中國(guó)重型商用車(chē)行駛工況開(kāi)發(fā)＊

胡熙 劉昱 李孟良

（中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

主題詞：重型商用車(chē) 車(chē)輛運(yùn)行特征 速度-加速度分布 工況開(kāi)發(fā)

1 前言

汽車(chē)行駛工況是汽車(chē)行業(yè)的一項(xiàng)重要基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，重型商用車(chē)工況是該類(lèi)型車(chē)性能優(yōu)化時(shí)的主要基準(zhǔn)，也是進(jìn)行排放和油耗認(rèn)證的基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段我國(guó)進(jìn)行重型車(chē)油耗認(rèn)證時(shí)采用的是以世界重型商用車(chē)輛瞬態(tài)循環(huán)（World Transient Vehicle Cycle，WTVC）工況為基礎(chǔ)調(diào)整生成的C-WTVC工況[1]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)重型車(chē)行駛工況開(kāi)發(fā)進(jìn)行了一系列研究。武漢理工大學(xué)的吳其偉等用多元統(tǒng)計(jì)理論構(gòu)建了武漢公交車(chē)行駛工況[2]；中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院的王軍方等根據(jù)北京市乘用車(chē)、公交車(chē)和重型載貨汽車(chē)的運(yùn)行數(shù)據(jù)建立了北京市典型行駛工況[3]；秦大同等提出一種基于C均值聚類(lèi)算法的城市循環(huán)工況構(gòu)建方法[4]。

研究表明，上述重型商用車(chē)認(rèn)證和研究存在一定的不足[5-6]：C-WTVC工況更多地采用了歐美國(guó)家的數(shù)據(jù)，其他工況研究采用的數(shù)據(jù)局限在特定城市或區(qū)域，均不能很好地代表中國(guó)綜合實(shí)際道路行駛狀況；重型商用車(chē)類(lèi)型繁多，體系復(fù)雜，不同類(lèi)型車(chē)輛的運(yùn)行范圍、使用方式和車(chē)輛性能等差異顯著，現(xiàn)有工況無(wú)法充分反映這些差異。

工信部于2015年委托中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心牽頭實(shí)施“中國(guó)新能源汽車(chē)產(chǎn)品檢測(cè)工況研究和開(kāi)發(fā)”（簡(jiǎn)稱(chēng)“中國(guó)工況”）項(xiàng)目，研究我國(guó)車(chē)輛實(shí)際行駛工況特征并開(kāi)發(fā)各類(lèi)車(chē)輛的全國(guó)標(biāo)準(zhǔn)行駛循環(huán)工況（China Automotive Test Cycle，CATC）。中國(guó)重型商用車(chē)輛行駛工況（China Heavy-Duty Commercial Vehicle Test Cycle，CHTC）是該項(xiàng)目的重要組成部分。

本文通過(guò)短片段處理分析對(duì)比不同類(lèi)型重型商用車(chē)的運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)特征，進(jìn)而采用聚類(lèi)、加權(quán)及卡方檢驗(yàn)的方法構(gòu)建工況，最終完成包含多條曲線(xiàn)的CHTC工況體系的開(kāi)發(fā)，令其能夠全面覆蓋、真實(shí)反映各類(lèi)型重型車(chē)行駛情景。

2 工況開(kāi)發(fā)

以采集到的多個(gè)城市、多種類(lèi)型的重型車(chē)隊(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)重型商用車(chē)輛行駛工況，總體流程如圖1所示。

圖1 重型商用車(chē)輛行駛工況開(kāi)發(fā)流程

2.1 數(shù)據(jù)采集和處理

中國(guó)工況項(xiàng)目組建的車(chē)隊(duì)包含1 216輛重型商用車(chē)輛，在我國(guó)41個(gè)代表城市采用自主駕駛法采集數(shù)據(jù)，即不規(guī)劃道路，車(chē)輛自由行駛，以保證數(shù)據(jù)真實(shí)性。

