陳　銘，　郝利君，　葛蘊(yùn)珊，　譚建偉，路　堯，　吳　岳，　袁應(yīng)濤

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081;2. 陜西柴油機(jī)重工有限公司，興平 713105)

?

輕型車典型行駛工況開發(fā)研究

陳銘1，郝利君1，葛蘊(yùn)珊1，譚建偉1，路堯1，吳岳1，袁應(yīng)濤2

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081;2. 陜西柴油機(jī)重工有限公司，興平 713105)

選取我國(guó)4個(gè)直轄市進(jìn)行為期一個(gè)月的實(shí)際道路行駛工況數(shù)據(jù)采集，共收集約300小時(shí)、1萬(wàn)公里的有效行駛數(shù)據(jù).以WLTC工況構(gòu)建思路，通過統(tǒng)計(jì)軟件處理及VBA編程計(jì)算，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分步處理，最終構(gòu)建出具有我國(guó)城市特點(diǎn)的輕型車典型行駛工況.通過對(duì)比特征參數(shù)，發(fā)現(xiàn)輕型車典型行駛工況與WLTC工況相似度較高，輕型車典型行駛工況平均車速以及RPA相對(duì)較低，曲線較為平緩.

行駛工況；輕型車；WLTC工況

為了進(jìn)一步降低輕型車尾氣污染物的排放，從2016年底開始，歐洲將全面采用一套新的排放測(cè)試體系WLTP(Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure,全球統(tǒng)一的輕型車排放測(cè)試規(guī)程)，從而淘汰被認(rèn)為過時(shí)已久的老體系.WLTC(Worldwide harmonized Light duty driving Test Cycle,全球統(tǒng)一的輕型車排放測(cè)試工況)將取代NEDC(New European Driving Cycle,新歐洲駕駛循環(huán))作為新規(guī)程下的輕型車排放測(cè)試循環(huán).新測(cè)試循環(huán)曲線將更貼近實(shí)際道路行駛，更好的模擬了實(shí)際道路上的輕型車排放.

文獻(xiàn)[1]提到，以下4種最具代表性的方法能解析出反映車輛實(shí)際運(yùn)行特征的行駛工況：以定步長(zhǎng)截取和基于短行程開發(fā)的行程分析法、速度-加速度矩陣分析法、主成分聚類分析法以及馬爾科夫分析法.經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展，新行駛工況已不滿足于單一方法建立，往往以行程分析法為據(jù)，矩陣分析法、聚類分析法等為理使構(gòu)建出的循環(huán)更具規(guī)范性和代表性.目前，國(guó)內(nèi)使用頻率較高的行駛工況以定步長(zhǎng)截取法為基礎(chǔ)，把全行駛狀態(tài)作為連續(xù)事實(shí)和現(xiàn)象用統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)解析[2-3].WLTC測(cè)試循環(huán)則基于短行程開發(fā)，將每個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)片段篩出歸類，通過添加怠速段組合的形式構(gòu)建出段落，形成循環(huán)整體前會(huì)根據(jù)速度-加速度矩陣分析法等一系列計(jì)算方法微調(diào)段落.采集數(shù)據(jù)量龐大，構(gòu)建思路極為縝密.輕型車典型行駛工況以WLTC構(gòu)建思路為主體而建立.

截至2014年底，我國(guó)汽車保有量達(dá)1.54億輛.汽車保有量繼續(xù)呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，在汽車不斷方便人們生活的同時(shí)，也使尾氣排放污染成為目前的熱點(diǎn)話題.為了改善我國(guó)大氣環(huán)境，我國(guó)正在抓緊制定國(guó)VI標(biāo)準(zhǔn).構(gòu)建我國(guó)新的輕型車典型行駛工況具有很好的實(shí)際意義，一方面了解目前我國(guó)實(shí)際道路行駛情況，另一方面比對(duì)以同樣思路建立的行駛工況與WLTC工況的差別.

