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混合交通环境下行驶工况构建方法的研究 摘要 由于国情、经济和文化发展等差异，我国的城市交通环境多呈现出机非混 合的现象，这与欧美等发达国家有较大不同。因此研究开发基于我国城市交通 运行特征的车辆行驶工况，将为车辆污染物排放量和燃油消耗量的确定、新车 型的技术开发和评估以及交通控制方面的风险测定等提供基本依据。 本文借鉴国内外先进的车辆行驶工况构建方法。以合肥市道路试验数据为 依据，对路测数据进行了汽车行驶特征的分析，主要分析了车辆行驶的平均速 度、平均加减速度、速度区间分布以及加速度在速度区间内的分布等情况。在 具体构建行驶工况阶段，首先利用传统的主成聚类分析方法对行驶工况的构建 进行了研究，接着重点探讨了运用随机过程中的马尔可夫过程理论开发城市道 路汽车行驶工况的具体方法，并将这两种方法构建的工况和实验数据放在一起 进行对比分析，由此评价了m a r k o v 方法的合理性和需要改进的地方。 汽车的行驶速度可以看作随时间变化的一系列随机变量，这样车辆的运行 状态便被定义为一随机过程。本文利用随机过程中的马尔科夫过程来构建汽车 行驶工况，首先采用极大似然估计法来划分试验数据，把实验数据定义为不同 的模型事件集，每种模型事件集用一种状态来表示，并求出各状态的转移概率。 然后用随机数的方法不断扩展行驶工况的长度。最后选取十个特征参数( 如平 均速度、平均加速度、加速比例等) 作为准则，以此评价最终构建工况的合理 性和准确性。同时，利用v b 和m a t l a b 混合编程，尝试开发了行驶工况构建 软件。 关键词：行驶工况，随机过程，马尔可夫过程，伪随机数，混合交通 r e s e a r c ho nc o n s t r u c t i o no fd r i v i n gc y c l e u n c l e rm l x e dt r a t t l cc 0 n d i t i o n 一一 a b s t r a c t b e c a u s et h ed i f f e r e n c eb e t w e e nn a t i o n a lc o n d i t i o n s ，t h e d e v e l o p m e n to f c u l t u r ea n de c o n o m y ，t h e r ea r em a n ya p p e a r a n c eo fm i x e dw i t hm o t o rv e h i c l ea n d n o n m o t o r i z e dv e h i c l ew h i c hi sd i s t i n c tf r o md e v e l o p e dc o u n t r i e s s t u d y i n ga n d d e v e l o p i n gv e h i c l ed r i v i n gc y c l e sb a s e do nt h et r a f f i cc h a r a c t e r i s t i co fo u rc o u n t r y c i t i e sw i l lp r o v i d eb a s i cp r i n c i p l ef o rc a l c u l a t i n gt h ev e h i c l ee m i s s i o na n df u e l c o n s u m i n ga n dd e v e l o p i n gn e wv e h i c l et y p e s ，a sw e l la se v a l u a t i n gt h er i s k i n v e s t m e n tp r o je c t sa n dd e c i s i o nm a k i n go ft r a f 丘cc o n t r 0 1 w el e a r nf r o mt h ei n t e r n a t i o n a la d v a n c e dd e s i g nm e t h o d so fv e h i c l ed r i v i n g c y c l e s b a s e do nt h ea c t u a lr o a dt e s ti nh e f e i ，w ea n a l y s ed r i v i n gp e r f o r m a n c e m e a s u r e s ，i n c l u d i n go fa v e r a g ev e l o c i t y & a c c e l e r a t i o n ，i n t e r v a