基于新能源高頻大數(shù)據(jù)的駕駛行為與能耗分析

夏麗娜　何紹清　康澤軍　王建斌　賈國瑞

摘 要：近年來，在新能源汽車示范推廣和財(cái)政補(bǔ)貼的大背景下，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。但與傳統(tǒng)燃油車相比，新能源汽車的技術(shù)成熟度尚且不足，在研發(fā)、運(yùn)行階段仍存在諸多問題等待解決，其中能耗和續(xù)航問題的關(guān)注度尤為突出。本文基于車載終端采集到的新能源高頻大數(shù)據(jù)，提取能夠反映駕駛行為精細(xì)時(shí)空變化特征的特征參數(shù)集，采用主成分分析方法將特征參數(shù)集進(jìn)行優(yōu)化，利用K-means算法實(shí)現(xiàn)駕駛行為的自動(dòng)分級，并分析了不同級別駕駛行為的能耗分布情況。分析結(jié)果表明，駕駛行為影響新能源汽車能耗水平，其中平穩(wěn)駕駛對應(yīng)的能耗較低，對新能源汽車產(chǎn)品升級和用戶駕駛習(xí)慣優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：新能源高頻大數(shù)據(jù) 駕駛行為 能耗 主成分分析 聚類算法

1 前言

在汽車產(chǎn)業(yè)“電動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、共享化”的趨勢背景下，近年來新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，截止2020年6月，全國新能源汽車保有量已達(dá)417萬。與傳統(tǒng)燃油車不同，新能源汽車在運(yùn)行過程中采集了大量運(yùn)營數(shù)據(jù)，可一定程度上反映用戶的使用習(xí)慣和新能源汽車的產(chǎn)品性能。利用新能源運(yùn)營大數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，提升新能源汽車產(chǎn)品研發(fā)效率，針對性地優(yōu)化產(chǎn)品性能，加快產(chǎn)品更新迭代節(jié)奏將是新能源汽車產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的大趨勢。

目前，新能源汽車的技術(shù)成熟度尚不如傳統(tǒng)燃油車，在研發(fā)及運(yùn)行階段還有諸多問題亟待深入研究，其中續(xù)航和能耗是車企和消費(fèi)者最為關(guān)注的問題之一。新能源汽車能耗的高低，與用戶駕駛行為密切相關(guān)。目前行業(yè)內(nèi)對于駕駛行為的研究多基于低頻數(shù)據(jù)提取車速、加速度、方向盤轉(zhuǎn)角的統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)，用于評價(jià)駕駛行為的平穩(wěn)性和安全性，不足以對駕駛行為的時(shí)空變化特性進(jìn)行精細(xì)刻畫，也無法為企業(yè)在研發(fā)端為產(chǎn)品優(yōu)化提供參考價(jià)值。

本文基于新能源高頻大數(shù)據(jù)，提取駕駛過程中的不同數(shù)據(jù)字段聯(lián)合分布特征參數(shù)，以反映駕駛行為的時(shí)空變化特征，構(gòu)建新能源汽車駕駛風(fēng)格分類模型，研究不同駕駛風(fēng)格的能耗分布，將有助于優(yōu)化新能源汽車產(chǎn)品開發(fā)策略，促進(jìn)新能源汽車正向發(fā)展。

2 新能源高頻大數(shù)據(jù)及其分類

新能源高頻大數(shù)據(jù)是通過車載終端設(shè)備采集得來，主要包括駕駛行為數(shù)據(jù)、充電數(shù)據(jù)、電池?cái)?shù)據(jù)、電機(jī)數(shù)據(jù)、DCDC數(shù)據(jù)等，目前最高采集頻率可到100Hz。

2.1 駕駛行為數(shù)據(jù)

駕駛行為數(shù)據(jù)主要包括加速踏板開度、制動(dòng)踏板開度、方向盤轉(zhuǎn)角、車速、行駛里程等。

2.2 充電數(shù)據(jù)

充電數(shù)據(jù)主要包括充電方式、充電狀態(tài)、充電電流、SOC等。

2.3 電池?cái)?shù)據(jù)

