基于在用車數(shù)據(jù)流的IUPR指標(biāo)解析和邏輯校驗(yàn)

吳 迪，錢國(guó)剛，張?zhí)┾?Wu Di，Qian Guogang，Zhang Taiyu

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基于在用車數(shù)據(jù)流的IUPR指標(biāo)解析和邏輯校驗(yàn)

吳 迪，錢國(guó)剛，張?zhí)┾?Wu Di，Qian Guogang，Zhang Taiyu

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

IUPR限值能夠督促制造商把診斷邏輯的普適性加以改善。從國(guó)內(nèi)在用車上同步采集行駛情況數(shù)據(jù)流和IUPR分子、分母數(shù)據(jù)流作解析，可以理解擁堵行駛對(duì)分子加1和分母加1的影響趨勢(shì)，遴選車輛時(shí)規(guī)定分母下限值150的必要性，以及國(guó)Ⅵ排放法規(guī)IUPR限值0.336在我國(guó)的應(yīng)用效果。以一行駛片段作參數(shù)分析，可以校驗(yàn)車輛的分母加1是否合規(guī)，可以篩查車輛的催化器等監(jiān)測(cè)項(xiàng)的分子加1是否合規(guī)。

在用車；數(shù)據(jù)流；OBD；IUPR；OBDCOND

0 引 言

OBD Ⅱ（On Board DiagnosticⅡ，車載診斷系統(tǒng)Ⅱ）運(yùn)行10年后，美國(guó)加州ARB（Air Resources Board，空氣資源委員會(huì)）察覺有的制造商把催化器等監(jiān)測(cè)項(xiàng)診斷時(shí)機(jī)設(shè)定在非常局限的行駛狀況“Enable Conditions”[1]，導(dǎo)致兩方面結(jié)果：一是故障車輛多星期甚至多月“不自知”而照常行駛和持續(xù)污染，二是取巧的汽車制造商得以削減研發(fā)標(biāo)定費(fèi)用成本。“Enable Conditions”出現(xiàn)在檢測(cè)環(huán)節(jié)FTP/Unified Cycle片段里，觸發(fā)車輛點(diǎn)亮故障燈；然而，如果選在社會(huì)在用車日常使用里的罕有狀況，制造商應(yīng)當(dāng)改進(jìn)車輛OBD設(shè)計(jì)。

IUPR（In-Use Performance Ratio，實(shí)際監(jiān)測(cè)頻率）為表征車輛OBD診斷勤惰的指標(biāo)[2-3]，OBD系統(tǒng)某一特定監(jiān)測(cè)項(xiàng)M的實(shí)際監(jiān)測(cè)頻率IUPRM為

分子為國(guó)Ⅴ法規(guī)要求的執(zhí)行該監(jiān)測(cè)的次數(shù)，OBD執(zhí)行該診斷后，對(duì)應(yīng)分子計(jì)數(shù)器需在10s內(nèi)加1；分母為滿足相關(guān)條件的車輛運(yùn)行次數(shù)，大多數(shù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)分母以一般分母計(jì)數(shù)器的觸發(fā)條件為標(biāo)準(zhǔn)：在某一駕駛循環(huán)內(nèi)，海拔2 400 m以下，環(huán)境溫度高于-7℃，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后累計(jì)運(yùn)行時(shí)間大天600 s，汽車以40 km/h行駛累計(jì)時(shí)間大于300 s，且某一時(shí)間段內(nèi)連續(xù)怠速大于30 s。當(dāng)同時(shí)滿足以上條件時(shí)，一般分母計(jì)數(shù)器在10 s內(nèi)加1。

一車型越是能在多種多樣的行駛狀況里作出診斷，在社會(huì)應(yīng)用里其車輛的分子（診斷次數(shù)累計(jì)額）就越大，比值IUPR值通常也就越高。IUPR限值促使制造商把診斷邏輯的普適性加以改善。