ld i s t r i b u t i o no f v e l o c i t y & a c c e l e r a t i o n i nc o n c r e t ep h a s eo fd r i v i n gc y c l ed e v e l o p m e n t ，w e c o n s t r u c td r i v i n gc y c l e a c c o r d i n gw i t hp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i sa n dt h e s t o c h a s t i cp r o c e s so fm a r k o v ( e m p h a t i c ) r e s p e c t i v e l y t h e n ，w ea n a l y s et h e s et w o d r i v i n gc y c l e si no r d e rt of i n dr a t i o n a l i t ya n dd e f i c i e n c yi nm a r k o vp r o c e s sm e t h o d t h ev e l o c i t yo fv e h i c l e sm a yb et a k e na sas e r i e so fs t o c h a s t i cv a r i a b l e sv a r i n g w i t ht i m e t h r o u g hd e f i n ed r i v i n gc y c l ea ss t o c h a s t i cp r o c e s s ，w ed e v e l o pd r v i n g c y c l eb ys t o c h a s t i cp r o c e s so fm a r k o v , d i v i d ee x p e r i m e n t a ld a t aw i t hm a x i m u m l i k e h o o de s t i m a t e ，d e f i n ed r i v i n gc y c l ea sm o d e le v e n tb i n sd e n o t e dw i t hd i f f e r e n t s t a t e sa n dg e ts t a t et r a n s i t i o np r o b a b i l i t yo fe x p e r i m e n t a ld a t aa tf i r s t t h e n ，w e e x t e n d d r i v i n gc y c l ew i t hp s e u d o - r a n d o mn u m b e ra n du s et e np e r f o r m a n c e m e a s u r e st oe s t i m a t et h ef i n a ld r i v i n gc y c l e s a tt h es a m et i m e ，w et r yt od e s i g n p r o g r a mw i t hv bl a n g u a g eo nt h e o r yo fm a r k o vp r o c e s s k e y w o r d s ：d r i v i n gc y c l e ，s t o c h a s t i cp r o c e s s ，m a r k o vp r o c e s s ，p s e u d o r a n d o m n u m b e r ，m i x e dt r a f f i c 插图清单 图1 1 欧洲e c e l 5 + e u d c 工况3 图1 - 2m o d e m h y z e m 工况3 图l 一3l a 4 c 工况4 图1 4 美国f t p 7 5 工况4 图1 5s f t ps c 工况( f t p 7 5 追加工况) 5 图1 6j a p a n l 0 1 5 行驶工况5 图1 7 纽约公交车工况6 图1 8 香港地区汽车道路行驶特征测试循环6 图1 9 北京市各类道路工况7 图1 1 0 上海市各典型道路的工况8 图1 1 l 天津市道路代表性行驶工况8 图2 1 车辆试验系统l1 图2 2 合肥市试验路线选择( 主干道) 一1 3 图2 3 合肥市试验路线选择( 次干道) 1 4 图2 - 4 合肥市道路试验路线选择( 城郊道路) 1 5 图2 5 行驶工况构建结果准确度与数据数量的关系1 6 图3 1 通用行驶工况解析流程图一1 7 图3 2 