電池?cái)?shù)據(jù)主要包括總電壓、總電流、SOC、絕緣電阻、最高單體電壓、最低單體電壓、最高溫度、最低溫度等。

2.4 電機(jī)數(shù)據(jù)

電機(jī)數(shù)據(jù)主要包括電機(jī)控制器電流、驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩等。

2.5 DCDC數(shù)據(jù)

電機(jī)數(shù)據(jù)主要包括DCDC電壓、DCDC電流、DCDC溫度等。

3 駕駛行為分析

3.1 駕駛行為特征參數(shù)提取

通常，評價(jià)用戶的駕駛行為可采用的數(shù)據(jù)主要為車速、方向盤轉(zhuǎn)角、縱向加速度、制動(dòng)減速度等，可提取的參數(shù)則包括最大值、最小值、均值、中值、眾數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差以及不同區(qū)間占比等。

3.1.1 車速

車速不僅與道路安全密切相關(guān)，更是影響新能源汽車能耗的重要參數(shù)，無疑是評價(jià)用戶駕駛行為必不可少的指標(biāo)。除最大值、最小值、中值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差等常規(guī)統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)外，不同車速區(qū)間的占比能夠細(xì)化車速離散性，可反映出用戶駕駛行為的平穩(wěn)性。

3.1.2 方向盤轉(zhuǎn)角

方向盤轉(zhuǎn)角反映了用戶對車輛的橫向控制作用，而方向盤轉(zhuǎn)速則能夠表現(xiàn)出用戶在駕駛過程中的操作行為。方向盤轉(zhuǎn)速是指用戶在單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤的角度，即

（1）

式中：為相鄰兩幀數(shù)據(jù)的方向盤轉(zhuǎn)角變化量;t為相鄰兩幀數(shù)據(jù)的時(shí)間變化量。

3.1.3 縱向加速度和制動(dòng)減速度

用戶對于加速踏板和制動(dòng)踏板的操作是駕駛行為的重要環(huán)節(jié)，具體表現(xiàn)在車輛的縱向加速度和制動(dòng)減速度數(shù)據(jù)上。采集到的新能源高頻大數(shù)據(jù)中，不包含縱向加速度和制動(dòng)減速度數(shù)據(jù)字段，需通過車速和時(shí)間計(jì)算得來，即

（2）

式中：v為相鄰兩幀數(shù)據(jù)的車速變化量;t為相鄰兩幀數(shù)據(jù)的時(shí)間變化量。若加速度a計(jì)算值為正，則為縱向加速度，記為a+;若加速度a計(jì)算值為負(fù)，則為制動(dòng)減速度，記為a-。

3.1.4 聯(lián)合分布特征參數(shù)

與車速相同，縱向加速度、制動(dòng)減速度和方向盤轉(zhuǎn)速都可采用最大值、最小值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)以及在不同區(qū)間的占比來反映其變化特征。但上述特征參數(shù)都只能基于時(shí)序信號對駕駛行為從整體進(jìn)行表達(dá)，而忽略了車速與縱向加速度、制動(dòng)減速度或方向盤轉(zhuǎn)速的同時(shí)性，故無法刻畫出用戶的急加速、急減速、急轉(zhuǎn)彎等重要細(xì)節(jié)。

為精細(xì)刻畫用戶駕駛行為，尤其是急加速、急減速、急轉(zhuǎn)彎等不良操作，本文提出利用車速-縱向加速度、車速-制動(dòng)減速度和車速-方向盤轉(zhuǎn)速聯(lián)合分布作為評價(jià)用戶駕駛行為的指標(biāo)。聯(lián)合分布特征參數(shù)可從時(shí)序角度整體把控駕駛行為，也可反映出車速與縱向加速度、制動(dòng)減速度或方向盤轉(zhuǎn)速的空間關(guān)系，能夠綜合評價(jià)駕駛行為的時(shí)空變化特征。

3.2 駕駛行為特征參數(shù)優(yōu)化

在用戶的實(shí)際駕駛行程中，不能完全覆蓋聯(lián)合分布的每個(gè)區(qū)間范圍，故駕駛行為的聯(lián)合分布特征參數(shù)存在一定的冗余性。為最大限度降低計(jì)算所需的資源，同時(shí)最大化保留駕駛行為聯(lián)合分布特征參數(shù)所蘊(yùn)含的信息，需對特征參數(shù)進(jìn)行降維優(yōu)化。

