（车辆工程专业论文）城市道路汽车行驶工况的仿真与分析.pdf

合肥工业大学，嬲燃炒 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 士学位论文质量要求。 独创性声明 学位论文作者签名：磊谚杜 l 1 签字日期：加年争月聊日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金起王些去堂 有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 粤。本人授权尘迎塑坠竖莶堂一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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 籼敝糙名。币j 虹 口签字日期：川年月聊日 日 。 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：劢年 电话： 邮编： 争旯 进h 兰呲f 夕王倒舫噬斯 一一 能文 与 姗破慰一氤瞅灯躲秕蝻 由于地域、国情、经济发展等差异，导致我国城市交通环境与欧美等发达 国家有较大不同。因此研究开发适合我国城市交通特点的车辆行驶工况，将为 车辆燃油经济性以及污染物排放的分析、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。 行驶工况就是车辆在行驶过程中的一系列速度时间曲线，它主要应用于车 辆及发动机的燃油经济性及污染物排放性能的评价，特定交通条件下的真实工 况可以对车辆及发动机的经济性和排放性能进行合理的评价，而对车辆的经济 性和排放性进行准确测试和合理评价，又可以对车辆及发动机的经济性和排放 性进行合理有效的优化。 本文对比分析了国内外汽车行驶工况的构建方法，分别采用了三种方法来 构建城市道路汽车行驶工况，其中包括主成分分析法、因子分析法以及随机数 方法。通过对每种构建方法的结果与实验数据进行比较，分析出每种方法的优 缺点。最后以合肥市典型道路为例进行实证研究，并把典型工况与世界三大工 况进行比较，结果表明，世界三大工况显然不能真实的反映合肥市的实际交通 状况。 关键词：行驶工况，短行程，主成分分析，聚类分析，随机过程 s i m u l a t i o na n d a n a l y s i so f v e h i c l ed r i v i n gc y c l e o nu r b a nr o a d a b s t r a c t t h eu r b a nt r a n s p o r te n v i r o n m e n ti no u rc o u n t r yd i f f e r sg r e a t l yf r o mt h a to f d e v e l o p e dc o u n t r i e sl i k ee u r o p ea n du s a ，w h i c hr e s u l t sf r o mt h ed i f f e r e n c e si n r e g i o n s ，n a t i o n a lc o n d i t i o n sa n de c o n o m i cd e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，t om a k ea r e s e a r c ho nt h ev e h i c l ed r i v i n gc y c l e ，s u i t a b l ef o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc h i n a s u r b a nt r a n s p o r t a t i o n ，c a np r o v i d eab a s i cf o u n d a t i o nf o rt h ea n a l y s i so fv e h i c l ef u e l e c o n o m ya n de m i s s i o n s ，t h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n de v a l u a t i o no fn e wv e h i c l e m o d e l s ，a n dt h er i s km e a s u r e m e n to ft r a f f i cc o