运动学特征片段18 图4 1 以时间为基本单位记录的数据2 4 图4 2 以距离为基本单位记录的数据2 4 图4 3 实车行驶情况记录一2 5 图4 4 实验各路段平均速度值2 5 图4 5 实验各路段平均加速度值2 5 图4 - 6 实验各路段各工况分布比例2 6 图4 7 主干道速度时间历程图示例2 7 图4 8 主干道加速度时间历程图示例一2 7 图4 9 主干道速度分布饼图2 7 图4 1 0 主干道加速度分布饼图2 7 图4 1l 主干道速度加速度联合分布( 部分) 2 8 图4 1 2 主干道速度- 力速度三维联合分布一2 8 图4 1 3 主干道速度加速度频率等高线图2 8 图4 1 4 次干道速度时间历程图示例一2 9 图4 15 次干道速度时间历程图示例2 9 图4 1 6 次干道速度分布饼图，2 9 3 图4 1 7 次干道加速度分布饼图2 9 图4 18 次干道速度_ 力口速度联合分布( 部分) 2 9 图4 1 9 次干道速度力口速度三维联合分布2 9 图4 2 0 次干道速度- 力口速度频率等高线图3 0 图4 2 1 城郊道路速度时间历程图示例3 0 图4 2 2 城郊道路加速度时间历程图示例3 0 图4 2 3 城郊道路速度分布饼图3 0 图4 2 4 城郊道路加速度分布饼图3 0 图4 2 5 城郊道路速度- 力口速度联合分布( 部分) 3 1 图4 2 6 城郊道路速度力口速度三维联合分布3 1 图4 2 7 城郊道路速度- 力口速度频率等高线图3 l 图4 2 8 主成聚类分析拟合工况3 4 图5 。l 城市道路汽车行驶工况的开发流3 9 图5 2 马尔可夫过程构建行驶工况流程一3 9 图6 1 极大似然法速度时间曲线族的划分4 6 图6 2 极大似然法速度时间状态的划分一4 6 图6 3 实验数据基本处理程序流程框图4 7 图6 4 随机数构造过程5 0 图6 5 从状态疗转移出的状态条件概率5 l 图6 - 6 状态转移种子扩展为模型事件5 1 图6 7 模型事件扩展方法流程图5 2 图6 8 典型道路合成的代表型工况5 5 图6 - 9 速度特征参数对比5 6 图6 1 0 加速度特征参数对5 6 图6 1 1 速度分布比例对比一一5 6 图7 1 软件界面5 8 图7 2 程序运行次序5 9 图7 3 程序运行次序一5 9 图7 4 主界面菜单5 9 图7 5 分布特征参数显示6 0 图7 - 6 总体特征参数显示6 0 图7 7 状态矩阵显示一6 0 图7 8 状态转移矩阵显示6 0 图7 - 9 各状态的特征参数矩阵6 0 图7 10 图形输出步骤6 1 图7 11 工况可视化输出6 1 4 表格清单 表2 1 试验车辆基本参数1 0 表2 2 主要试验设备型号1 1 表3 1 总体及片段特征参数1 9 表3 2 总体及片段分布特征参数2 0 表4 1 实验实际道路行驶特征参数值2 6 表4 2 工况分布特征矩阵3 2 表4 3 各主成分贡献率及累积贡献率) 3 2 表4 4 前4 个主成分与特征参数的相关系数3 2 表4 5 主成分得分3 2 表6 1 行驶状态特征参数分4 7 表6 2 实验数据状态特征参数值4 8 表6 3 状态转移概率( ) 4 8 表6 4e 中随机数的分布5 1 表6 5 状态的模型事件频率：5 3 表6 - 6 合肥市典型道路实验数据与代表性行驶工况的特征参数比较5 5 表6 7 合肥市道路典型工况于三大工况之间的比较5 6 5 独创性声明 本人声明所旱交的学位论文是本人在导师指导i - 进行的研究i 作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 佥8 墨l 些厶堂 或 其他教育机构的学位或证伟而使用过的材料。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并表示谢意。 学位论文作者签名：鹰夜父签字日期：妒o 钐7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒g 曼兰些厶堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部i j 或机构送交论文的复印仆和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权，金曼羔些厶堂 可以将! 学位论文的全部或部分内容编 入有承数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描管复制手段保存、汇编学 位论文。 ， ( 保密的学何论文在解密厉适h j 本授权 5 ) 学位论文作者躲力氢k 签字日期： 2 口伊昨日 j 学位论文作者毕业后去向： j ：作单位： 通计i 地由 ： 导师签 呃琴 签字日期：加。