基于智能手機的純電動公交乘坐舒適性分析

馬萬良

基于智能手機的純電動公交乘坐舒適性分析

馬萬良

（長安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

為研究純電動公交運行過程中普遍存在的“暈車”問題，文章以智能手機為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，實車采集10條線路82位駕駛?cè)说闹鹈脒\行數(shù)據(jù)。將公交車運行過程分為加速、勻速、減速三個階段，分析發(fā)現(xiàn)加速、減速階段分別有49.6%、30.8%的瞬時加速度超過了舒適閾值，會使乘客出現(xiàn)不適感，同時勻速階段速度穩(wěn)定性遠低于社會車輛。此外，為研究駕駛風(fēng)格與乘坐舒適性的關(guān)系，基于車輛運行參數(shù)，利用譜聚類算法將駕駛?cè)朔譃槿?，分析發(fā)現(xiàn)駕駛風(fēng)格越激進，駕駛?cè)顺俗贿m感越強。通過對公交運行過程的分解與對駕駛?cè)说挠行Ь垲悾蔀榧冸妱庸怀俗孢m性改善、運行服務(wù)質(zhì)量評價、駕駛?cè)笋{駛技能改善等方面提供理論指導(dǎo)與數(shù)據(jù)支撐。

純電動公交；乘坐舒適性；駕駛風(fēng)格；譜聚類；智能手機

根據(jù)國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》，我國將加快提高公共領(lǐng)域新能源汽車應(yīng)用比例，在2035年實現(xiàn)公共領(lǐng)域用車全面電動化[1]，截至2020年底我國新能源公交車達到46.6萬輛，占城市公交車總量的66.2%。純電動公交不僅可以實現(xiàn)零污染、零排放對全球環(huán)境污染與氣候治理有積極作用，同時得益于其動力源的改變，車輛運行噪音、振動與空間均有了大幅提升，大大提高了乘客的乘坐舒適性。但因為電動機可以在起步瞬間爆發(fā)出最大扭矩，動能回收系統(tǒng)在行駛與制動過程中頻繁介入等原因，使得其運行特性與傳統(tǒng)公交有較大差異，導(dǎo)致“暈車”現(xiàn)象更加普遍，乘坐不適感增強。因此，應(yīng)明確純電動公交運行特性，尋找其乘坐舒適性較低的原因，同時駕駛?cè)笋{駛風(fēng)格也與車輛運行特性直接相關(guān)，建立駕駛風(fēng)格與乘坐舒適性的聯(lián)系，可針對性地提出改善純電動公交的乘坐舒適性的措施。

公交的乘坐舒適性是一個綜合評價問題，一般從車輛運行平順性、車內(nèi)環(huán)境、個性化服務(wù)等方面進行分析，對該類問題的評價方法主要有主成分分析法、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法、模糊評價法以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[2]，綜合評價客觀測度指標(biāo)的構(gòu)建是綜合評價的基礎(chǔ)，因此，不少學(xué)者對公交乘車舒適性綜合評價客觀測度指標(biāo)的構(gòu)建進行了研究。LAURA等認(rèn)為影響運行舒適性的因素有擁擠、座位舒適性、空調(diào)情況、車內(nèi)噪音[3]；王煒等提出城市公共交通系統(tǒng)服務(wù)水平評價指標(biāo)體系中運行舒適度包括平均載客率、加速度變化率、通風(fēng)性、溫度、車內(nèi)噪音5個因素，在此基礎(chǔ)上分析構(gòu)建舒適性客觀測度指標(biāo)[4]；高桂鳳等認(rèn)為運行舒適性的評價指標(biāo)為公交車滿載率和公交車座位率，但卻未將車輛運行狀態(tài)變化考慮在內(nèi)[5]?？傮w來看，公交乘坐舒適性的研究大多針對車內(nèi)環(huán)境因素，而針對公交運行平順性以及加減速振動狀態(tài)所構(gòu)建的測度指標(biāo)過于單一，致使部分指標(biāo)缺乏合理性，對評價結(jié)果有不利影響。

