城市道路典型行驶工况曲线的优化与符合性判断

温 敏

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

城市道路典型行驶工况曲线的优化与符合性判断

温 敏

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

车辆实际燃油消耗量与道路的交通状况息息相关，为对车辆的实际油耗进行评价，有必要编制城市道路典型行驶工况曲线。然而，如何让编制的典型行驶工况曲线符合实际道路的状况，是需要解决的问题。文章建立了工况符合性判断的方法，并基于工况的相关特征参数以及行驶工况在底盘测功机上的实际运用情况，明确了工况曲线的优化方法，这些方法具有通用性。

燃油消耗量；城市道路；行驶工况曲线；符合性；优化

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

根据GB18352.5-2013[1]，我国现今用于评价车辆排放及燃油经济性的工况仍沿用欧洲标准，采用NEDC循环工况。采用此工况，可以让各厂家生产的车型站在同一个标准上进行比较与评价，具备一定的可比性，但另一方面，采用该标准评价出的车辆油耗，与用户真实的驾驶情况不相符合。

当前，我国城市道路发展迅速，高架路增多，路面增宽、交通管制加强，但因车辆保有量大和非职业化驾驶员比例增大，一些中大型城市交通拥堵现象非常严重。与此相比，NEDC循环工况制定于上世纪90年代，其中的城区工况加速平缓，怠速时间短，使用档位低，与实际城市道路行驶状况相差较远[2-4]。为此，需要建立反映实际道路结构和交通流特征的城市道路行驶工况。

在经历实际道路行驶工况数据的采集、处理、并初步建立起典型城市道路行驶工况曲线之后，如何对曲线进行优化以使其尽可能地符合实际道路行驶状况，就显得格外重要。

本文基于合肥市采集处理的典型行驶工况曲线，利用AVLCruise软件，从多个方面对工况曲线进行优化调整，以期获得与实际道路行驶工况尽可能高的符合性。

1、工况符合性的判断条件

编制城市典型行驶工况曲线的目的是为了运用这个工况曲线可以直接在转毂试验台架上模拟出实际道路上的油耗情况。因此，需要站在油耗符合性与工况符合性两方面设定判断条件。

1.1油耗符合性

循环工况油耗测试精度的影响因素，包括驾驶员驾驶习惯的一致性，转毂阻力加载的精度，油耗仪的测试精度，以及相关车辆状态及环境条件的一致性等，基于这些影响因素客观存在的事实，导致在转毂上对实际道路行驶工况进行油耗模拟时，不可能做到试验结果与实际油耗的绝对一致。

根据现有转毂试验的一般误差范围，驾驶员操作的差异等客观因素，设定油耗符合性判断条件如下：

同一台车，同样车辆状态，同样驾驶员，同样环境条件下，在转毂上利用典型工况曲线加载测试的油耗，与在选定的实际城市道路路线上测试的油耗，两者偏差不超过±3%。两类试验各开展三次，测试的油耗结果取平均值再进行偏差比较。

1.2工况符合性

每段道路的工况特性以准则数进行判断，准则数表达了车辆在道路上行驶的方方面面特性，可以用来判断所选取的工况曲线是否符合整体道路行驶情况[5]，选取的准则数越多，反映出实际道路的特性也就越全面。

在进行道路工况采集之前，需要先设定好准则数，本文设定了如下32个准则数，分类如下：

（1）各工况所占时间比例：包括加速工况、减速工况、匀速工况、怠速工况4个参数；

（2）各车速段所占时间比例：0-70km/h间隔10km/h取一个车速区间段，另外车速大于 70km/h的作为一个车速区间段，共计8个参数；

（3）各加速度端所占时间比例：0-1.6m/s2间隔0.2m/s2取一个加速度区间段，另外加速度大于1.6m/s2的作为一个车加速度速区间段，共计9个参数；

（4）各挡位使用所占时间比例：一至五挡，共计5个参数；

（5）平均车速：包含怠速工况在内的所有行驶工况状态下的车速平均值；

（6）平均行驶车速：不包含怠速工况在内的各行驶工况状态下的车速平均值；

（7）换挡车速：一至五挡，各相邻挡位升挡时的车速，共计4个参数。

理论上说，如果编制的典型工况曲线的每一条准则数与实际道路采集的均一致，那么典型工况曲线就能完全反映实际道路工况的的特征，但实际上是做不到的。为了判断是否绝大多数准则数与实际道路的准则数相近，引入相关系数进行分析判断。

