中國乘用車工況構(gòu)建

劉 昱，吳志新，李孟良，于晗正男，汪 洋，賀可勛，安曉盼

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津300300)

0 引 言

學(xué)者對(duì)行駛工況的開發(fā)進(jìn)行了一系列研究：楊延相等[5]以車速和加速度等行駛特征參數(shù)為準(zhǔn)構(gòu)建了天津工況.姜平等[6]采用離散小波變換對(duì)汽車實(shí)際行駛工況數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮重構(gòu)消除路面干擾因素的影響，構(gòu)建合肥市典型工況.王軍方等[7]采集北京市多類車型的實(shí)際行駛數(shù)據(jù)，構(gòu)建北京市典型行駛工況.秦大同[8]，彭育輝等[9]分別利用k均值聚類算法構(gòu)建乘用車城市工況和公交車行駛工況，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.我國在工況開發(fā)方面取得了許多重要成果，但依然存在一些問題：現(xiàn)有工況開發(fā)研究局限在對(duì)城市或區(qū)域的調(diào)研，我國幅員遼闊，氣候和交通狀況差異顯著，缺乏全國范圍的自主行駛工況；現(xiàn)有研究主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)計(jì)算速度區(qū)間權(quán)重，構(gòu)建工況受車隊(duì)組建的主觀性影響較大.

2015年，工信部聯(lián)合五部委共同委托中國汽車技術(shù)研究中心開展為期3年的“中國工況”研究和開發(fā)，主要包括開發(fā)中國汽車行駛工況并修訂相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn).本文提出中國工況開發(fā)技術(shù)路線，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、權(quán)重因子開發(fā)和工況構(gòu)建等方面詳細(xì)介紹中國工況的開發(fā)過程.

1 技術(shù)路線

技術(shù)路線是開發(fā)工況的關(guān)鍵，在總結(jié)國內(nèi)外工況開發(fā)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，制定我國乘用車工況開發(fā)方法[10-11]，如圖1所示，主要包括：

(1)數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理.

利用自主行駛的方法在典型城市采集車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)，將其切分短行程；制定包含運(yùn)行時(shí)間、速度范圍、加速度范圍、最大怠速時(shí)長(zhǎng)、均速比例和數(shù)據(jù)缺失率在內(nèi)的篩選規(guī)則，篩選短行程；將篩選后的短片段分為不同速度區(qū)間的運(yùn)動(dòng)片段庫和怠速片段庫.

(2)權(quán)重因子開發(fā).

當(dāng)仙靈骨葆膠囊的藥物成本在0.62～0.97元/粒變動(dòng)時(shí)，其他參數(shù)不變，隨之ICER變動(dòng)范圍在21 479.25～48 498.90。當(dāng)仙靈骨葆膠囊的藥物成本選取了最小值0.62時(shí)，芪骨膠囊方案和仙靈骨葆膠囊治療方案所需的總成本分別為1 998.93元和 1 320.44元，有效率為99.72%和98.32%，ICER為48 498.90。當(dāng)仙靈骨葆膠囊的藥物成本選取了最大值0.97時(shí)，芪骨膠囊方案和仙靈骨葆膠囊治療方案所需的總成本分別為1 998.93元和 1 698.44元，有效率為99.72%和98.32%，ICER為21 479.25。

獲取典型城市的車輛實(shí)際道路GIS 低頻交通量大數(shù)據(jù)，建立速度—流量模型，得到各城市路網(wǎng)上所有行駛車輛的車輛小時(shí)數(shù)分布；計(jì)算不同速度區(qū)間的權(quán)重，以及同一速度區(qū)間不同城市的權(quán)重.

(3)統(tǒng)一的速度—加速度分布建立.

計(jì)算各城市各速度區(qū)間的速度—加速度分布，利用權(quán)重因子矩陣進(jìn)行加權(quán)，獲取各個(gè)速度區(qū)間統(tǒng)一的速度—加速度分布.

(4)工況合成.

根據(jù)各速度區(qū)間的權(quán)重和工況曲線的總時(shí)長(zhǎng)，確定各速度區(qū)間的時(shí)長(zhǎng)；在此基礎(chǔ)上，對(duì)應(yīng)速度區(qū)間運(yùn)動(dòng)片段及怠速片段的平均時(shí)長(zhǎng)，確定各速度區(qū)間運(yùn)動(dòng)片段和怠速片段數(shù)目；利用卡方檢驗(yàn)確定最優(yōu)的片段組合作為中國輕型乘用車工況(China Light-duty Passenger Car Test Cycle，CLTC).

