车辆道路行驶工况构建典型方法研究
2016-11-19王川
王川
（安徽农业大学 工学院，安徽 合肥 230036）
车辆道路行驶工况构建典型方法研究
王川
（安徽农业大学工学院，安徽合肥230036）
行驶工况的研究对于车辆动力匹配和节能减排有着重要意义，本文在前人研究的基础上，总结出汽车道路行驶工况构建的典型方法，包含了工况构建的各个方面，该工况构建方法体系完善，操作性强，具有一定的通用性.
车辆；道路试验；行驶工况
1 引言
国外工况体系相对而言比较成熟，以美国瞬态工况FTP系和欧洲模态工况NEDC系为代表，中国目前还没有属于自己的工况体系.但一些院所和学者对我国行驶工况构建做了大量的研究，形成了一些具有代表性的构建工况的方法，如石琴等人提出的基于粒子群优化的模糊聚类方法，杨延相等人对天津市道路汽车行驶工况研究形成的构建工况的一般方法等.本文通过分析研究国内外行驶工况构建方法和特点，总结出了现阶段汽车道路行驶工况构建的典型方法，该方法对于车辆行驶工况的构建具有一定的通用性.
2 道路工况构建规划
道路工况构建的典型方法流程图如图1所示，试验规划环节对工况构建有着指导作用，包括数据采集方法、数据采集路线及时间、数据采样频率、数据量等信息.
图1 工况构建流程图
2.1数据采集方法
目前有三种常用的道路数据采集方法.
（1）平均车流统计法，又被称为代表性工况法，指的是驾驶员在规定的时间和道路上没有刻意加速或减速地跟随平均车流行驶的方法.该方法需要提前规划好试验时间和路线，驾驶过程中操作简单，主要受到驾驶员主观判断的影响.
（2）车辆追踪法，即测量被追踪目标车辆的方法.当车辆在道路上正常行驶时，要求驾驶员跟踪视野内的某一目标车辆，当此目标车辆离开视野范围时，立即锁定下一目标车辆进行跟踪.该方法不需要对行驶时间和路线进行提前规划，缺点是具有一定的随机性，不一定能得到不同道路类型的数据.
（3）自主行驶法，即驾驶员按照自身去往的目的地自主行驶的方法.这种方法对试验的时间和路线没有具体要求.缺点是随意性比较大，不能获得特定道路的数据.
2.2数据采集路线及时间
我国幅员辽阔，不同地区道路特点差别很大，即使是同一地区的山路、高速、城区和郊区，其道路特点也不尽相同，路线规划的合理性决定所构建工况的准确性，所遵循的原则如下：
（1）对道路进行合理的划分，每次试验所选取的路线只包含一种路况信息，避免多路况同时采集，造成的数据混乱.
（2）明确不同道路所占比例和路况复杂度，把试验重点放在复杂道路工况构建中.
（3）根据具体工况构建的不同，路线经过的区域也要有所考虑，如市区工况构建中，车辆应该经过典型商业街和居民住宅区.
（4）为了提高试验效率，试验路线应尽可能首尾相连.
不同数据采集时间对工况也有一定影响，如上班高峰期和天气恶劣时间段（暴雨、冰雹等），车辆行驶缓慢、怠速比例加大；白天和夜晚汽车行驶策略也有所区别，因此规划数据采集试验时，采集时间考虑是否全面直接影响工况构建可靠性.
2.3数据采样
数据采样包括三个方面内容，采样参数、采样频率、采样量.
2.3.1采样参数及频率
采样参数的选择要能反应出汽车速度和油耗信息，具体参数可以根据数据采集系统硬件设备及项目需求确定.
采样频率越低，数据波动越小，数据采集量越少，进行数据处理时难度会降低，但准确性也会下降；采样频率越高，采集到的数据波动大，数据采集量多，处理起来也就越麻烦.试验过程一般会根据采样硬件性能和所需数据量决定采样频率大小.
2.3.2数据量确定
一个具体的行驶工况构建是有周期性限制的，数据量反映在工况构建周期中就是实验次数的多少.一般情况下试验规划越合理、采集的数据越准确、计算方法越合理，那么随着试验次数的增加，会减少试验过程中突发事件造成的数据采集不准确，如严重堵车、车祸等因素，因此得到的结果也越准确，但是随着数据量的增加，准确性的增长则变得异常缓慢.因此试验过程中，应该在工况构建周期内尽可能多的采集数据.
3 工况构建方法
首先明确工况构建中的准则数，再根据确定出的准则数选取能够代表实际道路的样本工况作为工况构建的依据.