全球各地道路交通狀況和車主的行駛習(xí)慣等不盡相同，這些因素會(huì)影響IUPR，同一款車型在各國(guó)的IUPR有所差別。從國(guó)內(nèi)在用車上同步采集行駛情況數(shù)據(jù)流和IUPR分子分母數(shù)據(jù)流，這些實(shí)例反映出國(guó)內(nèi)車輛的參數(shù)值情況和變化規(guī)律，以及法規(guī)里指標(biāo)數(shù)值的設(shè)定緣由。數(shù)據(jù)流分析還能對(duì)車型IUPR計(jì)數(shù)行為是否違規(guī)加以校驗(yàn)。

1 樣本車輛和數(shù)據(jù)

1.1 數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)及樣本車輛

數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)由端子、蜂窩電信網(wǎng)絡(luò)和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)3大部分組成。端子插在車輛OBD端口上，由OBD端口的第16引腳供電來(lái)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，采集車輛數(shù)據(jù)流并經(jīng)由蜂窩電信模塊傳送出來(lái)。端子的驅(qū)動(dòng)程序可以遠(yuǎn)端刷寫，編程語(yǔ)句使得端子具備把IUPR數(shù)據(jù)與Mode1數(shù)據(jù)流同步上傳的功能，如圖1所示。

圖1 端子采集車輛IUPR數(shù)據(jù)的語(yǔ)句

基于這一系統(tǒng)，51輛車的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)。車輛由6輛自主品牌車、25輛歐系品牌車、14輛日韓系品牌車和6輛美系品牌車組成，地域分布為北京、天津、上海、廣州，以北京、天津?yàn)橹鳌?1輛汽車中34輛是國(guó)Ⅴ車輛。2015年底開始采集數(shù)據(jù)，一些車輛發(fā)送了數(shù)個(gè)星期的數(shù)據(jù)流，其他車輛發(fā)送了數(shù)個(gè)月的數(shù)據(jù)流。

1.2 樣本車輛數(shù)據(jù)流參數(shù)

端子從車上讀取數(shù)據(jù)響應(yīng)報(bào)文，前后報(bào)文逐行組合起來(lái)成為數(shù)據(jù)流。各行數(shù)據(jù)里的參數(shù)除了國(guó)Ⅲ、Ⅳ階段排放法規(guī)里已規(guī)定的車速、空氣流量、進(jìn)氣歧管絕對(duì)壓力等變量之外，還有從國(guó)Ⅴ開始新增加的IUPR[4]相關(guān)數(shù)據(jù)。其中，OBDCOND為一般分母值，***COND為某監(jiān)測(cè)項(xiàng)的分母值，***COMP為某監(jiān)測(cè)項(xiàng)的分子值，若在一個(gè)行駛過(guò)程中完成了該診斷則數(shù)值加1，例如催化器診斷分子 CATCOMP及催化器診斷分母CATCOND。監(jiān)測(cè)項(xiàng)M的分子值與分母值之比IUPRM反映車輛實(shí)施診斷的“勤快”程度。

2 IUPR指標(biāo)解析

2.1 擁堵行駛與通常行駛下的比較

一些樣本車輛在連續(xù)多天的行駛時(shí)間里基本處于擁堵路況，表現(xiàn)為車速小于50 km/h的時(shí)間占比高、車速峰值低、怠速比例大。這些代表?yè)矶滦旭偅浞肿蛹?和分母加1的統(tǒng)計(jì)特征與該車的其他時(shí)期情況有所差別，也不同于其他樣本車的情況。將擁堵行駛之外的情況統(tǒng)稱為通常行駛。