银 电 l 舌： 邮编 蚪 致谢 本论文是在导师石琴教授的精心指导和悉心关怀下顺利完成的，石老师治 学严谨、诲人不倦的师者风范，宽广的知识面、活跃开阔的思维，对问题敏锐 的洞察力，以及忘我的敬业精神时刻感染教育着我，让我受益终生! 在此谨向 石老师致以最衷心的感谢和最真挚的敬意! 藉此机会，再次感谢国家自然科学基金委员会提供了如此难得的科研课题。 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多 年来在学习上对我的无私指导和帮助。 同时，在本文的写作过程中，我也参考吸收了很多国内外专家学者的理论和 观点，收获颇多，这对本文的形成大有裨益。籍此机会，我也向他们表示衷心 的感谢。 感谢含辛茹苦培养我的父母、家人，感谢他们默默地支持鼓励我，你们是 我持续奋斗的根本动力和幸福的源泉。 衷心感谢邓超、卢利平、刘钊、张锐等师兄师姐，刘魏娜、李庆虎、汪新 伟等同窗好友，朱俊虎、张金武、郑与波、王涛等师弟师妹在学习和生活上对 我的热心帮助。 感谢研究生( 3 ) 班的所有的同学，和他们相处永远是那么融洽和快乐。 感谢林伟，廖衔，张友皇等寝室兄弟对我一如既往的关心、支持和体谅。 感谢合肥工业大学，在这里我度过了人生中美好的三年时光，真诚的希望 工大能够不断进步、发展壮大。 感谢所有关心、支持和帮助过我的老师、同学、朋友们。祝愿他们一生平 安、幸福快乐! 作者：李友文 2 0 1 0 年3 月 第一章绪论 1 1 汽车行驶工况研究开发的意义 汽车行驶工况( d r i v i n gc y c l e ) 又被称为汽车运转循环【l l ，它以某一类车辆 ( 如乘用车、公交车、重型卡车等) 作为参照，表现为在特定行驶环境( 如城 区道路，城郊道路等) 限制下的车辆行驶的速度时间历程。行驶工况的开发需 要对车辆的实际行驶情况进行试验调查，对采集的数据进行分析处理，运用数 学的方法提炼，它具有与车辆的实际行驶相近似的统计性质，其表现形式为速 度时间函数关系。 开发行驶工况的意义在于【2 1 【3 1 ：为考察某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 测维护( i n s p e c t m a i n t e n a n c e ) 制度的需要。一个能够充分表征车辆实际行驶 情况的工况对于以上过程能够起到强有力的促进作用，缩短新车型的设计、开 发周期，保证服役车辆的使用时间和质量，因此立足真实交通环境并开发自主 的行驶工况意义深刻。 介于此，国内众多研究机构和大专院校对汽车行驶工况进行了颇多研究。 在这里列举一些实例，如，中国环境科学研究院曾用两年多的时间进行中国城 市汽车行驶工况和污染物排放系数测定的研究【4 】。赵慧等对香港城区汽车行驶 工况进行了研究1 5 j 。武汉理工大学的马志雄等研究了动态聚类法在车辆实际行 驶工况开发中的应用1 6 j 。 之所以要在不同城市和地区分别进行研究，根本原因是由于我国人口众多， 区域发展很不平衡，不同的城市的道路交通状况、车辆保有量以及交通流分布 差异很大，因此从理论上说某一种实际车辆行驶工况不可能在全国的范围内得 到通用，与国际标准工况更是很难达到一致，致使无法与国际先进水平接轨。 目前我国所采用的e c e ( e c o n o m i cc o m m i s s i o nf o re u r o p e ) - v 况是根据欧洲 国家的交通状况、城市结构等解析出的，同时在试验和生产实践中证明，该工 况很好的反映了欧洲各个国家的车辆实际行驶状况，但是欧洲大陆之所以能够 统一的采用一种强制性的标准工况是因为这些国家的地理、政治以及社会因素 等都非常一致。 从近年来的研究来看，我国体现在交通状况、城市结构甚至交通规则和驾 驶习惯与驾驶员专业素养等方面的差距与欧洲国家仍然有较大距离。因此，至 少在目前为止，e c e l 5 工况还不能完全反应我国车辆的实际行驶状况【2 叭。 研究开发符合我国特定交通环境特征和中国特色的车辆行驶工况，建立一 套完善的法规评价体系迫在眉睫! 1 2 行驶工况的国内外发展概况 在汽车诞生的最初几十年里，对车辆的燃油消耗、尾气排放、设计制造和 维修检测等都没有统一的约束和标准，造成了严重的资源浪费和环境污染，同 时给汽车的生产制造和保养检修带来许多的不便。行驶工况在这样的形势下应 运而生，其最早诞生于2 0 世纪6 0 年代的美国，当时仅仅是为了限制汽车尾气 的排放，从而达到控制和改善洛杉矶市区日益恶化的空气质量状况的目的。 随着汽车工业蓬勃发展，行驶工况不再是拘泥于某一方面的指导和控制的 法规，它在车辆的整个生命周期的每个阶段都得到了广泛的应用。因此如何开 发利用一个合理的行驶工况被世界大多数国家和地区普遍重视。 1 2 。