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混合交通环境下行驶工况的仿真分析 摘要 本论文以合肥市典型道路为研究对象，在分析总结国内外行驶工况相关研 究的基础上，根据现有实验条件，确定了合肥市汽车行驶工况研究的实验方案。 通过a m - 2 6 0 0 s 机动车道路实验数据处理系统在典型道路上进行了行驶工况数 据采集实验，对路测数据进行了汽车行驶特征的分析。以实际道路试验采集的 数据为基础，定义出2 0 个参数，运用主成分分析法和s p s s 统计学分析软件， 筛选出其中的主要参数。运用传统方法，选择主要参数中的十个参数作为评价 准则，构建出合肥市典型道路车辆行驶工况，并通过与标准测试循环工况以及国 内部分城市道路行驶工况的作比较，探讨了直接运用欧洲的行驶工况e c e l 5 作为中国 的测试循环工况的弊端及研究适合中国道路的行驶工况的可能性。 关键词：汽车；行驶工况；主成分；参数 s i m u l a t i o na n a l y s i so fd r i v i n gc y c l ei nm i x e d t r a n s p o r te n v i r o n m e n t a b s t r a c t ： o nt h eb a s i so far e v i e wo fs t a t e - o f - t h e - a r to nd r i v i n gc y c l e s ，t h i st h e s i sp r o p o s e da d a t ac o l l e c t i o n m e t h o d o l o g yf o rd e v e l o p i n gd r i v i n gc y c l e sf i r s t l y t h e n ，t h e r e s e a r c h c o n d u c t e dt h ed a t ac o l l e c t i o no fv e h i c l e s d r i v i n gm o d e si nh e f e ib yac o m b i n e du s eo f a m 2 6 0 0 ss y s t e ma n da m 一4 0 0s y s t e m ，w h i c hf u r t h e rw e r eu s e dt od e v e l o pa l ld a t a b a s eo f d r i v i n gc y c l e sf o rc l a s s i f i e dr o a d si nh e f e i o nt h eb a s i so f t h ed a t e sw h i c ha r ec o l l e c t e di n t h er e a lr o a dd r i v i n gt e s t ，2 0p a r a m e t e r sa r ed e f i n e d p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i sa n ds p s s a r eu s e dt oc h o o s et h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r sf r o mt h e2 0 10p a r a m e t e r so ft h e t h em o s t i m p o r t a n t so n e sa r ec h o o s e nt oc o n s t r u c tt h ev e h i c l ed r i v i n gc y c l eo fh ef e i i nt r a d i t i o n w a y s a n dt h ev e h i c l ed r i v i n gc y c l eo fh ef e iw a sc o m p a r e d 晰t ht h es t a n d a r dt e s t i n g d r i v i n gc y c l e sa n dt h ev e h i c l ed r i v i n gc y c l e so fo t h e rc i t i e si nc h i n a t h er e s u l t ss h o wt h a t e c e15i sn o ts u i l a b l et ob eu s e da st h et e s t i n gd r i v i n gc y c l e so fc h i n ad i r e c t l ya n di ti sv e r y p o s s i b l et oc o n s t r u c tt h ev e h i c l ed r i v i n gc y c l ew h i c hc a nb es u i t a b