基于駕駛需求的換擋評價方法

陳 橋，姚廣濤，張英鋒，王繼佳

(1．陸軍軍事交通學院 研究生管理大隊，天津300161； 2．陸軍軍事交通學院 軍用車輛系，天津300161)

基于駕駛需求的換擋評價方法

陳 橋1，姚廣濤2，張英鋒2，王繼佳1

(1．陸軍軍事交通學院 研究生管理大隊，天津300161； 2．陸軍軍事交通學院 軍用車輛系，天津300161)

針對傳統換擋評價局限于只考察換擋平順性的問題，從駕駛需求角度出發，提出一種基于駕駛需求的換擋評價方法。在分析駕駛員需求和車輛運動狀態指標的基礎上，建立換擋評價模型，并對評價過程進行研究。通過車輛試驗分析，驗證了該評價方法與主觀評價方法的一致性，說明該方法可以較好地對自動變速器換擋品質進行評價，為研究復雜道路條件下的換擋控制策略提供支持。

自動變速器；換擋評價；評價系統；駕駛需求

Abstract: Since traditional shifting evaluation only considers shifting smoothness, the paper proposes a shifting evaluation method based on driving demand. After analyzing driver’s demand and vehicle state indicator, it establishes shifting evaluation model and studies the evaluation process. The vehicle test verifies the coherence of evaluation method and subjective evaluation method, and it proves that this method can evaluate the shifting quality of automatic transmission, which can provide powerful support for studying shifting control strategy under the condition of complex road.

Keywords: automatic transmission; shifting evaluation; evaluation system； driving demand

換擋評價，是指換擋動作對車輛性能和駕駛員健康的影響程度進行等級劃分的過程[1]。建立一個綜合、動態、準確的自動變速器換擋品質評價系統，對縮短研發周期、降低生產成本和優化結構設計，具有非常重要的現實意義。

對于換擋評價指標體系，目前尚未形成通用規范的定義和評價標準。Helmut提出了一種基于AVL-DRIVETM平臺的客觀評價方法[2]。陳國棟等[3]基于駕駛需求對換擋圖譜進行了分區標定和規律控制。文獻[4—5]利用不同方法和手段構建了客觀的換擋品質評價模型，經對比試驗，證明了該評價模型的有效性。

當前的換擋評價一般是基于一定的測試環境，重點考察以沖擊度和滑磨功為主的車輛平順性，根據專家給定的權值離線實施品質評價。但是，在實際道路駕駛過程中，尤其對于特種軍用車輛而言，駕駛員會根據不同的道路狀況和車輛行駛工況產生不同的駕駛需求，需求變化往往會導致駕駛評價導向的變化。例如，在車輛低速行駛時，駕駛員追求的是較好的平順性，駕駛員對小的沖擊都很敏感，較小的沖擊都會導致評價得分較低；但在逃離緊急地域時，駕駛員追求的是動力性和通過性，只要能快速逃離緊急地域，盡管換擋沖擊較大，換擋評分仍可以較高。傳統的評價方法已不能適用于快速發展的自動變速器技術評價要求，新的評價系統應在滿足能表征整車換擋過程特性的前提下朝基于駕駛需求的方向發展。

本文以裝配了某大功率液力機械式自動變速器(簡稱大功率AT)的重型試驗車輛為平臺，構建基于駕駛需求的換擋評價模型，對車輛換擋過程進行綜合的品質評價，并與主觀評價方法進行對比試驗。

1 換擋評價過程分析

整個換擋評價過程包括試驗車自檢、駕駛需求識別、駕駛評價計算、系統后評價4個部分。整個評價過程突出“人—車—環境”系統融合的評價理念，將人的需求與車輛的狀況以及環境條件有機地結合到一起。具體的評價過程如圖1所示。

圖1 評價過程流程

1.1駕駛需求識別

基于駕駛需求的換擋評價過程分析的核心問題是駕駛需求識別。將車輛駕駛過程中的所有換擋行為進行歸類，總結出以下7種換擋模式：部分油門過程中升擋、全油門過程中升擋、部分油門后升擋、全油門后升擋、全油門后降擋、緩慢加油降擋、巡航中降擋。

全油門區域開度為95%～100%，主要用于緊急加速、臨時超車、躲避攻擊和逃離危險地域等情況的駕駛需求。部分油門區域包括中大油門區域和小油門區域：中大油門區域開度為30%～95%，用于車隊高速行駛、駐車起步、爬坡涉灘等情況的駕駛需求；小油門區域開度為0～30%，用于車隊低速行駛、穩速控制、通過集市等情況的駕駛需求。具體區域劃分與駕駛需求情況如圖2所示。

