基于驾驶需求的换挡评价方法

陈 桥，姚广涛，张英锋，王继佳

(1．陆军军事交通学院 研究生管理大队，天津300161； 2．陆军军事交通学院 军用车辆系，天津300161)

基于驾驶需求的换挡评价方法

陈 桥1，姚广涛2，张英锋2，王继佳1

(1．陆军军事交通学院 研究生管理大队，天津300161； 2．陆军军事交通学院 军用车辆系，天津300161)

针对传统换挡评价局限于只考察换挡平顺性的问题，从驾驶需求角度出发，提出一种基于驾驶需求的换挡评价方法。在分析驾驶员需求和车辆运动状态指标的基础上，建立换挡评价模型，并对评价过程进行研究。通过车辆试验分析，验证了该评价方法与主观评价方法的一致性，说明该方法可以较好地对自动变速器换挡品质进行评价，为研究复杂道路条件下的换挡控制策略提供支持。

自动变速器；换挡评价；评价系统；驾驶需求

Abstract: Since traditional shifting evaluation only considers shifting smoothness, the paper proposes a shifting evaluation method based on driving demand. After analyzing driver’s demand and vehicle state indicator, it establishes shifting evaluation model and studies the evaluation process. The vehicle test verifies the coherence of evaluation method and subjective evaluation method, and it proves that this method can evaluate the shifting quality of automatic transmission, which can provide powerful support for studying shifting control strategy under the condition of complex road.

Keywords: automatic transmission; shifting evaluation; evaluation system； driving demand

换挡评价，是指换挡动作对车辆性能和驾驶员健康的影响程度进行等级划分的过程[1]。建立一个综合、动态、准确的自动变速器换挡品质评价系统，对缩短研发周期、降低生产成本和优化结构设计，具有非常重要的现实意义。

对于换挡评价指标体系，目前尚未形成通用规范的定义和评价标准。Helmut提出了一种基于AVL-DRIVETM平台的客观评价方法[2]。陈国栋等[3]基于驾驶需求对换挡图谱进行了分区标定和规律控制。文献[4—5]利用不同方法和手段构建了客观的换挡品质评价模型，经对比试验，证明了该评价模型的有效性。

当前的换挡评价一般是基于一定的测试环境，重点考察以冲击度和滑磨功为主的车辆平顺性，根据专家给定的权值离线实施品质评价。但是，在实际道路驾驶过程中，尤其对于特种军用车辆而言，驾驶员会根据不同的道路状况和车辆行驶工况产生不同的驾驶需求，需求变化往往会导致驾驶评价导向的变化。例如，在车辆低速行驶时，驾驶员追求的是较好的平顺性，驾驶员对小的冲击都很敏感，较小的冲击都会导致评价得分较低；但在逃离紧急地域时，驾驶员追求的是动力性和通过性，只要能快速逃离紧急地域，尽管换挡冲击较大，换挡评分仍可以较高。传统的评价方法已不能适用于快速发展的自动变速器技术评价要求，新的评价系统应在满足能表征整车换挡过程特性的前提下朝基于驾驶需求的方向发展。

本文以装配了某大功率液力机械式自动变速器(简称大功率AT)的重型试验车辆为平台，构建基于驾驶需求的换挡评价模型，对车辆换挡过程进行综合的品质评价，并与主观评价方法进行对比试验。

1 换挡评价过程分析

整个换挡评价过程包括试验车自检、驾驶需求识别、驾驶评价计算、系统后评价4个部分。整个评价过程突出“人—车—环境”系统融合的评价理念，将人的需求与车辆的状况以及环境条件有机地结合到一起。具体的评价过程如图1所示。

图1 评价过程流程

1.1驾驶需求识别

基于驾驶需求的换挡评价过程分析的核心问题是驾驶需求识别。将车辆驾驶过程中的所有换挡行为进行归类，总结出以下7种换挡模式：部分油门过程中升挡、全油门过程中升挡、部分油门后升挡、全油门后升挡、全油门后降挡、缓慢加油降挡、巡航中降挡。

全油门区域开度为95%～100%，主要用于紧急加速、临时超车、躲避攻击和逃离危险地域等情况的驾驶需求。部分油门区域包括中大油门区域和小油门区域：中大油门区域开度为30%～95%，用于车队高速行驶、驻车起步、爬坡涉滩等情况的驾驶需求；小油门区域开度为0～30%，用于车队低速行驶、稳速控制、通过集市等情况的驾驶需求。具体区域划分与驾驶需求情况如图2所示。

