道路載荷譜原始數(shù)據(jù)處理算法的研究

李澤，嚴思敏，吉丹霞

（陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西 西安 710119）

前言

臺架壽命試驗是考核變速箱可靠性和耐久性的主要手段，臺架試驗條件的設(shè)置是否接近實際工況更是試驗成功與否的先決條件[1]。采集車輛的道路載荷譜是獲取實際道路工況最準確有效的方法之一，而如何從大量的路譜原始數(shù)據(jù)中準確提取出所需要的關(guān)鍵信息更是路譜研究工作的重中之重[2]。國外對汽車變速箱耐久試驗條件與實際道路工況的匹配做了很多研究，已有完善的路譜采集分析體系并制定了相關(guān)試驗標準，而國內(nèi)則是處在起步階段，缺少具有指導(dǎo)意義的數(shù)據(jù)庫[3]。本文主要從路譜數(shù)據(jù)的采集、關(guān)鍵信息的提取以及對原始數(shù)據(jù)進行有效處理的算法三個方面進行路譜工作的相關(guān)研究。

1 道路載荷譜原始數(shù)據(jù)與關(guān)鍵參數(shù)

1.1 道路載荷譜原始數(shù)據(jù)

道路載荷譜主要是由數(shù)據(jù)采集設(shè)備在車輛正常行駛過程中，從發(fā)動機CAN總線不斷提取車輛行駛的相關(guān)信息并記錄，從而得到的整個采集時間段內(nèi)的車輛行駛信息數(shù)據(jù)。為采集到完整的道路載荷譜，一般會選取路線及使用地區(qū)固定的車輛進行長時間采集[4]。以1s的采樣間隔為例，采集一個月，假設(shè)車輛每天行駛10小時，則采集到的路譜原始數(shù)據(jù)一共有1080000組，每組數(shù)據(jù)一般包括該時刻的日期、時間、ECU里程、油門開度百分比、負載百分比、瞬時油耗、車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩百分比、經(jīng)緯度、海拔等信息。數(shù)據(jù)量非常龐大。

為準確而完整地記錄路譜信息，建議采樣間隔不大于5秒，推薦采樣間隔為1s。采樣間隔過小會導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)過多而增加處理難度；當采樣間隔大于5秒時容易漏掉部分工況信息，導(dǎo)致采集得到的數(shù)據(jù)不能真實反映實際道路工況。

采集到的原始數(shù)據(jù)會以數(shù)采設(shè)備適配的格式儲存在數(shù)據(jù)儲存卡中，部分數(shù)采具有將采集到的數(shù)據(jù)實時上傳到云平臺的功能，以便用戶隨時查看采集過程是否正常。

1.2 關(guān)鍵輸入?yún)?shù)

對路譜原始數(shù)據(jù)的分析計算需要依托于車輛本身的技術(shù)參數(shù)進行。以某次輕卡城市周邊道路譜采集為例，數(shù)據(jù)處理所需的整車的基本參數(shù)如表1所示。

表1 整車的基本配置

2 關(guān)鍵信息提取與算法研究

2.1 路譜原始數(shù)據(jù)的關(guān)鍵信息提取

對于某次路譜采集的路況特征，一般用以下數(shù)據(jù)進行描述：（1）整個路譜采集過程中各擋位的使用時間，用以描述該路況下的擋位使用習(xí)慣；（2）每個擋位下，任一扭矩段和任一發(fā)動機轉(zhuǎn)速段的使用時間，用以描述該擋位使用的工況類型（例：5擋高速低扭段使用時間長，1擋低速高扭段使用時間長）；（3）換擋次數(shù)統(tǒng)計，用以考察擋位更換的頻繁程度，對同步器壽命驗證有重要意義；（4）換擋策略統(tǒng)計，即從某一擋位換入另一擋位的次數(shù)統(tǒng)計，用以具體看該路況下的擋位操作習(xí)慣（例：1擋、2擋使用時間占比不高，但換擋次數(shù)卻高于其他擋位，說明部分路況起停操作較頻繁，但長時間在固定的高擋位穩(wěn)定行駛）；（5）加速計算結(jié)果，根據(jù)“等效損傷理論”（公式1）對每個擋位向某一標準轉(zhuǎn)速和扭矩進行加速轉(zhuǎn)換，加速系數(shù)使用AGMA1或其他標準系數(shù)。該加速結(jié)果是設(shè)計變速器耐久試驗的關(guān)鍵參數(shù)，也是路譜數(shù)據(jù)采集的主要目的之一；（6）其他信息，如：每個擋位下的車速使用統(tǒng)計和油門使用統(tǒng)計等。