n t r 0 1 d r i v i n gc y c l ei sas e r i e so fs p e e d t i m ec u r v e s ，w h i c hc a nr e f l e c tt h ep r o c e s so f m o v i n gv e h i c l e s i ti sm a i n l yu s e df o rt h ee v a l u a t i o no fv e h i c l ea n de n g i n ef u e l e c o n o m ya n de m i s s i o n sc a p a b i l i t y t h er e a ld r i v i n gc y c l ei ns p e c i f i c t r a f f i c c o n d i t i o n sc a l lm a k ear e a s o n a b l ea s s e s s m e n to nv e h i c l ea n de n g i n ee c o n o m ya n d e m i s s i o n sc a p a b i l i t y t h e r e f o r e ，a c c u r a t et e s t i n ga n dr e a s o n a b l ee v a l u a t i o no nt h e m c a nm a k ear a t i o n a la n de f f e c t i v eo p t i m i z a t i o n i tm a k e sac o m p a r a t i v ea n a l y s i so nt h em e t h o d so fv e h i c l ed r i v i n gc y c l ea t h o m ea n d a b r o a di nt h ep a p e r , t h e nu s e ss e v e r a lm e t h o d s ，s u c ha s p r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i s ，f a c t o ra n a l y s i sa n dr a n d o m ，t om a k eas i m u l a t i o na n a l y s i s o nt h ed r i v i n gc y c l e ，a n da n a l y s e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fe a c hm e t h o d t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no nt h er e s u l t so fe a c hm e t h o da n de x p e r i m e n t a ld a t a a t l a s t ，t h ea p p l i c a t i o no ft h ed r i v i n gc y c l em o d e lt ot h er o a d si nh e f e ia n dt h e c o m p a r i s o no ft h et y p i c a ld r i v i n gc y c l ew i t ht h et h r e ed r i v i n gc y c l e so ft h ew o r l d s h o w st h a tt h et h r e ed r i v i n gc y c l e so ft h ew o r l do b v i o u s l yc a n n o tr e a l l yr e f l e c tt h e a c t u a lt r a n s p o r tc o n d i t i o n so fh e f e ic i t y k e y w o r d s ：d r i v i n gc y c l e ，m i c r o t r i p s ，p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ，c l u s t e r a n a l y s i s ，s t o c h a s t i cp r o c e s s 致谢 在论文完成的过程中，除了我自己一年多来的潜心学习和研究之外，也凝 聚了很多人的心血。