1.2驾驶评价计算

评价本质上是对所考察的属性进行加权求值的过程[6]。驾驶评价计算指的是将评价系统的各个传感器所采集的数据进行整合运算，进而通过所构建的评价模型求出评价结果的过程。然而，原始指标数据经过初步滤波处理后，还不能直接用于计算。因为不同的指标其趋向测度不一致：有的是成本型指标，如冲击度、滑磨功；有的是效益型指标，如换挡操控感、急加速性能；有的是区间型指标，如振动敏感频率等。需要将其进行无量纲化和测度一致化处理来消除原始量纲的影响，通常的做法是将感兴趣的指标矩阵进行多次初等数学变化。此外，还需根据指标的类型，选取适合的逼近算法。滑磨功、换挡时间等指标计算通常使用线性加权算法；冲击度、急加速性能等指标计算通常使用非线性加权算法；振动敏感频率等指标计算通常使用理想点加权算法。

图2 基于油门和转速的驾驶需求识别

1.3系统后评价

换挡评价系统是一个多指标的综合评价系统，具有兼容性和开放性。故在评价结果输出终端设置有一个双输入液晶显示设备，一路输入本次换挡测试评价结果，另一路输入驾评人员对测试过程和评价结果的反馈，并以此来修正所存储的权值库数据，使评价系统的评价方向与驾驶员的主观需求变化保持一致。

2 评价模型

2.1模型基本结构

整个换挡评价模型分为3个部分。第1部分是模型的输入，主要功能是确认评价目标，根据工程需求选择需要考察的评价项目构建合适的评价体系，并接收试验所采集的原始数据组成初始的指标数据评价矩阵；第2部分是评价运算，主要功能是将指标数据评价矩阵进行加工处理，并根据驾驶需求匹配合适的评价权重，通过评价加权函数计算出评价结果；第3部分是模型的输出，主要功能是对系统评价结果和驾评人员的主观评价进行对比与反馈修正。

2.2建模过程分析

(1)依据试验方案设计目标，从指标库中选取适当的评价指标，建立换挡评价特征矩阵。例如，在试验过程中，若重点考察冲击度、换挡噪声、换挡时间、急加速性能等4个指标的影响，而且采集了50组数据，经初步滤波处理，构成的特征矩阵为

(2)对特征矩阵A无量纲化和测度一致化处理。无量纲化的目的是将所得的指标数据回归到0～1的范围内，同时按照指标本身类型的测度趋向性进行转化，统一单调性。无量纲过程为

i=1，2，…，50；k=1，2，3，4

测度一致化处理有3种基本方法[7]，分别为

①线性法。

yi=(α,β，γ)T

②非线性法。

③理想点法。

经过这两步变换，得到新的换挡特征矩阵C：

(3)根据油门开度和车速等相关状态，分析出当前驾驶员的驾驶需求，并利用支持向量机工具(SVM)，从根据经验值所形成的专家权重库中提取与当前驾驶需求最匹配的判断矩阵，过滤掉不感兴趣的指标量，检验一致性，生成权重分配表，形成考察权重矩阵。

经分析和读库提取的判断矩阵D为

选择调整算法和残缺矩阵补全，进行一致性分析：

对其进行一维线性处理：

最终得到权重矩阵W：

W=(w1w2w3w4)T

(4)通过换挡特征矩阵C与考察权重矩阵W做点乘，即可得到所需要的每次换挡行为的评价结果E：

E=(e1e2e3e4)T

(5)将所求得的评价结果与驾评人员的主观评价结果进行比较。若误差比较大，则需修改专家权重库中相应的权重值；若误差在可接受的范围内，则根据所得的结果，查找影响换挡品质的相关因素，修改换挡规律或控制油压，以提升变速器的换挡性能。

3 评价对比试验

3.1试验方案设计

本文采用SVM优化统计方法设计基于驾驶需求的换挡评价系统，经过前期的训练，具有较好的泛化能力。为验证评价模型和所设计的评价系统的有效性，以装配了某大功率AT的重型车辆为试验对象，同时以装配了手动变速器的同类型车辆作为对比组进行场地试验。本试验所用的大功率AT挡位设置和传动比参数见表1。

表1 挡位设置和传动比参数

试验目的主要是评价该变速器的性能，试验方案包括3个部分：一是连续升挡试验，即在平直公路上从驻车起步，全油门加到最高挡位，考察每个挡位升挡的连贯性；二是弯道高速降挡试验，即在最高挡位6挡的情况下，迅速降至3挡通过直角弯道，考察紧急降挡，应对外界突发事件的能力；三是模拟车队行驶试验，即在高速路上模拟车队行驶，考察稳挡控速、保持车队稳定性的能力。为简化试验过程，方便与对照试验进行主观对比，重点考察换挡过程中的冲击度、换挡噪声、换挡时间、急加速性能等4个指标。