主成分分析算法是目前成熟且常用的復(fù)雜數(shù)據(jù)矩陣降維方法之一，由Pearson在1901年首次提出。利用主成分分析算法，可對駕駛行為的聯(lián)合分布特征參數(shù)進(jìn)行正交變換，將相互之間可能存在一定關(guān)聯(lián)性的駕駛行為聯(lián)合分布特征參數(shù)矩陣，正交化成為一個(gè)線性化且互不相關(guān)的參數(shù)矩陣，其中每個(gè)參數(shù)即為一個(gè)主成分。通過對所有主成分的貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率進(jìn)行分析，選取其中前若干個(gè)主成分，以反映原駕駛行為聯(lián)合分布特征參數(shù)的80%以上的信息量。經(jīng)過主成分分析，可大大減小原駕駛行為聯(lián)合分布特征參數(shù)矩陣的維度，提高計(jì)算效率。

3.3 駕駛行為自動(dòng)分類

目前行業(yè)內(nèi)通常根據(jù)駕駛激烈程度，將駕駛行為分為激進(jìn)型、普通型和溫和型。本文將采用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)中的聚類算法，基于駕駛行為的特征參數(shù)集，實(shí)現(xiàn)駕駛行為的智能化、客觀化自動(dòng)分類。

聚類算法根據(jù)數(shù)據(jù)特征參數(shù)集中各點(diǎn)相對聚類中心點(diǎn)的距離大小，確定特征參數(shù)的類別，是一種無監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，不需要在分類前對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)簽化處理。K-means算法原理簡潔、計(jì)算高效，是目前應(yīng)用最為廣泛的聚類算法。

K-means算法根據(jù)用戶給定的K值，從數(shù)據(jù)集中隨機(jī)抽取K個(gè)點(diǎn)為聚類中心，計(jì)算數(shù)據(jù)集中其余數(shù)據(jù)點(diǎn)與K個(gè)聚類中心點(diǎn)的歐式距離，按照距離大小將其分配到與之歐式距離最小的聚類中心點(diǎn)，構(gòu)成一類數(shù)據(jù)。利用K簇?cái)?shù)據(jù)中各數(shù)據(jù)點(diǎn)的均值代替原聚類中心，重新進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)分類，迭代至不再重新分配數(shù)據(jù)點(diǎn)所屬類別或聚類中心點(diǎn)不變或誤差平方和達(dá)到局部最小。其中，歐式距離計(jì)算公式為

（3）

式中：d為數(shù)據(jù)點(diǎn)到聚類中心點(diǎn)的歐式距離;n為數(shù)據(jù)點(diǎn)的維度;xi為數(shù)據(jù)點(diǎn)特征參數(shù);ki為聚類中心點(diǎn)特征參數(shù)。

其中，誤差平方和是指數(shù)據(jù)集中所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的聚類誤差總和，可一定程度上反映出聚類效果，其計(jì)算公式為

（4）

式中：SSE為誤差平方和;Ci為第i類數(shù)據(jù);ki為Ci的聚類中心點(diǎn);x為第i類數(shù)據(jù)集中的任意點(diǎn)。

4 駕駛行為能耗計(jì)算

能耗是反映新能源汽車能源消耗量的直接數(shù)據(jù)指標(biāo)，是評價(jià)新能源汽車性能的重要參數(shù)。通過車載終端設(shè)備采集來的高頻大數(shù)據(jù)中，不含有能耗字段，因此需要利用其他數(shù)據(jù)字段計(jì)算能耗。常用的能耗特征參數(shù)包括總能耗和百公里能耗，其中總能耗是指一段駕駛行程所消耗的總電量，而百公里能耗是結(jié)合行駛里程將總能耗歸一化為每百公里消耗的電量。