所以在这里，我要对帮助我完成论文的所有人表示感谢。 首先，我要对我的导师石琴教授，表示我最由衷的感谢，感谢石老师 在我攻读硕士学位的三年中对我所付出的一切心血。石老师治学严谨、诲人不 倦以及她那宽广的知识面、活跃开阔的思维、对问题敏锐的洞察力和忘我的敬 业精神时刻感染教育着我，让我受益终生! 衷心感谢交通工程学院的丁恒老师和姜平老师一直以来在学习上对我的无 私指导和帮助。 还要感谢李友文、汪新伟、刘魏娜、李庆虎、张锐等师兄师姐，感谢他们 对我在科研工作上的指导与帮助；同时还要感谢我的同窗好友以及师弟师妹： 朱俊虎、张金武、王涛、王楠楠、仇多洋、冒文娟等，感谢他们在学习和生活 上对我的支持和帮助。 感谢屠德新、李超等寝室兄弟对我一如既往的关心、支持和帮助。 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。 真诚地感谢我的父母、家人、以及我的女朋友，感谢你们默默地支持鼓励 我，你们是我奋斗的根本动力和幸福的源泉。 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：郑与波 2 0 11 年3 月 目录 第一章绪论1 1 1 研究汽车行驶工况的意义一1 1 2 国内外汽车行驶工况研究概况2 1 2 1 国外汽车行驶工况的研究现状一2 1 2 2 国内汽车行驶工况的研究现状5 1 3 本文研究的主要内容7 1 4 本章小结8 第二章汽车行驶工况的开发过程9 2 1 行驶工况构建的一般方法一9 2 2 数据划分依据以及特征参数的确定1 2 2 2 1 数据划分依据1 2 2 2 2 特征参数的确定1 3 2 2 3 特征参数的计算方法一1 5 第三章实验过程以及实验数据的处理19 3 1 合肥市道路交通状况简介1 9 3 2 试验时间以及路线的选择1 9 3 2 1 实验时间的选择1 9 3 2 2 实验线路的选择2 0 3 3 实验规划一2 l 3 3 1 实验方法的确定2 l 3 3 2 实验车辆和驾驶员的确定2 l 3 1 3 实验相关设备一2 2 3 3 4 实验的确定。2 4 3 4 实验数据采集2 6 3 4 1 数据的设置和采样间隔的确定2 6 3 4 2 实验数据量的确定2 7 3 5 试验数据的初步处理一2 7 3 6 基于特征参数的实验数据描述3 0 3 7 本章小结3 2 第四章基于运动学片段的行驶工况构建3 3 4 1 基于主成分和k 均值聚类的行驶工况构建3 3 4 1 1 主成分分析3 3 4 1 2 聚类分析3 5 4 1 3 主成分和k 均值聚类实例应用3 6 4 2 因子分析在行驶工况构建过程中的应用一4 4 4 2 1 因子分析法4 4 4 2 2 模糊聚类4 5 4 2 3 因子分析和模糊聚类实例应用结果4 5 4 2 4 构建行驶工况4 9 4 3 主成分分析法与因子分析法的异同点一5 l 4 4 本章小结5 2 第五章基于随机过程理论的道路行驶工况的构建5 3 5 1 马尔科夫基本理论5 3 5 2 随机数的应用5 4 5 3 行驶工况的构建5 5 5 3 1 实验数据的划分5 5 5 3 2 计算转移概率矩阵一5 7 5 3 3 构建候选工况5 8 5 3 4 选取代表性工况5 9 5 4 行驶工况之间的比较6 1 5 5 本章小结6 3 第六章本文总结与工作展望6 4 6 1 本文总结6 4 6 2 后续研究及展望6 5 参考文献6 6 攻读硕士学位期间发表的论文。6 9 插图清单 图1 1 欧洲e c e l5 + e u d c 工况2 图1 2 美国f t p 7 5 工况3 图1 3j a p a n l 0 1 5 行驶工况一5 图14 印度4 m o d e 行驶工况5 图1 5 北京市车辆行驶工况6 图1 - 6 天津市道路汽车行驶工况一7 图1 7 不同地区的行驶工况平均速度比较。7 图2 1 行驶工况开发的一般流程。9 图2 2 短行程分析法构建工况流程图1 0 图2 3 短行程的定义1 1 图2 _ 4 马尔科夫方法构建工况步骤1 2 图3 1a m - - 2 6 0 0 s 机动车道路实验数据处理设备2 3 图3 - 2a m - - 4 0 0 电喷式汽油机流量传感器2 3 图3 3o e s i i 速度传感器一2 3 图3 - 4 试验线路1 图示2 4 图3 5 试验线路2 图示2 5 图3 6 试验线路3 图示2 5 图3 7 试验线路4 图示2 5 图3 8 工况构建的准确性与数据量的关系2 7 图3 - 9 试验采集到的原始数据( 文本文档格式) 2 8 图3 1 0 实验数据( e x c e