胡熙 劉昱 李孟良

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

主題詞：重型商用車 車輛運行特征 速度-加速度分布 工況開發(fā)

1 前言

汽車行駛工況是汽車行業(yè)的一項重要基礎(chǔ)標準，重型商用車工況是該類型車性能優(yōu)化時的主要基準，也是進行排放和油耗認證的基礎(chǔ)。現(xiàn)階段我國進行重型車油耗認證時采用的是以世界重型商用車輛瞬態(tài)循環(huán)（World Transient Vehicle Cycle，WTVC）工況為基礎(chǔ)調(diào)整生成的C-WTVC工況[1]。

近年來，國內(nèi)對重型車行駛工況開發(fā)進行了一系列研究。武漢理工大學(xué)的吳其偉等用多元統(tǒng)計理論構(gòu)建了武漢公交車行駛工況[2]；中國環(huán)境科學(xué)研究院的王軍方等根據(jù)北京市乘用車、公交車和重型載貨汽車的運行數(shù)據(jù)建立了北京市典型行駛工況[3]；秦大同等提出一種基于C均值聚類算法的城市循環(huán)工況構(gòu)建方法[4]。

研究表明，上述重型商用車認證和研究存在一定的不足[5-6]：C-WTVC工況更多地采用了歐美國家的數(shù)據(jù)，其他工況研究采用的數(shù)據(jù)局限在特定城市或區(qū)域，均不能很好地代表中國綜合實際道路行駛狀況；重型商用車類型繁多，體系復(fù)雜，不同類型車輛的運行范圍、使用方式和車輛性能等差異顯著，現(xiàn)有工況無法充分反映這些差異。

工信部于2015年委托中國汽車技術(shù)研究中心牽頭實施“中國新能源汽車產(chǎn)品檢測工況研究和開發(fā)”（簡稱“中國工況”）項目，研究我國車輛實際行駛工況特征并開發(fā)各類車輛的全國標準行駛循環(huán)工況（China Automotive Test Cycle，CATC）。中國重型商用車輛行駛工況（China Heavy-Duty Commercial Vehicle Test Cycle，CHTC）是該項目的重要組成部分。

本文通過短片段處理分析對比不同類型重型商用車的運行數(shù)據(jù)庫特征，進而采用聚類、加權(quán)及卡方檢驗的方法構(gòu)建工況，最終完成包含多條曲線的CHTC工況體系的開發(fā)，令其能夠全面覆蓋、真實反映各類型重型車行駛情景。

2 工況開發(fā)

以采集到的多個城市、多種類型的重型車隊運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開發(fā)重型商用車輛行駛工況，總體流程如圖1所示。

圖1 重型商用車輛行駛工況開發(fā)流程

2.1 數(shù)據(jù)采集和處理

中國工況項目組建的車隊包含1 216輛重型商用車輛，在我國41個代表城市采用自主駕駛法采集數(shù)據(jù)，即不規(guī)劃道路，車輛自由行駛，以保證數(shù)據(jù)真實性。

采集的數(shù)據(jù)包括車輛定位、動力總成、環(huán)境信息等多種類參數(shù)，采樣頻率為1 Hz。數(shù)據(jù)在城市、氣候、道路和車型等方面具有廣泛代表性和覆蓋度。

經(jīng)過1 年多的穩(wěn)定行駛，采集了累積里程接近23×106km 的各類型重型商用車輛運行數(shù)據(jù)，車型構(gòu)成和相應(yīng)里程如表1所示。

表1 重型商用車車隊構(gòu)成和相應(yīng)里程

CHTC以短片段為基礎(chǔ)構(gòu)建：將車輛從一次起步到下一次停車的運動定義為運動片段；一次停車到下一次起步的運動定義為怠速片段。一個短片段包含一個運動片段和與之相鄰的怠速片段，如圖2所示。

在數(shù)據(jù)采集過程中，會出現(xiàn)一些不合理或無效數(shù)據(jù)，根據(jù)車輛具體運行情況制定包含運行片段持續(xù)時長、怠速時長、速度范圍、加速度范圍和數(shù)據(jù)缺失率在內(nèi)的篩選規(guī)則，選出有效短片段建立片段庫，用于后續(xù)工況開發(fā)。

圖2 短片段示意

對于每一個短片段，計算其運行時間、加速比例、減速比例、勻速比例、怠速比例、運行距離、最大速度、平均速度、運行平均速度、最大加速度、最大減速度、平均正加速度、平均負加速度、速度標準差、加速度標準差共15 個特征參數(shù)，并歸一化作為片段特征。不同特征的短片段反映車輛在不同道路和交通狀況下的行駛情景。