總能耗的計(jì)算公式為

（5）

式中：Etotal為一段駕駛行程的總能耗;n為該段駕駛行程數(shù)據(jù)的總幀數(shù);Ui為第i幀數(shù)據(jù)總電壓;Ii為第i幀數(shù)據(jù)總電流;t為第i幀數(shù)據(jù)時(shí)間戳與第i-1幀數(shù)據(jù)時(shí)間戳之差。

百公里能耗的計(jì)算公式為

（6）

式中：E100為一段駕駛行程的百公里能耗;Etotal為該段駕駛行程的總能耗;d為該段駕駛的行程里程數(shù)。

5 案例研究

本文利用運(yùn)營在天津的某品牌某款純電動(dòng)汽車采集新能源高頻大數(shù)據(jù)，所選車輛上線日期接近，且運(yùn)營在同一地域，降低了地域、電池壽命等因素對能耗的影響。

5.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

原始采集新能源高頻大數(shù)據(jù)中存在部分空值、缺省值等無效數(shù)據(jù)片段，影響后續(xù)駕駛行為分析和能耗計(jì)算的精確度，需進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗處理。本文采用的處理方法是利用有效數(shù)據(jù)片段進(jìn)行線性插值，替換無效數(shù)據(jù)片段。

原始數(shù)據(jù)按照時(shí)間戳先后順序存儲，其中包含充電工況數(shù)據(jù)和行駛工況數(shù)據(jù)，需從中篩選出行駛工況片段，用于駕駛行為分析。本文根據(jù)代表鑰匙狀態(tài)的數(shù)據(jù)字段Key_State來劃分行駛工況，Key_State為“ON”，表示行駛工況開始;Key_State為“OFF”，表示行駛工況結(jié)束。

5.2 特征參數(shù)分析

注：車速單位（km/h）

注：方向盤轉(zhuǎn)速單位（°/s）

注：縱向加速度單位（m/s2）

以駕駛員A的一次行駛和駕駛員B的一次行駛為例，分別提取其車速、方向盤轉(zhuǎn)速、縱向加速度和制動(dòng)減速度的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)和不同區(qū)間占比，如表1～表4所示。

由表1可知，駕駛員A本次行駛除怠速外，車速在45～55km/h范圍內(nèi)分布占比較高，車速較為穩(wěn)定;而駕駛員B本次行駛車速在10～70km/h范圍內(nèi)接近均勻分布，車速穩(wěn)定性差。表2結(jié)果顯示，駕駛過程中，小幅度方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)占比達(dá)80%以上，駕駛員A方向盤轉(zhuǎn)速大于10°/秒共占比14.85%，駕駛員B方向盤轉(zhuǎn)速大于10°/秒占比18.3%，駕駛員B方向盤轉(zhuǎn)速相對較快。利用表3分析可知，無論是縱向加速度高于0.75m/s2占比還是高于2m/s2的占比，駕駛員B都高于駕駛員A，故駕駛員A相對駕駛員B加速行為較為溫和。同樣，表4則反映出駕駛員A減速行為也相對溫和。

為了更精細(xì)反映用戶在駕駛過程中的行為特征，本文提取了車速-方向盤轉(zhuǎn)速、車速-縱向加速度、車速-制動(dòng)減速度聯(lián)合分布特征，以上述駕駛員A和駕駛員B的兩次行駛事件為例，其聯(lián)合分布特征參數(shù)分別如圖1～圖3所示。

注：制動(dòng)減速度單位（m/s2）

從圖1可以看出，駕駛員A方向盤轉(zhuǎn)速高于20°/s對應(yīng)的車速多集中分布在30km/h以下，而駕駛員B對應(yīng)的車速則集中在10～50km/h范圍內(nèi)，說明駕駛員B轉(zhuǎn)彎時(shí)車速高于駕駛員A。由圖2和圖3可知，駕駛員B的車速-縱向加速度以及車速-制動(dòng)減速度聯(lián)合分布都較為分散，車速、縱向加速度和制動(dòng)減速度都高于駕駛員A，駕駛較為激烈。