采集的數(shù)據(jù)包括車(chē)輛定位、動(dòng)力總成、環(huán)境信息等多種類(lèi)參數(shù)，采樣頻率為1 Hz。數(shù)據(jù)在城市、氣候、道路和車(chē)型等方面具有廣泛代表性和覆蓋度。

經(jīng)過(guò)1 年多的穩(wěn)定行駛，采集了累積里程接近23×106km 的各類(lèi)型重型商用車(chē)輛運(yùn)行數(shù)據(jù)，車(chē)型構(gòu)成和相應(yīng)里程如表1所示。

表1 重型商用車(chē)車(chē)隊(duì)構(gòu)成和相應(yīng)里程

CHTC以短片段為基礎(chǔ)構(gòu)建：將車(chē)輛從一次起步到下一次停車(chē)的運(yùn)動(dòng)定義為運(yùn)動(dòng)片段；一次停車(chē)到下一次起步的運(yùn)動(dòng)定義為怠速片段。一個(gè)短片段包含一個(gè)運(yùn)動(dòng)片段和與之相鄰的怠速片段，如圖2所示。

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)一些不合理或無(wú)效數(shù)據(jù)，根據(jù)車(chē)輛具體運(yùn)行情況制定包含運(yùn)行片段持續(xù)時(shí)長(zhǎng)、怠速時(shí)長(zhǎng)、速度范圍、加速度范圍和數(shù)據(jù)缺失率在內(nèi)的篩選規(guī)則，選出有效短片段建立片段庫(kù)，用于后續(xù)工況開(kāi)發(fā)。

圖2 短片段示意

對(duì)于每一個(gè)短片段，計(jì)算其運(yùn)行時(shí)間、加速比例、減速比例、勻速比例、怠速比例、運(yùn)行距離、最大速度、平均速度、運(yùn)行平均速度、最大加速度、最大減速度、平均正加速度、平均負(fù)加速度、速度標(biāo)準(zhǔn)差、加速度標(biāo)準(zhǔn)差共15 個(gè)特征參數(shù)，并歸一化作為片段特征。不同特征的短片段反映車(chē)輛在不同道路和交通狀況下的行駛情景。

2.2 工況體系構(gòu)成規(guī)劃

重型商用車(chē)輛的運(yùn)行方式受用途影響較大，首先按照用途將其初步劃分為客車(chē)和載貨汽車(chē)。分別提取這2類(lèi)車(chē)型各細(xì)分車(chē)輛類(lèi)型的短片段庫(kù)，計(jì)算并對(duì)比各片段庫(kù)的總體特征參數(shù)，判斷是否為特定車(chē)型單獨(dú)構(gòu)建工況。

2.2.1 客車(chē)運(yùn)行特征分析和對(duì)比

將客車(chē)劃分為城市客車(chē)和普通客車(chē)。城市客車(chē)即公交車(chē)，工況構(gòu)建采用的車(chē)隊(duì)數(shù)據(jù)覆蓋不同等級(jí)的22個(gè)城市。普通客車(chē)以在城市間運(yùn)行的長(zhǎng)途客車(chē)和在城郊運(yùn)行的班車(chē)為主，數(shù)據(jù)覆蓋14個(gè)城市。

計(jì)算兩者短片段庫(kù)的關(guān)鍵特征參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 客車(chē)片段庫(kù)特征參數(shù)對(duì)比

從圖3中可以看出，城市客車(chē)平均速度約為16.8 km/h，顯著低于普通客車(chē)，怠速比例為34%，顯著偏高。二者差異的主要原因在于運(yùn)行范圍不同：城市客車(chē)主要在交通擁堵的市區(qū)行駛，普通客車(chē)運(yùn)行范圍相對(duì)廣泛。鑒于2類(lèi)車(chē)運(yùn)行特征之間的較大差異，有必要分別構(gòu)建行駛工況。