1.2駕駛評價計算

評價本質上是對所考察的屬性進行加權求值的過程[6]。駕駛評價計算指的是將評價系統的各個傳感器所采集的數據進行整合運算，進而通過所構建的評價模型求出評價結果的過程。然而，原始指標數據經過初步濾波處理后，還不能直接用于計算。因為不同的指標其趨向測度不一致：有的是成本型指標，如沖擊度、滑磨功；有的是效益型指標，如換擋操控感、急加速性能；有的是區間型指標，如振動敏感頻率等。需要將其進行無量綱化和測度一致化處理來消除原始量綱的影響，通常的做法是將感興趣的指標矩陣進行多次初等數學變化。此外，還需根據指標的類型，選取適合的逼近算法。滑磨功、換擋時間等指標計算通常使用線性加權算法；沖擊度、急加速性能等指標計算通常使用非線性加權算法；振動敏感頻率等指標計算通常使用理想點加權算法。

圖2 基于油門和轉速的駕駛需求識別

1.3系統后評價

換擋評價系統是一個多指標的綜合評價系統，具有兼容性和開放性。故在評價結果輸出終端設置有一個雙輸入液晶顯示設備，一路輸入本次換擋測試評價結果，另一路輸入駕評人員對測試過程和評價結果的反饋，并以此來修正所存儲的權值庫數據，使評價系統的評價方向與駕駛員的主觀需求變化保持一致。

2 評價模型

2.1模型基本結構

整個換擋評價模型分為3個部分。第1部分是模型的輸入，主要功能是確認評價目標，根據工程需求選擇需要考察的評價項目構建合適的評價體系，并接收試驗所采集的原始數據組成初始的指標數據評價矩陣；第2部分是評價運算，主要功能是將指標數據評價矩陣進行加工處理，并根據駕駛需求匹配合適的評價權重，通過評價加權函數計算出評價結果；第3部分是模型的輸出，主要功能是對系統評價結果和駕評人員的主觀評價進行對比與反饋修正。

2.2建模過程分析

(1)依據試驗方案設計目標，從指標庫中選取適當的評價指標，建立換擋評價特征矩陣。例如，在試驗過程中，若重點考察沖擊度、換擋噪聲、換擋時間、急加速性能等4個指標的影響，而且采集了50組數據，經初步濾波處理，構成的特征矩陣為

(2)對特征矩陣A無量綱化和測度一致化處理。無量綱化的目的是將所得的指標數據回歸到0～1的范圍內，同時按照指標本身類型的測度趨向性進行轉化，統一單調性。無量綱過程為

i=1，2，…，50；k=1，2，3，4

測度一致化處理有3種基本方法[7]，分別為

①線性法。

yi=(α,β，γ)T

②非線性法。

③理想點法。

經過這兩步變換，得到新的換擋特征矩陣C：

(3)根據油門開度和車速等相關狀態，分析出當前駕駛員的駕駛需求，并利用支持向量機工具(SVM)，從根據經驗值所形成的專家權重庫中提取與當前駕駛需求最匹配的判斷矩陣，過濾掉不感興趣的指標量，檢驗一致性，生成權重分配表，形成考察權重矩陣。

經分析和讀庫提取的判斷矩陣D為

選擇調整算法和殘缺矩陣補全，進行一致性分析：

對其進行一維線性處理：

最終得到權重矩陣W：

W=(w1w2w3w4)T

(4)通過換擋特征矩陣C與考察權重矩陣W做點乘，即可得到所需要的每次換擋行為的評價結果E：

E=(e1e2e3e4)T

(5)將所求得的評價結果與駕評人員的主觀評價結果進行比較。若誤差比較大，則需修改專家權重庫中相應的權重值；若誤差在可接受的范圍內，則根據所得的結果，查找影響換擋品質的相關因素，修改換擋規律或控制油壓，以提升變速器的換擋性能。

3 評價對比試驗

3.1試驗方案設計

本文采用SVM優化統計方法設計基于駕駛需求的換擋評價系統，經過前期的訓練，具有較好的泛化能力。為驗證評價模型和所設計的評價系統的有效性，以裝配了某大功率AT的重型車輛為試驗對象，同時以裝配了手動變速器的同類型車輛作為對比組進行場地試驗。本試驗所用的大功率AT擋位設置和傳動比參數見表1。

表1 擋位設置和傳動比參數

試驗目的主要是評價該變速器的性能，試驗方案包括3個部分：一是連續升擋試驗，即在平直公路上從駐車起步，全油門加到最高擋位，考察每個擋位升擋的連貫性；二是彎道高速降擋試驗，即在最高擋位6擋的情況下，迅速降至3擋通過直角彎道，考察緊急降擋，應對外界突發事件的能力；三是模擬車隊行駛試驗，即在高速路上模擬車隊行駛，考察穩擋控速、保持車隊穩定性的能力。為簡化試驗過程，方便與對照試驗進行主觀對比，重點考察換擋過程中的沖擊度、換擋噪聲、換擋時間、急加速性能等4個指標。