2 工況開發(fā)

2.1 數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

選擇全國41 個(gè)典型城市，采用自主行駛的方式對(duì)約3 300輛車開展數(shù)據(jù)采集.采集車輛覆蓋各種車輛類型(M1、M2 和N1 類車，傳統(tǒng)車和新能源車，不同排量)，不同的道路類型和行駛條件.

車載終端將采集車輛GPS信號(hào)和OBD相關(guān)參數(shù)信息按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)協(xié)議編排，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送到中國工況信息化平臺(tái)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集.與傳統(tǒng)工況數(shù)據(jù)采集相比，本文方法保證采集到的數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上具有可比性，適合大規(guī)模數(shù)據(jù)采集.采集周期1年，共計(jì)1 600萬km；采集參數(shù)主要包括時(shí)間、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等.

車輛從起步出發(fā)至目的地停車，會(huì)經(jīng)過多次起步、停車.定義車輛從一次停車開始到下一次起步開始為怠速片段，車輛在一次起步到下一次停車為運(yùn)動(dòng)片段.據(jù)此，車輛一次行程可視為多個(gè)短行程(一個(gè)運(yùn)動(dòng)片段加一個(gè)怠速片段)組合，如圖2所示.

實(shí)驗(yàn)過程中，受采樣設(shè)備(如GPS 在山區(qū)或隧道內(nèi)丟失信號(hào))或其他不可抗因素影響，一些采集數(shù)據(jù)不合理或無效，故制定多類處理規(guī)則對(duì)短行程進(jìn)行預(yù)處理.

對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，借鑒WLTP 規(guī)則，制定片段時(shí)長(zhǎng)規(guī)則，運(yùn)動(dòng)片段長(zhǎng)度需在[10,3 600)s間.我國交通法規(guī)規(guī)定最高車速不能大于120 km/h，考慮車輛在高速路行駛時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定程度的超速現(xiàn)象，將片段最高車速設(shè)置為130 km/h.車輛加速度大于4 m/s2時(shí)，相當(dāng)于車速在1 s 內(nèi)增加超過14 km/h，正常行駛條件下是不可能發(fā)生的，予以刪除；同樣，當(dāng)加速度小于-4.5 m/s2時(shí)，數(shù)據(jù)也是不合理的.車輛怠速持續(xù)時(shí)間超過200 s，屬于非正常駕駛情況(如駕駛員停車休息，而GPS 仍在連續(xù)記錄)，此類片段使數(shù)據(jù)怠速比例偏高，影響最終開發(fā)出工況的代表性，對(duì)其進(jìn)行修正.數(shù)據(jù)采集過程中GPS 車速難免出現(xiàn)丟失，為保證最終數(shù)據(jù)能代表車輛的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置篩選條件為數(shù)據(jù)缺失率小于10%.

圖1 工況開發(fā)技術(shù)路線Fig.1 Technical route of driving cycle development

圖2 短行程示意圖Fig.2 Schematic diagram of short trip

2.2 特征計(jì)算及短行程數(shù)據(jù)庫劃分

為描述各短片段差異，計(jì)算運(yùn)行時(shí)間、平均速度等11 種片段特征，定義參見文獻(xiàn)[10].各城市及全國總體平均速度和怠速比例如圖3和圖4所示.

不同時(shí)間、地理位置和道路類型的短片段反映的交通狀況可能是一致的，如繁忙的高速公路與擁擠的城市道路片段特征可能一致.將片段類型和交通狀況聯(lián)系起來，分為3 個(gè)運(yùn)動(dòng)片段庫和3個(gè)怠速片段庫，分別對(duì)應(yīng)低速、中速和高速區(qū)間，速度區(qū)間閾值分別為60 km/h和80 km/h.

2.3 權(quán)重因子開發(fā)

傳統(tǒng)方法根據(jù)實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)計(jì)算權(quán)重，使構(gòu)建工況受車隊(duì)組建的主觀性影響較大.為克服傳統(tǒng)方法的不足，本文創(chuàng)新性引入百度后臺(tái)GIS交通量大數(shù)據(jù)計(jì)算權(quán)重因子.統(tǒng)計(jì)各速度區(qū)間交通量，除以總交通量，獲得不同速度區(qū)間的權(quán)重因子，如表1所示.可以看出，我國車輛主要運(yùn)行在城區(qū)(低速)和城郊(中速)，在高速區(qū)間運(yùn)行比例較低.