2.2 工況體系構(gòu)成規(guī)劃

重型商用車輛的運行方式受用途影響較大，首先按照用途將其初步劃分為客車和載貨汽車。分別提取這2類車型各細分車輛類型的短片段庫，計算并對比各片段庫的總體特征參數(shù)，判斷是否為特定車型單獨構(gòu)建工況。

2.2.1 客車運行特征分析和對比

將客車劃分為城市客車和普通客車。城市客車即公交車，工況構(gòu)建采用的車隊數(shù)據(jù)覆蓋不同等級的22個城市。普通客車以在城市間運行的長途客車和在城郊運行的班車為主，數(shù)據(jù)覆蓋14個城市。

計算兩者短片段庫的關(guān)鍵特征參數(shù)進行對比分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 客車片段庫特征參數(shù)對比

從圖3中可以看出，城市客車平均速度約為16.8 km/h，顯著低于普通客車，怠速比例為34%，顯著偏高。二者差異的主要原因在于運行范圍不同：城市客車主要在交通擁堵的市區(qū)行駛，普通客車運行范圍相對廣泛。鑒于2類車運行特征之間的較大差異，有必要分別構(gòu)建行駛工況。

此外，比較城市客車車隊在各城市的速度分布情況，如圖4所示。

圖4 城市客車的速度分布

從圖4中可以看出，各城市間速度分布存在較大差異，反映了不同城市的城市客車具有獨特的行駛工況特征，構(gòu)建城市客車工況時需考慮上述差異，獲取各城市權(quán)重，對采集數(shù)據(jù)進行加權(quán)處理。

各城市普通客車的運行特征差異不大，構(gòu)建工況時不需要進行城市加權(quán)。

2.2.2 載貨汽車運行特征分析和對比

各城市載貨汽車的運行特征差異不大，構(gòu)建工況時不需要進行城市加權(quán)。

不同類型載貨汽車的運行范圍差異較大：貨車運行區(qū)域較廣泛，自卸汽車主要在市區(qū)和城郊行駛，半掛牽引車在市內(nèi)運行受限，主要在城郊和高速公路上行駛。與客車類似，計算幾種類型載貨汽車的短片段庫綜合特征進行對比，如圖5所示。

圖5 載貨汽車片段庫特征參數(shù)對比

從圖5中可以看出，3種車型的平均速度差異顯著，半掛牽引車怠速比例顯著偏低，勻速比例顯著偏高，有必要分別構(gòu)建工況曲線。

根據(jù)相關(guān)法規(guī)，總質(zhì)量（Gross Vehicle Weight，GVW）較小的貨車可以較自由地進入市區(qū)，運行區(qū)域與其他貨車存在較大差異，需要判斷是否分別構(gòu)建工況循環(huán)。

分別對輕型貨車（總質(zhì)量≤5 500 kg）與其他質(zhì)量等級的貨車（稱為重型貨車）片段庫進行簡單的速度區(qū)間劃分，對比各區(qū)間的片段庫特征參數(shù)，如圖6所示。

圖6 各質(zhì)量級別貨車分區(qū)間片段庫特征參數(shù)

從圖6 中可以看出：輕型貨車在低速區(qū)間速度偏高，怠速比例偏低，說明它在該區(qū)間行駛時受交通流限制較?。辉谥兴賲^(qū)間速度略低，怠速比例顯著偏高；在高速區(qū)間速度偏高。中、高速區(qū)間輕型貨車運動片段持續(xù)時間顯著偏低，與其相對頻繁的裝、卸貨有關(guān)。3 個區(qū)間輕型貨車的勻速比例都顯著偏低。此外，兩者在各區(qū)間的樣本比例有一定差異。

綜上所述，有必要為輕型貨車和重型貨車分別構(gòu)建工況曲線。

2.2.3 重型商用車輛行駛工況體系

最終確定的中國重型商用車輛行駛工況包含6 條工況曲線，分別為：中國城市客車行駛工況（China Heavy-Duty Commercial Vehicle Test Cycle for Bus，CHTC-B）、中國普通客車行駛工況（China Heavy-Duty Commercial Vehicle Test Cycle for Coach，CHTC-C）、中國輕型貨車行駛工況（China Heavy-Duty Commercial Vehicle Test Cycle for Light Truck，CHTC-LT）、中國重型貨車行駛工況（China Heavy-Duty Commercial Vehicle Test Cycle for Heavy Truck，CHTC-HT）、中國自卸汽車行駛工況（China Heavy-Duty Commercial Vehicle Test Cycle for Dumper，CHTC-D）、中國半掛牽引車行駛工況（China Heavy-Duty Commercial Vehicle Test Cycle for Tractor-Trailer，CHTC-TT）。