l et ob eu s e di na l lo f c h i n a k e y w o r d s ：v e h i c l e ；d r i v i n gc y c l e ；p r i n c i p a lc o m p o n e n t ；p a r a m e t e r 插表清单 表2 一lf t p 一7 5 工况的主要特征参数_ ，6 表2 2f t p - 7 2 工况的主要特征参数6 表2 3 日本1 0 工况的主要特征参数8 表2 4 日本1 1 工况的主要特征参数8 表2 5 欧洲e c e 一1 5 工况的主要特征参数9 表3 1 实验车的基本参数1 4 表3 2a m - 2 6 0 0 s 的主要技术参数1 6 表3 3o e s i i 型非接触光电传感器的主要技术参数1 7 表3 4a m - 4 0 0 的主要技术参数1 8 表3 5 实验项目、内容和方法2 0 表3 q 明光路上午时段从南至北的交通量( 单位：辆) 2 1 表3 7 明光路下午时段从北至南的交通量( 单位：辆) 2 1 表3 8 明光路上的雷达枪车速调查2 2 表4 12 0 个运动学片段参数3 3 表4 2 各个运动学片段的参数值3 5 表4 3 公共因子方差3 6 表4 4 全部解释方差表3 7 表4 5 主成分载荷矩阵3 9 表5 1 合肥市道路实际行驶特征参数的统计分析结果4 0 表5 2 合肥市市区与市郊道路代表性行驶工况与三种标准模式下的行驶工况的准则 数对比4 5 表5 3 合肥市道路行驶工况与部分城市道路行驶工况的比较4 5 插图清单 图l le c e l 5 工况2 图2 1f t p 7 5 工况6 图2 2 日本1 0 1 5 工况一7 图2 3 欧洲e c ee u d c 工况8 图2 4 澳洲悉尼车辆行驶工况1 0 图2 5 法国车辆行驶工况1 l 图3 一la m - - 2 6 0 0 s 机动车道路实验数据处理设各1 5 图3 2a m 一2 6 0 0 s 系统软件界面1 6 图3 30 e s i i 速度传感器1 7 图3 4a m - - 4 0 0 电喷式汽油机流量传感器1 8 图3 5 实验系统简图1 9 图3 川实验流程2 0 图3 7 跟车数据原始文件2 5 图3 8 跟车人员跟车记录表2 5 图4 1 碎石图3 8 图5 1 合肥市市区主干道数据点分布图4 1 图5 2 合肥市市区次干道数据点分布图4 2 图5 _ 3 合肥市市郊数据点分布图4 2 图5 叫合肥市市区道路代表性行驶工况4 4 图5 5 合肥市市郊道路代表性行驶工况；4 4 图5 川最终合成的代表性行驶工况4 4 独创性声明 本人声明所节交的学位论文是本人住导师指导卜进行的研究l ：作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注平致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 盒墨l ! 坐厶堂 或 其他教育机构的学位或证is 而使川过的材料。与我一同l ：作的同占对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明= 诈表示谢意。 学位论文作者签名： 甍灸浚 签字目别：加加肜纡 l ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金目旦= ：些厶堂有关保留、使刖学位论文的规 定，有权保留并向国家有天部i 、j 或机构送交论文的复印1 i ，i ：乖l l 磁衙，允许论文被 夯阅剐借阅。本人授权金里：l 、业厶：兰 可以将学位论文的全部或部分内容编 入有。关数据库进行检索，可以采刖影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文往解密l 亓适心本授权f 5 ) 学位论文作者签名： 葱诞造 签字日期：加l o ，彤z 午 学位论文作者毕业后去向： l ：作单位： 通讯地 i ： 导师签 呃琴 签字日期：加。银群 电话： 邮编 致谢 本论文是在导师石琴教授的精心指导和细心关怀下顺利完成的。石老师治 学严谨，待人随和，对待学术的认真态度，发现问题的敏锐眼光，解决问题的 开阔思路，都深刻地影响着我，让我受益匪浅! 在此谨向石老师在此谨向石老 师致以最衷心的感谢和最真挚的敬意! 衷心感谢机械与汽车工程学院交通工程教研室的黄志鹏老师和姜平老师， 在本论文写作过程中，两位老师给了我无私的帮助，使我能够顺利完成这篇论 文。 同时，在本文的写作过程中，我也参考和吸收了国内外许多专家学者的理论 和观点，为我解决所遇到的问题提供了许多思路，籍此机会，我也向他们表示 衷心的感谢。 感谢辛辛苦苦培养我的父母、家人。 衷心感谢邓超、卢利平、刘钊，张锐等师兄师姐，刘魏娜、李友文、汪新 伟等同窗好友在学习和生活上对我的关怀和帮助。 衷心感谢合肥工业大学，在这里我度过了人生中最美好的三年时光。 衷心感谢所有关心、支持和帮助过我的老师、同学、朋友们。