溫 敏

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

城市道路典型行駛工況曲線的優(yōu)化與符合性判斷

溫 敏

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

車輛實(shí)際燃油消耗量與道路的交通狀況息息相關(guān)，為對(duì)車輛的實(shí)際油耗進(jìn)行評(píng)價(jià)，有必要編制城市道路典型行駛工況曲線。然而，如何讓編制的典型行駛工況曲線符合實(shí)際道路的狀況，是需要解決的問(wèn)題。文章建立了工況符合性判斷的方法，并基于工況的相關(guān)特征參數(shù)以及行駛工況在底盤測(cè)功機(jī)上的實(shí)際運(yùn)用情況，明確了工況曲線的優(yōu)化方法，這些方法具有通用性。

燃油消耗量；城市道路；行駛工況曲線；符合性；優(yōu)化

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.037

CLC NO.: U471.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)09-112-04

引言

根據(jù)GB18352.5-2013[1]，我國(guó)現(xiàn)今用于評(píng)價(jià)車輛排放及燃油經(jīng)濟(jì)性的工況仍沿用歐洲標(biāo)準(zhǔn)，采用NEDC循環(huán)工況。采用此工況，可以讓各廠家生產(chǎn)的車型站在同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行比較與評(píng)價(jià)，具備一定的可比性，但另一方面，采用該標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)出的車輛油耗，與用戶真實(shí)的駕駛情況不相符合。

當(dāng)前，我國(guó)城市道路發(fā)展迅速，高架路增多，路面增寬、交通管制加強(qiáng)，但因車輛保有量大和非職業(yè)化駕駛員比例增大，一些中大型城市交通擁堵現(xiàn)象非常嚴(yán)重。與此相比，NEDC循環(huán)工況制定于上世紀(jì)90年代，其中的城區(qū)工況加速平緩，怠速時(shí)間短，使用檔位低，與實(shí)際城市道路行駛狀況相差較遠(yuǎn)[2-4]。為此，需要建立反映實(shí)際道路結(jié)構(gòu)和交通流特征的城市道路行駛工況。

在經(jīng)歷實(shí)際道路行駛工況數(shù)據(jù)的采集、處理、并初步建立起典型城市道路行駛工況曲線之后，如何對(duì)曲線進(jìn)行優(yōu)化以使其盡可能地符合實(shí)際道路行駛狀況，就顯得格外重要。

本文基于合肥市采集處理的典型行駛工況曲線，利用AVLCruise軟件，從多個(gè)方面對(duì)工況曲線進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以期獲得與實(shí)際道路行駛工況盡可能高的符合性。

1、工況符合性的判斷條件

編制城市典型行駛工況曲線的目的是為了運(yùn)用這個(gè)工況曲線可以直接在轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺(tái)架上模擬出實(shí)際道路上的油耗情況。因此，需要站在油耗符合性與工況符合性兩方面設(shè)定判斷條件。

1.1油耗符合性

循環(huán)工況油耗測(cè)試精度的影響因素，包括駕駛員駕駛習(xí)慣的一致性，轉(zhuǎn)轂阻力加載的精度，油耗儀的測(cè)試精度，以及相關(guān)車輛狀態(tài)及環(huán)境條件的一致性等，基于這些影響因素客觀存在的事實(shí)，導(dǎo)致在轉(zhuǎn)轂上對(duì)實(shí)際道路行駛工況進(jìn)行油耗模擬時(shí)，不可能做到試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際油耗的絕對(duì)一致。

根據(jù)現(xiàn)有轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)的一般誤差范圍，駕駛員操作的差異等客觀因素，設(shè)定油耗符合性判斷條件如下：

同一臺(tái)車，同樣車輛狀態(tài)，同樣駕駛員，同樣環(huán)境條件下，在轉(zhuǎn)轂上利用典型工況曲線加載測(cè)試的油耗，與在選定的實(shí)際城市道路路線上測(cè)試的油耗，兩者偏差不超過(guò)±3%。兩類試驗(yàn)各開展三次，測(cè)試的油耗結(jié)果取平均值再進(jìn)行偏差比較。