綜上所述，用戶的駕駛行為特征參數(shù)包括車速、方向盤轉(zhuǎn)速、縱向加速度、制動(dòng)減速度的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)和區(qū)間占比以及三種不同聯(lián)合分布特征，共383維。利用主成分算法對特征參數(shù)集進(jìn)行分析，如圖4所示，從中發(fā)現(xiàn)，前35個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到85%以上，可用于原特征參數(shù)集，實(shí)現(xiàn)特征參數(shù)集的優(yōu)化降維，降低數(shù)據(jù)集的復(fù)雜度，提高計(jì)算效率。

5.3 駕駛行為分類

理論上講，聚類數(shù)K值越大，分類更精確，然而在實(shí)際中，K值過大并不利于用戶對真實(shí)數(shù)據(jù)的分類分析，因此需要首先確定最優(yōu)聚類數(shù)K值。本文基于降維后的駕駛行為特征參數(shù)集，利用K-means聚類算法測試不同聚類數(shù)K值對于的聚類效果，如圖5所示。當(dāng)聚類數(shù)K值小于5時(shí)，誤差平方和SSE急劇下降，說明隨著K值的增大，聚類效果顯著提高;當(dāng)K值大于5時(shí)，誤差平方和SSE下降趨勢逐漸緩和，說明K值的增大對于聚類效果的提高效果不明顯。因此，本文以5為最優(yōu)聚類數(shù)，將駕駛行為劃分為5類，如圖6所示。

根據(jù)駕駛行為分類結(jié)果，分析圖6中不同類別中行駛事件的特征參數(shù)發(fā)現(xiàn)，不同類別對應(yīng)的車速-縱向加速度和車速-制動(dòng)減速度有明顯差異，能夠反映駕駛行為的激烈程度，可將5類駕駛行為按照激烈程度由低至高進(jìn)行排序，如圖7所示。圖7中，駕駛行為級別越高，其對應(yīng)的車速、縱向加速度和制動(dòng)減速度所能覆蓋的區(qū)域越廣，駕駛行為越激烈。

5.4 不同級別駕駛行為能耗分析

根據(jù)駕駛行為分級情況，對不同級別駕駛行為中所有行駛事件，利用式（6）計(jì)算百公里能耗，不同級別駕駛行為的能耗分布情況如圖8所示。1級駕駛行為樣本數(shù)為1708，百公里能耗眾數(shù)為18.5度;2級駕駛行為樣本數(shù)為1649，百公里能耗眾數(shù)為15.7度;3級駕駛行為樣本數(shù)為600，百公里能耗眾數(shù)為16.6度;4級駕駛行為樣本數(shù)為30，百公里能耗眾數(shù)為22.8度;5級駕駛行為樣本數(shù)為34，百公里能耗眾數(shù)為21.4度。其中，4級和5級駕駛行為由于樣本數(shù)較少，百公里能耗分析結(jié)果可信度降低。駕駛行為2級、3級車速穩(wěn)定，駕駛較為溫和，能耗相對較低;駕駛行為4級、5級車速較大且車速變化劇烈，能耗較高;駕駛行為1級，車速低，多為怠速事件，能耗居中。

6 結(jié)論

本文利用新能源高頻大數(shù)據(jù)，基于車速、方向盤轉(zhuǎn)速、縱向加速度和制動(dòng)減速度提取了駕駛行為的常規(guī)統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)、不同區(qū)間占比以及不同數(shù)據(jù)聯(lián)合分布等特征參數(shù)，采用主成分分析方法對特征參數(shù)集進(jìn)行降維優(yōu)化，利用K-means算法將駕駛行為從溫和至激烈劃分為5個(gè)級別，并探討了不同駕駛行為級別對應(yīng)的百公里能耗分布情況。結(jié)果表明，駕駛行為的激烈程度嚴(yán)重影響新能源汽車能耗，平穩(wěn)駕駛相對節(jié)能，可為產(chǎn)品升級和用戶駕駛提供一定指導(dǎo)建議。

課題1：廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“燃料電池乘用車整車集成及動(dòng)力系統(tǒng)平臺開發(fā)”課題課題編號2019B090909001

課題2：中汽中心重點(diǎn)課題“基于大數(shù)據(jù)分析的動(dòng)力電池安全預(yù)警模型與平臺開發(fā)”

課題3：中汽中心青年基金課題“基于純電動(dòng)汽車高頻大數(shù)據(jù)的能耗研究”

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