祝愿他们永 远幸福快乐! 作者：李庆虎 2 0 1 0 年4 月 第一章绪论 1 1 背景 随着汽车工业的迅猛发展，汽车越柬越成为人类日常生活中必不可少的交 通工具。近年来，随着我国国民经济的迅猛笈展，我国的汽车保有量增加很快。 据统计，截至2 0 0 9 年6 月底，中国的汽车保有量为6 9 6 2 6 0 3 1 辆，与2 0 0 8 年底 相比，增加了4 9 5 3 9 7 8 辆，增长丁7 6 6 ，同比增加了8 4 0 4 2 8 1 辆，增长率为 l ：j 7 3 ；中国的摩托车保有量为9 t 2 2 6 6 2l 辆，与2 0 0 8 年底相比，增加了1 6 8 8 8 4 6 辆，增长了1 8 9 与去年同期相比，增加了23 6 0 2 1 3 辆，增长了2 6 6 。在这 样的增长趋势下，城市交通承担了巨太的压力，城市环境也受到了很严重的影 响。 传统车辆以及新能源车辆的开发应用都离不开车辆行驶工况 ( d r iv i n g c y e l e s ) 的研究符合宴际道路行驶状况的午| 辆行驶工况能够为为车辆 参数的匹配以及控制策略的韦9 定提供基础数据。开发车辆行驶工况的意义在于： 为考察某一类车辆在某一地区的排放水平或燃油消耗量提供检测依据；为车辆 设计的动力匹配提供参考依据；满足汽车检查维护( i n s p e c ti o n m a i n t e n a n c e ) 等制度制定的需要。 第一个车辆行驶工况构建于2 0 世纪5 0 年代，敞洲、美国、澳大利亚和日 本等国家和地区都曾根据不同的影响因素构建出不同的车辆行驶工况。目前， 世界范围内被广泛使闱的测试车辆排放的车辆行驶工况可分为3 种：美国车辆 行驶工况( u s i ) c ) 、欧洲车辆行驶工况( e d c ) 和日本车辆行驶工况( j d c ) 。以 美国e c e 为代表的模态车辆行驶工况( n e d c ) 和以f w 为代表的瞬态车辆行驶 工况( f t p 7 2 ) 也破广泛采用。与此同时世界上很多其他国家和地区也都根 据本国和本地区的实际情况，以标准的形式提出不同车型的车辆行驶工况，如 美国联邦城市及高速公路循环( c v s c r ) ，欧洲经济委员会的e c e - r 1 5 工况循 环，日本的l0 15 工况循环。 。此外，许多个人也根据不同的参数和研究方法构建了许多车辆行驶工况， 研究了影响构建车辆行驶工况的因素。例如，瑞典人e v ae r ic s s io n 曾列出了 多个影响车辆行驶工况的吲素，根据在城市交通中实际采集的车辆行驶工况数 据，柬描述车辆行驶【况，井准确地分析了道路环境、驾驶员、交通条件等因 素对车辆行驶工况的影响。；a n d r e 等在l9 9 5 年研究了欧洲一些城市的平均 车辆行驶工况”。 国内对于车辆行驶工况的研究起步较晚，并且主要的研究工作集中在许多 的高校和科研院所中，也取得了许多研究成果，积累了很多宝贵经验，例如， 武汉理工大学的马志雄等应用动态聚娄法研究了车辆行驶工况的构建阳1 ；趔慧 等对香港城区的车辆行驶工况进行了研究朝。 1 2 研究的目标及意义 通过调查车辆的实际行驶状况，并对在实际道路行驶中所采集到的实验数 据进行分析，运用多元统计理论方法构造出典型车辆行驶工况。 车辆行驶工况是一种完整地、权威地评估车辆排放的方法。因此在确定某 个国家或地区内使用的某种车型的经济性，动力性，燃油消耗和排放水平等特 性时，所采用的车辆行驶工况应是能反映车辆实际行驶状况的典型的车辆行驶 工况，并且与所在国家或地区的城市交通状况相协调，只有这样，所得出的结 果才是准确的，权威的n 引。 汽车的尾气排放不仅仅受到发动机状况的影响，行驶特征和维护情况等因 素都会影响到汽车的尾气排放，即使这些影响因素没有任何变化，单是行驶工 况的改变也会导致同辆汽车的尾气排放产生相当大的变化n 副。在不同的地 区，车辆的实际行驶状况会因为交通条件的不同出现很大的差异，即使是驾驶 同一辆汽车，这种差异也有可能会很明显。美国，日本等国家都根据本国和本 地区的实际交通状况构建出了车辆行驶工况，以指导在本国和本地区使用的汽 车的检验和设计等工作引。 我国目前使用的车辆行驶工况是欧共体的e c e + e u d c 工况。据研究，由于中 国和欧盟地区道路特征的不同，该车辆行驶工况并不能真实地反映我国城市车 辆的行驶状况。以轻型汽车排放测试规程为例，目前，中国采用的是欧共体的 e c e l 5 工况作为轻型车排放测试规程，其行驶特征如图1 1 所示。 图l 一1e c e l 5 一l 一况 e c e l5 工况应用于新车型的认证和产品的致性检查n8 1 。在该车辆行驶工 况中，车速是影响燃油消耗量和尾气排放量的重要影响因素，车速会因为不同 城市的不同特征而有很大的不同，而不同的国家和地区的这些影响因素的差别 又很大，因此在欧共体以外的国家和地区内应用e c e l5 工况很难得到车辆的实 际排放因子和燃油消耗量。要保证所制定的排放标准符合实际，就必须保证所 构建的车辆行驶工况符合实际运行状况，保证在所有的行驶条件下排放控制系 的 ：蒌： 幻 。 