李路生　邱慕逵　李言明　羅震　錢曉婷

摘 要：隨著全球氣候變暖，極端氣候問題頻發(fā)，汽車環(huán)境適應(yīng)性越來越受到消費者的重視。環(huán)境溫度作為汽車環(huán)境適應(yīng)性的最重要的參數(shù)，非常有必要進行更加深入準確的研究。國家氣象站點的數(shù)據(jù)，經(jīng)過地區(qū)乘用車保有量數(shù)據(jù)加權(quán)，用戶出行時刻加權(quán)，然后經(jīng)過統(tǒng)計計算得到乘用車不同環(huán)境溫度下使用時長的概率分布情況。可以很好地指導(dǎo)企業(yè)對乘用車的設(shè)計和驗證，從而以最低的成本，滿足消費者的使用要求。

關(guān)鍵詞：乘用車 環(huán)境溫度 概率分布

1 引言

我國南北跨緯度廣，各地接受太陽輻射熱量的多少不等。根據(jù)各地≥10℃積溫大小的不同，我國自北而南有寒溫帶、中溫帶、暖溫帶、亞熱帶、熱帶等溫度帶，以及特殊的青藏高寒區(qū)，各地的熱量條件差異很大。氣候環(huán)境不僅受地域影響，也受到時域的影響。當?shù)厍蛟谝荒曛胁煌臅r候，處在公轉(zhuǎn)軌道的不同位置時，地球上各個地方受到的太陽光照是不一樣的，接收到太陽的熱量不同，產(chǎn)生季節(jié)的變化和冷熱的差異。正是由于我國復(fù)雜多變有氣候環(huán)境，對汽車產(chǎn)品的耐候性提出了嚴峻的考驗。

GJB 4239—2001《裝備環(huán)境工程通用要求》中，將環(huán)境適應(yīng)性定義為：裝備（產(chǎn)品）在其壽命期預(yù)計可能遇到的各種環(huán)境的作用下能實現(xiàn)其所有預(yù)定功能和性能和（或）不被破壞的能力，是裝備（產(chǎn)品）的重要質(zhì)量特性之一。[1]汽車環(huán)境適應(yīng)性試驗作為整車試驗開發(fā)和驗證中一個不可缺少的環(huán)節(jié)，已受到國內(nèi)外汽車生產(chǎn)廠家的重視。[2]而溫度作為氣候環(huán)境的最重要的組成要素，有必要對汽車的使用環(huán)境溫度進行深入研究，知己知彼方能百戰(zhàn)不殆。本文以乘用車研究目標，對全國乘用車不同環(huán)境溫度下使用時長進行統(tǒng)計研究。

2 方法路線

想要計算乘用車不同環(huán)境溫度下使用時長的概率分布情況，需要了解每臺乘用車的使用時間和當時的溫度。將我國所有乘用車的在不同環(huán)境溫度下的使用時間相加，得到全國乘用車不同環(huán)境溫度下使用時長。將全國乘用車不同環(huán)境溫度下使用時長除以總時長，得到我國乘用車不同環(huán)境溫度下使用時長的概率分布情況。

但是我們不可能得到每臺乘用車的使用時間和當時的溫度，那么我們又怎樣得到我國乘用車不同環(huán)境溫度下使用時長的概率分布情況呢？這就是本文需要研究的內(nèi)容。

按行政區(qū)等級劃分，可將我國劃分為省、市、縣、鄉(xiāng)、村及車輛個體幾個等級，級別越小，需要的數(shù)據(jù)量就越大，數(shù)據(jù)的獲取難度就越高，統(tǒng)計的準確度就越高。我們研究乘用車在不同環(huán)境溫度下使用時長的概率分布情況用以指導(dǎo)汽車產(chǎn)品的設(shè)計和驗證，不需要極致的準確性，考慮到目前能夠獲取的數(shù)據(jù)，本文以市級行政劃分來進行統(tǒng)計計算。

