基于確定樣本容量的汽車循環(huán)工況研究

丁 偉，張 艷

（商丘師范學院電子電氣工程學院，河南 商丘 476000）

引言

行駛工況用于確定車輛污染物排放量和燃油消耗量、新車型的技術開發(fā)和評估以及測定在交通控制方面的風險等，是汽車工業(yè)一項核心技術[1]。開發(fā)能夠反映車輛實際行駛特征的行駛工況的意義在于：為考察某類車輛在某一地區(qū)的排放或能量消耗量提供評價標準和檢測依據；為車輛設計的動力匹配、經濟性能優(yōu)化提供參考[2]。

由于不同國家、城市和地區(qū)的交通條件不同，造成不同地方的車輛實際運行工況有很大的差異，這種差異使得同一汽車在不同地方的實際運行過程表現出不同的性能，特別是汽車的經濟性和排放性差別較大。

目前，歐洲、美國、日本等許多地區(qū)和國家都有自己的汽車行駛工況，以指導汽車的設計和檢驗等工作[3]。其中中國乘用車排放測試工況采用的是ECE15工況，該工況屬于新車型認證和產品一致性檢查采用的測試循環(huán)工況。若采用該工況去測試在用車，由于各城市具有不同的道路特征、交通流量分布、地理特征等因素，ECE15工況難以真實地反映該地車輛的實際排放量和燃油消耗量。近年來我國也開始了一些相關工況研究，而且結果初步表明，我國交通狀況、道路條件、城市結構以及交通規(guī)則等與歐洲國家均有很大差異，因此可以說歐洲ECE15工況并不能完全反映我國車輛的實際行駛狀況[4]。

基于上述情況，國內在循環(huán)工況的開發(fā)上進行了許多研究，很多城市都開發(fā)出了適合本地區(qū)的輕型車循環(huán)工況[5-7]。鄭州市城市道路建設、交通狀況等與歐洲及國內其他城市存在差異。因此，建立符合鄭州市交通特征的行駛工況，可以為鄭州市乘用車污染物排放提供評價和檢測依據。

1 公交線路確定

對每個區(qū)域的公交線路進行數量統計，統計每個區(qū)線路數量的基本原理是：公交線路經過的區(qū)域都進行公交數量統計，即如果一條線路同時過兩個區(qū)域，每個區(qū)域的線路數量都統計一次。例如303路，它同時經過一區(qū)和二區(qū)，一區(qū)和二區(qū)的線路數量都統計一次。每個區(qū)線路所占的比例就是該區(qū)的線路頻數除以總的線路頻數，劃分區(qū)域如圖1所示：

圖1 區(qū)域劃分

根據選線原則各區(qū)域所確定的公交線路分別為：

1.1 一區(qū)選線

一區(qū)中要選取12條路線，除去B3、B3區(qū)間后，還剩下10條路線。在288條路線中，強度最高的108路、Y809路、101路，而Y809路與其他線路重復太多，去除Y809路，選擇強度第四高的Y866路，對于1路、32路、603路、81路、95路、62路、109路，這些線路覆蓋范圍廣，而且重復路線較少，強度也高，所以選擇這些路線作為一區(qū)的代表。

1.2 二區(qū)選線

二區(qū)中要選取2條路線，選取303路、B12路，這兩條線路大部分在二區(qū)中，且重復線路少，強度高，覆蓋范圍廣，更具有二區(qū)的代表性，所以選擇這兩條路線作為二區(qū)的代表。

1.3 三區(qū)選線

三區(qū)中要選取1條線路，302路和60路這兩條線路最長，覆蓋范圍最廣，但由于60路中只有少部分在三區(qū)，而302路大部分在三區(qū)，所以302路是三區(qū)中最具有代表的線路。

1.4 四區(qū)選線

四區(qū)中要選取2條路線，選取129路、86路，和B17路，由于B17路的強度低于86路，所以選擇86路。129路、86路兩條線路在四區(qū)重復線路少，強度高，它們范圍廣，更具有四區(qū)的代表性，所以選擇這兩條路線作為四區(qū)的代表。

1.5 五區(qū)選線

五區(qū)中要選取3條線路， 985路和160路以及26路這三條線路較長，穿過的范圍最廣且重復較少，其他線路重復較多，線路短。這三條路線大部分在五區(qū)中，所以這三條更具代表性。