皇基i重 统均能有效地发挥作用，而现在我国应用的车辆行驶工况并不能完全达到上述 目标，所以，开展我国城市车辆行驶工况的研究，以及探索不同的行驶特征和 构建不同的车辆行驶工况对于我国汽车工业的发展具有非常重要的意义。 从发达国家汽车工业的发展经验可以看出，降低汽车尾气的排放和燃油消 耗的根本途径是开发更加先进的发动机，研制新能源汽车。实施越来越严格的 汽车排放标准和燃油消耗法规则是推动这些先进技术发展的动力m3 。中国的汽 车工业起步比较晚，技术比较落后，人们对于汽车知识的了解还不够多，对汽 车的使用和保养都存在着很多不合理的地方，这些因素使得汽车的排放污染己 经严重影响到了我国城市环境的空气质量，同时交通管理、法规标准等方面的 制定也都不能满足汽车工业迅速发展的需要。因此，在这样的大环境下，就更 加需要加大研究和管理力度，制定更加严格合理的法规制度，努力降低汽车排 放污染对环境质量及人身健康的影响。若要制定相应的控制策略，就必须以我 国的交通特征为依据构建车辆行驶工况，定量分析车辆的排放特性、燃油消耗 量及其控制水平心引。 欧洲，日本、美国等国家和地区较早的开展了车辆行驶工况的研究，从构 建车辆行驶工况的过程来看，都是用在实际行驶过程中采集到的数据直接拟合 而成的，并且缺乏科学的评价方法来评定所构建的车辆行驶工况与实际交通特 征的拟合程度乜钉。迄今为止，我国还没有构建出能被普遍接受的标准的车辆行 驶工况，在实测数据的采集，拟合方法的应用，车辆行驶工况的构建方法等方 面的探索以及车辆行驶工况的评价方法的建立都还仅处于起步阶段。随着我国 汽车保有量的不断增加，城市交通压力越来越大，环境压力越来越大，越发显 得构建符合我国实际交通状况的车辆行驶工况的重要性比引。 1 3 主要研究内容 本论文依托于国家自然科学基金项目( 项目编号：7 0 7 7 10 3 6 ) ：混合交通环 境下的车辆行驶工况的仿真与控制策略。在学习吸收国内外构建车辆行驶工况 的经验的基础上，研究行驶工况的构建方法，并开发新的构建方法，克服传统 构建车辆行驶工况方法的缺陷，研究新的、更能反映实际的车辆行驶工况的构 建方法，并以合肥市为例，开发出基于中小城市道路交通特征的车辆行驶工况。 本文的主要研究内容分为以下三个部分： ( 1 ) 阐述国内外车辆行驶工况的研究现状，分析所构建的车辆行驶工况的 构建方法以及在构建过程中所存在的问题； ( 2 ) 针对在车辆行驶工况的构建过程中所选择的作为评价准则的参数没有 依据的问题，定义出多个对车辆行驶工况的构建有影响的参数，根据参数随机 分稚的特点，运用多元统计分析的理论与方法，使用多元统计分析软件，对相 关影响因素进行归类分析，最后提取出关键性的内外影响因素； ( 3 ) 以合肥市为例，以在实际行驶过程中采集到的数据为基础，以多元统 计分析提取出的关键影响因素为评价准则，运用传统车辆行驶工况的构建方法， 构建出合肥市城市道路车辆行驶工况。 第二章国内外车辆行驶工况的研究现况 在实验室中，人为创造出一定的环境条件，尽可能地符合外界环境，根据 车辆在实际道路上的行驶状况，事先设定出行驶模式，车辆或发动车按照这个 模式运行，在运行的同时测定排放物的质量，即为污染物排放指标。事先设定 的行驶模式就称为车辆行驶工况，或称车辆测试工况。确定一个标准的车辆测 试工况对于现在乃至将来的汽车发动机的设计都有着巨大的影响。各种车辆的 尾气污染物排放性能，只有在这种基本统一的条件下测得，才具有可比性。车 辆行驶工况越接近车辆在道路上的实际运行状况，测试的结果就越具有真实性 和可比性。但由于各国的具体情况不同，因而各个体系的标准车辆行驶工况也 就不相同。构建一个符合实际道路行驶状况的车辆行驶工况，对于汽车工业的 发展意义重大。 2 1 国外车辆行驶工况的研究现状 世界范围内的车辆行驶工况被分成三组：美国车辆行驶工况、日本车辆行驶 工况和欧洲车辆行驶工况。其中以美国f t p ( f e d e r a lt e s tp r o g r a m ) 为代表的 瞬态车辆行驶工况( t r a n s i e n td r i v ir i gc y c l e ) 和以e c e ( e c o n o m i cc o m m i s s i o n f o re u r o p e ) 为代表的模态车辆行驶工况( m o d a ld r i v i n gc y c l e ) 应用最为广泛。 从使用上分，又可以分为标准用车辆行驶工况和研究用车辆行驶工况。 2 1 1 国外标准车辆行驶工况 ( 1 ) 美国车辆行驶工况 美国的车辆行驶工况种类较多，主要包括包括认证用车辆行驶工况( f t p 系) 、研究用车辆行驶工况( w v u 系) 和短车辆行驶工况( i m 系) 三大体系。其中 应用最广泛的有联邦测试程序( f t p 7 5 ) ，洛杉矶( l a 9 2 ) 和负荷模拟工况( i m 2 4 0 ) 等车辆行驶工况h 0 1 。 