1 国外发展概况 作为世界行驶工况发展的最高水平和风向杆的世界三大工况在该研究领域 可谓是家喻户晓，分别是欧洲行驶工况( e c e l 5 + e u d c ) ，美国行驶工况( f t p 7 5 ) 和日本行驶工况( j p a n l 0 ) ，三大工况分别对应了汽车工业发展水平最高的三个 国家和地区【7 】。其中，美国行驶工况为瞬态行驶工况( 即速度时间历程是瞬间 变化的) ，其余两者都是模态行驶工况( 即速度时间历程是遵循某种模式的) 。 这些工况被世界各国所广泛采用，同时在此基础之上，研究人员还通过本国的 实际情况不断改进和完善这些行驶工况，并进行不同程度的修正和补充。 下 面对三大工况一一进行介绍： 1 2 。2 1 欧洲行驶工况 由于欧洲各国政治、经济、交通和文化的相似性与密切的联系，同时欧洲 一体化的进程使整个欧洲采用同一个行驶工况成为可能。 欧洲国家排放法规于1 9 7 0 开始被各个国家陆续采用，1 9 7 2 年开始实行的 欧洲统一的工况实验法，1 9 7 4 年有出现和欧洲的综合法规，即联合国欧洲经济 委员会的e c e r l 5 ，直至1 9 8 4 年修订为e c e r l 5 0 4 t 引。工况被应用于对车辆的 燃油消耗经济性和汽车污染物的排放的评价，在世界范围内得到可最广泛的认 可和采纳。目前，我国汽车工业领域也采用欧洲行驶工况。 到目前为止，欧洲使用的是e c e + e u d c ( e x t r au r b a nd r i v i n gc y c l e ) i 况( 如 图1 1 所示) ，两者合称为n e d c 行驶工况。第一部分的e c e 工况，为传统的 城市道路行驶工况，是城市行驶工况的一个典型代表，该部分由1 5 种行驶方式 组成，通常称为“十五工况法”。在进行工况循环测试实验之前，被测车辆须放 置于2 0 3 0 的室温环境下至少6 小时。在欧i i i 标准之前，试验须先冷启动4 0 s 的怠速运转，( 欧i i i 以后，4 0 s 的冷启动时间被取消，因此循环测试变得更为 严格) ，接着重复进行四次十五工况循环行驶试验，4 次循环平均车速为 1 8 7 k m h ，一共需要行驶7 8 0 s ，总行驶历程为4 0 5 2 k m 。第二个部分为一个附 加的市区行驶工况( e u d c ) ，代表市郊车辆运行过程，平均速度为6 2 6 k m h ， 2 该部分最高车速为1 2 0 k m h ，测试时间为4 0 0 s ，行驶里程6 9 5 5 k m 。 e c e + e u d c ( n e d c ) 工况适用于总质量不大于3 5 0 0 k g 乘用车9 1 。 ：n 八，、，八，、n n | f 、n 九n一 图1 1 欧洲e c e l 5 + e u d c 工况 同时，欧洲由于开发新型动力车辆的需要，也开展了许多工况的研究，最 著名的成果之一就是m o d e m h y z e m 行驶工况( 如图1 - 2 所示) 嘲： 图1 - 2m o d e m - h y z e m 工况 1 2 1 2 美国行驶工况 世界上最早的行驶工况便出现在美国，也是美国行驶工况的前身。被称为 加利福尼亚标准测试循环，即“7 工况法”，于1 9 6 6 年诞生于美国加州，起因是 人们发现加州洛杉矾的空气质量状况很差，大气中的污染物主要来源于上下班 过程中所排放的汽车尾气。研究人员经过调查，通过综合考虑洛杉矶的各种类 型道路，构造出一条具有典型代表性的上下班路线( 简称l a 4 ) ，并对这条道 路长的车辆的速度时间历程进行解析，构造出最原始的行驶工况，l a 一4 c 工况 ( 如图1 3 所示) 。以该行驶工况为基础的排放法规在19 6 8 年被美国联邦政府 采纳作为联邦排放法规。1 9 7 2 年，美国环保局又将该工况用作认证车辆排放的 测试程序，后又经过改进形成城市测功机运行工况u d d s ，简称f t p 7 2 。按照 f t p 7 2 工况来进行燃油消耗和污染物排放的测试，可以认为考虑了最严格的情 形，早期的f t p 7 2 测试是将洛杉矶市内早晨交通高峰期的汽车运行工况作为 道路模拟工况，它是在汽车冷启动试验5 0 5 s 后，在稳定行驶8 6 7 s ，分两段收 集排气污染物。1 9 7 5 年将f t p 7 2 扩充成f t p 7 5 ，它是在f t p - 7 2 基础之上加 3 上6 0 0 s 热浸和热态过度过程工况( 重复冷态过渡工况) ( 如图1 4 所示) ，这样 f t p 工况共持续2 5 7 5 s ，最高车速9 1 2 k m h ，平均速度3 1 4 k m h 【10 1 。 图1 3l a 4 c 工况 图1 4 美国f t p 7 5 工况 由于美国交通网络发展迅速，道路体系向主干道和高速道路方面发展。