1.2工況符合性

每段道路的工況特性以準(zhǔn)則數(shù)進(jìn)行判斷，準(zhǔn)則數(shù)表達(dá)了車輛在道路上行駛的方方面面特性，可以用來(lái)判斷所選取的工況曲線是否符合整體道路行駛情況[5]，選取的準(zhǔn)則數(shù)越多，反映出實(shí)際道路的特性也就越全面。

在進(jìn)行道路工況采集之前，需要先設(shè)定好準(zhǔn)則數(shù)，本文設(shè)定了如下32個(gè)準(zhǔn)則數(shù)，分類如下：

（1）各工況所占時(shí)間比例：包括加速工況、減速工況、勻速工況、怠速工況4個(gè)參數(shù)；

（2）各車速段所占時(shí)間比例：0-70km/h間隔10km/h取一個(gè)車速區(qū)間段，另外車速大于 70km/h的作為一個(gè)車速區(qū)間段，共計(jì)8個(gè)參數(shù)；

（3）各加速度端所占時(shí)間比例：0-1.6m/s2間隔0.2m/s2取一個(gè)加速度區(qū)間段，另外加速度大于1.6m/s2的作為一個(gè)車加速度速區(qū)間段，共計(jì)9個(gè)參數(shù)；

（4）各擋位使用所占時(shí)間比例：一至五擋，共計(jì)5個(gè)參數(shù)；

（5）平均車速：包含怠速工況在內(nèi)的所有行駛工況狀態(tài)下的車速平均值；

（6）平均行駛車速：不包含怠速工況在內(nèi)的各行駛工況狀態(tài)下的車速平均值；

（7）換擋車速：一至五擋，各相鄰擋位升擋時(shí)的車速，共計(jì)4個(gè)參數(shù)。

理論上說(shuō)，如果編制的典型工況曲線的每一條準(zhǔn)則數(shù)與實(shí)際道路采集的均一致，那么典型工況曲線就能完全反映實(shí)際道路工況的的特征，但實(shí)際上是做不到的。為了判斷是否絕大多數(shù)準(zhǔn)則數(shù)與實(shí)際道路的準(zhǔn)則數(shù)相近，引入相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析判斷。

相關(guān)系數(shù)公式如式（1）

式中，ρ(X,Y)為X，Y兩組數(shù)的相關(guān)系數(shù)；

Cov(X ,Y)為X，Y兩組數(shù)的協(xié)方差；

D(X)、D(Y)表示X，Y的方差。

該公式也可寫成式(2)

式中，RXY同樣表示X，Y兩組數(shù)的相關(guān)系數(shù)。

本論文設(shè)定的判斷條件是所編制出的典型工況曲線所有準(zhǔn)則數(shù)與實(shí)際道路工況所有準(zhǔn)則數(shù)的相關(guān)系數(shù)不小于0.95。

2、工況曲線的優(yōu)化

2.1優(yōu)化前的行駛工況曲線

在進(jìn)行城市道路采集路線選取時(shí)，需考慮城市道路的等級(jí)，城市道路分為快速路、主干道、次干道和支路四種道路。四種道路各有特點(diǎn)，紅綠燈數(shù)量、車流量、道路寬度、行車道數(shù)量、平均行車速度等各不相同，只有選取路線的四種等級(jí)道路比例與城市整體情況相符，采集的典型行駛工況才能真實(shí)全面地反映城市道路的工況特點(diǎn)。

基于前期的數(shù)據(jù)采集、分析與處理，得到初步的工況曲線如下圖1所示。

2.2典型行駛工況曲線的優(yōu)化

從以下方面對(duì)編制完成的典型工況曲線進(jìn)行分析和優(yōu)化。

2.2.1各級(jí)道路長(zhǎng)度比例

根據(jù)合肥市道路交通規(guī)劃部門數(shù)據(jù)顯示，合肥市市區(qū)快速路、主干道、次干道、支路四種級(jí)道路的分布比例約為15%:21%:25%:39%。考慮到市民為方便出行而進(jìn)行的主觀性路線選擇，快速路的比例應(yīng)該增加，次干道和支路的比例應(yīng)該減小，最終設(shè)定四種分級(jí)道路長(zhǎng)度比例范圍設(shè)定為20%-30%:35%-45%:15%-25%:10%-20%[5]。在編制好典型工況曲線后，利用AVLCruise軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，得到該工況的時(shí)間——行駛距離曲線，如下圖2所示，并進(jìn)行分析。