l 格式，其中h 列是速度，m 列是加速度) 一2 8 图3 11 实验数据速度一时间曲线( 部分) 2 8 图3 1 2 实验数据加速度时间曲线( 部分) 2 9 图3 1 3 实验数据速度一加速度二维分布图( 部分) 2 9 图3 1 4 实验数据速度一加速度联合频率分布图2 9 图3 1 5 实验数据不同速度段时间比例3 1 图3 1 6 实验数据不同加速度段时间比例3 1 图3 1 7 实验数据不同行驶模式时间比例3 l 图4 1 各主成分的贡献率分布饼图3 7 图4 2 主成分分析碎石图3 8 图4 3 主成分负荷散点图3 9 图4 4 ( ，) 不同分类的状态时间比例聚类中心4 0 图4 5 代表性行驶工况速度一时间图4 1 图4 6 代表性行驶工况加速度时间图4 2 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 表格清单 表2 1 行驶工况统计特征参数1 4 表2 2 行驶工况分布特征参数l5 表3 1 试验三条线路高峰时段的交通流量2 1 表3 2 试验车辆的基本参数2 2 表3 3 实验数据的特征参数值( 部分) 3 0 表4 1 所有运动学片段的特征参数值3 6 表4 2 各主成分贡献率及累积贡献率3 7 表4 3 前5 个主成分负荷矩阵3 8 表4 _ 4k 均值聚类分析的类成员列表4 l 表4 5 三类片段部分特征参数比较4 1 表4 6 代表性行驶工况与实验数据的比较4 3 表4 7 代表性运动学片段及其特征参数4 6 表4 8 代表性片段各因子信息4 6 表4 9 因子负荷矩阵4 7 表4 一1 0 各片段因子得分4 7 表4 1 1 三类片段的特征参数一4 9 表4 1 2 第一类选取片段与实验数据特征参数的相关系数5 0 表4 1 3 第二类选取片段与实验数据特征参数的相关系数5 0 表4 1 4 第三类选取片段与实验数据特征参数的相关系数5 0 表5 1 试验数据2 0 个状态部分特征参数值。5 6 表5 2 状态划分标准5 7 表5 3 不同状态间模型事件转移频数。5 7 表5 _ 4 不同方法构建行驶工况之间的比较6 1 表5 5 不同方法构建工况与实验数据的k s 检验。6 2 第一章绪论 1 1 研究汽车行驶工况的意义 车辆行驶工况又称汽车运转循环，是针对某一类型车辆在特定交通环境下描 述车辆行驶特征的速度一时间曲线。行驶工况是对车辆的实际行驶状况进行调 查，并对试验数据进行分析，运用相关的数学理论方法建立起来的典型道路车辆 行驶状况。 构建车辆道路行驶工况具有重要的意义i lj ：对于某一地区，代表性行驶工况 可以应用到车辆燃油消耗以及尾气排放的检测和评价上；为新车型的开发以及发 动机的动力匹配提供参考；为测定某一特定地区的交通控制风险提供一定的依 据。 当前，世界上用于燃油消耗和尾气排放测试标准的通用行驶工况主要有欧 洲、美国和日本三大工况，因此许多国家和地区的测试循环都直接采用上述三个 地区的标准。但是由于各个国家和地区的地理状况、城市道路建设、交通状况等 都存在差异，所以车辆在不同地区的行驶状况可能存在较大的差异，如果直接采 用世界三大工况就很难真实的反映出本地区汽车的行驶特性以及车辆燃油消耗 和尾气排放特性。 目前，我国汽车尾气测试循环主体上采用的是联合国欧洲经济委员会( e c e ) 所颁布的一系列标准和法规【2 】，然而这些标准和法规是在欧洲各国通过机动车道 路试验所得到的，它反映的是欧洲各个国家的地理状况、交通条件、汽车生产水 平以及驾驶员的驾驶习惯，显然这些标准很难真实地反映我国汽车行驶过程中的 燃油消耗和污染物排放特征。另外由于各城市具有不同的道路特征、交通流量分 布等因素，这些都会影响到车辆的行驶特征，从而影响燃油消耗和污染物排放等 特征。因此，近些年来我国( 特别一些高校) 也开始进行了一些相关的调查和研 究，而且结果初步表明，我国交通状况、道路条件、城市结构以及交通规则等与 欧洲国家均有很大差异，例如：武汉理工大学的马志雄等人应用动态聚类法研究 了车辆行驶工况的构建【3 】；吉林大学的施树明等人利用主成分分析法对长春的道 路行驶工况进行了研究【4 】；艾国和等探讨了主成分分析运用在车辆行驶工况的数 据处理上的可行性【5 】；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【6 】：赵慧等对香港城区汽车行驶工况进行 了研究【7 】等等，另外，一些学者也对我国的一些大中型城市的汽车行驶工况进行 了研究【8 。”】，从研究结果来看，我国的道路行驶工况有自己的特点，与欧洲e c e l5 有较大的不同。