2.3 曲線結(jié)構(gòu)確定

以城市客車為例，對CHTC中曲線的具體構(gòu)建過程進行說明。

2.3.1 速度區(qū)間劃分

為確定CHTC-B 的曲線結(jié)構(gòu)，根據(jù)片段特征對城市客車的全國短片段庫進行聚類，劃分成2個區(qū)間。區(qū)間的主要工況特征指標差異顯著：低速區(qū)間平均速度為8 km/h，高速區(qū)間為20 km/h，隨著速度提高，運動片段持續(xù)時間和里程增加，怠速比例顯著降低，加速度參數(shù)略有升高，可以認為2個區(qū)間分別反映城市客車在擁堵和順暢交通狀況下的運行情況。根據(jù)聚類特征將城市客車在每個城市采集的短片段劃分進2個區(qū)間，進而計算各城市各區(qū)間的綜合特征參數(shù)，如圖7所示。

從圖7 中可以看出，同一城市在2 個區(qū)間的特征參數(shù)差異顯著，不同城市在同一區(qū)間基本在同一范圍內(nèi)，驗證了區(qū)間劃分的合理性。

最終確定CHTC-B 曲線由低速和高速2 個工況區(qū)間構(gòu)成。

2.3.2 速度區(qū)間時間比例確定

城市客車在各城市運行特征差異顯著，為了反映全國綜合行駛工況，需引入代表城市客車交通流量的城市權(quán)重，結(jié)合各城市數(shù)據(jù)庫信息來確定曲線的區(qū)間時長比例。

圖7 城市客車各城市、區(qū)間特征參數(shù)對比

城市客車每條路線每天的運行量相近，調(diào)研各城市所有線路數(shù)量作為評估城市客車交通流量的參考指標，其與所有城市的路線數(shù)量總和的比值即為該城市權(quán)重，如表2所示。

表2 各城市的城市客車線路數(shù)及權(quán)重

提取各城市在各區(qū)間的城市客車短片段庫，統(tǒng)計行駛總時長，與該城市的行駛總時長的比值即為城市的區(qū)間權(quán)重，如表3所示。

表3 各城市的速度區(qū)間權(quán)重 %

對于2個速度區(qū)間，各城市權(quán)重與該城市該區(qū)間權(quán)重的乘積按城市累加即得到該區(qū)間在工況曲線中所占時長比例。低速、高速區(qū)間時長比例分別為30.5%和69.5%。

2.4 工況曲線構(gòu)建

CHTC-B持續(xù)時間設(shè)置為1 310 s，既能滿足統(tǒng)計學(xué)的代表性，又具備在試驗室內(nèi)進行排放和油耗測試的可行性。

2.4.1 區(qū)間短片段時長和數(shù)量確定

工況曲線按各區(qū)間權(quán)重進行分配，得到低速區(qū)間時長tl=399 s，高速區(qū)間時長th=911 s。

統(tǒng)計各城市在低速區(qū)間數(shù)據(jù)庫中運行片段持續(xù)時長的平均值與該城市權(quán)重的乘積，按城市累加即可得到低速區(qū)間運動片段平均時長tst,l=36.39 s；同理計算高速區(qū)間運動片段平均時長tst,h=69 s；

同理，計算得到低、高速區(qū)間怠速片段平均時長分別為tid,l=7.31 s、tid,h=13.32 s。

結(jié)合區(qū)間時長，計算低速區(qū)間的運動片段數(shù)量nst,l及怠速片段數(shù)量nid,l：

計算低速片段庫中運動片段時長的累計分布頻率，以此為基礎(chǔ)將片段庫均分為nst,l個區(qū)間，每個區(qū)間中樣本占比為1/nst,l。對第i(i=0,1,2,…,nst,l-1)個頻率區(qū)間(i/nst,l,(i+1)/nst,l]，定位其第50 百分位對應(yīng)的片段時長，作為構(gòu)成低速工況第i個運動片段的選擇基準。最終確定區(qū)間的7 個運動片段的時長依次為15 s、21 s、27 s、33 s、40 s、49 s和64 s。

同理，確定高速區(qū)間由8 個運動片段和9 個怠速片段構(gòu)成，運動片段時長依次為30 s、37 s、43 s、49 s、55 s、61 s、68 s、76 s、85 s、96 s和117 s。