駕駛?cè)笋{駛風(fēng)格與車輛的燃油經(jīng)濟性、行駛安全性、乘坐舒適性等息息相關(guān)，但由于駕駛風(fēng)格受車輛、道路、環(huán)境等因素的共同影響，導(dǎo)致其內(nèi)在機理的復(fù)雜性難以量化。目前對于駕駛風(fēng)格的分類主要是基于試驗數(shù)據(jù)采用模式識別方法，將駕駛風(fēng)格分為激進型、一般型和保守型或相似的語義解釋，駕駛風(fēng)格的早期研究主要考慮對行車安全的影響。近年來，駕駛風(fēng)格的應(yīng)用逐漸與車輛智能控制、能源消耗管理、駕乘舒適性等結(jié)合，劉思源等采集了54名駕駛員執(zhí)行換道操作時的數(shù)據(jù)，將駕駛風(fēng)格劃分為激進型和保守型，并基于行駛時距建立了考慮駕駛風(fēng)格的換道預(yù)測模型[6]。王鑫鵬等采集20位駕駛?cè)嗽囼灁?shù)據(jù)，選取車速、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和油門踏板開度的標(biāo)準(zhǔn)差作為聚類特征，使用K-means聚類方法將駕駛風(fēng)格分為三類：保守型、一般型、激進型，將聚類結(jié)果與智能車自主決策系統(tǒng)相融合[7]。劉動通過實車試驗，選取平均車速、制動次數(shù)、加速踏板平均開度、加速度絕對值的平均值、緊急制動占比，變線次數(shù)六個駕駛風(fēng)格特征。使用主成分分析法降維后，用K-means聚類法將駕駛員分為三類：激進型、一般型、保守型，并將聚類結(jié)果與車輛跟隨控制算法結(jié)合[8]。

本研究以智能手機作為數(shù)據(jù)采集設(shè)備，采集與純電動公交乘坐舒適性相關(guān)的車輛運行參數(shù)，分析其運行特性，以尋找其普遍存在的暈車現(xiàn)象原因。然后通過機器學(xué)習(xí)聚類算法，對駕駛?cè)诉M行聚類，分析不同風(fēng)格駕駛?cè)水a(chǎn)生的車輛運行特性，探尋駕駛風(fēng)格與乘坐舒適性的內(nèi)在聯(lián)系。本研究彌補了以往研究中忽略車輛運行狀態(tài)對舒適性影響的不足，將車輛運行過程劃分為不同階段進行獨立分析，深化并拓展了駕駛風(fēng)格與乘坐舒適性的關(guān)聯(lián)，為乘坐舒適性的研究提供了新的思路。

1 實驗設(shè)備與數(shù)據(jù)采集

純電動公交車運行特性受道路情況、交通狀況、車型特點等因素的影響，為全面分析純電動公交運行狀態(tài)特征、駕駛行為特性，選擇比亞迪K9純電動公交車為研究對象，利用智能手機跟車采集其實際運行數(shù)據(jù)。該車型大量投放于常規(guī)公交線路，所選公交運行區(qū)域包含城區(qū)道路與郊區(qū)道路，可以全面反映城市公交車的運行特征。數(shù)據(jù)采集時，采集人員乘坐正常運營公交車采集實際運行數(shù)據(jù)，駕駛?cè)瞬恢?，其駕駛行為完全按照自身駕駛習(xí)慣進行。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)采集使用同一型號的智能手機，并將其坐標(biāo)軸與公交車縱向軸線平行放置，固定在公交車尾部地板上防止手機滑動，放置方式如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備放置示意圖

利用智能手機監(jiān)測車輛運動數(shù)據(jù)是一種方便易行的常用措施，實驗表明通過智能手機所采集的數(shù)據(jù)精度與高精度陀螺儀基本一致[9]。研究采用裝備有GPS模塊、距離傳感器等的智能手機采集公交車運行速度、行駛距離、經(jīng)緯度等信息。數(shù)據(jù)的記錄與導(dǎo)出借助GPS測速儀軟件，采樣頻率為1 Hz，軟件使用界面如圖2所示，其中速度采樣精度為0. 01 km/h，行駛距離采樣精度為1 m，加速度通過對速度求導(dǎo)得到，文中涉及的加速度均為公交車運行的縱向加速度。