所以，研究开发符合我国城市交通特征的车辆行驶工况并制定相 应的排放测试标准对于我国汽车工业发展具有重要的意义。基于此，本文在对比 分析了国内外汽车行驶工况的构建方法基础之上，分别采用了三种方法来构建城 市道路汽车行驶工况，同时比较分析了不同构建方法的优缺点。最后以合肥市典 型道路为例进行实证研究表明：合肥市代表性工况与世界三大工况有较大差异。 l 1 2 国内外汽车行驶工况研究概况 1 2 1 国外汽车行驶工况的研究现状 当前，世界上最具影响力且被大多数国家和地区所采用的车辆行驶工况主要 有美国行驶工况、欧洲行驶工况以及日本行驶工况三大工况，同时在此基础之上， 不少国家和地区还在根据本地区的实际情况不断地改进和完善这些行驶工况，并 进行不同程度的修正和补充。下面就对国外一些著名的行驶工况做详细的介绍 【1 6 】 o ( 1 ) 欧洲行驶工况研究现状 由于欧洲各国地域连接相对比较紧密，各国之间的经济、交通等联系也是比 较密切，这为欧洲各国制定共同的燃油消耗量和污染物排放标准提供了有利条 件。欧洲各国燃油及排放控制法规起始于1 9 7 0 年，到1 9 7 2 年开始实行欧洲统一 的行驶工况试验法，之后经过一系列的修改和完善，到19 8 4 年修订为 e c e r l 5 0 4 。 目前，欧洲汽车排放标准规定的行驶工况是如图1 1 所示e c e + e u d c ( e x t r a u r b a nd r i v i n gc y c l e ) t 况。图l l 所示的工况分为两部分，前一部分( e c e ) 是欧 洲早期制定的工况标准，这一部分主要反应的是城市市区的道路行驶工况，并不 包括城郊的测试循环。这一部分是由加速、减速、怠速等15 种不同的车辆行驶 状态所组成的4 个测试循环，所以一般简称为“十五工况法。实验过程中对实 验的时间，速度、行驶里程等都有严格的要求。从1 9 9 2 年起，欧盟各国所采用 的工况循环以及排放测试法规就开始分为两个部分，如图1 1 所示的第一部分后 面再加上车辆在城郊道路上的测试循环( e u d c ) ，其行驶时间、行驶里程以及平 均车速等特征参数都按照事先规定值进行测试的，试验方法与第一部分相同。 曩 鹄 瑚 曩i ，闯， 图1 1 欧洲e c e l 5 + e u d c 工况 除上述e c e r l 5 工况以外，欧盟还研究了轻型车的排放状况，通过研究， 建立了轻型车c a d c ( c o m m o na i h e m i sd r i v i n gc y c l e s ) 行驶工况。该工况是通 2 过大量乘用车在欧洲6 个不同的国家采集到大量实验数据的基础上统计出来的， 它可以反映轻型车在市区、郊区以及高速公路上的行驶特征。 在其他车型方面，相关研究机构于1 9 9 7 年建立了重型车w t v c ( w o r l dw i d e t r a n s i e n tv e h i c l ec y c l e ) 行驶工况。另外国际能源机构( i e a a m f ) 组织相关科研机 构研究了车辆行驶工况对城市公交车燃油消耗和排放的影响，结果表明，不同的 公交车行驶工况对公交车的燃油消耗以及污染物的排放有很大的影响，建议不同 国家和地区建立相应的城市公交车行驶工况【r 卜1 9 】。 ( 2 ) 美国行驶工况研究现状 美国行驶工况主要包括f t p 系、w v u 系和i m 系三大体系，世界上广为采 用的是联邦测试程序( f t p 7 5 ) ，负荷模拟工况( i m 2 4 0 ) 等行驶工况【2 0 , 2 1 】。 上个世纪6 0 年代，研究人员发现汽车排放的废气使美国加州洛杉矶市的空 气质量变得很差。为了改善这种状况，研究人员从该市一条具有代表性的路线( 简 称l a 4 ) 上试验得出车辆的行驶循环工况，该工况在l9 7 2 年被美国环保局( 简 称e p a ) 用作认证车辆排放的测试程序( 简称f t p 7 2 ) 即l a c 工况。1 9 7 5 年，研究人员在f t p 7 2 基础上加上6 0 0 s 热浸后和热态过渡工况( 重复冷态过渡 工况) 这两个个阶段构成了f t p 7 5 工况，如图【2 2 】1 - 2 所示。 t i m e ( s e e ) ：，一 盏 g 嚆 童 图l - 2 美国f t p 一7 5 工况 由于交通网络的快速发展，道路出现许多主干线和高速道路，车辆平均速度 越来越高，汽车的三种主要污染物排放特点也相应发生了改变，为了适应交通状 况了的变化，基于f t p 规定，研究人员对f t p 进行了修改和补充，研究开发了 很多更加符合真实交通特征的循环工况，而且一些补充过后的f t p 一直被沿用 于至今。