此外，比較城市客車(chē)車(chē)隊(duì)在各城市的速度分布情況，如圖4所示。

圖4 城市客車(chē)的速度分布

從圖4中可以看出，各城市間速度分布存在較大差異，反映了不同城市的城市客車(chē)具有獨(dú)特的行駛工況特征，構(gòu)建城市客車(chē)工況時(shí)需考慮上述差異，獲取各城市權(quán)重，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)處理。

各城市普通客車(chē)的運(yùn)行特征差異不大，構(gòu)建工況時(shí)不需要進(jìn)行城市加權(quán)。

2.2.2 載貨汽車(chē)運(yùn)行特征分析和對(duì)比

各城市載貨汽車(chē)的運(yùn)行特征差異不大，構(gòu)建工況時(shí)不需要進(jìn)行城市加權(quán)。

不同類(lèi)型載貨汽車(chē)的運(yùn)行范圍差異較大：貨車(chē)運(yùn)行區(qū)域較廣泛，自卸汽車(chē)主要在市區(qū)和城郊行駛，半掛牽引車(chē)在市內(nèi)運(yùn)行受限，主要在城郊和高速公路上行駛。與客車(chē)類(lèi)似，計(jì)算幾種類(lèi)型載貨汽車(chē)的短片段庫(kù)綜合特征進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。

圖5 載貨汽車(chē)片段庫(kù)特征參數(shù)對(duì)比

從圖5中可以看出，3種車(chē)型的平均速度差異顯著，半掛牽引車(chē)怠速比例顯著偏低，勻速比例顯著偏高，有必要分別構(gòu)建工況曲線(xiàn)。

根據(jù)相關(guān)法規(guī)，總質(zhì)量（Gross Vehicle Weight，GVW）較小的貨車(chē)可以較自由地進(jìn)入市區(qū)，運(yùn)行區(qū)域與其他貨車(chē)存在較大差異，需要判斷是否分別構(gòu)建工況循環(huán)。

分別對(duì)輕型貨車(chē)（總質(zhì)量≤5 500 kg）與其他質(zhì)量等級(jí)的貨車(chē)（稱(chēng)為重型貨車(chē)）片段庫(kù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的速度區(qū)間劃分，對(duì)比各區(qū)間的片段庫(kù)特征參數(shù)，如圖6所示。

圖6 各質(zhì)量級(jí)別貨車(chē)分區(qū)間片段庫(kù)特征參數(shù)

從圖6 中可以看出：輕型貨車(chē)在低速區(qū)間速度偏高，怠速比例偏低，說(shuō)明它在該區(qū)間行駛時(shí)受交通流限制較?。辉谥兴賲^(qū)間速度略低，怠速比例顯著偏高；在高速區(qū)間速度偏高。中、高速區(qū)間輕型貨車(chē)運(yùn)動(dòng)片段持續(xù)時(shí)間顯著偏低，與其相對(duì)頻繁的裝、卸貨有關(guān)。3 個(gè)區(qū)間輕型貨車(chē)的勻速比例都顯著偏低。此外，兩者在各區(qū)間的樣本比例有一定差異。

綜上所述，有必要為輕型貨車(chē)和重型貨車(chē)分別構(gòu)建工況曲線(xiàn)。

2.2.3 重型商用車(chē)輛行駛工況體系

最終確定的中國(guó)重型商用車(chē)輛行駛工況包含6 條工況曲線(xiàn)，分別為：中國(guó)城市客車(chē)行駛工況（China Heavy-Duty Commercial Vehicle Test Cycle for Bus，CHTC-B）、中國(guó)普通客車(chē)行駛工況（China Heavy-Duty Commercial Vehicle Test Cycle for Coach，CHTC-C）、中國(guó)輕型貨車(chē)行駛工況（China Heavy-Duty Commercial Vehicle Test Cycle for Light Truck，CHTC-LT）、中國(guó)重型貨車(chē)行駛工況（China Heavy-Duty Commercial Vehicle Test Cycle for Heavy Truck，CHTC-HT）、中國(guó)自卸汽車(chē)行駛工況（China Heavy-Duty Commercial Vehicle Test Cycle for Dumper，CHTC-D）、中國(guó)半掛牽引車(chē)行駛工況（China Heavy-Duty Commercial Vehicle Test Cycle for Tractor-Trailer，CHTC-TT）。