1　工況開發(fā)過程及數(shù)據(jù)采集

行駛工況的開發(fā)經(jīng)過試驗(yàn)方案制定、駕駛數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、測(cè)試工況構(gòu)建這4個(gè)基本過程.

選取我國(guó)4個(gè)直轄市為數(shù)據(jù)采集城市，即北京、上海、重慶、天津.每日采集在7:00-21:00間,約8小時(shí).將所有城市道路劃分為城區(qū)、城郊、快速、高速4類，將采集時(shí)間區(qū)域劃分為工作日高峰、工作日非高峰、周末，以跟車的形式在規(guī)定時(shí)間完成規(guī)定道路的數(shù)據(jù)采集，使所測(cè)數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映當(dāng)?shù)爻鞘薪煌顩r，并保證每個(gè)城市完成至少1 800公里的數(shù)據(jù)量.行車數(shù)據(jù)的獲取通過外接GPS設(shè)備，記錄頻率1 Hz，記錄數(shù)據(jù)包括時(shí)間、瞬時(shí)車速等信息.經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，隨著數(shù)據(jù)量增大，平均車速已不再發(fā)生明顯變化，樣本量穩(wěn)定，采集的數(shù)據(jù)量已足夠.

2　工況構(gòu)建

2.1工況構(gòu)建流程概述

WLTC工況循環(huán)5.3版本是目前WLTP規(guī)程下最新修訂的循環(huán)曲線.根據(jù)UN/ECE/WP.29(the World Forum for the Harmonization of Vehicle Regulations of the United Nations Economic Commission for Europe)下GRPE(the working party on pollution and energy transport program)組，即聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)下污染與能源工作小組撰寫的技術(shù)報(bào)告[4]，WLTC要求不同功率質(zhì)量比和最高車速的車輛，按照不同的循環(huán)工況進(jìn)行試驗(yàn).下文所述所有WLTC循環(huán)均以5.3版本第3類車最高設(shè)計(jì)車速≥135 km/h的循環(huán)曲線為準(zhǔn).WLTC循環(huán)曲線可拆分為4個(gè)速度段，分別為持續(xù)589 s的低速段、433 s的中速段、455 s的高速段以及323 s的超高速段.如圖1所示.

圖1　5.3版本W(wǎng)LTC工況循環(huán)曲線

工況構(gòu)建流程可概括為數(shù)據(jù)處理過程及構(gòu)造整體過程.參考WLTC工況構(gòu)建方法，我國(guó)的輕型車典型行駛測(cè)試工況數(shù)據(jù)處理過程可概括為原始數(shù)據(jù)平滑修正、變換數(shù)據(jù)分類、設(shè)置工況時(shí)間、計(jì)算各速度段短行程及怠速段數(shù)量、計(jì)算各速度段短行程及怠速段持續(xù)時(shí)間.構(gòu)造整體過程可概括為選取備選短行程、短行程及怠速段位置布置、構(gòu)建各速度段循環(huán)曲線.

2.2數(shù)據(jù)平滑修正

行車中由于GPS的延遲、信號(hào)不穩(wěn)定、過橋洞隧道、輸出錯(cuò)誤等原因，數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生突變、斷片、跳躍、跳點(diǎn)等現(xiàn)象.因此，要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑、修正處理.使用SPSS軟件，采用T4253H方式對(duì)所有原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理.另外，對(duì)怠速時(shí)間長(zhǎng)度有規(guī)定，需刪除所有超過900 s的怠速段及其之后的短行程.排除信號(hào)微小干擾，修正所有車速小于0.5 km/h的數(shù)據(jù)點(diǎn)車速為0，修正所有車速在0.5 km/h至1 km/h之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)車速為1 km/h.