圖2 GPS測速儀軟件使用界面

最終獲得10條公交線路82位駕駛?cè)?2.8萬條的逐秒運行數(shù)據(jù)，用于分析純電動公交車整體運行狀態(tài)與駕駛行為特性。另外，數(shù)據(jù)采集過程中采集人員特別關(guān)注了交叉口和進出站工況的交通狀況，結(jié)合GPS測速儀軟件的地圖功能，對進出站、通過交叉口進行標(biāo)記。

2 車輛運行穩(wěn)定性分析

城市公交車運行過程中站點和交叉口的存在使得公交車頻繁啟停，根據(jù)這一情況純電動公交車運行過程可分為加速、勻速、減速、怠速停車四個階段，但城市交通環(huán)境復(fù)雜，公交車運行過程中沒有完全理想的勻速狀態(tài)。實際上，所謂的勻速狀態(tài)是指公交車的行駛速度在一個速度附近輕微波動，參考TIELERT等人[10]對運行狀態(tài)的劃分，本文勻速狀態(tài)定義為瞬時加速度的絕對值小于等于0.15 m/s2的行駛過程，加速階段為瞬時加速度大于0.15 m/s2的行駛過程，減速階段為瞬時加速度絕對值大于0.15 m/s2的行駛過程，由于怠速停車過程中車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，對乘客的乘坐舒適性無明顯影響，本部分僅對加速、勻速、減速三個階段純電動公交的運行特性進行分析。

根據(jù)國標(biāo)GB/T 4970—2009汽車平順性試驗方法和以往研究，汽車平順性的評價一般通過，，三個軸向的加權(quán)加速度均方根值來評價[11]，本文研究的都是西安市城市公交客車，該地為平原城市，道路平整，故可不考慮垂向振動，另外根據(jù)實測數(shù)據(jù)橫向加速度值很小，在加權(quán)加速度均方根值的計算中可以忽略。故本文主要分析加速及減速階段的縱向加速度特性，以及勻速階段速度特性，結(jié)合以往研究討論純電動公交舒適性問題。

2.1 加速階段運行特性分析

繪制車輛在加速階段的瞬時加速度分布圖，如圖3所示，城市純電動公交車加速階段，加速度占比最高的是[0.15,1.15] m/s2區(qū)間，達到了86%，之后隨著加速度的增加占比逐漸減小，加速度大于1.65 m/s2的占比很小，僅為1.8%。馬駿對純電動公交客車不同工況下乘員乘坐舒適性的研究發(fā)現(xiàn)，加速階段乘員的不舒適限值為加速度小于0.53 m/s2[12]，通過統(tǒng)計分析得知49.6%的瞬時加速度值超過了此閾值，可認(rèn)為在加速階段近一半時間車輛加速度過大，可能使乘客出現(xiàn)不適感。

圖3 加速階段加速度分布圖

2.2 減速階段運行特性分析

繪制車輛在減速階段的瞬時加速度絕對值分布圖，如圖4所示，城市純電動公交車減速階段，加速度絕對值占比最高的是[0.15,1.15] m/s2區(qū)間，達到了84.2%，之后隨著加速度絕對值的增加占比逐漸減小，加速度絕對值大于1.65 m/s2的占比很小，僅為2.2%。馬駿對純電動公交客車不同工況下乘員乘坐舒適性的研究發(fā)現(xiàn)，減速階段乘員的不舒適限值為加速度絕對值小于0.78 m/s2[12]，通過統(tǒng)計分析得知，30.8%的瞬時加速度絕對值超過了此閾值，可認(rèn)為在減速階段近三分之一時間車輛加速度過大，可能使乘客出現(xiàn)不適感。

圖4 減速階段加速度分布圖

2.3 勻速階段運行特性分析

勻速階段的速度特征可以用平均速度、最大速度和速度分布情況等參數(shù)表征，對采集到的瞬時速度繪制如圖5所示的箱線圖，發(fā)現(xiàn)速度均值為22.14 km/h，75%分位數(shù)為32.42 km/h，說明受到逢站必停的限制，純電動公交車運行時主要以中低速為主。計算純電動公交車速度標(biāo)準(zhǔn)差為12.13 km/h，通過對社會車輛的速度計算其標(biāo)準(zhǔn)差為 6.54 km/h，相比而言，公交車標(biāo)準(zhǔn)差較大，速度波動大行駛平順性較差。