2 0 0 2 年后美国轻型汽车排放标准中引入了s f t p ( s u p p l e m e n tf e d e r a l t e s t - - p r o c e d u r e ) 标准测试循环，它是由f t p 7 5 ，s c 0 3 和u s 0 6 三个循环构成。 其中，s c 0 3 工况用于车辆开空调负荷下的循环，u s 0 6 循环工况是针对主干线和 高速公路的高速特点的行驶工况，所以s f t p ( s u p p l e m e n tf e d e r a l t e s t p r o c e d u r e ) 行驶工况更加全面的反映车辆行驶的特征。 研究者还开发了美国车辆维护检查的排放测试循环i m 2 4 0 、o b d 工况以及 纽约城市工况。美国排放标准规定美国每一年投入市场的轻型汽车的燃油消耗限 制标准值，并以平均燃油经济性为公司的评价标准。它考核的是当年汽车制造厂 商投放市场的车辆平均油耗，而不是单种车型的油耗。 为了测试城市公交车的排放效果，美国西弗吉尼亚大学( w v u ) 研究人员通过 调查，选择了几条不同的、公认的繁忙运行道路作为试验路线，对纽约城区的混 合动力以及常规动力的公交车运行状态进行调查，开发了一组含有1 0 个短行程 的行驶工况，各个短行程间的怠速时间为1 9 秒，为了测试更足的能源消耗状况， 试验的短行程数目增加到2 0 个，后来此工况就作为常规动力在用运输车( 货车 和公交车) 的n e wy o r kb u s 工况。除此以外，还有代表重型车道路测试数据复 合行驶工况c s h v r ；各种短行程组成的典型城市行驶工况市区 ( w v u c i t y ) 、郊区( w v u s u b ) 和洲际( w v u i n t e r ) 。以及n y c c o m p , n y c t r u c k 等工况。 ( 3 ) 日本行驶工况研究现状 在1 9 9 1 年之前，日本使用的是j a p a n l 0 行驶工况，j a p a n l 0 工况主要反应的 是城市市区的车辆行驶状况。有关j a p a n l 0 工况的实验，必须对实验车辆做一些 规定，比如说必需对试验车进行预热，一般来说都是使实验车辆以4 0 k m h 以上 的速度行驶1 5 到2 0 分钟。然而日本j a p a n l l 工况主要是反应车辆在城郊的行驶 状态，且j a p a n l l 工况要求实验车辆在开始实验时是一个冷启动的状态，就是说 进行试验之前，实验车辆必须在2 0 3 0 c 的环境下放置6 小时以上【2 2 1 。 自上个世纪7 0 年代起，由于经济的发展、城市结构、道路交通等因素的的 变化，研究者开始对j a p a n l 0 工况不断地进行修改、完善。当前日本所使用的行 驶工况就是经j a p a n l 0 修改后的j a p a n l 0 一1 5 工况。j a p a n l o 1 5 工况包括了三个 1 0 工况循环和一个l5 工况循环，如图1 2 2 j 1 3 所示，它的平均运行速度为2 2 7 k r r d h ， 最高速度为7 0 k m h ，运行时间6 6 0 s 。 4 t i m e ( s e c ) 5 一一 霍 t 芒 口 c 缸 -m ， 图1 - 3j a p a n l 0 - 1 5 行驶工况 ( 4 ) 其他国外行驶工况的研究概况 由于地域、经济、文化等的差别，导致不同国家或地区存在不同的道路交通 状况，以致不同地区的道路行驶工况也不尽相同，所以除了世界著名的三大行驶 工况外，国外一些国家和地区也开发了一些适合自己国情的道路行驶工况，比较 著名的有印度4 m o d e 行驶工况( 如图1 4 所示) 、法国行驶工况以及澳洲悉尼行 驶工况等，这些行驶工况都是在对当地的道路交通状况调查研究的基础之上，通 过实验获得大量的行驶工况数据，再通过统计分析得出具有适合国情的代表性工 况，从而制定相应的污染物排放测试标准。 e 鼍 习 0 臣 们 o1 0 02 0 03 0 005 0 06 0 07 0 08 0 0 图1 4 印度4 m o d e 行驶工况 1 2 2 国内汽车行驶工况的研究现状 我国现行的国标g b l 8 3 5 2 - - 2 0 0 1 轻型汽车排放污染物测试方法采用的 是十五工况法作为新型汽车和新生产汽车的尾气排放检测标准，国标中的其他一 些测试方法也是等效采用欧洲行驶工况，而仅仅是在g b l 2 5 4 5 2 0 0 l 中有一个 非常简化的四工况、六工况。