乘用车和轻型载货汽车的车辆行驶工况 1 9 7 2 年，美国环保局( 简称e p a ) 以一条从具有代表性的汽车上下班路线上 解析出来的车辆速度一时间曲线作为测试用的车辆行驶工况，并将其作为检测 车辆排放的测试程序。该测试程序被称为f t p 7 2 ，也被称为u d d s 。整个测试程序 分为冷念过度工况和稳态工况。1 9 7 5 年又在这个测试程序的基础上加入热态过 渡工况，构建出f t p 7 5 。f t p 7 5 工况如图2 一l 所示，f t p 7 5 工况的主要特征参 数见表2 1 ，f t p 7 2 工况的主要特征参数见表2 2 。 图2 一lf t p 7 5 工况 表2 1f t p 7 5t 况的土要特征参数 总行驶里程 11 0 9 ( m i l e ) 总行驶时间3 1 3 ( m i n ) 平均行驶速度 2 1 2 ( m p h ) 最大行驶速度 5 6 7 ( m p h ) 最大加速度 4 8 4 ( f o o t s e j ) 停车次数 2 0 ( 次m i l e ) 怠速比例1 8 1 加速比例 3 9 3 减速比例 3 4 9 匀速比例 7 7 表2 2f t p 7 2 工况的主要特征参数 总行驶里程 7 5 ( m i l e ) 总行驶时间2 2 6 7 ( m i n ) 平均行驶速度 19 7 ( n a p h ) 最大行驶速度 5 6 7 ( m p h ) 最大加速度 4 8 4 ( f o o t s e j ) 停车次数 2 3 ( 次m i l e ) 怠速比例 1 7 8 加速比例 3 9 6 减速比例 3 4 6 匀速比例 7 9 随着经济的快速发展，道路交通也有快速的发展，使得车辆的实际运行状 况发生了很大的变化，以前构建的车辆行驶工况已经不符合实际，因此e p a 对 f t p 进行了修改。研究人员根据不同的实际行驶状况构建出许多不同的车辆行 驶工况，以此补充f t p 。 除了上述车辆行驶工况外，研究人员还构建出了以下车辆行驶工况：洛杉 矶9 2 ，c a r b 0 2 ，h l 0 7 ，h w f e t 和h w f e tm t n 等。这些车辆行驶工况都是针对不 同的情况，不同的目的构建出来的，对标准车辆行驶工况具有很好的补充和修 正作用。 此外，研究人员还开发出了适用于f t p 循环描述和覆盖区域以外的车辆行 驶工况，如r e p o s ，r e m 0 1 等工况。这些车辆行驶工况的构建主要是针对速度 和加速度的微小变化，侧重于瞬态情况。 重型汽车的车辆行驶工况 美国的汽车工业非常发达，在车辆行驶工况的构建方面也有很多成果。其 所构建的f t p 系列的行驶工况是在世界范围内广泛采用的标准车辆行驶工况。 针对重型汽车的行驶状况所构建的车辆行驶工况也很有名。其中最著名的是 c b d l 4 工况循环，这是一个针对在商业中心区域驾驶的情形所构建的车辆行驶 工况。该工况是由1 4 个相同的运动学片段组合而成的，每个运动学片段就是一 个公交车停车一运行模式。c b d l 4 工况循环和c b d b u s 工况循环类似，二者的区 别仅仅是时间步长是否可变。 除了以上提到的这些车辆行驶工况以外，还有c b d t r u c k 、u d d s h d v 、n y c c 等工况循环。c b d t r u c k 应用于重型卡车的测试；u d d s h d v 模拟的是重型汽油机 在市区内驾驶的情形，整个测试循环的长度为1 0 6 0 秒，其中怠速时间比例为 3 3 ，该工况还应用于测试燃油的蒸发排放；n y c c 模拟的是大型车辆在市中心 区域的行驶状况。 ( 2 ) 日本车辆行驶工况 随着日本汽车业的发展，日本制定了第一个汽车行驶工况，也就是j a p a n l o 工况。这个车辆行驶工况主要是针对汽车在市中心区域的行驶状况。车辆在测 试以前，要以高于4 0 公里每小时的速度行驶1 5 分钟以上，进行热车。为了涵盖 汽车在郊外或者从郊外运行到城里的情况，日本又构建了j a p a n l l 工况。 随着经济的发展，城市的结构和交通状况都有了很大的变化，这些变化使 得原有的车辆行驶工况已经不能符合车辆的实际行驶状况，因此，日本从上个 世纪7 0 年代开始，对原有的车辆行驶工况进行了修改，修改的结果就是现在使 用的j a n p a n l 0 1 5 t 况。该车辆行驶工况是由日本1 0 工况循环和日本1 5 工况循环 组合在一起构成的，每个工况循环各有一个，每检测一次要运行6 6 0 秒，运行期 间，最高车速为7 0 公里每小时，平均车速为2 2 7 公里每小时。日本l o 15 工况如 图2 2 所示，日本l o i 况的主要特征参数见表2 3 ，日本1 5 i 况的主要特征参 数见表2 4 。 