2.1.1 分子加1的差異

擁堵行駛、通常行駛這兩種應(yīng)用情況下，催化器監(jiān)測(cè)項(xiàng)的日均分子加1的頻次差異明顯。34輛國(guó)Ⅴ車輛中24輛車有較充分的通常行駛和擁堵行駛兩種狀況的數(shù)據(jù)；其他10輛車數(shù)據(jù)片段非常少，不適合作為通常行駛和擁堵行駛的比較基礎(chǔ)。24輛車通常行駛和擁堵行駛下催化器分子增加情況如圖2所示，一些車采集得來(lái)的通常行駛和擁堵行駛不只1輪，則多追加1個(gè)通常行駛和擁堵行駛的數(shù)據(jù)點(diǎn)。通常行駛的催化器分子日均增加值的散點(diǎn)分布總體處于擁堵行駛的上方，對(duì)通常行駛下的值作簡(jiǎn)單平均得到平均值為1.32，而擁堵行駛下平均值為0.34。

類似地，通常行駛和擁堵行駛兩種情況的前氧傳感器、后氧傳感器、VVT/EGR監(jiān)測(cè)項(xiàng)分子加1的日均頻次統(tǒng)計(jì)如圖3～5所示。通常行駛和擁堵行駛的日均診斷次數(shù)平均值情況見表1。圖3、圖4中前、后氧傳感器的散點(diǎn)分布形態(tài)與圖2中散點(diǎn)形態(tài)相類似，而VVT/EGR監(jiān)測(cè)項(xiàng)的散點(diǎn)分布相對(duì)更為貼近，且數(shù)值總體較高，反映出VVT/EGR監(jiān)測(cè)項(xiàng)對(duì)通常行駛和擁堵行駛的敏感性較低。VVT/EGR監(jiān)測(cè)項(xiàng)對(duì)監(jiān)測(cè)條件的要求相對(duì)比較簡(jiǎn)單，多數(shù)車型完成此診斷比完成催化器診斷更及時(shí)。擁堵行駛下，各監(jiān)測(cè)項(xiàng)都表現(xiàn)為分子加1的時(shí)域密度減小。

圖2 催化器分子加1規(guī)律

圖3 前氧傳感器分子加1規(guī)律

圖4 后氧傳感器分子加1規(guī)律

圖5 VVT/EGR分子加1規(guī)律

表1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)日均增加值的平均值

2.1.2 分母加1的差異

IUPR數(shù)據(jù)流里參數(shù)IGNCNTR為點(diǎn)火循環(huán)計(jì)數(shù)，車輛上電、點(diǎn)火之后加1；OBDCOND為一般分母，一次行程只有在多項(xiàng)條件都達(dá)成之后才會(huì)加1，如圖6所示，圖中橫軸為數(shù)據(jù)流的序號(hào)，相鄰序號(hào)時(shí)間間隔為1 s或2 s，分母加1的階躍時(shí)點(diǎn)和前氧傳感器完成診斷的時(shí)點(diǎn)兩條階躍線為分母、分子變化過(guò)程，不表示數(shù)值。

圖6 一般分母加1條件達(dá)成的例子（某車1個(gè)行程前半部分動(dòng)態(tài)過(guò)程）

車輛OBDCOND值通常小于IGNCNTR值，且在一個(gè)時(shí)段前后，車輛OBDCOND增量與IGNCNTR增量的比值也隨著通常行駛、擁堵行駛兩種應(yīng)用情況而有所差異，通常行駛下兩者的比值大于擁堵行駛下兩者的比值，如圖7所示，這表明擁堵行駛下車輛的一般分母加1的行程個(gè)數(shù)增長(zhǎng)緩慢。通常行駛下一般分母增量與點(diǎn)火次數(shù)比值增量的線性擬合系數(shù)值為0.414，而擁堵行駛對(duì)應(yīng)的線性擬合系數(shù)值為0.034，后者僅為前者的1/12。

圖7 一般分母日均增加值與點(diǎn)火次數(shù)日均增加值

2.2 分母增長(zhǎng)歷程與分母值為150的規(guī)定

當(dāng)依照國(guó)Ⅴ法規(guī)中IUPR規(guī)定[4]來(lái)開展社會(huì)在用車輛IUPR核查時(shí)，樣車的遴選環(huán)節(jié)里對(duì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)分母等參數(shù)有要求，見表2。其中，第3條為應(yīng)用最廣泛的減排技術(shù)，應(yīng)滿足分母值大于等于150的要求。