为 了使f t p 7 5 更加的真实、可靠并具有代表性，研究者们开发了许多更加反应 真实交通状况的循环，并将一些重要的研究成果补充进f t p ( 更名为 s u p p l e m e n t a r yf t p ) ，应用于2 0 0 1 年后生产车型的油耗、排放测试。而且单独 开发出高速工况( h i g h w a yc y c l e ) 主要应用于在高速公路上行驶的车辆。基于以 上考虑，反应主干线和高速公路真实的行驶工况s f t pu s 0 6 ( 如图1 5 ) ，被f t p 追加为一个附加的工况，它主要顾及到城市之间的交通，并应用于油耗量的计 算。同时为了考核车辆开空调满负荷运行的车辆排放情况，还追加了s f t ps c s ea ( s t a r tc o n t r o l0 3 ) 1 1 。 值得注意的是不断丰富和完善的f t p 7 5 工况被作为标准测试循环工况一 直被延续使用至今。 另外美国还有车辆维护检查的排放试验循环i m 2 4 0 ，纽约城市工况以及 o b d 工况等等专用工况。 4 口 _ 童 峥 砷 o q 耘；，- 图1 - 5s f t ps c 工况( f t p 7 5 追加工况) 1 2 1 3 日本行驶工况 1 9 9 1 年之前，日本采用的车辆行驶工况是j a p a n l0 工况。j a p a n l0 实际上是 车辆城市中心的行驶工况，车辆在进行j a p a n l 0 工况实验之前，需要事先进行 热车，即使车辆以不低于4 0 k m h 的速度最少行驶1 5 m i n 。日本j a p a n l 0 工况用 来反映车辆由城郊外驶入市区或在城郊行驶的实际运行状况。同e c e 工况类 似，j a p a n l 0 工况也是一个需在冷启动状态下使用的行驶工况，在车辆进行实 际的测试之前，需要在2 0 3 0 的环境下放置至少6 小时p j 。 从2 0 世纪7 0 年代起，由于人口激增以及社会经济的发展，整个日本的城 市规模不断扩大道路、交通压力变大，研究人员着手对j a p a n l 0t 况进行不断 的修改。现阶段在日本使用的测试循环工况是经j a p a n l o 改进后的j a p a n l 0 1 5 工况。该工况平均速度为2 2 7 k m h ，最高速度为7 0 k m h ，运行时间6 6 0 s ，包括 了三个1 0 工况循环和1 5 工况一个循环( 如图1 6 ) 。 t i m ( i d 图卜6j a p a n l 0 - 1 5 行驶工况 5 1 2 1 4 国外其它行驶工况研究 由于各城市有着不同的道路特征、交通流量分布等，实际行驶工况和标准 行驶工况有所差异，而且实际行驶工况对车辆的影响要比认证工况在排放、燃 油消耗等方面严厉一些。因此除了上述三种为世界先进国家广为采用的车辆行 驶工况外，尚有很多地方型或城市型的代表性车辆行驶工况的研究和应用。这 类行驶工况称为实际工况或瞬态行驶工况。例如19 7 8 年开发的澳洲雪梨行驶工 况，1 9 8 2 年开发的墨尔本行驶工况，1 9 8 9 年开发的法国行驶工况，日本的大都 市( 如东京、京都、大阪等) 通过以对象干线道为中心调查后制作的各自独有 的行驶工况，纽约城市工况、纽约公交车工况( 如图1 7 所示) ，香港理工大学 的研究人员得到的描述香港地区汽车道路行驶特征测试循环( 如图1 8 所示) 。 据统计，用于各种不同用途的工况大约由7 0 多种，这些工况的存在极大地丰富 了车辆的设计与开发。 ： 上 p 6 暮 董 藿 0 日 0 6 f l , 4 鼍 1 3 2 莒 0 ： 4 3 2 善 1 34 喜 ，0 ，6 o 8 甜1 2 瓤)五5 0 a ，lime(曩ec) 图1 7 纽约公交车工况 图1 8 香港地区汽车道路行驶特征测试循环 1 2 2 国内行驶工况发展概况 我国对工况研究较之欧美发达国家晚，从19 8 4 年起，我国先后制定了14 项汽车排放标准，其中有6 项适用于柴油机，10 项适用于汽油机。其控制水平 6 仅相当于国外2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初的水平。在开发和研究方面上海市环 境保护科学研究院在19 9 4 年曾建立了个简单的上海典型工况。而19 9 6 19 9 8 年间，中国环境科学研究院用了近两年的时间进行过中国城市汽车行驶工况和 污染物排放系数测定的研究【引。1 9 9 9 年1 月1 日北京市开始实施新的北京地方 标准d b li 1 0 5 一1 9 9 8 轻型汽车排气污染物排放标准，它所使用的测量方法是 采用e c e + e u d c 工况。1 9 9 9 年，参照欧洲汽车排放法体系又制定和颁布了4 个新的法规。这四个法规包含了欧洲所有汽车排放控制有关的法规f 9 l 。 