3.2对比试验评价方法与标准

试验包括一个试验组和两个对照组。第1组为试验组，其评价方法为客观评价，利用所设计的基于驾驶需求的换挡评价系统，对测试车上安装的传感器所采集的数据进行处理和分析，求出每一次换挡的评价结果，然后再求平均；第2组为传统评价组，所用数据与第1组一致，但在处理试验数据时处理方式方法有所不同，采用的是只考虑冲击度、滑磨功以及换挡时间3个指标的传统评价方法，而且3个指标的权重分配均相等；第3组为装配了手动挡的同类车型的对比试验组，其评价方法为主观评价法，即以专业的驾评人员生理感受为评价手段，针对每次换挡时人体的生理反应给出相应的评价结果，最后求平均。主观评价评分标准见表2。在试验中客观评价方法中的冲击度计算采用的是允许冲击值法[7]。

3.3试验结果对比分析

将试验组和对比组的评价结果整理后，具体结果见表3—5。

在连续升挡试验、弯道高速降挡试验和模拟车队行驶试验中，基于驾驶需求的换挡评价模型的评价结果与主观评价之间的一致性，整体上要好于传统评价方法，其相对误差在9%以内，体现了其较为理想的评价能力。

表2 主观评价评分标准

表3 连续升挡试验评价结果

表4 弯道高速降挡试验评价结果

表5 模拟车队行驶试验评价结果

在连续升挡试验的低挡换挡(1—2，2—3)过程和弯道高速降挡试验中，基于驾驶需求的评价分值较传统评价高。这是由于在全油门加速的低挡换挡和高速通过弯道时，驾驶员的动力性需求比较明显，其分配到加速能力的权重比较大，本评价系统的评分取向倾向于优先关注驾驶员的驾驶需求，其评分会相对较高。

同时，基于驾驶需求的评价分值与主观评价相比，在以较大加速度连续换挡和高速通过弯道过程中，虽然加速性能得到满足，但通过弯道时车辆的加速度和行驶方向均在发生较大的变化，再加上转弯道路的路况存在安全行车不确定性，均会给驾驶员心理产生一定的负面影响，因此导致其评分结果相对于基于驾驶需求的评价系统的评分低。

此外，在连续升挡试验中、高挡换挡过程和模拟车队行驶试验中，驾驶需求体现为需求动力性和经济性的平衡，系统评价和传统评价的依据均一致，所以这两种情况下的评价结果相近。

4 结 语

从驾驶需求角度出发，提出了基于驾驶需求的换挡评价方法，利用SVM方法建立了评价模型，设计了相应的评价系统，并对评价过程进行了分析。经过对比试验验证，该评价方法与主观评价方法具有良好的一致性，可为评述变速器性能、优化自动控制策略、提升换挡品质提供保证。

[1] 王健.换挡质量综合评价系统的研究[D].长春:吉林大学, 2007.

[2] LIST H O, SCHOEGGL P. Objective evaluation of vehicle drive ability[C]// International Congress & Exposition, 1998.

[3] 陈国栋.基于驾驶需求的自动变速器换挡规律标定方法研究[C]//中国汽车工程学会.2016中国汽车工程学会年会论文集.北京：中国汽车工程学会,2016:3.

[4] 雷雨龙,刘科,付尧,等.基于理想换挡过程的换挡品质评价模型[J].吉林大学学报(工学版),2015,45(2):358-363.

[5] 王叶,陶刚,李德晴,等.综合传动换挡品质的误差逆传播神经网络评价方法[J].兵工学报,2014,(4):495-500.

[6] 王雪铭.评价方法的演变与分类研究[D].上海:上海交通大学, 2009.

[7] HUANG Q, WANG H. Fundamental study of jerk: evaluation of shift quality and ride comfort[C].SAE Paper 2004-01-2065.

(编辑：张峰)

ShiftingEvaluationMethodBasedonDrivingDemand

CHEN Qiao1, YAO Guangtao2, ZHANG Yingfeng2, WANG Jijia1
(1.Postgraduate Training Brigade, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.Military Vehicle Department, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

● 车辆工程VehicleEngineering

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.09.010

U463.2

A

1674-2192(2017)09- 0040- 05

2017-05-02；

2017-06-08．

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2012AA1112101).

陈 桥(1989—)，男，硕士研究生；姚广涛(1962—)，男，博士，教授，硕士研究生导师.