表2 樣車監(jiān)測(cè)項(xiàng)分母數(shù)值要求

2.2.1 OBDCOND起步值的必要性

新車初交付使用的幾周或幾個(gè)月的行駛行為可能不反映其習(xí)慣，例如車主照顧新車磨合而采取限速等特定行為，或出于車生或手生的緣故而格外謹(jǐn)慎。對(duì)分母值提出最低數(shù)值要求，可以淡化這些因素對(duì) IUPR統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響程度。11輛新車的一般分母值OBDCOND與點(diǎn)火次數(shù)值IGNCNTR隨車輛使用的增長(zhǎng)過(guò)程如圖8所示。假定從新車交付之日起車主的使用習(xí)慣是一貫的，則在隨后的時(shí)間里OBDCOND與IGNCNTR會(huì)呈現(xiàn)同比例增長(zhǎng)趨勢(shì)；否則，會(huì)表現(xiàn)出其他形態(tài)。

圖8中第3車、10車和17車的散點(diǎn)分布趨勢(shì)雖然呈直線，但與坐標(biāo)軸的交點(diǎn)位于軸，又與原點(diǎn)有顯著間距；第7車及12車的散點(diǎn)分布趨勢(shì)分別類似于對(duì)數(shù)函數(shù)形態(tài)及冪函數(shù)形態(tài)，并非同比例增長(zhǎng)。這5輛車的散點(diǎn)分布顯示車主使用行為有了改變，在初得新車的幾個(gè)月里行駛行為與習(xí)慣有差別，之后才回到習(xí)慣狀態(tài)。其余6輛車散點(diǎn)分布趨勢(shì)線指向坐標(biāo)圖的原點(diǎn)附近，表明車主在獲得新車之后就已依照習(xí)慣使用；盡管這6輛車沒有規(guī)律性的偏差，但從正態(tài)分布規(guī)律可知在行程段樣本過(guò)少時(shí)會(huì)使偏差偏大。這兩種情況說(shuō)明OBDCOND起步值的必要性。

圖8 分母值與點(diǎn)火次數(shù)值之間的散點(diǎn)圖

2.2.2 OBDCOND起步值設(shè)為150

選取起步值時(shí)要兼顧偏差和可實(shí)施性，OBDCOND起步值若設(shè)定為較小值會(huì)使樣車遴選更容易，但從樣車采集的IUPR值誤差會(huì)較大。例如第12車在2015年11月19日分母值達(dá)到75，將此時(shí)的催化器、前氧傳感器及后氧傳感器的IUPR值與相應(yīng)的IUPR理論真值IUPRM_TruthValue取差值75_M，該值顯著大于分母值為150時(shí)（2016年1月19日）IUPR值與IUPRM-_TruthValue的差值150_M。將車輛長(zhǎng)久使用后的IUPR值作為IUPR理論真值IUPRM_TruthValue，見表3。表中列出了第12車、19車情況，各監(jiān)測(cè)項(xiàng)M的150_M都小于75_M。

第12車的150_M數(shù)值相對(duì)不大，第19車的150_M數(shù)值相對(duì)突出。國(guó)Ⅴ要求銷售量大于5 000輛的OBD系族抽樣最低數(shù)量為15輛，采用統(tǒng)計(jì)手段將OBD系族里個(gè)別樣車偏差大的潛在危害加以弱化。

表3 樣車監(jiān)測(cè)項(xiàng)的IUPR

2.3 國(guó)Ⅵ[5]排放法規(guī)IUPR限值

基于2000—2002年美國(guó)3個(gè)城市的車主行駛樣本數(shù)據(jù)庫(kù)開展統(tǒng)計(jì)分析，得出IUPR限值為0.336，其目標(biāo)是使故障車輛OBD點(diǎn)亮故障燈不晚于2個(gè)星期的概率不低于90%。當(dāng)時(shí)社會(huì)車輛尚無(wú)OBDCOND值，只能依據(jù)車輛實(shí)時(shí)行駛曲線統(tǒng)計(jì)樣本車輛各天行程段里有幾個(gè)滿足OBDCOND條件。