按照上文的算法，以市級行政劃分進行統(tǒng)計計算，需要每市級行政劃分的乘用車保有量、環(huán)境溫度、平均用戶出行時刻及用戶出行時長。以時間（小時）為坐標軸，計算每個時間點每臺車輛的平均出行時長，然后根據(jù)乘用車的保有量計算出所用車輛的每個時間點出行時長。最后統(tǒng)計出該地區(qū)每個溫度下的車輛出行時長。將所有地區(qū)的統(tǒng)計結(jié)果相加再除以總時長即可得出我國乘用車不同環(huán)境溫度下使用時長的概率分布情況。

3 數(shù)據(jù)及其來源

3.1 環(huán)境溫度數(shù)據(jù)

環(huán)境溫度數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心——中國地面氣象站逐小時觀測資料。資料包括中國國家級地面站小時值數(shù)據(jù)，包括氣溫、氣壓、相對濕度、水汽壓、風(fēng)、降水量等要素小時觀測值。[3]實時數(shù)據(jù)經(jīng)過質(zhì)量控制，各要素數(shù)據(jù)的實有率超過99.9%，數(shù)據(jù)的正確率均接近100%。[4]本文研究我國除港澳臺以外的31個省2021/6/28～2022/6/27的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)：

式中：為某站點環(huán)境溫度逐小時時間歷程曲線，t為2021/6/28～2022/6/27逐小時時間。

3.2 汽車保有量情況

受自然、社會、經(jīng)濟和政治等多種因素的影響，從東南沿海向西北內(nèi)陸人口逐漸稀少，從東南沿海向西北內(nèi)陸經(jīng)濟發(fā)展水平逐漸降低。因此造成和不同地區(qū)受人口密度和經(jīng)濟發(fā)展水平不同，汽車的保有量也不盡相同。為準確評估乘用車使用的環(huán)境溫度的概率分布情況，本文對全國356個地級市乘用車保有量情況進行研究。本文保有量數(shù)據(jù)來源于各省、市統(tǒng)計局發(fā)布的統(tǒng)計年鑒和國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報數(shù)據(jù)。地級市汽車保有量數(shù)據(jù)函數(shù)為：

式中：為某地級市汽車保有量數(shù)據(jù)，全國地級市汽車保有量函數(shù)，我國地級行政單位。圖1是在2021年各省派出車保有量圖。

3.3 出行時刻及平均出行時長

受太陽輻射和地面散熱影響，一天內(nèi)氣溫高低呈周期性變化，這種變化離地面愈近愈明顯。因此中午時氣溫最高，日出前氣溫最低。人們?nèi)粘３鲂袝r刻有明顯的規(guī)律性，存在明顯的早、晚高峰，夜晚出行比例較低。因此乘用車使用的環(huán)境溫度出必考慮人們出行時刻的影響。隨著智能網(wǎng)聯(lián)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，可以通過用戶網(wǎng)聯(lián)數(shù)據(jù)計算出各地區(qū)用戶的日平均出行時刻和日平均出行時長h。圖2為某地區(qū)某車型用戶出行時刻統(tǒng)計結(jié)果。日出行時刻函數(shù)為：

式中：為某時刻出行車輛的比例，為時刻出行車輛的比例函數(shù)，小時時間。

4 統(tǒng)計算法

4.1 地區(qū)環(huán)境溫度計算

由于全國氣象站點多以縣級行政單位命名，各地區(qū)下轄的縣級單位數(shù)量各不相同，因此需要按地級行政單位，對各氣象站點進行定位。按各省、市統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)，全國共有2879個縣級行政單位，國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)站點共2167個，按各站點的經(jīng)緯度進行定位后，定位到各縣區(qū)的站點有2104個。然后對每個地級行政單位的下轄站點的每個時間點的溫度數(shù)據(jù)進行算術(shù)平均值計算：

式中：為某地級行政單位環(huán)境溫度逐小時時間歷程曲線，n為地級行政單位下轄氣象站點數(shù)量，為第i個站點環(huán)境溫度逐小時時間歷程函數(shù)。