相关系数公式如式（1）

式中，ρ(X,Y)为X，Y两组数的相关系数；

Cov(X ,Y)为X，Y两组数的协方差；

D(X)、D(Y)表示X，Y的方差。

该公式也可写成式(2)

式中，RXY同样表示X，Y两组数的相关系数。

本论文设定的判断条件是所编制出的典型工况曲线所有准则数与实际道路工况所有准则数的相关系数不小于0.95。

2、工况曲线的优化

2.1优化前的行驶工况曲线

在进行城市道路采集路线选取时，需考虑城市道路的等级，城市道路分为快速路、主干道、次干道和支路四种道路。四种道路各有特点，红绿灯数量、车流量、道路宽度、行车道数量、平均行车速度等各不相同，只有选取路线的四种等级道路比例与城市整体情况相符，采集的典型行驶工况才能真实全面地反映城市道路的工况特点。

基于前期的数据采集、分析与处理，得到初步的工况曲线如下图1所示。

2.2典型行驶工况曲线的优化

从以下方面对编制完成的典型工况曲线进行分析和优化。

2.2.1各级道路长度比例

根据合肥市道路交通规划部门数据显示，合肥市市区快速路、主干道、次干道、支路四种级道路的分布比例约为15%:21%:25%:39%。考虑到市民为方便出行而进行的主观性路线选择，快速路的比例应该增加，次干道和支路的比例应该减小，最终设定四种分级道路长度比例范围设定为20%-30%:35%-45%:15%-25%:10%-20%[5]。在编制好典型工况曲线后，利用AVLCruise软件进行仿真计算，得到该工况的时间——行驶距离曲线，如下图2所示，并进行分析。

从分析结果来看，快速路、主干道、次干道、支路的行驶距离分别为8128m、5613.9m、3162.9m、1166.7m，，比例为30.9%:30.2%:24.6%:14.3%，与设定的比例范围对比，快速路和主干道两个等级道路的典型工况曲线需要进行调整。

2.2.2发动机转速范围

在城市工况下正常行驶时，发动机转速一般不会过高或过低，过高一方面发动机需要为高速旋转消耗更多的燃油，不经济，另一方面也会产生噪声大的后果。转速过低则发动机为维持运转而多喷油，同样不经济，另外也会产生抖动的后果。

本文综合考虑发动机最低稳定转速、合适的升挡转速以及转毂试验时驾驶员操作的合理性等多方面因素，设定工况曲线中，转速范围为800rpm-2600rpm。

利用 AVLCruise软件对某版数据的支路工况进行了分析，绘制了时间——转速与时间——挡位曲线，如下图 3，判断转速是否超出设定范围。

从分析结果来看，支路工况曲线中，存在转速达到2733rpm的过高点和转速为663rpm的过低点，这些需要通过调整车速或挡位进行优化。

2.2.3换挡频繁性

在连续升挡和连续降挡过程中，相邻挡位间的操作时间间隔不可太小，否则在转毂试验时，驾驶员无法按时完成。

参考NEDC工况中的挡位设定，其中最短的升挡间隔为5.5s。为此，设置本工况最小升挡间隔为5s，下图4截取了一段工况曲线进行说明。

上图中，存在一段升挡间隔仅2.5s的换挡曲线，依据设定的原则，需要进行优化调整。

2.2.4发动机负荷

如果工况曲线中的加速过程曲线设置过陡，则需要较大的加速度才可通过，这时就需要较大的发动机负荷。本文以实际工况扭矩分布于发动机的外特性扭矩曲线对比来判断发动机的负荷。

