山東交通學(xué)院 趙 順，成 欽

汽車行駛工況是指在某一特定環(huán)境下汽車行駛的速度與時(shí)間之間的變化規(guī)律，它是測定或者評價(jià)機(jī)動車污染物排放量和燃油消耗水平的重要依據(jù)，與此同時(shí)，對新車型的技術(shù)開發(fā)認(rèn)證、車輛參數(shù)匹配、控制策略的制定和節(jié)能減排的發(fā)展具有重要的價(jià)值。目前世界范圍內(nèi)汽車行駛工況主要有美國行駛工況、歐洲行駛工況、日本行駛工況，我國一直采用的是歐洲行駛工況，但是，我國幅員遼闊，各城市之間的道路規(guī)劃情況、交通擁堵情況、環(huán)境狀況等與歐洲有著明顯的差異，采用歐洲行駛工況并不能反映我國的實(shí)際道路情況。

濟(jì)南市地處山東省中部是全國重要的交通樞紐，地形東西狹長，濟(jì)南市東、西、南三面鄰山，東西方向?yàn)橹饕慕煌飨颉?jì)南市獨(dú)特的交通特點(diǎn)可代表某些沿直線方向發(fā)展的城市的實(shí)際交通路況，因此構(gòu)建濟(jì)南市輕型車行駛工況可以為中國汽車的道路行駛工況的構(gòu)建提供有利依據(jù)。本文根據(jù)濟(jì)南市輕型車實(shí)際道路行駛工況，采用自主駕駛法采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用Matlab軟件進(jìn)行了短行程劃分及特征值計(jì)算，并采用主成分分析法對各短行程片段的特征值進(jìn)行了降維處理，采用聚類分析法對所有短行程進(jìn)行了分類，構(gòu)建了濟(jì)南市輕型車行駛工況。

1 試驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)采集

1.1 數(shù)據(jù)采集方法

目前，國內(nèi)外在構(gòu)建車輛實(shí)際道路行駛工況時(shí)采用的數(shù)據(jù)采集方法主要有3種：車輛跟蹤法、循環(huán)路線法、自主駕駛法。本文采用自主駕駛法，此方法隨機(jī)性強(qiáng)，不用提前規(guī)劃試驗(yàn)線路，但是需要多臺車輛同時(shí)試驗(yàn)以獲取不同車型的大量數(shù)據(jù)，且試驗(yàn)周期較長。完全自主駕駛最能反映人們的日常駕駛行為、習(xí)慣，所采集的數(shù)據(jù)隨機(jī)性強(qiáng)、覆蓋面廣、代表性強(qiáng)，能最大程度上反映實(shí)際道路情況。

1.2 試驗(yàn)規(guī)劃

（1）試驗(yàn)設(shè)備。本試驗(yàn)使用的車載數(shù)據(jù)采集終端是由中國汽車技術(shù)研究中心開發(fā)研制的工況數(shù)據(jù)記錄儀，該設(shè)備可安裝GPRS手機(jī)卡和SD存儲卡，該數(shù)據(jù)采集設(shè)備外部接線口分別與車輛的OBD接口和GPS定位設(shè)備連接，設(shè)備的采樣頻率為1 Hz，采集的數(shù)據(jù)包括車輛速度、經(jīng)緯度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、瞬時(shí)油耗和節(jié)氣門開度等28項(xiàng)數(shù)據(jù)，并以文本的形式存儲到SD卡中，通過GPRS流量將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到中國汽車技術(shù)研究中心的數(shù)據(jù)監(jiān)控統(tǒng)計(jì)平臺。

（2）試驗(yàn)對象。本文研究對象為輕型車，指最大質(zhì)量≤3.5 T的M類汽車和N類汽車。在試驗(yàn)車輛選取之前，針對濟(jì)南市車輛的類型、保有量進(jìn)行了調(diào)研，對車輛的品牌、動力類型、發(fā)動機(jī)排量、變速器類型、車齡等基本情況進(jìn)行了調(diào)研，根據(jù)調(diào)研結(jié)果選取了70輛輕型車作為試驗(yàn)對象。車輛品牌覆蓋了自主品牌、德系、法系、日系、美系和韓系等車型；在變速器類型方面，包括自動變速器，雙離合變速器、無級變速器、手動變速器；在車齡方面覆蓋了各車齡段的車輛，其中5年內(nèi)的車輛占據(jù)了83%；在發(fā)動機(jī)排量方面以1.6 L及以下的輕型車為主，占據(jù)了車輛總數(shù)的67%；駕駛?cè)四挲g分布方面，以35歲以上的經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛?cè)藶橹鳌?/p>