參考美國(guó)做法，對(duì)51輛樣車中的國(guó)Ⅳ車輛進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。樣車組中國(guó)Ⅴ車（約30輛）的OBD數(shù)據(jù)流里包含OBDCOND參數(shù)，直接讀取。首先統(tǒng)計(jì)全體車輛各天OBDCOND增加狀況，接著用假定的IUPR數(shù)值來(lái)代入，試算出2周內(nèi)能夠觸發(fā)點(diǎn)亮的車輛數(shù)恰恰占總數(shù)90%的值。

國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定車型OBD試驗(yàn)中通常只進(jìn)行1次預(yù)處理，若制造商提出申請(qǐng)則允許2次預(yù)處理。

針對(duì)1次預(yù)處理的情況，以0.336乘以51輛樣車各車的14天（2周）OBDCOND增加值，再統(tǒng)計(jì)得數(shù)大于2的車輛數(shù)占總車輛數(shù)的比率，值為90.2%，即恰巧為90%的車輛達(dá)成了故障燈點(diǎn)亮；另外10%車輛由于慣常行駛在低速多堵工況而不能確保在2周內(nèi)點(diǎn)亮。綜合表現(xiàn)說(shuō)明0.336是適用的。

如果車輛允許2次預(yù)處理，則其點(diǎn)亮故障燈的時(shí)效性較遲。0.336限值僅能使概率達(dá)到77%，只有更高的IUPR限值才能使概率增大到90%。換個(gè)角度來(lái)看，假如目標(biāo)設(shè)定改為使故障車輛OBD點(diǎn)亮故障燈不晚于3個(gè)星期的概率≥90%，再用0.336作試算及比較，結(jié)果同樣適用。

3 基于數(shù)據(jù)流作邏輯校驗(yàn)

3.1 OBDCOND的校驗(yàn)

催化器、氧傳感器等多個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)的分母在絕大多數(shù)狀況下等于或非常近似于一般分母OBDCOND。從IUPR計(jì)算公式可知，如果分母被刻意減計(jì)，則有利于虛高IUPR值。作為防范措施，用法規(guī)對(duì)應(yīng)的條件作為算法，把數(shù)據(jù)流中車速演化情況作后臺(tái)演算，可以指出該次行駛的OBDCOND理應(yīng)加1時(shí)刻rational。如果數(shù)據(jù)流中OBDCOND參數(shù)的加1時(shí)刻report顯著遲于rational，則判斷該車疑似有分母減計(jì)傾向。可采取抽車到檢測(cè)機(jī)構(gòu)開展SAE J1699-3動(dòng)態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行判定。對(duì)圖6所示行程的OBDCOND加1作邏輯校驗(yàn)，已知該數(shù)據(jù)流在時(shí)刻16：31：53發(fā)生了OBDCOND加1，即report；將之前時(shí)刻中車速演變情況作統(tǒng)計(jì)，得出如圖9所示的結(jié)果和判斷。其中，總時(shí)長(zhǎng)、最長(zhǎng)怠速和速大于40時(shí)長(zhǎng)的單位為s；GD為一般分母，車GD加1了？沖突否？為邏輯值。車輛在該次行程中沒有出現(xiàn)違反IUPR計(jì)數(shù)規(guī)范的行為。

圖9 篩查OBDCOND加1邏輯的范例

3.2 參數(shù)間的邏輯性辨析校驗(yàn)