近年来，我国各大中城市开展了对行驶工况的新一轮研究，给地纷纷建立 更能代表本地实际交通状况的行驶工况或对汽车污染物的排放进行了新的实际 调查和研究，这其中具有代表性的有： ( 1 ) 北京市汽车行驶工况和污染物排放系数调查研究【l 引。 2 0 0 0 年中国环境科学研究院对北京市不同道路上的汽车行驶状况进行了调 查研究。基于这些调查数据进行了不同道路的汽车行驶工况解析，分别确定了 用于北京市汽车排放污染物测定的一般道路行驶工况、快速路行驶工况、高速 路行驶工况、城区综合道路行驶工况和综合道路行驶速度特征工况( 如图1 9 所示) 。在底盘测功机上完成了上述各工况的污染物排放系数测定，并与国家标 准工况( e c e l 5 0 4 ) 的排放系数的测定结果进行了比较。 ， 城市一般道路工况 姜絮臣嗡令铲蚀舻 1 ， 艇审练台道路工况 圣冬b 念群舡神 恢速黯工况( = 环和三邵 商逮格工况 1 2 智0 b x 2 = l l2 0 l4 0 i 6 0 1 8 0 1 0 0 1t 2 0 t 图1 - 9 北京市各类道路工况 ( 2 ) 上海市城区典型道路形式特征研究f l 引。 2 0 0 5 年上海市环境科学院联合华东理工大学对上海市城区的快速干道、主 干道和次干道等3 种典型道路上的机动车行驶特征和交通状况进行了试验和调 查得出了上海市各典型道路的行驶工况( 如图1 1 0 所示) 。对上海市城市交通 规划和车辆检测与控制起到了一定的指导作用。 7 一_ - 一- _ 街 口 a k 山a 。 - 叠稿曩_ 轴脚i 铂 c b 图1 1 0 上海市各典型道路的工况 ( a 图为快速干道典型工况，b 图为主干道典型工况，c 下图为次干道典型工况) ( 3 ) 天津市道路汽车行驶工况的研究【l 4 1 。 2 0 0 2 年天津大学采集了天津市各种道路的交通数据，利用速度、加速度等 行驶特征参数为准参数，对天津市各种道路行驶工况做了详细的描述和分析， 得出了一个基于实际汽车速度、加速度等准则的行驶工况( 如图1 1 l 所示) 。 并与欧洲的e c e l 5 工况、美国的f t p 7 5 工况和日本的j a p a n l 0 1 5 工况进行了 比较。 o 啪窈粥4 0 0 期鼬粥嘲蛐 脚l 粕 时棚舟 a 为 - 弼 要4 0 嘉： 1 l i o 01 0 02 0 03 0 0 呦湖锄稻瓤i 她l o d c 对制s b 图1 1 1 天津市道路代表性行驶工况 ( a 图为市区代表性行驶工况，b 图为市郊代表性行驶工况) 8 一t 7t量i 为曩霉叠l ，r娶， 此外，成都、宁波、深证等城市也都根据自身的实际情况分别进行了相关 研究，构建了符合本地交通形态的实际行驶工况，为后续的研究工作的深入开 展积累了大量的理论和实践经验。 1 3 本文研究的主要内容 本文依托于国家自然科学基金项目课题“混合交通环境下行驶工况的仿真 及控制策略研究”，针对中国具体的交通环境，首先采用数理统计和随机过程等 相关的理论对数据进行分析和处理，研究理想的实验数据划分方法，选取合理 的行驶特征参数，并运用融入m a r k o v 等理论的新方法对行驶工况的构建理论 和构建方法进行研究，对数据进行分析处理，找到新的开发行驶工况的方法， 设计出动态仿真原型系统，并进行动态仿真的研究。运用合理的开发方法，得 到与实际情况相契合的行驶工况表现形式，并与传统的行驶工况构建的理论和 方法进行比较分析，评价其优缺点。 注重理论研究是本文的侧重点，并对当前国内外先进的行驶工况构建方法 进行了丰富和扩充，同时为车辆研制和检测以及交通规划和管理领域提供协调 控制策略方面提够了相应的参考。 本学位论文以合肥市城市道路系统为研究对象，论述行驶工况构建的一般 性方法。其主要研究内容包括： ( 1 ) 实验数据的分析处理方法的选择及实际行驶工况影响因素的确定； ( 2 ) 新的行驶工况构建方法的研究和分析； ( 3 ) 数据分析处理及行驶工况构建软件的开发和仿真应用。 9 第二章实验规划及数据采集方法 无论用什么方法构建行驶工况，最终的表现形式都是速度时间的行程关 系，因此对车辆实际行驶数据进行采集是必须的。它可以对我们以后的构建过 程提供对比标准、数据来源，以及对所用理论的正确性和合理性与否进行评价。 在试验中，不仅要采集试验车辆的运行速度及其变化，同时应记录车辆运 行时的温度、湿度、大气压力、天气状况、风力风向等环境参数。另外，考虑 到实验数据的完整性，还需要测定车辆的燃油消耗、发动机转速等参数。 