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 短行程劃分

汽車的行駛過程一般包括加速、減速、勻速、怠速等4種不同的行駛狀態(tài)。在工況構(gòu)建過程中需要針對運(yùn)動學(xué)片段定義一些特征參數(shù)（例如：平均速度、最高速度、最大加速度、加速模式比例等）去評價(jià)運(yùn)動學(xué)片段的有效性等，其中部分特征參數(shù)的定義設(shè)計(jì)車輛行駛的加速、減速、勻速、怠速等4種模式，因此本課題對運(yùn)動學(xué)片段的模式劃分如下：

怠速模式：車輛的發(fā)動機(jī)連續(xù)工作，但是車速為0 m/s時(shí)的車輛行駛狀態(tài)；

加速模式：當(dāng)速度Vt-Vt-1＞0.15 m/s，且車速大于0 m/s的車輛行駛狀態(tài)；

減速模式：當(dāng)速度Vt-Vt-1＜-0.15 m/s，且車速大于0 m/s的車輛行駛狀態(tài)；

勻速模式：當(dāng)速度|Vt-Vt-1|≤0.15 m/s，且車速大于0 m/s的車輛行駛狀態(tài)。

運(yùn)動學(xué)片段指整個(gè)車輛行駛的過程中一個(gè)速度為0 m/s的點(diǎn)開始到下一個(gè)速度為0 m/s的點(diǎn)為止，即車輛行駛過程中兩個(gè)相鄰?fù)＼圏c(diǎn)之間的部分。為了方便實(shí)際道路行駛工況的構(gòu)建，在工況構(gòu)建之前，需對采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)片段的劃分，使用Matlab軟件對運(yùn)動學(xué)片段進(jìn)行劃分，剔除有偏差的數(shù)據(jù)后，最終挑選了2 250個(gè)運(yùn)動學(xué)片段。

2.2 特征值計(jì)算

經(jīng)查閱大量的文獻(xiàn)，定義了運(yùn)動片段時(shí)間、加速時(shí)間、勻速時(shí)間等13個(gè)用于分類的短行程特征參數(shù)值；定義了加速模式時(shí)間比例、0 km/h～10 km/h速度段比例，0 m/s2～1 m/s2加速段比例等21個(gè)用于有效性判定的短行程特征參數(shù)值。按照特征值計(jì)算方法，對選取的2 250個(gè)運(yùn)動學(xué)片段進(jìn)行特征值的計(jì)算，結(jié)果見表1所列。

表1 特征值計(jì)算結(jié)果

2.3 主成分分析

由于各個(gè)特征值之間存在一定程度的關(guān)聯(lián)性，并非相互獨(dú)立，如果采取所有的特征值進(jìn)行行駛片段的歸類，會大大增加計(jì)算的復(fù)雜程度，但是，如果選取的特征值數(shù)量過少會影響歸類的準(zhǔn)確性，其構(gòu)建的行駛工況的真實(shí)性將會大大降低。因此，需要利用主成分分析法對用于分類的13個(gè)特征參數(shù)進(jìn)行降維處理。

主成分分析就是將原始數(shù)據(jù)中多個(gè)具有一定相關(guān)性的變量重新進(jìn)行線性組合，計(jì)算出一組無關(guān)變量來代替原先的變量，并將所有的線性組合中方差最大的綜合變量定為第一主成分，如果第一主成分不能代表原始數(shù)據(jù)中所包含的信息，繼續(xù)選擇線性組合中方差最大變量為第二主成分，當(dāng)主成分累計(jì)得分超過80%時(shí)，確定主成分的個(gè)數(shù)。

使用SPSS軟件對表1中特征值矩陣進(jìn)行主成分分析，分析得到的主成分累積貢獻(xiàn)率見表2所列，由表2可知前4個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)83.781%＞80%?？梢钥闯銮?個(gè)主成分的方差大于1，其后的主成分斜率變小，由此表明前4個(gè)主成分代表特征參數(shù)值的絕大參數(shù)信息。