3.1准则数定义
一个运动学片段主要可以分为怠速、加速、减速、匀速四个阶段.如果只用这四个参数去描述车辆行驶过程中运动学片段的话，很可能在不同道路和不同交通状况出现相同的运动学片段.为了更加精确地描述一个运动学片段，就需要重新定义一些参数作为评价准则，这样的参数叫做准则数.
准则数的定义要能反应运动学片段的特点，主要从以下几个方面去定义.
（1）速度相关准则数，把速度按区间进行划分，计算每段区间所占比例.
（2）加速度相关准则数，对车辆行驶过程中加速度和减速度按区间进行划分，计算每段区间所占比例.
（3）档位准则数，道路试验中各档位使用比例以及换挡比例.
此外像转矩、转速等都可以作为评价运动学片段的准则数，准则数的划分没有统一的标准.
3.2构建方法
行驶工况构建常用方法有短行程法和定步长截取法.
（1）短行程法，短行程是车辆道路行驶过程中一个怠速开始到下一个怠速开始的运动学片段.一般情况下，一次道路试验可以得到几个到几十个不等的短行程，然后将这些短行程随机进行组合，在比较组合后的短行程准则数与道路试验准则数相关系数，选取相关系数最大的短行程组合作为典型工况.
（2）定步长截取法，从采集到的道路数据中截取特定采集点数的数据作为样本工况，然后再与道路数据准则数进行比较，选取相关系数最大的样本工况作为构建的工况.
此外Lin等人把车辆行驶过程看成是一系列马尔科夫过程，运用马尔科夫法构建了行驶工况，马志雄等人在工况构建中采用了动态聚类法对样本工况进行了重新组合等.这些方法的研究和应用使工况构建体系更加完善.
4 工况调整验证
在对国内外工况构建方法研究中发现，工况构建中调整验证环节不够，限制了所构建工况的有效性.
4.1调整方法
目前我国对工况调整验证方面大多采用转鼓台架试验和仿真软件相结合的方法进行研究.温敏通过对各级道路长度比例、发动机转速范围分布、换挡频繁性、发动机负荷、车速波动频繁性几个方面对构建出的工况进行了调整；张小龙等人则通过转鼓台架油耗试验对曲线中加速度较大的位置进行调整来保证发动机工作在外特性曲线以内.
4.2验证方法
调整后的工况需要进行试验验证以确保能更加真实反应实际道路信息.工况的制定是为了限制燃油消耗量，因此构建的工况要能满足燃油消耗量的要求.验证的方法主要有以下两点：
（1）调整后行驶工况的准则数与实际道路准则数的相关系数是否满足要求.
（2）调整后行驶工况的燃油消耗量（以百公里燃油消耗量作为判断依据）与实际道路百公里燃油消耗量误差是否满足要求.
工况调整和验证环节是工况制定过程中必不可少的一个环节，只有对调整后的工况合理的调整并通过转鼓油耗试验进行充分的验证后，制定的工况才具有一定的合理性.
5 总结
本文通过分析研究国内外行驶工况构建方法和特点，总结出了汽车行驶工况构建的典型方法，这些方法包含了工况构建的各个环节，从前期试验规划到后期工况调整验证，所提出的典型方法体系完善，方法具有一定的通用性，未来可以在以下几个方面继续研究：
（1）工况调整验证环节目前还没有一定的理论支撑，未来可针对这一环节建立一整套完善的理论体系.
（2）本方法是根据国内外行驶工况构建方法总结出来的理论方法，未来可把此方法用于实车试验中.
〔1〕朱西产,李孟良,马志雄,等.车辆行驶工况开发方法[J].江苏大学学报(自然科学版),2005（02）:110-113.
〔2〕欧盟理事会汽车排放控制指令[M].大众汽车（中国）投资有限公司与中国汽车技术研究中心联合出版,2001.
〔3〕袁素粉.城市车辆行驶工况的研究及传动系统的优化匹配[D].武汉:武汉理工大学,2013.
〔4〕石琴,王楠楠,仇多洋.粒子群优化的模糊聚类方法在车辆行驶工况中的应用[J].中国管理科学,2011,19(2):110-115.
〔5〕杨延相,蔡晓林,杜青,等.天津市道路汽车行驶工况的研究[J].汽车工程,2002,24(3):200-204.
U461.2
A
1673-260X（2016）09-0035-02
2016-05-11
运输车辆运行安全技术交通行业重点实验室开放课题项目(KFKT2012-01)