2.3設(shè)置速度區(qū)間及速度段持續(xù)時(shí)間

WLTP數(shù)據(jù)收集了包括歐洲、美國(guó)、日韓、印度等國(guó)采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時(shí)按城區(qū)、郊區(qū)及高速的不同道路分類.因歐美與亞洲國(guó)家在平均車速上差異明顯，按速度區(qū)間“低速、中速、高速、超高速”分類比按道路類型分類更加合理.規(guī)定每個(gè)不含怠速的小片段，片段最高速度為目標(biāo)車速，目標(biāo)車速分別處于區(qū)間(0,60]、(60,80]、(80,110]、(110,+ ∞)時(shí)，該小片段及其連帶前段怠速分別歸為低速段、中速段、高速段、超高速段.

WLTC工況低速、中速、高速、超高速段持續(xù)時(shí)間是根據(jù)部分WP.29協(xié)議的締約國(guó)的交通流量計(jì)算得來(lái)，包含歐洲10個(gè)國(guó)家及美國(guó)、日本、韓國(guó)、印度的數(shù)據(jù).設(shè)置工況總時(shí)間為1 800 s，統(tǒng)計(jì)出數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)在4個(gè)速度段的交通流量比例，此比例乘以1 800 s即得到WLTC循環(huán)內(nèi)各速度段時(shí)間：低速Dlow=589 s，中速Dmiddle=433 s，高速Dhigh=455 s，超高速Dex-high=323 s.

考慮到WLTP數(shù)據(jù)具有全球代表性，而我國(guó)也作為WP.29協(xié)議的締約國(guó)之一，有必要將速度區(qū)間及速度段持續(xù)時(shí)間的設(shè)置為與WLTC相同.設(shè)置完畢速度區(qū)間及速度段持續(xù)時(shí)間后，將數(shù)據(jù)再次分類建立各速度段的數(shù)據(jù)庫(kù).

2.4計(jì)算各速度段短行程及怠速段數(shù)量

定義短行程及怠速段：以第一個(gè)速度>0之前一秒的時(shí)間點(diǎn)作為起始點(diǎn)，以最后一個(gè)速度>0的時(shí)間點(diǎn)作為末尾點(diǎn)的段落為一個(gè)短行程.夾在兩個(gè)短行程之間車速始終為0的段落為一個(gè)怠速段.各速度段短行程數(shù)量NST及怠速段數(shù)量NI按以下公式計(jì)算：

NST=(D-DavgI)/(DavgST+SavgI)，

(1)

NI=NST+1，

(2)

式中：D為速度段持續(xù)時(shí)間；DavgI為怠速段平均持續(xù)時(shí)間；DavgST為短行程平均持續(xù)時(shí)間.根據(jù)平滑修正后的數(shù)據(jù)，在不同速度段內(nèi)計(jì)算出DavgI及DavgST代入上式得到NST及N1，見表1.

表1　短行程及怠速段數(shù)量

2.5計(jì)算各速度段短行程、怠速段持續(xù)時(shí)間

圖2、圖3為各速度段短行程持續(xù)時(shí)間、怠速段持續(xù)時(shí)間-累計(jì)頻率分布圖，由平滑修正后的數(shù)據(jù)計(jì)算得來(lái).

圖2　短行程時(shí)間-累計(jì)頻率圖

圖3　怠速段時(shí)間-累計(jì)頻率圖

各速度段短行程、怠速段持續(xù)時(shí)間算法如下.

分別在各速度段的數(shù)據(jù)庫(kù)中計(jì)算各速度段怠速比例PI，由此得到工況各速度段行駛過程總時(shí)間DsumST,i，怠速總時(shí)間DsumI,j.

DsumST=D(1-PI)，

(3)

DsumI,j=DPI，

(4)

式中：i為第i段短行程;j為第j段怠速段.對(duì)于NST=1的中速、高速、超高速段：若短行程只有一段,則DST1=DsumST,i.對(duì)于低速段：在短行程時(shí)間-累計(jì)頻率圖中，將y軸累計(jì)頻率平均分為i個(gè)區(qū)間，計(jì)算前i-1個(gè)區(qū)間內(nèi)短行程持續(xù)時(shí)間的平均值，將此值作為短行程持續(xù)時(shí)間DST,1…DST,i-1；剩余的DST,i為行駛時(shí)間DsumST,i減去前i-1個(gè)短行程持續(xù)時(shí)間之和.怠速段持續(xù)時(shí)間DI,i算法相同.表2、表3為計(jì)算得到的各速度段短行程、怠速段持續(xù)時(shí)間.