表2 主成分累積貢獻(xiàn)率

表3 主成分載荷矩陣

載荷表示的是特征值與主成分的相關(guān)系數(shù)，比較某一個(gè)特征值在前4個(gè)主成分的載荷絕對值，如果此特征值在某一個(gè)主成分上的載荷絕對值最接近1，則表明該特征值與對應(yīng)的主成分的相關(guān)性最高，即選取此主成分來代替該特征值。表3為前4個(gè)主成分的載荷，通過分析相關(guān)性可知：第1個(gè)主成分主要代表行駛里程、加速時(shí)間、減速時(shí)間、運(yùn)動片段時(shí)間、平均速度、最大速度、勻速時(shí)間、平均行駛速度；第2個(gè)主成分主要代表減速度平均減速度、最大減速度、加速度平均加速度、最大加速度；第3個(gè)主成分主要代表平均速度、怠速時(shí)間；第4個(gè)主成分主要代表怠速時(shí)間。

2.4 聚類分析

聚類分析是一種建立分類的多元統(tǒng)計(jì)分析方法，它能夠?qū)⒁慌鷺颖荆ɑ蜃兞浚?shù)據(jù)根據(jù)其諸多特征，按照在性質(zhì)上的親疏程度在沒有先驗(yàn)知識的情況下進(jìn)行自動分類，產(chǎn)生多個(gè)分類結(jié)果。每類內(nèi)部個(gè)體特征之間具有相似性，不同類間個(gè)體特征的差異性較大。經(jīng)過調(diào)研分析，濟(jì)南市的道路情況可分為3類，主要為市區(qū)擁堵路況，市區(qū)通暢路況，市郊或高速通暢路況。所以在對運(yùn)動學(xué)片段的主成分分析結(jié)果進(jìn)行聚類分析時(shí)，采取了較為合適的K-均值聚類法，使用SPSS軟件進(jìn)行聚類分析為了使聚類結(jié)果可信度更高，設(shè)置的迭代次數(shù)為50次，經(jīng)過軟件的聚類分析結(jié)果可知經(jīng)過21次迭代之后，將2 179個(gè)運(yùn)動學(xué)片段分為3類，得到的聚類結(jié)果及其特征值見表4所列。

由表4可知，第一類運(yùn)動學(xué)片段的平均車速是三類運(yùn)動學(xué)片段的最低，僅為12.33 km/h，且怠速比例高達(dá)65.19%，因此第一類運(yùn)動學(xué)片段代表的是市區(qū)擁堵路況。第三類運(yùn)動學(xué)片段的平均車速為18.81 km/h，介于三類之間，且怠速比例遠(yuǎn)低于第一類，由此可知第三類運(yùn)動學(xué)片段代表的為市區(qū)通暢路況。第二類運(yùn)動學(xué)片段的平均車速為45.65 km/h，高于第一類、第三類運(yùn)動學(xué)片段，怠速比例遠(yuǎn)低于第一類、第三類，因此第二類運(yùn)動學(xué)片段代表的是市郊或高速通暢路況。

表4 各類別及總樣本綜合特征值

3 行駛工況的構(gòu)建與分析

3.1 行駛工況構(gòu)建

本文調(diào)研了我國乘用車單次出行的時(shí)長約為30 min，該時(shí)長既能滿足統(tǒng)計(jì)學(xué)的代表性，又具備在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行機(jī)動車污染物排放測試和油耗測試的可行性。因此，濟(jì)南市輕型車行駛工況的持續(xù)時(shí)間也設(shè)置為1 800 s。根據(jù)聚類分析的結(jié)果，從3類片段中選取一定數(shù)量的運(yùn)動學(xué)片段合成濟(jì)南市輕型車行駛工況。在每一類數(shù)據(jù)庫中根據(jù)各個(gè)運(yùn)動學(xué)片段與聚類中心的距離選取片段，計(jì)算各類短行程庫中在整個(gè)短行程庫占有的比例，結(jié)合總持續(xù)時(shí)間，計(jì)算得出三類短行程在最終工況中所占的時(shí)間，計(jì)算公式如下：

式中，ti是i類工況的持續(xù)時(shí)間，Ti為第i類工況中短行程的總持續(xù)時(shí)間，Ts是全部短行程的持續(xù)時(shí)間，tc為前文確定的濟(jì)南市輕型車行駛工況的持續(xù)時(shí)間，為1 800 s。

確定了各速度區(qū)間時(shí)間長度后，依據(jù)公式2和公式3可以計(jì)算出各個(gè)車速區(qū)間運(yùn)動片段和怠速片段數(shù)目。計(jì)算結(jié)果需圓整，結(jié)果見表5所列。

其中，Tst,i為運(yùn)動片段的平均時(shí)間，Tid,i為怠速片段的平均時(shí)間，nst,i為運(yùn)動片段個(gè)數(shù)，nid,i為怠速片段個(gè)數(shù)。各參數(shù)取值通過數(shù)據(jù)分析獲得。