这些工况循环都不具有我国城市道路行使工况的特 5 性，因此不能准确评估我国车辆实际燃油消耗以及排放测试。因此研究开发出适 合我过国情的车辆行驶工况是很有必要的。 我国与汽车发达国家相比较，对于车辆行驶工况、油耗以及污染物排放方面 的研究工作开展得比较晚，但自1 9 9 4 年开始，我国的科研机构和一些高校针对 车辆行驶工况的研究也有很多，其主要的研究对象是典型城市的轻型车，例如研 究者曾对上海2 射、天津1 8 】、香港【7 1 、北京f 9 1 、成都13 1 、武汉【1 0 1 等城市的行驶工 况进行了研究。 上海市环境保护科学研究院曾在1 9 9 4 年就建立了一个简单的上海典型的行 驶工况。北京交通大学和北京科学技术委员会社会发展处联合对北京市区的道路 行驶工况进行了研究，通过全球定位系统g p s 和o e m 车载尾气检测系统两种仪 器进行数据收集，利用对短行程的统计分析建立了基于北京市机动车行驶周期的 行驶工况，行驶工况是建立在准确的试验数据基础之上的，同时提出了19 个特 征参数来作为行驶工况的评价指标，如图1 9 j 1 5 所示。天津大学内燃机燃烧学国 家重点实验室和天津内燃机研究所构建了天津市道路行驶工况，通过对天津市道 路交通的分析和研究，选取天津市主要区域，确定几条有代表性的线路，进行了 汽车行驶工况试验数据的采集，在大量实验数据的基础之上，确定了2 0 个特征 参数来分析道路交通特征和行驶工况数据特性，同时提出了构建代表性行驶工况 的方法和步骤，最终建立了天津市市区和市郊车辆行驶工况，如图 s 1 1 6 所示。 图1 5 北京市车辆行驶工况 6 量： 警 协 o 0 啪抛3 0 0 枷如锄x ) 0 8 0 09 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 对何a 舶 为 回 昱 i ： o 耐饲i f i ( b ) 天津市薅区车辘行礁工况 图l 一6 天津市道路汽车行驶工况 图1 7 不同地区的行驶工况平均速度比较 通过对不同地区的行驶工况进行比较( 见图1 7 ) ，可以看到不仅中国地区 的行驶工况与发达国家地区之间存在较大差异，而且我国内不同地区的行驶工况 也存在差异。因此研究开发我国大中型城市的汽车道路行驶工况是十分有必要 的，只有开发适合我国国情的汽车行驶工况，7 j 。能保证依据行驶工况所制定的相 关油耗排放法规符合我国车辆的实际运行特征，从而可以为我国车辆性能优化和 排放控制提供可靠的保障。 1 3 本文研究的主要内容 本文在国家自然科学基金项目“混合交通环境下行驶工况的仿真及控制策略 研究”资助之下，通过阅读大量的参考文献，对比国内外汽车行驶工况的不同构 建方法，综合各种构建方法的优缺点，对原有的构建方法进行改进与创新，分别 利用三种不同的方法对城市道路行驶工况进行仿真与分析。最后以合肥市典型道 7 路为例进行实证研究，结果表明合肥市工况与世界三大工况之间存在较大差别。 1 4 本章小结 本章主要介绍了行驶工况研究的意义、国内外汽车行驶工况的发展历程以及 现状、最后简要的概括了本论文所研究的内容，具体包括： ( 1 ) 车辆行驶工况的概念，研究我国汽车行驶工况的目的以及意义。 ( 2 ) 介绍了国外汽车行驶工况的发展及现状，其中主要介绍了世界三大行驶 工况：欧洲行驶工况、美国行驶工况以及日本行驶工况，其次介绍了其他一些国 家根据自己国家或地区的道路交通特点开发的适合自己国情的行驶工况。 ( 3 ) 介绍了我国行驶工况的研究现状，由于我国对于行驶工况的研究起步比 较晚，现在主要是针对我国大中型城市做了一些行驶工况的道路试验和研究，其 中研究机构主要是中国汽车技术中心以及各著名高校。 ( 4 ) 本论文主要利用了不同汽车行驶工况构建方法来仿真和分析城市道路汽 车行驶工况，同时对不同的构建方法进行了比较与分析。最后以合肥市典型道路 为例进行了实证研究，并把所得工况与世界三大工况进行了比较。 8 第二章汽车行驶工况的开发过程 为了模拟车辆在道路上或底盘测功机上的实际运行状况，需要对不同城市或 地区的不同车型开发出满足其特点的道路行驶工况，即所开发的行驶工况必须符 合当地的实际交通状况。典型的道路行驶工况能够为车辆的燃油消耗量和尾气排 放量提供数据支持；为整车设计以及发动机的动力匹配提供参考；甚至可以应用 到测定交通控制风险等。 在行驶工况构建过程中，车辆的四种行驶方式( 加速、减速、匀速以及怠速) 所占的时间比例是评价行驶工况准确性的重要特征指标。因而最终所构建的行驶 工况四种特征参数的比例应该与实验数据的各种参数比例尽可能接近。这样，所 构建工况才能反映车辆在实际道路运行过程中各种运动学水平以及这些水平所 占的比例。 