從分析結(jié)果來(lái)看，快速路、主干道、次干道、支路的行駛距離分別為8128m、5613.9m、3162.9m、1166.7m，，比例為30.9%:30.2%:24.6%:14.3%，與設(shè)定的比例范圍對(duì)比，快速路和主干道兩個(gè)等級(jí)道路的典型工況曲線需要進(jìn)行調(diào)整。

2.2.2發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍

在城市工況下正常行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一般不會(huì)過(guò)高或過(guò)低，過(guò)高一方面發(fā)動(dòng)機(jī)需要為高速旋轉(zhuǎn)消耗更多的燃油，不經(jīng)濟(jì)，另一方面也會(huì)產(chǎn)生噪聲大的后果。轉(zhuǎn)速過(guò)低則發(fā)動(dòng)機(jī)為維持運(yùn)轉(zhuǎn)而多噴油，同樣不經(jīng)濟(jì)，另外也會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)的后果。

本文綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速、合適的升擋轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)時(shí)駕駛員操作的合理性等多方面因素，設(shè)定工況曲線中，轉(zhuǎn)速范圍為800rpm-2600rpm。

利用 AVLCruise軟件對(duì)某版數(shù)據(jù)的支路工況進(jìn)行了分析，繪制了時(shí)間——轉(zhuǎn)速與時(shí)間——擋位曲線，如下圖 3，判斷轉(zhuǎn)速是否超出設(shè)定范圍。

從分析結(jié)果來(lái)看，支路工況曲線中，存在轉(zhuǎn)速達(dá)到2733rpm的過(guò)高點(diǎn)和轉(zhuǎn)速為663rpm的過(guò)低點(diǎn)，這些需要通過(guò)調(diào)整車速或擋位進(jìn)行優(yōu)化。

2.2.3換擋頻繁性

在連續(xù)升擋和連續(xù)降擋過(guò)程中，相鄰擋位間的操作時(shí)間間隔不可太小，否則在轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)時(shí)，駕駛員無(wú)法按時(shí)完成。

參考NEDC工況中的擋位設(shè)定，其中最短的升擋間隔為5.5s。為此，設(shè)置本工況最小升擋間隔為5s，下圖4截取了一段工況曲線進(jìn)行說(shuō)明。

上圖中，存在一段升擋間隔僅2.5s的換擋曲線，依據(jù)設(shè)定的原則，需要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

2.2.4發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷

如果工況曲線中的加速過(guò)程曲線設(shè)置過(guò)陡，則需要較大的加速度才可通過(guò)，這時(shí)就需要較大的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷。本文以實(shí)際工況扭矩分布于發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性扭矩曲線對(duì)比來(lái)判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷。

本文道路行駛工況采集使用車輛配置 2.0T渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，外特性扭矩最大可達(dá)240Nm，但在2000rpm之前，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩相對(duì)較小。而城市工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速主要分布在2000rpm之前。下圖5為利用AVLCruise軟件計(jì)算得到的發(fā)動(dòng)機(jī)外特性扭矩曲線與城市工況扭矩分布對(duì)比圖。

從圖中可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1042rpm-1344rpm的區(qū)間內(nèi)，出現(xiàn)了城市工況扭矩分布點(diǎn)超出發(fā)動(dòng)機(jī)外特性扭矩曲線的現(xiàn)象，這一情況在實(shí)際轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致駕駛員無(wú)論將油門踏板踩多深，都無(wú)法跟上車速曲線的情況，為此，需要對(duì)車速曲線或當(dāng)前擋位進(jìn)行調(diào)整，降低發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷。

2.2.5車速波動(dòng)頻繁性

車速波動(dòng)反映了道路行車中車流量的多少，速度波動(dòng)越頻繁，對(duì)應(yīng)的加速、減速頻繁，油耗會(huì)升高，因此車速波動(dòng)一方面影響了轉(zhuǎn)轂上試驗(yàn)員的駕駛，另一方面對(duì)整體工況油耗也有影響。