2 1 试验车辆及相关试验设备 2 1 1 试验车辆 试验立足于合肥本地，选用昌河公司生产的i d e a 轿车：昌河爱迪尔 c h 7 111 a ，该试验车已经行驶了三万公里，车况良好，车辆的基本参数( 如表 2 1 所示) 列举如下： 表2 1 试验车辆基本参数 名称技术参数 车型名称 引擎排量 座位数 最大功率( k w r p m ) 最大扭矩( n m r p m ) 经济油耗( l i l o o k m ) 最高速度( k m h ) 整备质量( 磁) 整车尺寸( 长宽高) 轴距( r a m ) 发动机 变速箱 昌河爱迪尔c h 7 1 l1 a 1 0 7 5 c c 5 4 8 5 7 0 0 8 8 3 0 0 0 4 5 1 4 0 9 3 0 ( r a m )3 5 6 0 x1 6 0 0 x 1 6 7 0 2 3 3 5 双项置凸轮轴直列四缸电控多点燃油喷射j l 顶序点火 5 档手动 2 1 2 试验相关设备 为了数据的采集要求，对实验设备进行了仔细的选择并自行搭建了车载实 验系统，主要包括：车辆综合性能记录仪、燃油流量测量计、非接触式车速仪， 列举如下( 如表2 2 所示) 。此外为了数据的精确可靠，中间还接入了速度跟踪 滤波器、流量讯号转换器，这些仪器组成了车辆测试系统的框架( 如图2 1 所 示) ， l o 表2 - 2 主要试验设备型号 设备名称 设备型号 车辆综台性能记录仪 非接触式车速仪 燃油流量渊量汁 a m - 2 6 0 0 汽车性能实验数据处理系统 n c s - i d 非接触式车速仪 f l o w t r o n i c 2 1 0 x 图2 - 1 车辆试验系统 此外，我们在各主要的路段和路口，安排多组人员在实验车辆进行测试的 同时对各实验路段及路口的交通流量情况进行调查记录各种类型车辆的流量。 同时，利用雷达测速仪进行该路段的车速调查，这些数据为我们的试验后的数 据复查提供主要依据，同时检验车辆行驶数据是否准确、合理。 其它的辅助设备号还包括录音机、数码摄像机、秒表、气压计、温度计、 卷尺和电瓶等。录音机用于辅助记录卡记录、阻提高记录的准确性，数码摄像 机用于记录行驶路线的路况，秒表用于记录到达路段起始时刻、堵车时刻，气 压计，用于记录当天的大气气压，每条路线每次试验纪录两次，路线开始时和 路线结束时，然后取其平均值，温湿计，记录当天的环境温度和湿度，数据记 录方法与记录大气压力的方法相同，卷尺用来测量试验道路特征及交通调查。 2 2 实验数据采集方法 试验数据的采集作为一个系统的过程，其基本的评价准则是与实际相吻合 的程度，包括与实际相符的行驶环境、良好的车辆状况、丰富经验的驾驶员以 及采用正确的行驶方法等。 22 1 具体试验方法 车辆的行驶状况在很人程度上取决于驾驶员的驾驶技术，特别是在城市道 路行驶时，车辆要面对频繁的起步、停车、加速、减速等多种行驶状态为了能 保证实验的精确度，在试验中我们选择有经验的老驾驶员。 罩 一雪 军 不同的数据采集方法也会对实验的合理性及准确度提出考验，目前世界上 通用的数据采集方法有以下三种【2 】： ( 1 ) 自主行驶法。 该方法强调了驾驶员的主观能动性，即由车主本人按照日常的驾驶习惯进 行实验数据采集，由于个人的行动的区域会有局限性，为了包含城市中不同的 道路等级，则需要多台车同时进行实验，增加了人力物力成本，实验周期长。 但其优点也非常明显，由于考虑到人的因素，它最能反映城市中车辆的实际行 驶状况。 ( 2 ) 平均车流统计法。 这种统计方法又被称为代表性工况法，其特点是选择专业驾驶员驾驶试验 用车跟随平均车流行驶，应事先对试验时间和试验路线进行特定的规划。这些 都是建立在对一个城市的道路交通状况和人流出行情况进行详细调研的基础上 的，但该方法不可避免的要受到主观因素的影响，一定程度上限制了驾驶员的 自由驾驶行为。 ( 3 ) 车辆追踪法。 顾名思义，该方法的实现首先需要定位一个被跟踪的目标车辆。设定有限 的区域范围作为跟踪的界限，一旦被跟踪车辆越界，则立即改为跟踪该区域内 邻近的另一车辆。该方法的随意性较大，由此可能导致采集的数据会过于片面， 不可避免的它还需要驾驶员具有娴熟的驾驶技巧。 考虑到实际的实验条件，在本次的实验研究中采用平均车流统计法采集试 验数据。 2 2 2 车辆试验时间及路线的选择 不同时间段对交通状况的影响是很显著的，高峰期时段的行驶数据跟非高 峰期存在较大差异，相比较有以下特点：平均车速较低、怠速工况比例较高、 行驶时问的平均长度较短、等速行驶所占的时间比例较小。通常早晨7 ：0 0 到 9 ：0 0 时间段和傍晚的1 6 ：0 0 到18 ：0 0 时间段为交通高峰期。 一个城市可以划分为商业中心区、交通繁重的内城区、并不密集的中等城 郊地区和交通拥挤很少发生的低交通密度外围城区，实际上这些区域都是通过 道路交通状况的差异来划分的。不同地点的行驶数据也有很大差别。有国外研 究证实在行驶数据的采集中，取样时间和采集地点的影响往往比道路类型重要 得多。 车辆行驶状况主要受道路等级、交通强度以及交叉口密度三大因素的影响。 研究表明，城市内不同的道路等级对应着不同的交通流量、平均车速。在不同 的道路等级上