2.3 曲線(xiàn)結(jié)構(gòu)確定

以城市客車(chē)為例，對(duì)CHTC中曲線(xiàn)的具體構(gòu)建過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。

2.3.1 速度區(qū)間劃分

為確定CHTC-B 的曲線(xiàn)結(jié)構(gòu)，根據(jù)片段特征對(duì)城市客車(chē)的全國(guó)短片段庫(kù)進(jìn)行聚類(lèi)，劃分成2個(gè)區(qū)間。區(qū)間的主要工況特征指標(biāo)差異顯著：低速區(qū)間平均速度為8 km/h，高速區(qū)間為20 km/h，隨著速度提高，運(yùn)動(dòng)片段持續(xù)時(shí)間和里程增加，怠速比例顯著降低，加速度參數(shù)略有升高，可以認(rèn)為2個(gè)區(qū)間分別反映城市客車(chē)在擁堵和順暢交通狀況下的運(yùn)行情況。根據(jù)聚類(lèi)特征將城市客車(chē)在每個(gè)城市采集的短片段劃分進(jìn)2個(gè)區(qū)間，進(jìn)而計(jì)算各城市各區(qū)間的綜合特征參數(shù)，如圖7所示。

從圖7 中可以看出，同一城市在2 個(gè)區(qū)間的特征參數(shù)差異顯著，不同城市在同一區(qū)間基本在同一范圍內(nèi)，驗(yàn)證了區(qū)間劃分的合理性。

最終確定CHTC-B 曲線(xiàn)由低速和高速2 個(gè)工況區(qū)間構(gòu)成。

2.3.2 速度區(qū)間時(shí)間比例確定

城市客車(chē)在各城市運(yùn)行特征差異顯著，為了反映全國(guó)綜合行駛工況，需引入代表城市客車(chē)交通流量的城市權(quán)重，結(jié)合各城市數(shù)據(jù)庫(kù)信息來(lái)確定曲線(xiàn)的區(qū)間時(shí)長(zhǎng)比例。

圖7 城市客車(chē)各城市、區(qū)間特征參數(shù)對(duì)比

城市客車(chē)每條路線(xiàn)每天的運(yùn)行量相近，調(diào)研各城市所有線(xiàn)路數(shù)量作為評(píng)估城市客車(chē)交通流量的參考指標(biāo)，其與所有城市的路線(xiàn)數(shù)量總和的比值即為該城市權(quán)重，如表2所示。

表2 各城市的城市客車(chē)線(xiàn)路數(shù)及權(quán)重

提取各城市在各區(qū)間的城市客車(chē)短片段庫(kù)，統(tǒng)計(jì)行駛總時(shí)長(zhǎng)，與該城市的行駛總時(shí)長(zhǎng)的比值即為城市的區(qū)間權(quán)重，如表3所示。

表3 各城市的速度區(qū)間權(quán)重 %

對(duì)于2個(gè)速度區(qū)間，各城市權(quán)重與該城市該區(qū)間權(quán)重的乘積按城市累加即得到該區(qū)間在工況曲線(xiàn)中所占時(shí)長(zhǎng)比例。低速、高速區(qū)間時(shí)長(zhǎng)比例分別為30.5%和69.5%。

2.4 工況曲線(xiàn)構(gòu)建

CHTC-B持續(xù)時(shí)間設(shè)置為1 310 s，既能滿(mǎn)足統(tǒng)計(jì)學(xué)的代表性，又具備在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行排放和油耗測(cè)試的可行性。

2.4.1 區(qū)間短片段時(shí)長(zhǎng)和數(shù)量確定

工況曲線(xiàn)按各區(qū)間權(quán)重進(jìn)行分配，得到低速區(qū)間時(shí)長(zhǎng)tl=399 s，高速區(qū)間時(shí)長(zhǎng)th=911 s。

