)增壓、高效油氣混合、新型燃燒模式等缸內(nèi)清潔燃燒技術(shù)控制原機(jī)排放，配合采用DOC+DPF+SCR+ASC 高效后處理組合技術(shù)降低原機(jī)排放中的PM（PN）、NOx等主要污染物[14-16]。

對(duì)強(qiáng)相關(guān)數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行梳理可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)凈輸出轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)燃料流量以及發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量均為柴油機(jī)本體數(shù)據(jù)，與燃燒與動(dòng)力輸出機(jī)理有關(guān)，燃料與進(jìn)氣的混合氣燃燒后輸出動(dòng)力（發(fā)動(dòng)機(jī)功率、轉(zhuǎn)矩）。DPF 壓差、SCR 入口溫度、SCR 出口溫度均為后處理參數(shù)，受柴油機(jī)本體影響。在DPF的物理結(jié)構(gòu)和內(nèi)部碳載量確定的情況下，DPF 壓差主要受排氣體積流量的影響[17-18]，而排氣流量的構(gòu)成主要為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量和排氣流量之和[19]；SCR 入口溫度和SCR 出口溫度協(xié)同監(jiān)測(cè)SCR 溫度，主要受來(lái)自于柴油機(jī)本體的排氣溫度影響，因而具有強(qiáng)相關(guān)特征。

3 結(jié)論

1）對(duì)上傳遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)的同一型號(hào)國(guó)六柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)排放相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析表明，數(shù)據(jù)項(xiàng)間的Pearson 相關(guān)系數(shù)平均值的絕對(duì)值越小，該數(shù)據(jù)項(xiàng)間的Pearson 相關(guān)系數(shù)的分布越離散；數(shù)據(jù)項(xiàng)間的Pearson 相關(guān)系數(shù)平均值的絕對(duì)值越大，該數(shù)據(jù)項(xiàng)間的Pearson 相關(guān)系數(shù)的分布越集中。

2）上傳遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)的同一型號(hào)國(guó)六柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)排放相關(guān)數(shù)據(jù)項(xiàng)中，強(qiáng)相關(guān)數(shù)據(jù)項(xiàng)之間的Pearson 相關(guān)系數(shù)分布較為集中，且存在Pearson 相關(guān)系數(shù)下邊界，該特征可用于開(kāi)發(fā)上傳遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)的國(guó)六柴油車數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)據(jù)合理性監(jiān)測(cè)算法。

3）上傳遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)的國(guó)六柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)排放相關(guān)數(shù)據(jù)中，具有強(qiáng)相關(guān)的數(shù)據(jù)項(xiàng)符合國(guó)六柴油車排放控制技術(shù)路線的工程機(jī)理。

要強(qiáng)化研究型大學(xué)建設(shè)同國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)、戰(zhàn)略任務(wù)的對(duì)接，加強(qiáng)基礎(chǔ)前沿探索和關(guān)鍵技術(shù)突破，努力構(gòu)建中國(guó)特色、中國(guó)風(fēng)格、中國(guó)氣派的學(xué)科體系、學(xué)術(shù)體系、話語(yǔ)體系，為培養(yǎng)更多杰出人才作出貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書(shū)記在中國(guó)科學(xué)院第二十次院士大會(huì)、中國(guó)工程院第十五次院士大會(huì)、中國(guó)科協(xié)第十次全國(guó)代表大會(huì)上的講話