圖5 勻速階段速度分布

總體來看，純電動公交在加速階段與減速階段加速度分布基本相同，兩個階段的加速度均會導(dǎo)致不舒適現(xiàn)象，但由于乘員在加速階段的不舒適閾值較小，加速階段的不舒適占比較高，勻速階段車速波動較大，平順性比社會車輛差。針對起步階段加速度過大的問題，可通過對電機控制器的控制策略優(yōu)化實現(xiàn)減小起步加速度的目的，減速過程中動能回收系統(tǒng)的介入時刻與最終停車時刻往往達到速度峰值，應(yīng)選擇合理的再生制動控制策略保證乘員的舒適性。

3 基于純電動公交運行數(shù)據(jù)的駕駛風(fēng)格聚類

車輛運行特性不僅與車輛本身相關(guān)，還與駕駛?cè)笋{駛風(fēng)格相關(guān)，駕駛風(fēng)格是駕駛?cè)讼鄬Ψ€(wěn)定的、習(xí)慣性的駕駛傾向，是駕駛?cè)诵睦硭季S與行為模式的綜合表現(xiàn)[13]。不同風(fēng)格的駕駛?cè)水a(chǎn)生的車輛運行特性不同，給乘客的舒適體驗也不同，對純電動公交車駕駛?cè)说鸟{駛風(fēng)格進行有效聚類可針對性地對駕駛?cè)丝己伺c改進，以提升純電動公交乘坐舒適性。

3.1 譜聚類模型

譜聚類是從圖論中演化出來的算法，后來在聚類中得到了廣泛的應(yīng)用。它的主要思想是把所有的數(shù)據(jù)看做空間中的點，這些點之間用邊連接起來。連接的這些邊上有權(quán)重，距離較遠的兩個點之間的邊權(quán)重值較低，而距離較近的兩個點之間的邊權(quán)重值較高。通過對所有數(shù)據(jù)點組成的圖進行切圖，讓切圖后不同的子圖間邊權(quán)重和盡可能地低，而子圖內(nèi)的邊權(quán)重和盡可能的高，從而達到聚類的目的。與傳統(tǒng)的聚類算法相比，譜聚類對數(shù)據(jù)分布的適應(yīng)性更強，聚類效果優(yōu)秀，同時聚類的計算量也小很多，能在任意形狀的樣本空間上聚類且收斂于全局最優(yōu)解，這點傳統(tǒng)聚類算法（比如K-means）很難做到[14]。具體算法流程如下：

（1）輸入個樣本點={1,2,...,x}和聚類簇的數(shù)目；

（2）計算相似度矩陣；

（3）計算度矩陣；

（4）計算拉普拉斯矩陣=-；

（5）計算的特征值，將特征值從小到大排序，取前個特征值，并計算前個特征值的特征向量1,2,...,u，組成矩陣={1,2,...,u}，∈R；

（6）令y∈R為第行向量（=1,2,...,），使用K-means算法將新樣本點={1,2,...,y}聚類成簇1,2,...,C；

（7）輸出聚類結(jié)果。

3.2 聚類與結(jié)果分析

在純電動公交運行的三個階段中，加速與減速階段對乘客舒適性影響最大，同時勻速階段的速度穩(wěn)定程度也有一定影響，最終選擇加速與減速階段加速度均值、勻速階段車速標(biāo)準(zhǔn)差三個運行參數(shù)作為聚類指標(biāo)。

圖6 聚類結(jié)果

將82位駕駛?cè)说能囕v運行參數(shù)作為輸入，使用譜聚類模型進行聚類，得到如圖6所示的聚類結(jié)果，分別有49、28、5名駕駛?cè)吮环值街?jǐn)慎型、正常型和激進型。