為了確定需要選擇的短片段時(shí)長，對每個(gè)速度區(qū)間的運(yùn)動片段的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算對應(yīng)持續(xù)時(shí)間下的運(yùn)動片段數(shù)量，按照由短到長的順序?qū)\(yùn)動片段的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行排序，然后計(jì)算出相應(yīng)持續(xù)時(shí)間下的運(yùn)動片段數(shù)量所占的比例及運(yùn)動片段持續(xù)時(shí)間的累積頻率分布，最終，確定的低速區(qū)間運(yùn)動片段時(shí)長為：17 s，27 s，35 s，51 s，62 s，92 s，153 s；中速區(qū)間運(yùn)動片段時(shí)長為：78 s，157 s，346 s；高速區(qū)間運(yùn)動片段時(shí)長為：363 s；低速區(qū)間怠速片段時(shí)長為：6 s，10 s，14 s，19 s，27 s，36 s，52 s，86 s；中速區(qū)間怠速片段時(shí)長為：10 s，21 s，37 s，75 s；高速區(qū)間怠速片段時(shí)長為：10 s，16 s。構(gòu)成總時(shí)長為1 800 s的濟(jì)南市輕型車行駛工況。

3.2 行駛工況分析

本文構(gòu)建的濟(jì)南市輕型車行駛工況持續(xù)時(shí)間為1 800 s，行駛距離為14 416.11 m，平均車速為28.83 km/h，平均行駛速度為38.73 km/h，最大車速為105.3 km/h。

表5 低/中/高速區(qū)間短程及怠速數(shù)目的確定

圖1 濟(jì)南市輕型車行駛工況下行駛狀態(tài)比例

圖2 濟(jì)南市輕型車行駛工況下速度分布比例

圖1和圖2分別反映的是濟(jì)南市輕型車行駛工況下的行駛狀態(tài)比例和速度分布比例，根據(jù)圖1得知，濟(jì)南市輕型車在城市道路上行駛時(shí)，加減速狀態(tài)比例高達(dá)55.33%，其怠速模式比例也遠(yuǎn)高于勻速模式比例，濟(jì)南市車輛行駛過程中加減速狀態(tài)頻繁、勻速狀態(tài)較少。由圖2得知，車輛速度在0 km/h～10 km/h的比例高達(dá)33.00%，且車輛在10 km/h～20 km/h、20 km/h～30 km/h的比例較其他區(qū)間較高，分別為11.44%和12.28%，0 km/h～30 km/h的速度總占比達(dá)到56.72%，但是，車輛速度在高于60 km/h的速度區(qū)間內(nèi)的占比較小，為12.5%。

為了更好地對所構(gòu)建的濟(jì)南市輕型車行駛工況進(jìn)行分析，將其部分特征值與NEDC、FTP75、Japan15和中國第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)所采用的WLTC循環(huán)工況進(jìn)行對比分析。

行駛工況的速度特征參數(shù)對比見表6所列。從最高車速來看，歐洲的WLTC循環(huán)最高，為131.3 km/h；濟(jì)南市輕型車行駛工況分別為105.3 km/h。WLTC的平均速度達(dá)到了46.42 km/h，遠(yuǎn)高于濟(jì)南市輕型車行駛工況的28.83 km/h。另外，F(xiàn)TP75和NEDC工況的平均速度也高于濟(jì)南市輕型車行駛工況，從側(cè)面反映了歐美國城市內(nèi)的交通狀況較好，而濟(jì)南市的道路情況相對較為擁堵，這與時(shí)間特征參數(shù)分析得出的結(jié)論一致。

表6 行駛工況的速度特征參數(shù)對比

4 結(jié)論

（1）本文通過自主行駛法采集原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過軟件編程提取了2 250個(gè)運(yùn)動學(xué)片段并編寫程序計(jì)算了各運(yùn)動學(xué)片段的特征值，將特征值進(jìn)行主成分分析及聚類分析并通過短行程分析法與分類法相結(jié)合的工況構(gòu)建方法構(gòu)建了總時(shí)長為1 800 s的濟(jì)南市輕型車行駛工況。

（2）將所構(gòu)建的濟(jì)南市輕型車行駛工況與國內(nèi)外常用的NEDC、FTP75、Japan15和中國第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)所采用的WLTC循環(huán)工況進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明：濟(jì)南市輕型車行駛工況與WLTC、NEDC、FTP75等工況都存在著較大的差異，濟(jì)南市輕型車行駛工況具有其獨(dú)特的特點(diǎn)并不能由某種標(biāo)準(zhǔn)工況完全體現(xiàn)。