表2　短行程持續(xù)時(shí)間

表3　怠速段持續(xù)時(shí)間

2.6短行程選取及構(gòu)建

低速段短行程采用直接選取方法.從數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選出所有符合5個(gè)低速段短行程持續(xù)時(shí)間的備選短行程，結(jié)合怠速段，組合出所有可能的低速段，比對(duì)特征參數(shù)后選擇最優(yōu)的組合，最優(yōu)組合中的5個(gè)短行程即為低速段短行程；中速、高速、超高速段短行程采用拼接方法.特定長(zhǎng)度的短行程在數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)量較少，特征參數(shù)不能很好的代表整體，因此需拼接構(gòu)建.將需構(gòu)建的短行程分割為類似于起步、巡航、減速停車的階段，從該速度段所屬數(shù)據(jù)庫(kù)中挑選備選片段進(jìn)行排列組合，對(duì)比特征參數(shù)后選擇最優(yōu)短行程.

特征參數(shù)包括：平均車速v;平均正加速度a;平均負(fù)加速度d;加速占比Pa;減速占比Pd;勻速占比Pc;相對(duì)正加速度RPA.其中規(guī)定如下.

加速度算法：

(5)

加速模式：加速度a>0.14 m·s2的行駛狀態(tài).

減速模式：加速度a<-0.14 m·s2的行駛狀態(tài).

相對(duì)正加速度算法：

(6)

式中：x為行駛里程；T為持續(xù)時(shí)間.

從圖4至圖7各速度段速度-加速度頻率分布圖中可以看出，通過特征參數(shù)比對(duì)選出的工況速度段，能很好的與數(shù)據(jù)庫(kù)相匹配.

圖4　低速段速度-加速度頻率分布圖

圖5　中速段速度-加速度頻率分布圖

圖6　高速段速度-加速度頻率分布圖

圖7　超高速段速度-加速度頻率分布圖

2.7短行程及怠速段位置布置

對(duì)于中速、高速、超高速段，短行程僅有1段，怠速段有2段.中速段起始于590 s，中速段之后的怠速段的布置對(duì)尾氣污染物排放影響很小.為了方便起見，將較長(zhǎng)的怠速段放置在短行程前，較短的怠速段放置在短行程后.對(duì)于低速段，冷啟動(dòng)過程缸內(nèi)溫度對(duì)排放影響較大，短行程及怠速段的布置較為重要.

WLTC對(duì)第1個(gè)怠速段的解釋最接近于路譜數(shù)據(jù)所有怠速段長(zhǎng)度的中位數(shù)的怠速段.參照WLTC思路，本次采集數(shù)據(jù)所有怠速段長(zhǎng)度的中位數(shù)為20 s，因此,最接近此數(shù)的怠速段持續(xù)時(shí)間為15 s，將此作為第1個(gè)怠速段.WLTC對(duì)第1個(gè)短行程的解釋是，模擬一整段行程中最初啟動(dòng)段，需要特征參數(shù)以及短行程持續(xù)時(shí)間的最佳匹配. 國(guó)內(nèi)實(shí)際行駛情況與歐美區(qū)別較大.城區(qū)內(nèi)，居民的停車區(qū)域往往是住宅樓下、住宅小區(qū)車庫(kù)、停車場(chǎng)、寫字樓車庫(kù).此類道路往往很窄，需要加以更換前進(jìn)擋、倒擋挪出車位的情況極為普遍.因此,可以做如表4設(shè)定.