對不同風(fēng)格駕駛?cè)嗽诩铀佟蛩?、減速階段的車輛運行參數(shù)進行統(tǒng)計，結(jié)果如表1所示。在加速與減速階段駕駛?cè)孙L(fēng)格越激進加速度均值越大，大于乘員不舒適閾值的占比越高；在勻速階段不同風(fēng)格駕駛?cè)怂俣染底兓淮?，但駕駛風(fēng)格越激進的駕駛?cè)水a(chǎn)生的速度標(biāo)準(zhǔn)差越大。總體來看，駕駛?cè)笋{駛風(fēng)格越激進其加減速階段的加速度都較大，且勻速階段速度穩(wěn)定性較差，導(dǎo)致乘客出現(xiàn)不適感的比例增加，可認(rèn)為基于公交車運行數(shù)據(jù)的譜聚類模型對駕駛?cè)笋{駛風(fēng)格聚類效果良好。上述聚類結(jié)果表明，公交車駕駛?cè)笋{駛風(fēng)格與乘坐舒適性有較強相關(guān)性，駕駛風(fēng)格的有效聚類可為公交服務(wù)質(zhì)量評價，駕駛?cè)笋{駛技能培訓(xùn)、公交運行安全管理等提供理論支撐。

表1 不同風(fēng)格駕駛?cè)塑囕v運行參數(shù)分析

駕駛?cè)孙L(fēng)格加速度均值大于舒適閾值占比 謹(jǐn)慎型0.6545.2 正常型0.7049.9 激進型0.7356.7 駕駛?cè)孙L(fēng)格減速度均值大于舒適閾值占比 謹(jǐn)慎型-0.6528.2 正常型-0.6934.4 激進型-0.7240.1 駕駛?cè)孙L(fēng)格速度均值速度標(biāo)準(zhǔn)差 謹(jǐn)慎型22.211.3 正常型22.413.4 激進型22.515.0

4 總結(jié)

（1）基于智能手機監(jiān)測的純電動公交運行數(shù)據(jù)，將公交運行過程分為加速、勻速、減速階段，研究發(fā)現(xiàn)純電動公交在加速階段有49.6%的瞬時加速度超過了舒適閾值，減速階段有30.8%的瞬時加速度超過了舒適閾值，勻速階段的速度穩(wěn)定性遠高于社會車輛。由于純電動公交的動力特性，純電動公交的乘坐不適感主要出現(xiàn)在加減速階段，其中加速階段尤為嚴(yán)重。

（2）基于純電動公交運行數(shù)據(jù)，利用譜聚類算法可對公交車駕駛?cè)笋{駛風(fēng)格進行有效劃分，聚類結(jié)果表明，駕駛?cè)笋{駛風(fēng)格越激進，乘客乘坐舒適度越差。對駕駛?cè)笋{駛風(fēng)格的有效分類，可為公交服務(wù)質(zhì)量評價、駕駛?cè)笋{駛技能改善、車輛運行安全分析等提供有效支持。

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Ride Comfort Analysis of Pure Electric Bus Based on Smart Phone

MA Wanliang

( School of Automobile, Chang'an University, Xi'an 710064, China )

In order to study the common problem of "carsickness" in the operation of pure electric bus, this paper uses smart phones as data acquisition equipment to collect the second by second operation data of 82 drivers on 10 lines. The bus operation process is divided into three stages: acceleration, uniform speed and deceleration. The analysis shows that 49.6% and 30.8% of the instantaneous acceleration in the acceleration and deceleration stages respectively exceed the comfort threshold, which will make passengers feel uncomfortable. At the same time, the speed stability in the uniform stage is far lower than that of social vehicles. In addition, in order to study the relationship between driving style and ride comfort, drivers are divided into three categories by using spectral clustering algorithm based on vehicle operating parameters. The analysis shows that the more aggressive the driving style is, the stronger the ride discomfort will be. Through the decomposition of the bus operation process and the effective clustering of drivers, it can provide theoretical guidance and data support for improving the riding comfort of pure electric bus, the evaluation of operation service quality, and the targeted improvement of drivers' driving skills.

Pure electric bus; Ride comfort; Driving style; Spectral clustering;Smart phones

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.001

U491

A

1671-7988(2022)21-01-06

U491

A

1671-7988(2022)21-01-06

馬萬良（1997—），男，碩士研究生，研究方向為智能駕駛與主動安全技術(shù)，E-mail:1010503402@qq.com。

長安大學(xué)研究生科研創(chuàng)新實踐項目（300103722022）。