為分析車速波動(dòng)頻繁性是否合理，以北美工況Ftp75來(lái)進(jìn)行對(duì)比參考。

通過(guò)設(shè)定目標(biāo)波峰并統(tǒng)計(jì)目標(biāo)波峰的次數(shù)來(lái)判斷車速波動(dòng)的頻繁性，如下圖6所示，實(shí)心圓點(diǎn)為找到的車速波峰點(diǎn)，以波峰點(diǎn)作為對(duì)稱點(diǎn)向兩邊分別移動(dòng)4s，如空心點(diǎn)所示。以實(shí)心點(diǎn)速度值與兩邊空心點(diǎn)的速度值分別作差并取絕對(duì)值，并稱此絕對(duì)值為高程差，判斷兩高程差中最大的差值是否大于1.5 km/h。如果大于1.5 km/h，則定義該點(diǎn)為目標(biāo)速度波峰，作為統(tǒng)計(jì)對(duì)象。

統(tǒng)計(jì)波峰點(diǎn)個(gè)數(shù)與整個(gè)工況的時(shí)間長(zhǎng)度，與Ftp75對(duì)比如下表1：

表1 5條路線的典型準(zhǔn)則數(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比

從上表可以看出，合肥市區(qū)工況的單位目標(biāo)波峰個(gè)數(shù)比Ftp75工況大很多，因此需要優(yōu)化調(diào)整。

2.3典型工況曲線優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過(guò)以上多輪優(yōu)化，最終得到典型工況曲線如下圖7所示：

以上優(yōu)化的結(jié)果見下表2，可見優(yōu)化的要求均已達(dá)成。

表2 工況優(yōu)化結(jié)果

3、典型行駛工況符合性判斷

3.1油耗符合性判斷

經(jīng)過(guò)三輪轉(zhuǎn)轂油耗與實(shí)際道路油耗的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如下表3：

表3 轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)與道路試驗(yàn)油耗數(shù)據(jù)對(duì)比

從上表看出，三輪試驗(yàn)轉(zhuǎn)轂數(shù)據(jù)與道路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均不超過(guò)3%，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

3.2工況符合性判斷

統(tǒng)計(jì)道路實(shí)測(cè)工況與典型道路工況的準(zhǔn)則數(shù)，并計(jì)算相關(guān)系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，典型道路工況與實(shí)測(cè)道路工況的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9941，超過(guò)0.95，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

4、結(jié)論

編制城市道路典型行駛工況曲線，除了能夠讓我們了解實(shí)際行駛工況與NEDC工況的差別外，更重要的是使我們可以利用這個(gè)工況，在底盤測(cè)功機(jī)上完成對(duì)實(shí)際行駛工況的試驗(yàn)?zāi)M，以便在產(chǎn)品開發(fā)階段更好地指導(dǎo)動(dòng)力性能匹配工作。

本文從典型行駛工況是否能真正反映實(shí)際行駛工況這方面出發(fā)，提出了工況優(yōu)化的方法以及工況符合性的判斷方法，在典型工況曲線制作這方面具有一定通用性和參考價(jià)值。同時(shí)，經(jīng)過(guò)多輪次的油耗對(duì)比驗(yàn)證，證明文中所提方法也是有效的。

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB 18352.3-2013. 輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)Ⅴ階段）[S]. 2013-10-10發(fā)布.

[2] 熊國(guó)平.在城市總體規(guī)劃中體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略——以張家港為例[J].城市規(guī)劃匯刊, 1996(04)：50-54.

[3] 李朝陽(yáng),謝慶輝.大城市道路設(shè)施供需模型及其應(yīng)用研究[J].城市發(fā)展研究,1998(040:39-42.

[4] 周千崎.發(fā)展我國(guó)大城市交通的研究[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版杜,1997:3-10.

[5] 溫敏,任平,陳彬.城市道路行駛工況中典型路線選擇方法研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程.2014(09):1-4.

The optimization and the conformity judgment of the urban road typical driving cycle curves

Wen Min
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Vehicle fuel consumption is closely related to road traffic, to evaluate the actual fuel consumption of the vehicle, it is necessary to prepare the urban road typical driving cycle curves. However, how to make the establishment of a typical driving cycle curve in line with the actual road conditions, is a problem needed to be solved. The method of working condition conformity judgment is presented in this paper, and based on the relevant characteristic parameters of the working condition and the practical application of the driving cycle on the chassis dynamometer, the optimization method of cycle curve is determined. These methods have generality.

fuel consumption; urban road; driving cycle curves; conformity; optimization

U471.1

A

1671-7988（2015）09-112-04

溫敏，工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心乘用車研究院。