式中：

T——在標準載荷T0 下的總作用時間；

n0——標準載荷T0下的轉(zhuǎn)速；

ni——載荷Ti下的轉(zhuǎn)速；

ti——載荷Ti下和轉(zhuǎn)速ni下的作用時間；

T0——標準載荷；

Ti——第i級載荷；

不難看出，對路譜信息的提取均依托于一個最基本的參數(shù)，那就是每一時刻的擋位，而擋位信息卻是無法直接采集的（目前國內(nèi)商用車還是以機械式變速箱為主，無法輸出實時擋位信息），因此對擋位信息的提取就成為了路譜數(shù)據(jù)處理中最關(guān)鍵也是最難的點。

2.2 采集數(shù)據(jù)分析

目前對擋位信息的提取采用通過其他信息反算的方法，由車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等信息反算出該時刻的速比，更接近變速箱哪個擋位的速比，就認為該時刻掛入該擋位。速比反算公式如下（公式2）：

式中：

if——反算速比

vf——發(fā)動機轉(zhuǎn)速/rpm

r——輪胎半徑/m

iq——后橋速比

vc——車速 / km/h

但是，由該方法反算出來的速比受到車速及發(fā)動機轉(zhuǎn)速波動的影響較大，導(dǎo)致反推的擋位也有許多不合理的波動，這些波動會導(dǎo)致整個路譜數(shù)據(jù)分析結(jié)果不夠準確。如何用合理的算法剔除這些波動值，是道路載荷譜原始數(shù)據(jù)分析的重點和難點。本文介紹一種反算擋位波動值的剔除算法，可以使提取出的實時擋位信息更準確。

該擋位判定算法的原理是通過關(guān)鍵行車參數(shù)及在擋位的持續(xù)時間對每一時刻的擋位有效性進行判定。具體判定方法如以下流程圖1所示，將被判定的時刻記為i時刻，將i時刻的反算擋位值記為“i計算”，將i時刻最終判定的判定擋位值記為“i判定”。

圖1 擋位判定算法流程圖

通過以上判定算法后，得到的每一時刻的判定擋位值認為是該時刻所使用的擋位。使用判定后的擋位值進行后續(xù)路譜數(shù)據(jù)分析處理，會使分析結(jié)果更加準確，尤其是對擋位使用信息的分析會更加符合實際。

利用該算法對每一采集時刻反算擋位的判定可以通過MATLAB 等數(shù)學(xué)計算軟件完成，將判定前后的擋位信息放在一起比較，會發(fā)現(xiàn)判定后的擋位明顯過濾掉了判定前計算擋位存在的頻繁而不合理的數(shù)值波動。

3 總結(jié)

本文結(jié)合在實際路譜采集與分析工作中總結(jié)的相關(guān)經(jīng)驗，從采集、分析、計算三個方面對路譜采集分析相關(guān)工作進行了研究。

路譜采集分析相關(guān)工作的重點和難點是對擋位信息的提取，后續(xù)所有的分析都是基于每一采集時刻的擋位進行的，本文介紹的擋位判定算法可以有效剔除掉現(xiàn)有擋位算法所引入的大量無效波動值，使擋位計算結(jié)果更加合理，使路譜分析結(jié)果更加準確。