統(tǒng)計(jì)各城市在低速區(qū)間數(shù)據(jù)庫(kù)中運(yùn)行片段持續(xù)時(shí)長(zhǎng)的平均值與該城市權(quán)重的乘積，按城市累加即可得到低速區(qū)間運(yùn)動(dòng)片段平均時(shí)長(zhǎng)tst,l=36.39 s；同理計(jì)算高速區(qū)間運(yùn)動(dòng)片段平均時(shí)長(zhǎng)tst,h=69 s；

同理，計(jì)算得到低、高速區(qū)間怠速片段平均時(shí)長(zhǎng)分別為tid,l=7.31 s、tid,h=13.32 s。

結(jié)合區(qū)間時(shí)長(zhǎng)，計(jì)算低速區(qū)間的運(yùn)動(dòng)片段數(shù)量nst,l及怠速片段數(shù)量nid,l：

計(jì)算低速片段庫(kù)中運(yùn)動(dòng)片段時(shí)長(zhǎng)的累計(jì)分布頻率，以此為基礎(chǔ)將片段庫(kù)均分為nst,l個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間中樣本占比為1/nst,l。對(duì)第i(i=0,1,2,…,nst,l-1)個(gè)頻率區(qū)間(i/nst,l,(i+1)/nst,l]，定位其第50 百分位對(duì)應(yīng)的片段時(shí)長(zhǎng)，作為構(gòu)成低速工況第i個(gè)運(yùn)動(dòng)片段的選擇基準(zhǔn)。最終確定區(qū)間的7 個(gè)運(yùn)動(dòng)片段的時(shí)長(zhǎng)依次為15 s、21 s、27 s、33 s、40 s、49 s和64 s。

同理，確定高速區(qū)間由8 個(gè)運(yùn)動(dòng)片段和9 個(gè)怠速片段構(gòu)成，運(yùn)動(dòng)片段時(shí)長(zhǎng)依次為30 s、37 s、43 s、49 s、55 s、61 s、68 s、76 s、85 s、96 s和117 s。

類(lèi)似地，根據(jù)各區(qū)間怠速片段時(shí)長(zhǎng)的累計(jì)頻率確定怠速片段的時(shí)長(zhǎng)集合。

2.4.2 區(qū)間短片段組合選擇

對(duì)于特定速度區(qū)間，獲取各城市在該區(qū)間運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的速度-加速度的聯(lián)合分布（v-a分布），用相應(yīng)城市權(quán)重以及城市在該區(qū)間的權(quán)重對(duì)其進(jìn)行加權(quán)，可以生成能夠反映該區(qū)間全國(guó)工況的統(tǒng)一v-a分布，作為工況片段選擇的基礎(chǔ)。

根據(jù)確定的片段時(shí)長(zhǎng)基準(zhǔn)，從庫(kù)中挑選出候選短片段集合，按照笛卡爾積進(jìn)行自由組合，將組合后片段的v-a分布與速度區(qū)間的統(tǒng)一v-a分布進(jìn)行卡方檢驗(yàn)：

式中，p為卡方檢驗(yàn)值；Vv-a為候選片段組合的v-a分布值；Wv-a為區(qū)間的統(tǒng)一v-a分布值。

選擇卡方檢驗(yàn)結(jié)果最優(yōu)的，即卡方檢驗(yàn)值較小的片段組合。

2.4.3 工況輸出

從短到長(zhǎng)交替排列最優(yōu)片段組合中的運(yùn)動(dòng)和怠速片段作為區(qū)間工況曲線(xiàn)。將低速、高速區(qū)間曲線(xiàn)排序組合，生成城市客車(chē)工況，如圖8所示。

圖8 城市客車(chē)工況曲線(xiàn)

采用類(lèi)似方法為其他重型商用車(chē)構(gòu)建工況曲線(xiàn)。最終完成包含6 條工況曲線(xiàn)的中國(guó)重型商用車(chē)行駛工況[7]。