表4　低速段位置布置

第1個(gè)怠速段為最接近路譜數(shù)據(jù)所有怠速段長(zhǎng)度的中位數(shù)，思路與WLTC一致.第1個(gè)短行程模擬駕駛員移車出車位的行動(dòng).第2個(gè)怠速段模擬駕駛員將車移出車位后的等待時(shí)間.第2個(gè)短行程模擬在小區(qū)、地下車庫(kù)、停車場(chǎng)內(nèi)路段行駛.第3個(gè)怠速段模擬通過類似關(guān)卡的地點(diǎn)，如小區(qū)大門、刷卡點(diǎn)、與主路交匯的岔路口等，需要短暫的駐車.第3個(gè)短行程設(shè)置為持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的低速段短行程，考慮到前兩個(gè)短行程平均速度很低，缸內(nèi)溫度升高速度較慢.第4個(gè)怠速段模擬擁堵路況.第4個(gè)短行程配合擁堵路況的行駛狀態(tài)，因此選擇剩余短行程中持續(xù)時(shí)間最短的短行程.第5個(gè)怠速段選擇剩余兩段中較長(zhǎng)的一段，仍然是模擬擁堵.最終構(gòu)建出的中國(guó)輕型車行駛測(cè)試工況如圖8所示.

輕型車典型行駛工況與WLTC工況較為相似.輕型車典型行駛工況的平均車速、RPA相對(duì)較低，表明工況曲線比WLTC更為平緩.兩者特征參數(shù)對(duì)比如表5所示.

圖8　輕型車典型行駛工況

3　結(jié)　論

以WLTC工況構(gòu)建方法構(gòu)建出的輕型車典型行駛工況可拆分為4個(gè)速度段，每個(gè)速度段通過添加短行程與怠速段構(gòu)建而來(lái)，更好地保證了每個(gè)速度段和與之相對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)性.工況整體與WLTC相似性較大，結(jié)構(gòu)基本一致，曲線較WLTC

趨于平緩，怠速及勻速比例較大，平均車速略低.以這種新方法構(gòu)建輕型車典型行駛工況，不僅為我國(guó)輕型車行駛工況提供新的思路，也可以通過對(duì)比WLTC工況，找到我國(guó)的實(shí)際道路行駛特點(diǎn).

[1]王軍方,丁焰,王愛娟,等.北京市機(jī)動(dòng)車行駛工況研究[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2012,2(3):240-246.

[2]劉希玲,丁焰.我國(guó)城市汽車行駛工況調(diào)查研究[J].環(huán)境科學(xué)研究,2000,13(1):23-27.

[3]朱西產(chǎn),李孟良,馬志雄,等.車輛行駛工況開發(fā)方法[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào),2005,26(2):110-113.

[4]Monica Tutuianu, Alessandro Marotta, Heinz Steven, et al. Development of a World-wide Worldwide harmonized Light duty driving Test Cycle(WLTC)[R]. Informal document GRPE-67-03.2013.

Construction of Typical Driving Test Cycle for Light-duty Vehicle

CHEN Ming1,HAO Li-jun1,GE Yun-shan1,TAN Jian-wei1,LU Yao1,WU Yue1，YUAN Ying-tao2

(1.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of technology, Beijing 100081，China;2. Shanxi Diesel Engine Heavy Industry CO., LTD, Xingping, 713105, China)

The data of the actual road driving cycle were collected from 4 municipalities in our country for a period of one month, and totally effective data about 300 hours, 10000 kilometers were acquired. According to the operating mode in WLTC, with the help of statistical software processing and VBA programming, the original data were processed step by step, and a typical driving condition for the light-duty vehicle was constructed with the characteristics of our country. The contrastive analysis indicated that the typical driving cycle for a light-duty vehicle had a higher similarity with WLTC in cycling condition, but that the lower average speed and the relative positive acceleration made the cycle curve flatter than that in WLTC.

driving cycle; light-duty vehicle; WLTC

1009-4687(2016)02-0004-06

2015-9-17

國(guó)家環(huán)保公益項(xiàng)目(201409013)資助

陳銘(1991- )，男，碩士.

TK417

A