2 1 行驶工况构建的一般方法 通过查阅相关资料，构建行驶工况有几种不同的方法，研究者可以根据自己 的需要选择不同的构建方法。但是不管用什么方法来开发行驶工况，研究者都需 要利用各种实验设备以及不同类型的车辆在不同类型的道路上采集到能够反映 车辆行驶特征的实验数据，如车速、行驶时间等，同时定义用于描述车辆行驶特 征的参数，如：平均速度、平均加速度等。最后根据不同的构建方法，利用相关 的统计学理论，构建出能够反映实际道路交通特征的典型行驶工况。虽然构建工 况的方法不尽相同，但是它的一般流程如图2 1 所示。 图2 1 行驶工况开发的一般流程 行驶工况的开发过程都可以采用上面的流程进行，其中最为关键的是工况的 解析方法，不同的解析方法，构建的最终工况也是不同的。构建方法选择是否合 理对构建工况能否真实地反映车辆的行驶特征以及道路交通状况有很大关系。因 此，目前国内外很多相关研究机构就如何从大量的实验数据中解析出具有代表性 的行驶工况提出了不同的解析方法。其中具有代表性的有以下几种。 ( 1 ) 短行程分析法 所谓短行程( 或称运动学片段) 就是车辆从一个怠速点开始到下一个怠速 点开始的行驶过程，通常由一个怠速时间段和一个行驶时间段构成，图2 3 显示 了车辆行驶过程中短行程的定义。短行程分析法构建工况的步骤一般( 如图2 2 9 所示) 为： 1 ) 实验数据的获取； 2 ) 短行程的分割，也就是通过编程把大量的实验数据分割成一系列的短行 程，得到运动学片段； 3 ) 短行程特征参数值的计算，利用编程来实现。 4 ) 对大量的运动学片段进行主成分分析，提取特征参数中的主成分，实现 对运动学片段的降维处理。 5 ) 利用聚类技术对运动学片段进行分类； 6 ) 根据不同类片段的数据的特征，根据各类片段在总体中所占比例，提取 并重组满足目标工况长度要求的运动学片段，得出代表性工况。 获 取 原 始 实 验 数 编程进行短行程 分割 计算各短行 程的特征值 主成分分析 确定主成分特 征参数 得到运动学片段 形成特征值数据库l 得到主成分、贡献率 及各主成分得分 聚类分析、l 广一获得清晰的分类 嘉立行驶工li 学? ? ? i况ll 图2 2 短行程分析法构建工况流程图 1 0 试验道路选择及方案制订 定步长截取法首先需要给总体实验数据进行汇总，之后按照一定的步长一 次性截取行驶工况的片段作为候选工况，同时把总体实验数据各特征参数作为判 定准则数，接着利用相关程序计算出候选工况的相关特征参数值，并与总体实验 数据的特征参数值做相关分析，通过相关系数的大小来选择，相关系数最大的候 选工况即为代表性工况。定步长截取法是一种比较直接、简单的方法，但是如果 实验数据不多，会造成构建工况不具备代表性。 ( 3 ) 因子分析法 这种方法是基于实验数据已经被分割成运动学片段的基础之上，它与主成分 分析法类似。在实验数据被划分成大量运动学片段的基础之上，首先对运动学片 段做因子分析，选出能代所有运动学片段8 0 以上信息的几个主因子来代表整 个片段的信息，这样就对大量的运动学片段进行了维压缩，接着利用模糊聚类对 运动学片段进行分类，之后对每类片段与总体片段做相关性分析，提炼出那些与 总体片段相关性比较强的片段来拟合行驶工况。 ( 4 ) 马尔科夫方法1 2 j 用马尔科夫方法来构建工况最早是由美国加利福利亚大学的l i n j i e a 博士提 出来的，马尔可夫过程是随机过程中的一种，而车辆行驶过程满足离散的马尔科 夫过程，即马尔科夫链。马尔科夫过程具有“无后效性 特点，即马尔科夫过程 中任意f 时刻的状态s 只依赖于它的前一时刻，一l 时的状态小与其他时刻无 关，这与车辆的行驶过程很相似，所以我们用马尔科夫过程来描述车辆的行驶工 况。用此种方法构建行驶工况有四个步骤( 如图2 4 所示) ： 1 l 1 ) 利用极大似然估计法给实验数据划分成若干个状态； 2 ) 利用相应软件编程计算出原始实验数据中各种状态的转移概率矩阵，以 确定原始实验数据的统计学特性； 3 ) 根据转移概率矩阵构造随机数； 4 ) 利用随机数按一定要求构建候选工况，选出各候选工况中与实验数据的 特征参数加权误差值最小的工况作为代表性行驶工况。 图2 - 4 马尔科夫方法构建工况步骤 2 2 数据划分依据以及特征参数的确定 在行驶工况构建过程中，首先必须对实验数据进行处理和划分，划分实验 数据就会涉及到划分的标准，不同的划分标准处理数据的结果是不一样的，下文 就把行驶工况构建过程中都会涉及到的四种车辆行驶模式的划分依据给出来。在 工况构建以及分析过程中，用于描述和评价行驶工况的特征参数十分重要。本文 所需的特征参数在下文中给出。