混合交通行駛工況開發(fā)與關(guān)鍵技術(shù)研究

混合交通行駛工況開發(fā)與關(guān)鍵技術(shù)研究

車輛的行駛條件通常是指在特定的交通環(huán)境中，車輛的速度-時間序列。通常，多參數(shù)用于描述車輛的運行狀況。行駛工況被廣泛用于車輛和交通領(lǐng)域,對于新車型的技術(shù)開發(fā)與認證、車輛污染物排放特性與燃料經(jīng)濟性分析以及交通控制水平風(fēng)險評估與新能源汽車控制策略優(yōu)化等方面研究具有重要價值。EvaEricsson在2000年列出了影響行駛工況的因素,并根據(jù)城市交通中實際數(shù)據(jù)來描述行駛工況,分析了道路環(huán)境、駕駛員、交通條件對行駛工況的影響［1-2］;HolmenB.A分析了不同駕駛員的行駛工況對燃料經(jīng)濟性的影響［3］;LinJie借助馬爾可夫隨機過程原理研究了加利福尼亞地區(qū)的行駛工況［4-5］。近年來國內(nèi)有關(guān)汽車行駛工況的研究也很多:中國環(huán)境科學(xué)研究院在20世紀末花費兩年多的時間進行中國六大城市汽車行駛工況和污染物排放系數(shù)測定的研究［6-8］;郝吉明等人研究了北京、上海等中國大中城市的行駛工況與機動車排放因子及空氣質(zhì)量的關(guān)系［9-13］;鎖國濤等人研究了城市公交車輛的行駛工況［14-19］;馬志雄等研究了主成分分析與動態(tài)聚類法在車輛行駛工況開發(fā)中的應(yīng)用［20-25］;姜平等人將聚類分析與馬爾科夫方法相結(jié)合用于行駛工況的構(gòu)建研究［26-29］;莊繼暉等人研究了電動汽車的行駛工況開發(fā)［30-32］。通過上述研究,我國建立了一些城市的行駛工況,在行駛工況的原始數(shù)據(jù)積累、數(shù)據(jù)解析理論與方法研究方面積累了一定經(jīng)驗［33-34］。但與發(fā)達國家相比,我國道路交通,特別是市區(qū)交通結(jié)構(gòu)復(fù)雜,機動車、自行車和行人常?；煨?由于各自交通行為特征的不同,混合交通對城市道路交通系統(tǒng)的能源消耗和環(huán)境產(chǎn)生巨大影響［35-36］。目前,我國有關(guān)汽車行駛工況方面的標準、試驗方法、測試手段等全面沿用歐洲標準,難以真實地反映我國城市混合交通流下汽車的實際行駛狀況。因此,開展我國大中城市汽車行駛工況的研究十分必要。本文主要針對國內(nèi)外市區(qū)道路車輛行駛工況研究進行綜述。1行駛工況研究美國、日本、歐洲等國家和地區(qū)的行駛工況研究相對成熟,美國行駛工況、歐洲行駛工況和日本行駛工況是代表著世界行駛工況發(fā)展的最高水平［37-39］。1.1entdritch本項研究的基本內(nèi)容美國行駛工況包括認證用(TFP系)、研究用(WUV系)和短工況(I/M系)三大體系［10，20，24］。其中影響較大的有聯(lián)邦測試程序FTP75(federaltestprogram)、洛杉磯LA92和負荷模擬工況IM240等行駛工況。乘用車和輕型載貨汽車行駛工況主要以FTP75為主,它是瞬態(tài)工況(transientdrivingcycle)的代表,如圖1所示。隨著道路交通的不斷發(fā)展,研究者陸續(xù)開發(fā)了許多更加反映真實交通狀況的循環(huán),將一些主要成果作為補充形成SFTP(supplementalfederaltestproce-dures),應(yīng)用于2001年后生產(chǎn)的車型。SFTP包括兩類:一類是US06工況,主要用于在主干線和高速公路上行駛的車輛;另一類是SC03工況,主要考核開空調(diào)滿負荷運行的車輛。重型車輛的研究近年來有側(cè)重于瞬態(tài)工況的趨勢。其中BAC被推薦作為測試重型車燃油經(jīng)濟性的操作規(guī)程(SAEJ1376),模擬重型汽油機市內(nèi)區(qū)域操作的市內(nèi)測功機測試循環(huán)(UDDSHDV)并用于燃油蒸發(fā)排放測試,紐約城市循環(huán)(NYCC)則更是代表了市內(nèi)區(qū)域道路大型車輛的運行工況。