上述五個區(qū)選定的路線詳細信息如表1所示：

表1 工況試驗線路選定表

2 實際行駛工況的采集

采集試驗數據采用自主行駛法，自主行駛法不需要對試驗線路進行規(guī)劃，由駕駛員按正常駕駛試驗車輛，可獲取大量的試驗數據。實驗用車搭載為北京博洋公司開發(fā)的數據采集終端設備，如圖2所示，采樣頻率為1 Hz，數據采集設備通過GPRS網絡將采集得到的公交車實際行駛工況發(fā)送至遠程服務器數據平臺，可通過該平臺下載工況數據，獲得1 137 017條有效行駛數據。

圖2 數據采集終端

構建的工況的準確性與數據量之間關系如圖3所示，從圖3可以看出：采集的數據越多，結果會越準確。但是當采集的數據量達到一定值n后，即使增加數據量，準確性也不會隨之顯著提高。并且，如果采集得到的樣本空間過大，勢必造成數據處理上的復雜性并為存儲設備帶來負擔，為此必須確定一個合適的樣本空間。

圖3 數據量與結果準確性的關系

為了判定樣本數量是否滿足工況構建的要求，通過在MATLAB中編寫m文件，如圖4所示。計算采集數據中的特征參數的穩(wěn)定性，通過不斷增加數據量，查看特征參數的變化情況，當數據量增加到一定程度時，特征參數的變化量很小，趨于穩(wěn)定，說明所選取的數據量已經足夠，可以基本確定構建汽車行駛工況所需的數據量[8]。運用統計學中的，離散系數也稱變異系數，來判定特征參數的變異程度，其計算公式為：

圖4 樣本數量確定程序

式中，CV為離散系數；σ為樣本數據的標準差；μ為樣本數據的平均值。

根據離散系數計算公式，可得平均速度的離散系數為0.02,平均運行速度的離散系數為0.013，怠速時間比例、加速時間比例、減速時間比例、勻速時間比例的離散系數分別為0.004、0.007、0.01、0.04。因為特征參數的離散系數均小于0.1，可以說明獲得的實驗數據量趨于穩(wěn)定，可以用來構建工況。平均速度、平均運行速度隨數據量增加的變化情況如圖5、圖6所示。

圖5 平均速度變化趨勢

圖6 平均運速度變化趨勢

從圖5、圖6可以看出，工況數據量比較小的時候，平均速度和平均運行速度波動較大，隨著工況數據量的不斷增加，平均速度和平均運行速度的波動降低，最后基本趨于穩(wěn)定特征值出現明顯的起伏波動，隨著樣本數量的增加，特征值的波動減小，最終趨于一個比較穩(wěn)定的范圍。當工況數據量超過10 000 000個，主要特征參數的波動很小，說明工況特征參數基本穩(wěn)定，可以進行車輛行駛工況的構建。

對采集的得到的11 370 170條工況數據，在MATLAB編程進行運動學片段劃分，利用主成分分析（PCA）和K- means聚類分析，得到基于確定樣本容量的公交循環(huán)工況，不同行駛工況的時間比例和時間長度如表2所示，構建的循環(huán)工況如圖7所示。

表2 不同行駛工況的時間比例和時間長度

圖7 構建的循環(huán)工況

工況總運行時間為1 250 s，行駛距離為13.49 km，平均速度為13.9 km/h，最大加速度為1.45 m/s2，最大減速度為－1.5 m/s2，怠速時間比為25.2%。

3 結論

（1）綜合公交線路強度兼顧公交車運行區(qū)域和運行類型及各區(qū)域公交車數量所占比例，確定選取公交線路兼顧了公交線路強度、所選線路覆蓋鄭州市主干道、次干道、支路、環(huán)線及其外部區(qū)域，覆蓋率高，線路重復率低，能比較合理 代表鄭州地區(qū)的試驗線路。

（2）運用統計學中的離散系數確定構建工況所需的數據量，可以有效減少數據處理上的工作量，也可以減輕設備儲存的負擔。

（3）通過構建的工況結果表明：鄭州市行駛工況具有平均速度低、怠速比例高、勻速比例低等特點。