圖3 各城市平均速度Fig.3 Average speed of different cities

圖4 各城市怠速比例Fig.4 Idle ratio of different cities

表1 各城市低/中/高/速區(qū)間的交通量及加權(quán)因子Table 1 Traffic volume and weighting factors of low/medium/high speed phases

2.4 統(tǒng)一的速度—加速度分布建立

低速區(qū)間統(tǒng)一的速度—加速度分布建立如圖5所示，其中，左側(cè)3個(gè)圖分別為城市1、城市2和城市n的速度—加速度分布?xì)馀輬D，氣泡越大表示該工況點(diǎn)的分布頻率越高，W1,W2和Wn分別為對(duì)應(yīng)城市低速區(qū)間的權(quán)重.根據(jù)低速區(qū)間各城市的速度—加速度分布和對(duì)應(yīng)區(qū)間的城市權(quán)重，加權(quán)獲得低速區(qū)間統(tǒng)一的速度—加速度分布.其他速度區(qū)間的加權(quán)方案與低速區(qū)間相同.

圖5 低速區(qū)間速度—加速度分布圖Fig.5 Velocity-acceleration distribution of low speed phase

2.5 工況構(gòu)建

與世界輕型車測(cè)試工況(Worldwide Harmonized Light-Duty Driving Test Cycle,WLTC)類似，CLTC 工況的持續(xù)時(shí)間也設(shè)置為1 800 s.1 800 s 的持續(xù)時(shí)間既能滿足統(tǒng)計(jì)學(xué)的代表性，又具備在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行排放測(cè)試和油耗測(cè)試的可行性.工況曲線各速度區(qū)間時(shí)長(zhǎng)由1 800 s 乘以其權(quán)重得到，低速區(qū)間時(shí)長(zhǎng)674 s；中速區(qū)間時(shí)長(zhǎng)693 s；高速區(qū)間時(shí)長(zhǎng)433 s.

各車速區(qū)間運(yùn)動(dòng)片段和怠速片段數(shù)目為

式中：T為時(shí)長(zhǎng)；Tst為運(yùn)動(dòng)片段的平均時(shí)間長(zhǎng)度；Tid為怠速片段的平均時(shí)間長(zhǎng)度；nst為運(yùn)動(dòng)片段個(gè)數(shù)；nid為怠速片段個(gè)數(shù).各參數(shù)取值通過數(shù)據(jù)分析獲得，計(jì)算結(jié)果圓整后如表2所示.

表2 各速度區(qū)間運(yùn)動(dòng)及怠速片段數(shù)目Table 2 Number of motion segments and idle segments in each speed interval

計(jì)算運(yùn)動(dòng)片段與怠速片段的累計(jì)頻率分布，低速和中速區(qū)間根據(jù)各區(qū)間短片段個(gè)數(shù)ni，將累計(jì)頻率分布均分成ni等份.在每個(gè)等分區(qū)間找到該區(qū)間50%分位累計(jì)分布對(duì)應(yīng)的x點(diǎn)，x點(diǎn)時(shí)長(zhǎng)作為從數(shù)據(jù)庫中選擇片段的依據(jù).由于高速區(qū)間時(shí)長(zhǎng)限制，高速區(qū)間運(yùn)動(dòng)片段和怠速片段時(shí)長(zhǎng)通過怠速比例計(jì)算得到.各速度區(qū)間運(yùn)動(dòng)片段時(shí)長(zhǎng)選擇結(jié)果如圖6～圖8 所示，怠速片段選擇方式同運(yùn)動(dòng)片段.

圖6 低速區(qū)間運(yùn)動(dòng)片段時(shí)長(zhǎng)選擇Fig.6 Short trip length selection of low-speed phase

圖7 中速區(qū)間運(yùn)動(dòng)片段時(shí)長(zhǎng)選擇Fig.7 Short trip length selection of the middle-speed phase

圖8 高速區(qū)間運(yùn)動(dòng)片段時(shí)長(zhǎng)選擇Fig.8 Short trip length selection of high-speed phase

根據(jù)片段時(shí)長(zhǎng)選擇候選運(yùn)動(dòng)片段，并按照笛卡爾積自由組合.短片段組合數(shù)目較多，利用平均速度、相對(duì)正加速度等參數(shù)對(duì)短片段組合進(jìn)行初步篩選，使計(jì)算量和卡方檢驗(yàn)次數(shù)控制在合理范圍內(nèi).對(duì)滿足條件的短片段組合進(jìn)行卡方檢驗(yàn).選擇卡方檢驗(yàn)結(jié)果較好的，即卡方值p較小的組合作為最優(yōu)解.