本文道路行驶工况采集使用车辆配置 2.0T涡轮增压发动机，外特性扭矩最大可达240Nm，但在2000rpm之前，发动机扭矩相对较小。而城市工况下，发动机转速主要分布在2000rpm之前。下图5为利用AVLCruise软件计算得到的发动机外特性扭矩曲线与城市工况扭矩分布对比图。

从图中可以看出，在发动机转速为1042rpm-1344rpm的区间内，出现了城市工况扭矩分布点超出发动机外特性扭矩曲线的现象，这一情况在实际转毂试验时，会导致驾驶员无论将油门踏板踩多深，都无法跟上车速曲线的情况，为此，需要对车速曲线或当前挡位进行调整，降低发动机负荷。

2.2.5车速波动频繁性

车速波动反映了道路行车中车流量的多少，速度波动越频繁，对应的加速、减速频繁，油耗会升高，因此车速波动一方面影响了转毂上试验员的驾驶，另一方面对整体工况油耗也有影响。

为分析车速波动频繁性是否合理，以北美工况Ftp75来进行对比参考。

通过设定目标波峰并统计目标波峰的次数来判断车速波动的频繁性，如下图6所示，实心圆点为找到的车速波峰点，以波峰点作为对称点向两边分别移动4s，如空心点所示。以实心点速度值与两边空心点的速度值分别作差并取绝对值，并称此绝对值为高程差，判断两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，则定义该点为目标速度波峰，作为统计对象。

统计波峰点个数与整个工况的时间长度，与Ftp75对比如下表1：

表1 5条路线的典型准则数数据统计对比

从上表可以看出，合肥市区工况的单位目标波峰个数比Ftp75工况大很多，因此需要优化调整。

2.3典型工况曲线优化结果

经过以上多轮优化，最终得到典型工况曲线如下图7所示：

以上优化的结果见下表2，可见优化的要求均已达成。

表2 工况优化结果

3、典型行驶工况符合性判断

3.1油耗符合性判断

经过三轮转毂油耗与实际道路油耗的对比试验，结果如下表3：

表3 转毂试验与道路试验油耗数据对比

从上表看出，三轮试验转毂数据与道路实测数据均不超过3%，满足设计目标要求。

3.2工况符合性判断

统计道路实测工况与典型道路工况的准则数，并计算相关系数。经计算，典型道路工况与实测道路工况的相关系数达到0.9941，超过0.95，满足设计目标要求。

4、结论

编制城市道路典型行驶工况曲线，除了能够让我们了解实际行驶工况与NEDC工况的差别外，更重要的是使我们可以利用这个工况，在底盘测功机上完成对实际行驶工况的试验模拟，以便在产品开发阶段更好地指导动力性能匹配工作。

本文从典型行驶工况是否能真正反映实际行驶工况这方面出发，提出了工况优化的方法以及工况符合性的判断方法，在典型工况曲线制作这方面具有一定通用性和参考价值。同时，经过多轮次的油耗对比验证，证明文中所提方法也是有效的。

[1] 中华人民共和国国家标准 GB 18352.3-2013. 轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅴ阶段）[S]. 2013-10-10发布.

[2] 熊国平.在城市总体规划中体现可持续发展的战略——以张家港为例[J].城市规划汇刊, 1996(04)：50-54.

[3] 李朝阳,谢庆辉.大城市道路设施供需模型及其应用研究[J].城市发展研究,1998(040:39-42.

[4] 周千崎.发展我国大城市交通的研究[M].北京:中国建筑工业出版杜,1997:3-10.

[5] 温敏,任平,陈彬.城市道路行驶工况中典型路线选择方法研究[J].农业装备与车辆工程.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

温敏，工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心乘用车研究院。