8 d0 7 00 6 0o 一5 00 c 芒4 0o 誓 ，3 0o 2 00 1 0o 0 o o2 0 0 4 0 06 0 08 0 0 图2 2 日本1 0 1 5 t 况 7 表2 3 日本l o 工况的主要特征参数 总行驶里程4 0 8 4 ( k i n )总运行时间5 0 5 ( s ) 平均速度 3 0 6 ( k m h ) 最大行驶速度6 0 ( k m h ) 平均行驶速度3 9 1 ( k m h )怠速比例2 1 7 表2 4 日本1 1 工况的主要特征参数 总行驶里程 4 1 6 ( k m ) 总运行时间 6 6 0 ( s ) 平均速度 2 2 7 ( k m h ) 最火行驶速度 7 0 ( k m h ) 平均行驶速度 3 3 1 ( k m h ) 怠速比例 3 1 7 ( 3 ) 欧洲车辆行驶工况 世界汽车工业起源于欧洲，欧洲在制定汽车排放法规方面起步也比较早。 1 9 7 0 年，欧洲国家制订了第一个排放控制法。欧洲的版图上分布着很多的国家， 各个国家的面积都比较小，国与国之间在政治、经济、文化、交通等方面关系 都很密切，所以欧洲所有的国家都在执行同一个排放控制法规。欧洲国家的第 一个统一的工况实验法是在1 9 7 2 年制定的，执行相同的排放控制法始于1 9 7 4 年， 简称为e c e 。 欧洲的车辆行驶工况随着经济的发展，城市结构的不断变化，汽车性能的 不断提高，而不断地修订、改进。现在所执行的e c e 是指e c e + e d u c 工况。该工况 有两部分组成，第一部分是为了反映市区内的实际车辆行驶状况，可以看成简 化的城市行驶过程，主要是针对传统的城市道路，根据构建出来的最终结果， 简称为“十五工况法 。第一部分的行驶工况只考虑了在市区内行驶的特征， 并没有包含郊外高速行驶的特征，因此并不是一个完整的车辆行驶工况，于是 在1 9 7 2 年补充了第二部分，e d u c ，总称为n e d c 。欧洲的车辆行驶工况一向是最严 格的，为了更好的控制尾气排放，从2 0 0 0 年开始，欧洲各国开始执行更加严格 的车辆行驶工况，取消热机，从冷启动时开始测试。欧洲e c e e u d c 工况如图2 3 所示，欧洲e c e l 5 工况主要特征参数见表2 5 。 t i m e ( s e c ) 图2 3 欧洲e c e e u d c - 1 2 况 - 8 - 宙 q , j 留 e c q 话 苗 表2 5 欧洲e c e 1 5 工况的主要特征参数 总行驶时间 1 2 2 0 ( s ) 总行驶里程 1 1 0 0 7 ( k m )总行驶里程 10 6 4 6 ( k m ) 平均速度 3 3 6 ( 4 4 0 ) ( k m h )平均速度 3 2 5 ( 4 2 6 ) ( k m h ) 最人行驶速度 1 2 0 ( k m h ) 最大行驶速度 9 0 ( k m h ) 2 1 2 国外其他车辆行驶工况 以上所介绍的这些标准车辆行驶工况，是汽车工业很发达的国家和地区制 定的，这些工况不仅仅是在这些国家和地区使用，其他国家和地区在未独立构 建出符合本国实际行驶状况的车辆行驶工况之前，基本上都是参考这些标准工 况制定本国的排放控制法规，因此这些标准车辆行驶工况应用十分广泛。这些 车辆行驶工况基本上都是应用传统工况构建方法构建出来的，许多研究人员还 运用一些其他方法构建出许多地方性的车辆行驶工况，一方面应用于制定本国 的排放控制法规，另一方面探索新的构建方法，以克服传统工况构建方法中的 缺陷。 ( 1 ) 修正型f t p 一直到1 9 7 8 年，欧洲各国还在运用e c e 1 5 工况作为测试循环工况，但是 随着经济的发展，城市结构的变化，汽车性能的提高，e c e 一1 5 工况已经不符 合真实的车辆行驶状况。针对这一问题，k u h l e r 等人在欧洲选择了三个城市， 即意大利的都灵、德国的斯图加特和法国的凡尔赛，每个城市选择七条路线， 采集用于构建行驶工况的基础数据。为了构建行驶工况k u h l e r 等人选择了发动 机转速、车辆行驶速度怠速时间百分比、加速时间百分比、减速时间百分比比、 匀速时间百分比等十个参数为评估准则，描述车辆行驶工况的特性 3 3 。将最 终所构建出来的车辆行驶工况与f t p 和e c e 一15 放在一起进行评估，结果显示 该工况与f t p 很接近，但是和e c e 一1 5 工况的差异很大。 f t p 作为标准测试循环也有问题，消耗时间太长，整个测试循环过程大约 需要2 4 分钟。为了既保证减少测试时间，又能保证测试结果的准确性最终决定 将测试循环限定在4 0 0 秒以内。该测试循环要求测试冷启动时的排放量，因此 每测试一次，要进行两个测试循环，冷启动时测试一次，汽车达到正常运行温 度时，进行第二次，为了避免两次测试循环之间产生相互影响，最终决定将总 时间规定为，比少于8 0 0 秒，不多于1 0 0 0 秒。 为了构建符合要求的车辆行驶工况，k u h l e r 等人利用以上所提到的十个参 数，划分运动学片段，通过对不同的参数设定不同的要求，构建出一个符合上 述要求的车辆行驶工况。所构建的车辆行驶工况，每测试一次，需耗时4 4 5 秒， 需行驶3 6 7 公罩，称之为修正型f t p 。 ( 2 ) 澳洲悉尼车辆行驶工况 k e n t 等人为构建悉尼市的车辆行驶工况，于1 9 7 9 年，设计实验方案，在 悉尼市区内选择十二条路线，在周一至周五的早上，运用跟车法采集实验数据。 