類似地，根據(jù)各區(qū)間怠速片段時長的累計頻率確定怠速片段的時長集合。

2.4.2 區(qū)間短片段組合選擇

對于特定速度區(qū)間，獲取各城市在該區(qū)間運行數(shù)據(jù)庫的速度-加速度的聯(lián)合分布（v-a分布），用相應(yīng)城市權(quán)重以及城市在該區(qū)間的權(quán)重對其進行加權(quán)，可以生成能夠反映該區(qū)間全國工況的統(tǒng)一v-a分布，作為工況片段選擇的基礎(chǔ)。

根據(jù)確定的片段時長基準，從庫中挑選出候選短片段集合，按照笛卡爾積進行自由組合，將組合后片段的v-a分布與速度區(qū)間的統(tǒng)一v-a分布進行卡方檢驗：

式中，p為卡方檢驗值；Vv-a為候選片段組合的v-a分布值；Wv-a為區(qū)間的統(tǒng)一v-a分布值。

選擇卡方檢驗結(jié)果最優(yōu)的，即卡方檢驗值較小的片段組合。

2.4.3 工況輸出

從短到長交替排列最優(yōu)片段組合中的運動和怠速片段作為區(qū)間工況曲線。將低速、高速區(qū)間曲線排序組合，生成城市客車工況，如圖8所示。

圖8 城市客車工況曲線

采用類似方法為其他重型商用車構(gòu)建工況曲線。最終完成包含6 條工況曲線的中國重型商用車行駛工況[7]。

3 與實際采集數(shù)據(jù)及其他典型工況的對比

計算CHTC 體系中各條曲線的關(guān)鍵參數(shù)對其特征進行描述。為了說明工況的可靠性，與曲線對應(yīng)車型的實際采集數(shù)據(jù)庫進行對比；為了說明工況開發(fā)的必要性，與其他已有典型工況進行對比。

3.1 客車工況特征對比

圖9 所示為CHTC-B 曲線與該車型實際數(shù)據(jù)庫和典型工況的關(guān)鍵特征對比結(jié)果。典型工況包括按車型特征里程比例加權(quán)后的C-WTVC 工況及中國城市客車循環(huán)（China City Bus Cycle，CCBC）工況[8]。

圖9 CHTC-B、實際數(shù)據(jù)、CCBC、C-WTVC特征對比

從圖9 中可以看出：CHTC-B 特征與實際數(shù)據(jù)基本保持一致，與CCBC 工況較為接近，兩者都可以較好地反映我國城市客車運行情況。與C-WTVC 相比，CHTC-B 速度顯著偏低，怠速比例較高，更符合我國城市客車在更加擁堵的城市交通狀況下運行的實際情況。

圖10所示為普通客車CHTC-C 與實際數(shù)據(jù)及加權(quán)C-WTVC工況的特征對比結(jié)果。

圖10 CHTC-C、實際數(shù)據(jù)、C-WTVC特征對比

從圖10中可以看出：CHTC-C特征與實際數(shù)據(jù)基本保持一致。與C-WTVC工況相比，加、減速比例和運行平均速度相差不大，怠速比例顯著偏高，勻速比例顯著偏低，加速度平均值偏高。

3.2 載貨汽車工況特征對比

載貨汽車的4 條工況曲線和對應(yīng)的實際數(shù)據(jù)基本保持一致，可以較好地反映車輛在我國的真實行駛工況。表4 對比了載貨汽車CHTC 與C-WTVC 工況的相應(yīng)特征。

表4 CHTC和C-WTVC工況特征對比

從表4中可以看出：與C-WTVC工況相比，CHTC速度普遍偏低，怠速和勻速比例偏高，更符合我國載貨汽車在更加擁堵的城市交通狀況下運行的實際情況。

4 結(jié)束語

本文依托“中國工況”項目，在我國多個城市采集了各類型重型商用車的行駛數(shù)據(jù)，建立短片段庫。對不同區(qū)域和車輛類型的片段庫特征進行分析和對比，規(guī)劃中國重型商用車輛的工況體系結(jié)構(gòu)。對體系中的各類車型，通過聚類分析、區(qū)間加權(quán)、卡方檢驗等流程，設(shè)計并構(gòu)建了多區(qū)間工況曲線，最終完成中國重型商用車輛行駛工況的開發(fā)。

此外，通過對比CHTC曲線特征與其他典型工況及實測數(shù)據(jù)結(jié)果，證明該工況符合我國車輛真實行駛狀況，具有開發(fā)的必要性。使用該工況進行排放油耗的測試認證，有利于引導(dǎo)節(jié)能環(huán)保技術(shù)的導(dǎo)入和優(yōu)化，有利于對車輛實際能耗排放進行合理有效地評估和監(jiān)管，實現(xiàn)節(jié)能減排。