3.2對比試驗評價方法與標準

試驗包括一個試驗組和兩個對照組。第1組為試驗組，其評價方法為客觀評價，利用所設計的基于駕駛需求的換擋評價系統，對測試車上安裝的傳感器所采集的數據進行處理和分析，求出每一次換擋的評價結果，然后再求平均；第2組為傳統評價組，所用數據與第1組一致，但在處理試驗數據時處理方式方法有所不同，采用的是只考慮沖擊度、滑磨功以及換擋時間3個指標的傳統評價方法，而且3個指標的權重分配均相等；第3組為裝配了手動擋的同類車型的對比試驗組，其評價方法為主觀評價法，即以專業的駕評人員生理感受為評價手段，針對每次換擋時人體的生理反應給出相應的評價結果，最后求平均。主觀評價評分標準見表2。在試驗中客觀評價方法中的沖擊度計算采用的是允許沖擊值法[7]。

3.3試驗結果對比分析

將試驗組和對比組的評價結果整理后，具體結果見表3—5。

在連續升擋試驗、彎道高速降擋試驗和模擬車隊行駛試驗中，基于駕駛需求的換擋評價模型的評價結果與主觀評價之間的一致性，整體上要好于傳統評價方法，其相對誤差在9%以內，體現了其較為理想的評價能力。

表2 主觀評價評分標準

表3 連續升擋試驗評價結果

表4 彎道高速降擋試驗評價結果

表5 模擬車隊行駛試驗評價結果

在連續升擋試驗的低擋換擋(1—2，2—3)過程和彎道高速降擋試驗中，基于駕駛需求的評價分值較傳統評價高。這是由于在全油門加速的低擋換擋和高速通過彎道時，駕駛員的動力性需求比較明顯，其分配到加速能力的權重比較大，本評價系統的評分取向傾向于優先關注駕駛員的駕駛需求，其評分會相對較高。

同時，基于駕駛需求的評價分值與主觀評價相比，在以較大加速度連續換擋和高速通過彎道過程中，雖然加速性能得到滿足，但通過彎道時車輛的加速度和行駛方向均在發生較大的變化，再加上轉彎道路的路況存在安全行車不確定性，均會給駕駛員心理產生一定的負面影響，因此導致其評分結果相對于基于駕駛需求的評價系統的評分低。

此外，在連續升擋試驗中、高擋換擋過程和模擬車隊行駛試驗中，駕駛需求體現為需求動力性和經濟性的平衡，系統評價和傳統評價的依據均一致，所以這兩種情況下的評價結果相近。

4 結 語

從駕駛需求角度出發，提出了基于駕駛需求的換擋評價方法，利用SVM方法建立了評價模型，設計了相應的評價系統，并對評價過程進行了分析。經過對比試驗驗證，該評價方法與主觀評價方法具有良好的一致性，可為評述變速器性能、優化自動控制策略、提升換擋品質提供保證。

[1] 王健.換擋質量綜合評價系統的研究[D].長春:吉林大學, 2007.

[2] LIST H O, SCHOEGGL P. Objective evaluation of vehicle drive ability[C]// International Congress & Exposition, 1998.

[3] 陳國棟.基于駕駛需求的自動變速器換擋規律標定方法研究[C]//中國汽車工程學會.2016中國汽車工程學會年會論文集.北京：中國汽車工程學會,2016:3.

[4] 雷雨龍,劉科,付堯,等.基于理想換擋過程的換擋品質評價模型[J].吉林大學學報(工學版),2015,45(2):358-363.

[5] 王葉,陶剛,李德晴,等.綜合傳動換擋品質的誤差逆傳播神經網絡評價方法[J].兵工學報,2014,(4):495-500.

[6] 王雪銘.評價方法的演變與分類研究[D].上海:上海交通大學, 2009.

[7] HUANG Q, WANG H. Fundamental study of jerk: evaluation of shift quality and ride comfort[C].SAE Paper 2004-01-2065.

(編輯：張峰)

ShiftingEvaluationMethodBasedonDrivingDemand

CHEN Qiao1, YAO Guangtao2, ZHANG Yingfeng2, WANG Jijia1
(1.Postgraduate Training Brigade, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.Military Vehicle Department, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

● 車輛工程VehicleEngineering

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.09.010

U463.2

A

1674-2192(2017)09- 0040- 05

2017-05-02；

2017-06-08．

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2012AA1112101).

陳 橋(1989—)，男，碩士研究生；姚廣濤(1962—)，男，博士，教授，碩士研究生導師.