针对所采集的数据，进行交通特性分析，并将样本工况划分成运动学片段，采 用统计分析的方法，随机组合运动学片段，选取一些参数作为评价准则，选择 最符合实际行驶状况的组合作为最终构建的车辆行驶工况。该工况由八个运动 学片段组和而成，测试一次耗时6 3 7 秒，整个过程的平均速度为3 3 6 公里每小 时，一共要行使5 9 4 公里，对这八个运动学片段的顺序并没有要求，可以随意 排列，用于热车启动测试。悉尼车辆行驶工况如图2 4 所示。 图2 4 悉尼车辆行驶工况、 ( 3 ) 法国车辆行驶工况 为构建法国车辆行驶工况，j e a n 等人与1 9 8 9 年，设计实验方案，选择了 包括市区内拥挤道路、市区内的畅通道路、郊区道路和高速公路在内的实验路 线，采集实验数据，记录了车速、油耗等参数值。 整个实验过程共采集了3 0 7 1 个样本工况，然后将这些样本工况划分成 18 5 0 0 个运动学片段。选择了怠速时间比例、加速时间比例、减速时间比例、 匀速时间比例、行驶时间等参数，计算每一个运动学片段的所有参数值。运用 主成分分析法分析计算得到的参数值，最终得到三个主成分。 接着运用聚类分析法分析运动学片段，根据分析结果将这些运动学片段划 分成四种类型。最后运用聚类分析法，挑选出具有代表性的运动学片段，将这 些运动学片段组合在一起，构建出各种各样的车辆行驶工况。所构建的法国车 辆行驶工况如图2 5 所示。 1 醐 、 层 鼍 勺 私 棼 孑0 3 拍。 卫 鼍 m 鲁o o 乏s 0 臣 x 它 m 0 鲁o o 法国车辆行驶工况一高速公路 法国车辆行驶工况一郊区 乏s o 若 誓 勺 彤 脚 磬o o 法国车辆行驶工况一拥塞车流 法国车辆行驶工况一自由车流 图2 5 法国车辆行驶工况 ( 4 ) 东京车辆行驶工况 日本的汽车工业起步较晚，但是发展很快，日本在行驶工况的构建方面取 得了很多成果，现在所使用的j a p a n l0 15 工况早已成为在世界范围内广泛使用 的标准工况。除了这个标准工况外，日本还构建了许多研究价值很高的工况。 y o s h i 等人于1 9 8 0 年，在东京市区内，从主干道、次干道等类型道路中，各挑 选出几条道路，共十七条道路，驾驶实验车辆，采集数据，构建车辆行驶工况。 选择了行驶速度，平均加速度、平均减速度、怠速时间百分比、加速时间百分 比、减速时间百分比、匀速时间百分比、匀速状态下的平均速度等八个参数作 为评价准则。y o s h i z u m i 等人首先将调查到的车辆行驶工况的样本，划分成约 为2 0 分钟的较短行程的区间。然后将所采集到的数据划分成时间长度约为1 2 0 秒的运动学片段，最后划分出7 6 0 个市区运动学片段和1 6 0 个高速公路运动学 片段，然后按照所选的参数，计算出每一个运动学片段的参数值。从市区道路 短行程中随机抽取10 组，从高速公路短行程中随机抽取一组，二者组合在一起， 然后选取所有组合中各参数值与样本参数值最接近的一组，作为代表性的车辆 行驶工况。 2 2 国内车辆行驶工况的研究现状 1 9 8 4 年，我国制定了第一项汽车排放标准。截止l9 9 8 年，我国共制定了 1 6 项汽车排放标准，其中，柴油车的排放标准有6 项，汽油车的排放标准有l o 项，但其控制水平仅相当于欧美国家和地区在2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初的水 平。1 9 9 9 年，参照欧洲汽车排放标准又制定和颁布了4 项新的汽车排放标准。 这四项新标准包含了欧洲所有有关汽车排放控制的法规。其中，我国现行的汽 车排放标准g b t 11 6 4 2 8 9 轻型汽车排放污染物测试方法n 和 g b t 1 8 3 6 8 - - 2 0 0 l 电动汽车能量消耗率和续驶里程实验方法n 2 1 都是建立在 e c e l 5 工况的基础上。e c e 工况是根据欧洲国家的车辆结构、城市结构、交通状 况等解析出的，其制订的目的是为欧洲国家提供满足其实际行使状况的车辆行 使工况。然而，我国车辆的实际行驶状况与欧洲国家有很大的不同，例如我国 机动车和非机动车常常混行，城市结构、交通规则、车辆结构甚至是驾驶习惯 等都与欧洲国家有很大的差异，因此e c e l5 工况并不能完全反映我国车辆的实 际行驶状况。与此同时，欧洲也正在努力开发新的更能反映欧洲国家和地区车 辆实际行驶状况的车辆行驶工况，以解决现有车辆行驶工况的弊端。 1 9 8 3 年，我国制定了第一项汽车排放污染物的控制标准，后来又进行了多 次修订，补充。截止1 9 9 3 年，我国共颁布了7 项汽车排放污染物的控制标准和 与其相应的7 项测量方法标准，初步形成了我国的汽车排放污染物的控制标准 体系。 与欧美发达国家和地区相比，我国在车辆行驶工况与汽车污染物排放控制 方面的研究工作起步较晚，对车辆行驶工况的研究具有实际意义的工作主要是 在一些高校或研究所等单位进行。