式中：a為速度—加速度分布點(diǎn)；N為分布點(diǎn)總數(shù)；Va為選擇片段a點(diǎn)的速度—加速度分布值；Wa為對(duì)應(yīng)點(diǎn)的統(tǒng)一的速度加速度分布值.

為確定CLTC 工況中第1 個(gè)怠速片段和運(yùn)動(dòng)片段，對(duì)調(diào)研中每天采集的第1個(gè)怠速片段和運(yùn)動(dòng)片段進(jìn)行單獨(dú)統(tǒng)計(jì)分析.第1個(gè)怠速片段的平均持續(xù)時(shí)間約17 s，選擇與其最接近的時(shí)長(zhǎng)14 s的怠速片段作為第1個(gè)怠速片段.第1個(gè)運(yùn)動(dòng)片段的平均時(shí)長(zhǎng)為58 s，平均速度為25 km/h，選擇卡方檢驗(yàn)獲得低速區(qū)間運(yùn)動(dòng)片段中與之最接近的短片段作為第1 個(gè)運(yùn)動(dòng)片段.為模擬市區(qū)擁堵情況，將CLTC工況低速區(qū)間中最大速度最小的3 個(gè)運(yùn)動(dòng)片段和時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)的3 個(gè)怠速片段進(jìn)行組合模擬城區(qū)道路中交通擁堵的工況.將CLTC工況最后一個(gè)怠速片段均設(shè)置為10 s，保證采樣穩(wěn)定性.將低速、中速和高速區(qū)間依次排列得到最終工況曲線.

CLTC工況共包含11個(gè)運(yùn)動(dòng)片段和12個(gè)怠速片段，運(yùn)動(dòng)和怠速片段交替排列，工況時(shí)長(zhǎng)1 800 s，平均車速29.0 km/h，最大車速114 km/h，怠速比例22.1%，如圖9所示.

圖9 CLTC 工況Fig.9 CLTC cycle

3 CLTC工況與采集數(shù)據(jù)及其他典型工況對(duì)比

為驗(yàn)證所構(gòu)建工況的有效性，選擇平均速度等7 個(gè)典型參數(shù)對(duì)工況曲線特征進(jìn)行描述.計(jì)算CLTC 工況，NEDC 工況，美國聯(lián)邦輕型車測(cè)試工況(Federal Test Procedure,FTP-75)，WLTC工況，以及車輛實(shí)際采集數(shù)據(jù)的工況特征，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行GIS 加權(quán)，結(jié)果如表3 所示.為衡量各典型工況與我國車輛實(shí)際運(yùn)行工況的差異，計(jì)算各典型法規(guī)工況與實(shí)際采集數(shù)據(jù)GIS加權(quán)值的差異百分比，結(jié)果如表4所示.

表3 各工況與實(shí)際采集數(shù)據(jù)特征Table 3 Driving characteristics of different cycles and actual collected data

表4 各工況與實(shí)際采集數(shù)據(jù)差異Table 4 Comparison of differences between typical cycles and actual collected data

從表3 和表4 可以看出：與其他典型工況相比，CLTC 具有平均速度低，怠速比例高和加減速頻繁的特點(diǎn)；在平均速度等典型工況特征方面，CLTC 工況與實(shí)際采集數(shù)據(jù)GIS 加權(quán)結(jié)果吻合度最高，最大偏差為7.55%，NEDC、FTP75 和WLTC工況與我國實(shí)際偏差較大.

4 結(jié) 論

依托“中國工況”項(xiàng)目，在全國41 個(gè)城市展開全球范圍內(nèi)范圍最大、規(guī)模最廣的一次數(shù)據(jù)采集，全面了解我國乘用車的實(shí)際行駛特征；創(chuàng)新性提出利用GIS數(shù)據(jù)計(jì)算工況各速度區(qū)間權(quán)重，克服傳統(tǒng)工況構(gòu)建方法宏觀權(quán)重受主觀選擇影響的不足；開發(fā)了中國乘用車工況CLTC，與其他典型工況相比，中國工況具有低平均速度、高怠速比例和頻繁加減速的特點(diǎn).對(duì)比構(gòu)建的CLTC工況曲線特征參數(shù)與其他典型工況曲線及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)GIS 加權(quán)結(jié)果，驗(yàn)證了CLTC工況的有效性.