3 與實(shí)際采集數(shù)據(jù)及其他典型工況的對(duì)比

計(jì)算CHTC 體系中各條曲線(xiàn)的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)其特征進(jìn)行描述。為了說(shuō)明工況的可靠性，與曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)車(chē)型的實(shí)際采集數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比；為了說(shuō)明工況開(kāi)發(fā)的必要性，與其他已有典型工況進(jìn)行對(duì)比。

3.1 客車(chē)工況特征對(duì)比

圖9 所示為CHTC-B 曲線(xiàn)與該車(chē)型實(shí)際數(shù)據(jù)庫(kù)和典型工況的關(guān)鍵特征對(duì)比結(jié)果。典型工況包括按車(chē)型特征里程比例加權(quán)后的C-WTVC 工況及中國(guó)城市客車(chē)循環(huán)（China City Bus Cycle，CCBC）工況[8]。

圖9 CHTC-B、實(shí)際數(shù)據(jù)、CCBC、C-WTVC特征對(duì)比

從圖9 中可以看出：CHTC-B 特征與實(shí)際數(shù)據(jù)基本保持一致，與CCBC 工況較為接近，兩者都可以較好地反映我國(guó)城市客車(chē)運(yùn)行情況。與C-WTVC 相比，CHTC-B 速度顯著偏低，怠速比例較高，更符合我國(guó)城市客車(chē)在更加擁堵的城市交通狀況下運(yùn)行的實(shí)際情況。

圖10所示為普通客車(chē)CHTC-C 與實(shí)際數(shù)據(jù)及加權(quán)C-WTVC工況的特征對(duì)比結(jié)果。

圖10 CHTC-C、實(shí)際數(shù)據(jù)、C-WTVC特征對(duì)比

從圖10中可以看出：CHTC-C特征與實(shí)際數(shù)據(jù)基本保持一致。與C-WTVC工況相比，加、減速比例和運(yùn)行平均速度相差不大，怠速比例顯著偏高，勻速比例顯著偏低，加速度平均值偏高。

3.2 載貨汽車(chē)工況特征對(duì)比

載貨汽車(chē)的4 條工況曲線(xiàn)和對(duì)應(yīng)的實(shí)際數(shù)據(jù)基本保持一致，可以較好地反映車(chē)輛在我國(guó)的真實(shí)行駛工況。表4 對(duì)比了載貨汽車(chē)CHTC 與C-WTVC 工況的相應(yīng)特征。

表4 CHTC和C-WTVC工況特征對(duì)比

從表4中可以看出：與C-WTVC工況相比，CHTC速度普遍偏低，怠速和勻速比例偏高，更符合我國(guó)載貨汽車(chē)在更加擁堵的城市交通狀況下運(yùn)行的實(shí)際情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文依托“中國(guó)工況”項(xiàng)目，在我國(guó)多個(gè)城市采集了各類(lèi)型重型商用車(chē)的行駛數(shù)據(jù)，建立短片段庫(kù)。對(duì)不同區(qū)域和車(chē)輛類(lèi)型的片段庫(kù)特征進(jìn)行分析和對(duì)比，規(guī)劃中國(guó)重型商用車(chē)輛的工況體系結(jié)構(gòu)。對(duì)體系中的各類(lèi)車(chē)型，通過(guò)聚類(lèi)分析、區(qū)間加權(quán)、卡方檢驗(yàn)等流程，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了多區(qū)間工況曲線(xiàn)，最終完成中國(guó)重型商用車(chē)輛行駛工況的開(kāi)發(fā)。

此外，通過(guò)對(duì)比CHTC曲線(xiàn)特征與其他典型工況及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果，證明該工況符合我國(guó)車(chē)輛真實(shí)行駛狀況，具有開(kāi)發(fā)的必要性。使用該工況進(jìn)行排放油耗的測(cè)試認(rèn)證，有利于引導(dǎo)節(jié)能環(huán)保技術(shù)的導(dǎo)入和優(yōu)化，有利于對(duì)車(chē)輛實(shí)際能耗排放進(jìn)行合理有效地評(píng)估和監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。