基于主成分分析的商用車動力性評價方法研究

雷穎絮 李應濤 曹蓓蓓

摘要：動力性是商用車的一項重要特性。本文引入部分油門下的車輛爬坡能力作為商用車整車動力性評價指標的補充，增強了動力性評價結果的準確性，同時采用主成分分析法建立整車動力性評價模型，實現了整車動力性進行合理的預測，為車輛正向開發提供依據。

關鍵詞：動力性;評價方法;主成分分析

中圖分類號：U462.3+4 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018） 02-0041-04

近年來隨著國內運輸市場對時效性要求的提高，我國商用車用戶尤其是重型牽引車的用戶對整車的動力性要求越來越高。如何解讀用戶對動力性的需求，并通過有效的指標對其進行評估，成為了各大汽車生產廠商重點研究的課題。

1 引入駕駛員因素的商用車動力性評價方法

在傳統的商用車動力性評價指標中，通常包括最高車速umax、加速時間t和最大爬坡度imax_個指標。此時的動力性指標表示車輛在油門踏板100%開度下，整車發出的動力性能。但是在評價指標的實際使用過程中，有時會出現客觀評價結果和主觀評價結果不一致的情況。如部分用戶反饋，A品牌商用車在坡道運行過程中動力不足，與B品牌商用車動力性存在差距，但是通過整車試驗測量出的動力性指標結果卻往往與用戶的感覺相反。出現這種情況的原因主要有：

1）出現動力不足的車輛存在故障，如發動機本體或者發動機相關系統故障，導致發動機實際發出功率與理論值存在偏差。

2）A品牌部分用戶駕駛方法存在問題，如在上坡過程中仍保持較小的油門開度，導致發動機轉速偏低，輸出功率也偏低。

3）A品牌與B品牌車輛的油門特性存在差異，在同樣的駕駛踏板開度下，B品牌的油門開度較A品牌大，因此發出的功率相對較大。

通過上述分析可以看出，在現階段對商用車的動力性進行評價不能單從車輛這個角度出發，還應將駕駛員這個因素納入考慮，才能使得動力性客觀評價結果和主觀評價結果趨于一致化。

采集某6×4重型牽引車在典型山區工況的油門開度數據，并進行統計分析，可以看出，主要油門開度集中在40%-80%這個區間，100%油門的概率很低，不足0.5%，。通過對駕駛員進行訪談得知，在車輛上坡時，駕駛員并不會全程使用100%油門，而是從60%油門逐步上升，大部門時間集中在70%-80%油門開度，在需要坡道超車或者其他特殊情況時，才會使用90%-100%的油門開度。針對該情況，本文引入部分油門下車輛爬坡能力這個指標作為補充，以期對商用車動力性進行更全面的評價。

2 主成分分析簡介

主成分分析（ Principal Components Analysis）是一種利用降維的思想，將多個指標轉化為少數幾個新的綜合指標的多元統計分析方法。這些指標彼此互不相關，又能綜合反映原來多個指標的信息。多指標的主成分分析常被用做尋找某種事物或現象的綜合指標，并給綜合指標所蘊藏的信息以恰當解釋，更深刻的揭示事物內在的規律。

近年來，主成分分析法在整車性能評價中有了較為廣泛的應用。扈靜等以汽車操縱裝置的操縱力舒適性客觀定量評價為研究目標，運用主成分分析算法，采用加權主成分和價值函數，建立汽車整車操縱力舒適性評價模型;范大偉等運用主成分分析法建立年輕人相應于汽車輪轂造型的意象偏好的模型，并用分析結果進行汽車輪轂造型設計的實例研究，籍此以提高汽車輪轂設計的有效性;郝圣杰等人采用主成分分析法對汽車操縱穩定性進行評價;葉志偉制定了基于用戶打分的制動性能分析方法，并用主成分分析方法提取出用戶較為敏感的指標。

主成分分析的步驟如主要包括：

1）原始數據矩陣標準化

2）計算相關系數矩陣

3）計算相關系數矩陣特征值

4）按照累計貢獻率提取主成分

5）計算主成分負載荷及主成分得分

文章篇幅所限，不再贅述主成分分析的數學原理，在下文中通過案例展示分析過程。主成分的分析軟件包括SAS、SPSS和MINITAB等，本文采用SPSS軟件進行計算。

3案例分析

某公司對開發的重型牽引車的動力性進行評價，評價指標及試驗測試結果如下表所示，通過主成分分析法尋找出新的綜合指標，建立動力性評價模型。

將以上矩陣進行標準化后如下：

采用SPSS進行主成分分析，結果如下表3：

上表說明第1主成分Prin1包含原始變量80.547%的信息，第2主成分Prin2包含原始變量9.408%的信息。前兩個變量已經包含原始變量近90%的信息，后3個主成分僅包含10%的信息，所以不考慮。

上表為主成分得分系數矩陣，可知前兩主成分為：Prin1=0.237ZX₁-0.227ZX₂-0.208ZX₃+0.235ZX₄+0.205ZX₅Prin2=-0.436ZX₁+0.459ZX₂+0.537ZX₃+0.359ZX₄+1.144ZX₅

Prin1是反映整車最大車速、全油門加速上坡和部分油門上坡的綜合指數;Prin2中ZX₅的系數最大，主要反映部分油門上坡能力。

計算得出這16個車型動力性得分及排序如下表5：

從上表中可以看出，總體來說，15號車動力性最佳，7號車最差;從部分油門動力性來看，仍然是15號車最佳，但是最差的為10號車。

1號車為第1節中提到的A品牌牽引車，13號車為B品牌牽引車。從動力性總體得分來看，1號車優于13號車，但是從部分油門動力性得分來評價，13號車則優于1號車，與用戶市場反饋中提到的“上坡感覺動力不足”是一致的。針對該反饋，A品牌商用車公司針對1號車開展了一系列的動力性改善措施，其中關鍵措施為整車油門特性的優化。3號車即為優化后的試驗結果。可以看出，3號車整體動力性和部分油門動力性得分均優于13號車，與駕駛員的最終的主觀評價結果一致。因此，在商用車整車動力性的正向開發過程中，結合用戶的實際使用情況，將部分油門下的整車動力性表現納入動力性評價模型，會使得評價結果更加科學。部分油門下的整車動力性表現，除了上文中提到3%坡道最低車速，部分油門超車加速亦是用戶常用工況。

4總結

本文采用統計學中的主成分分析法對商用車整車動力性進行了研究，主要創新點包括：第一，在整車動力性評價中考慮了駕駛員的實際使用習慣，引入部分油門特性下的爬坡速度這個評價指標;第二，采用主成分分析法建立了商用車動力性評價指標模型，可對整車的動力性進行預測，對整車的正向開發提供支撐。但是，該方法還存在一定局限性，如該模型只針對一固定范圍內的車型，如車輛類型、驅動形式等，一旦車輛這些邊界條件發生變化，則需要補充試驗對模型進行修正。