1 9 9 9 年，天津大学的赵慧等研究了我国香港 地区城区的车辆行驶工况，这是我国第一个针对某个具体区域的车辆行驶工况 和汽车尾气排放关系问题的研究，为制定排放控制法规提供很多具有参考价值 的基础性数据”。 随着我国汽车工业的发展，国内许多高校、科研院所和环保要求高的大城 市都进行了车辆行驶工况和汽车污染物排放控制等方面的研究工作，构建了各 自的车辆行驶工况，积累了大量的宝贵经验，取得了一定的研究成果。 2 3 本章小结 本章概括了国内外车辆行驶工况的研究现状。从国内外的研究现状可以看 出，研究出符合中国实际道路行驶状况的车辆行驶工况的重要性和紧迫性。从 这些已构建的车辆行驶工况我们可以看出，无论以哪种方法构建何种工况，都 要选取一些参数作为评价准则，但构建车辆行驶工况时所选取的参数又有很大 的不同，且并没有给出选择这些参数的理由。因此，本文将运用统计学的方法 对这些参数进行分析，以提取出对车辆行驶工况的构建影响最大的关键参数。 第三章数据采集 以合肥市为例，充分了解合肥市的道路交通状况和现有的实验条件，认真 设计实验方案和构建实验系统，保证实验数据的完整性和准确性，采集大量的 反映实际道路行驶特征的数据，为构建车辆行驶工况和分析城市汽车行驶特征 提供基础数据。 3 1 实验设备的选取 数据采集是构建车辆行驶工况、研究汽车尾气排放与燃油消耗的首要前提， 为进一步的分析、建模等工作提供客观有效的数据。本实验使用的主要设备是 车辆综合性能检测仪，整个实验系统称之为燃油消耗测试系统。该实验系统分 成三个部分：综合性能检测平台，油耗测试系统和速度测试系统。 本实验的数据采集系统是由测试轿车，a m - 2 6 0 0 s 机动车道路实验数据处理 系统和a m 一4 0 0 电喷式汽油机流量传感器组成。实验车辆的行驶速度由安装在 车头的o e s - i i 光电车速传感器测得，燃油消耗量则由串联在供油管上的a m - 4 0 0 电喷式汽油机流量传感器测得。整个测试系统每1s 采样一次。所有设备与仪器 集装成一体，安装在实验车辆内。 3 1 1 实验用车 实验车辆类型的选定应该基于实验地区，由车辆在该地区的普及程度( 用市 场占有率来衡量) 确定n7 1 ，同时要考虑以下因素：生产日期、额定功率、发动机 类型( 是汽油发动机还是柴油发动机机) 、发动机排量、喷射类型( 是电子燃油 喷射还是化油器喷射) 、催化剂使用情况等。 本次实验车辆采用的是微型轿车，具有一定的代表性，实验车辆的具体参 数见表3 1 。 表3 1 实验车的基本参数 引擎排量1 0 7 5 c c气缸数 4 座位数5燃油种类汽油 发动机前置 驱动方式 前轮驱动 换档形式手动 前进档数 5 最人功率( k w r p m )4 8 5 7 0 0 最人扭矩( n m r p m ) 8 8 3 0 0 0 经济油耗( l l o o k m ) 4 5 3 12 枷一2 6 0 0 s 机动车道路实验数据处理系统 a m 一2 6 0 0 s 选用笔记本电脑为核心部件，配以专用的数据采集器以及各种相 应的传感器，可以进行机动车的速度、加速特性、油耗、滑行、制动等性能实 验，并且可以根据用户的需要采集和处理其它模拟及数字信号。a m - - 2 6 0 0 s 机 动车道路实验数据处理系统如图3 1 所示。 图3 一】a m - - 2 6 0 0 s 机动车道路实验数据处理设备 本套实验数据处理系统的特点如下： 1 ) 系统软件基于w i n d o w s 平台，图文界面，简单易用，主界面可以同时显 示时间、距离、速度、加速度、油耗等实验数据。 2 ) 该实验数据处理系统采用a c c e s s 数据库格式，可以存储海量实验数据， 并可以随时查询、打印实验数据。 3 ) 系统硬件部分具有可扩展性，为用户预留了部分信号( 模拟、数字) 通 道，方便系统的后续扩展。 4 ) 通过系统配簧的u s 8 接口，系统能够与其它计算机进行信息交换。 5 ) 系统可以连接微型打印机可按速度、时间、距离三种模式打印测试结 果和各种曲线。 6 ) 系统配备了无线遥控器，玎以进一步增强系统的操作性。 7 ) 可按g b l 2 6 7 5 - - 1 9 9 9 汽车制动系结构，性能和实验方法进行各种平 均减速度的测试。 8 ) 在不进行道路实验时，本实验数据处理系统就是一套完整的桌面计算机 系统。 9 ) 可根据用户的要求，增加拖拉机牵引性能测试功能。 泼系统软件的操作界面如图3 2 所示。 一2 6 0 0 s 矗车性旋遗验数据处珊系统 v h 1 1 o f * m t m i x * “n i m e “ii m n_l - * a l _ 僦椰“荆 l - _ i e 旦l t m - ，lt - & e “ 圉3 - - 2 a m 2 6 0 0 s 系统软件界面 本套实验数据处理系统的主要技术参数见表3 2 。 表3 2a m - 2 6 0 0 $ 的主要技术参数 速度参数量程2 5 0 k m h 精度05 ，分辨率0i k m h 距离参数域程无限糯度05 ，分辨率00 1 m 昔程平粘应由传感器缺定( 率仪器所配传赙器1 6