基于确定样本容量的汽车循环工况研究

2021-09-09丁伟，张艳

汽车实用技术 2021年16期

丁伟，张艳

（商丘师范学院电子电气工程学院，河南商丘 476000）

引言

行驶工况用于确定车辆污染物排放量和燃油消耗量、新车型的技术开发和评估以及测定在交通控制方面的风险等，是汽车工业一项核心技术[1]。开发能够反映车辆实际行驶特征的行驶工况的意义在于：为考察某类车辆在某一地区的排放或能量消耗量提供评价标准和检测依据；为车辆设计的动力匹配、经济性能优化提供参考[2]。

由于不同国家、城市和地区的交通条件不同，造成不同地方的车辆实际运行工况有很大的差异，这种差异使得同一汽车在不同地方的实际运行过程表现出不同的性能，特别是汽车的经济性和排放性差别较大。

目前，欧洲、美国、日本等许多地区和国家都有自己的汽车行驶工况，以指导汽车的设计和检验等工作[3]。其中中国乘用车排放测试工况采用的是ECE15工况，该工况属于新车型认证和产品一致性检查采用的测试循环工况。若采用该工况去测试在用车，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工况难以真实地反映该地车辆的实际排放量和燃油消耗量。近年来我国也开始了一些相关工况研究，而且结果初步表明，我国交通状况、道路条件、城市结构以及交通规则等与欧洲国家均有很大差异，因此可以说欧洲ECE15工况并不能完全反映我国车辆的实际行驶状况[4]。

基于上述情况，国内在循环工况的开发上进行了许多研究，很多城市都开发出了适合本地区的轻型车循环工况[5-7]。郑州市城市道路建设、交通状况等与欧洲及国内其他城市存在差异。因此，建立符合郑州市交通特征的行驶工况，可以为郑州市乘用车污染物排放提供评价和检测依据。

1 公交线路确定

对每个区域的公交线路进行数量统计，统计每个区线路数量的基本原理是：公交线路经过的区域都进行公交数量统计，即如果一条线路同时过两个区域，每个区域的线路数量都统计一次。例如303路，它同时经过一区和二区，一区和二区的线路数量都统计一次。每个区线路所占的比例就是该区的线路频数除以总的线路频数，划分区域如图1所示：

图1 区域划分

根据选线原则各区域所确定的公交线路分别为：

1.1 一区选线

一区中要选取12条路线，除去B3、B3区间后，还剩下10条路线。在288条路线中，强度最高的108路、Y809路、101路，而Y809路与其他线路重复太多，去除Y809路，选择强度第四高的Y866路，对于1路、32路、603路、81路、95路、62路、109路，这些线路覆盖范围广，而且重复路线较少，强度也高，所以选择这些路线作为一区的代表。

1.2 二区选线

二区中要选取2条路线，选取303路、B12路，这两条线路大部分在二区中，且重复线路少，强度高，覆盖范围广，更具有二区的代表性，所以选择这两条路线作为二区的代表。

1.3 三区选线

三区中要选取1条线路，302路和60路这两条线路最长，覆盖范围最广，但由于60路中只有少部分在三区，而302路大部分在三区，所以302路是三区中最具有代表的线路。

1.4 四区选线

四区中要选取2条路线，选取129路、86路，和B17路，由于B17路的强度低于86路，所以选择86路。129路、86路两条线路在四区重复线路少，强度高，它们范围广，更具有四区的代表性，所以选择这两条路线作为四区的代表。

1.5 五区选线

五区中要选取3条线路， 985路和160路以及26路这三条线路较长，穿过的范围最广且重复较少，其他线路重复较多，线路短。这三条路线大部分在五区中，所以这三条更具代表性。

上述五个区选定的路线详细信息如表1所示：

表1 工况试验线路选定表

2 实际行驶工况的采集

采集试验数据采用自主行驶法，自主行驶法不需要对试验线路进行规划，由驾驶员按正常驾驶试验车辆，可获取大量的试验数据。实验用车搭载为北京博洋公司开发的数据采集终端设备，如图2所示，采样频率为1 Hz，数据采集设备通过GPRS网络将采集得到的公交车实际行驶工况发送至远程服务器数据平台，可通过该平台下载工况数据，获得1 137 017条有效行驶数据。

图2 数据采集终端

构建的工况的准确性与数据量之间关系如图3所示，从图3可以看出：采集的数据越多，结果会越准确。但是当采集的数据量达到一定值n后，即使增加数据量，准确性也不会随之显著提高。并且，如果采集得到的样本空间过大，势必造成数据处理上的复杂性并为存储设备带来负担，为此必须确定一个合适的样本空间。

图3 数据量与结果准确性的关系

为了判定样本数量是否满足工况构建的要求，通过在MATLAB中编写m文件，如图4所示。计算采集数据中的特征参数的稳定性，通过不断增加数据量，查看特征参数的变化情况，当数据量增加到一定程度时，特征参数的变化量很小，趋于稳定，说明所选取的数据量已经足够，可以基本确定构建汽车行驶工况所需的数据量[8]。运用统计学中的，离散系数也称变异系数，来判定特征参数的变异程度，其计算公式为：

图4 样本数量确定程序

式中，CV为离散系数；σ为样本数据的标准差；μ为样本数据的平均值。

根据离散系数计算公式，可得平均速度的离散系数为0.02,平均运行速度的离散系数为0.013，怠速时间比例、加速时间比例、减速时间比例、匀速时间比例的离散系数分别为0.004、0.007、0.01、0.04。因为特征参数的离散系数均小于0.1，可以说明获得的实验数据量趋于稳定，可以用来构建工况。平均速度、平均运行速度随数据量增加的变化情况如图5、图6所示。

图5 平均速度变化趋势

图6 平均运速度变化趋势

从图5、图6可以看出，工况数据量比较小的时候，平均速度和平均运行速度波动较大，随着工况数据量的不断增加，平均速度和平均运行速度的波动降低，最后基本趋于稳定特征值出现明显的起伏波动，随着样本数量的增加，特征值的波动减小，最终趋于一个比较稳定的范围。当工况数据量超过10 000 000个，主要特征参数的波动很小，说明工况特征参数基本稳定，可以进行车辆行驶工况的构建。

对采集的得到的11 370 170条工况数据，在MATLAB编程进行运动学片段划分，利用主成分分析（PCA）和K- means聚类分析，得到基于确定样本容量的公交循环工况，不同行驶工况的时间比例和时间长度如表2所示，构建的循环工况如图7所示。