4.2 每時刻出行時長

某地區(qū)乘用車平均日出行時長為h小時，受人們?nèi)粘３鲂袝r刻的影響，那么平均每臺車出行時長的逐小時時間歷程曲線可用下式計算：

式中：為某站點平均每臺車出行時長的逐小時時間歷程曲線，為時間逐小時時間歷程函數(shù)，的所有值均為常數(shù)h。

4.3 地區(qū)乘用車不同環(huán)境溫度下使用時長統(tǒng)計

統(tǒng)計曲線上，每個溫度值對應(yīng)的曲線上所有出行時長的和（統(tǒng)計間隔為1℃）：

式中：為某地區(qū)某溫度下平均用車時長，n為某地區(qū)某溫度出現(xiàn)的次數(shù)。

將所有溫度下的用車時長按溫度從小到大排列，得到地區(qū)溫度時長函數(shù)：

式中：為某地區(qū)逐溫度下用車時長，為某地區(qū)逐溫度下用車時長函數(shù)。

4.4 全國乘用車不同環(huán)境溫度下使用時長統(tǒng)計

將所有地區(qū)的統(tǒng)計結(jié)果相加再除以總時長即可我國乘用車不同環(huán)境溫度下使用時長，可按下式進行計算：

式中：為全國乘用車不同溫度下用車時長，為某地區(qū)不同溫度下用車時長。

4.5 全國乘用車不同環(huán)境溫度下使用時長概率分布

全國乘用車不同溫度下用車時長與全國總的用車時長的比值，即為全國乘用車不同環(huán)境溫度下使用時長概率分布情況：

式中：為全國乘用車不同溫度使用概率。

5 計算結(jié)果

按以上算法，得出全國乘用車不同環(huán)境溫度下使用時長概率分布情況如圖3所示。

6 結(jié)論

由統(tǒng)計結(jié)果可知，我國乘用車不同環(huán)境溫度下的概況分布為0.3%～99.7%對應(yīng)的溫度為-18℃～36℃，使用環(huán)境溫度極值為最低至-41℃，最高為46℃。汽車企業(yè)在進行汽車設(shè)計時要保證產(chǎn)品質(zhì)量，必須要了解清楚產(chǎn)品所需要面臨的使用環(huán)境，綜合衡量產(chǎn)品成本和質(zhì)量，進行針對性的設(shè)計和驗證。因此全國乘用車不同環(huán)境溫度下使用時長概率分布情況，對汽車產(chǎn)品的設(shè)計和試驗驗證有著非常重大的指導(dǎo)意義。

本文著重探討了一種全國乘用車不同環(huán)境溫度下使用時長概率分布情況的數(shù)學(xué)模型建立方法，由于數(shù)據(jù)有限，結(jié)果僅供參考。可以根據(jù)需要，按照全國縣、鄉(xiāng)、村甚至車輛個體為計算區(qū)塊，進行更長時間跨度的統(tǒng)計計算，甚至可以為某個車型、某個地區(qū)單獨進行統(tǒng)計計算，更好的服務(wù)于我國汽車產(chǎn)品的質(zhì)量提升。

研發(fā)項目：汽車可靠性試驗規(guī)范正向開發(fā)技術(shù)研究。所屬領(lǐng)域：汽車試驗。

參考文獻：

[1]中國人民解放軍總裝備部. GJB 4239—2001《裝備環(huán)境工程通用要求》［S］.2001：1.

[2]程源，劉培培，趙林平，等.汽車“三高”環(huán)境適應(yīng)性試驗開發(fā)和驗證［J］．公路與汽運，2016，3：11-13.

[3]中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所.中國氣象要素逐日站點觀測數(shù)據(jù)集[EB/OL].（2023.12.01）[2023.12.01].http：//www.igsnrr.ac.cn/.

[4]國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心.中國地面氣象站逐小時觀測資料[EB/OL].（2023.12.01）[2023.12.01].http：//data.cma.cn/.