從IUPR計(jì)算公式可知，如果分子被刻意多報(bào)，也有利于虛高IUPR值。監(jiān)測(cè)項(xiàng)的分子加1與該監(jiān)測(cè)項(xiàng)的診斷運(yùn)行應(yīng)當(dāng)為同一事件，如果車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)或后處理信號(hào)參數(shù)顯示未發(fā)生診斷，而分子***COMP被加1，則判斷該車疑似有分子多計(jì)傾向。可采取抽車到檢測(cè)機(jī)構(gòu)開展OBD試驗(yàn)進(jìn)行判定。對(duì)圖6所示行程的瞬時(shí)噴油量、車速、催化器分子CATCOMP進(jìn)行邏輯校驗(yàn)，特別注意催化器分子加1時(shí)刻的前、后30 s數(shù)值，如圖10所示。圖中橫軸為數(shù)據(jù)流的序號(hào)，相鄰序號(hào)時(shí)間間隔為1 s或2 s，分母加1的階躍時(shí)點(diǎn)和催化器完成診斷的時(shí)點(diǎn)兩條階躍線為分母、分子的變化過(guò)程，不表示數(shù)值。在催化器分子加1時(shí)刻前的大約5 s及15 s時(shí)刻，有發(fā)動(dòng)機(jī)加濃噴油事件發(fā)生，表明車輛確實(shí)采取了診斷行為，催化器的分子加1真實(shí)可信。此外，也可以從數(shù)據(jù)流的其他參數(shù)進(jìn)行篩查性辨析。

圖10 篩查OBDCOND加1邏輯的范例

4 結(jié) 論

IUPR限值能夠督促制造商把診斷邏輯的普適性加以改善。從國(guó)內(nèi)在用車上同步采集行駛情況數(shù)據(jù)流和IUPR分子、分母數(shù)據(jù)流，傳送到后臺(tái)開展解析后獲得多項(xiàng)認(rèn)識(shí)。就通常行駛、擁堵行駛這兩種應(yīng)用情況比較而言，后者中分母加1受抑制程度強(qiáng)于分子加1的受抑制程度，即擁堵行駛并不必然拉低IUPR；對(duì)汽車制造商而言，應(yīng)更關(guān)注介于通常行駛與擁堵行駛之間的行駛情況的診斷覆蓋。

國(guó)Ⅴ、國(guó)Ⅵ法規(guī)中規(guī)定遴選車輛時(shí)分母下限值為150，實(shí)例車隊(duì)的表現(xiàn)證明該條款的合理性。從社會(huì)減排期望效果出發(fā)，并以實(shí)例車隊(duì)的分子、分母表現(xiàn)為輸入數(shù)據(jù)，推算出IUPR限值為0.336，恰為國(guó)Ⅵ法規(guī)規(guī)定，表明此條規(guī)定是適合的。

當(dāng)監(jiān)管工作中需要抽查某一款車的IUPR是否合規(guī)時(shí)，抽樣車輛依照所述方法可完成IUPR數(shù)值邏輯校驗(yàn)，就某行駛片段作參數(shù)分析，可以檢查車輛的分母加1是否合規(guī)；換裝上故障催化器之后開展行駛，可考核車輛催化器監(jiān)測(cè)項(xiàng)的分子加1是否合規(guī)。

[1]California ARB. Staff Report：Initial Statement of Reasons for Proposed Rulemaking，Technical Status and Revisions to Malfunction and Diagnostic Systems Requirements for 2004 and Subsequent Model Year Passenger Cars，Light-duty Trucks，and Medium-duty Vehicles and Engines （OBDⅡ）[R]. 2002：50-55.

[2]沈姝，田冬蓮，杜常清，等.國(guó)V在用車實(shí)際道路下IUPR分布特征研究[J].汽車技術(shù)，2016（6）：45-48.

[3]錢國(guó)剛，陸紅雨. 從OBD的IUPR運(yùn)用看汽車減排的綜合標(biāo)準(zhǔn)化[J]. 汽車標(biāo)準(zhǔn)化，2014（6）：13-19.

[4]輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第五階段）：GB18352.5—2013[S].

[5]輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）：GB 18352.6—2016[S].

2017-12-29

U467

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2018.02.008

1002-4581（2018）02-0027-06