它們作為FTP標準工況被廣泛應(yīng)用。為了評價公交車的排放效果,美國西弗吉尼亞大學(xué)開發(fā)了NewYorkBus工況。他們還研究了代表重型車道路測試數(shù)據(jù)復(fù)合行駛工況CSHVR與各種微型行程組成的典型城市復(fù)合行駛工況———市區(qū)(WVUCITY)、郊區(qū)(WVUSUB)和洲際(WVUINTER)。1.2日本輕型車尾氣排放試驗日本主要使用10工況、11工況和10~15工況3種。從2005年開始,日本的輕型車尾氣排放測試將通過對不同的行駛工況進行權(quán)重得到,具體方法是88%使用10~15工況(如圖2所示),12%使用11工況。1.3eudc和其他工況目前歐洲使用的是ECE+EUDC工況,如圖3所示。該工況包括2部分:第1部分ECE(urbandrivingcycle)代表城市行駛過程,主要反映了機動車在歐洲城市內(nèi)的行駛特征。第2部分是機動車在郊外公路上的行駛工況EUDC(extraurban),兩種工況合起來被稱作NEDC(neweuropeandrivingcy-cle)［18，23］。與美國FTP-75工況不同,EUDC是一種經(jīng)過處理后的模態(tài)工況,其作為標準用于測試必然導(dǎo)致結(jié)果準確性的下降。研究表明,歐洲行駛工況對排放的估計比實際情況要低15%~25%。同時,歐洲由于開發(fā)新型動力汽車的需要,也研究了瞬態(tài)工況,Modem-hyzem就是其代表。該工況基于貫穿歐洲城市道路、89部車輛真實駕駛模式記錄數(shù)據(jù)庫,包含了市內(nèi)循環(huán)、市郊循環(huán)和高速循環(huán),因而更能反映實際的交通狀況。除了上述廣泛應(yīng)用的行駛工況外,世界各地還有許多地方性行駛工況,影響較大的有澳洲悉尼行駛工況、印度4mode行駛工況、墨爾本行駛工況、法國行駛工況等。如法國行駛工況包括市內(nèi)擁擠車流、自由車流、郊區(qū)道路與高速公路4種模式。其目的在于研究本地區(qū)道路實際交通情況,建立能夠作為車輛污染物控制與油耗研究依據(jù)的本地行駛工況。1.4道路車輛的運行工況我國在行駛工況方面的研究起步較晚。2005年實施的GB18285-2005等四項國家標準規(guī)定新車及在用車的排放與燃油消耗測試均等效采用歐洲工況,但歐洲行駛曲線與中國道路交通狀況存在較大差異。上海市環(huán)境保護科學(xué)研究院在1994年曾建立了一個簡單的上海典型工況;中國環(huán)境科學(xué)研究院用兩年多的時間進行過中國城市汽車行駛工況和污染物排放系數(shù)測定的研究［6-8］。近年來,清華大學(xué)、天津大學(xué)、中國環(huán)境科學(xué)研究院、中國汽車技術(shù)研究中心等研究機構(gòu)相繼在北京、天津、廣州、香港等經(jīng)濟發(fā)達、環(huán)保要求高的城市開展了相關(guān)研究,建立了一些城市的實際行駛工況,積累了一定經(jīng)驗［9-10，12］。但由于不同國家、城市和地區(qū)的道路特征、交通流量分布不同,造成汽車在不同地區(qū)的實際運行工況有很大差異,特別是當(dāng)汽車在城市行駛時的實際燃油消耗和排放比認證工況要大。隨著對能源消耗與環(huán)境保護研究的不斷深入與中國汽車工業(yè)的快速發(fā)展,全面調(diào)查我國城市道路車輛的實際運行工況將具有十分重要的意義。世界典型行駛工況主要特征參數(shù)的對比見表1。2基于車輛結(jié)構(gòu)的研究車輛行駛工況研究的關(guān)鍵在于構(gòu)建的行駛工況是否能真實反映實際道路行駛特征,而這主要取決于道路試驗和數(shù)據(jù)解析與處理方法。2.1實驗方法和速度綜合文獻分析,行駛工況主要受宏觀層面和微觀層面的影響。宏觀層面包括道路條件、交通因素和天氣因素的影響。微觀層面包括駕駛員的、車輛等因素的影響［1-2］。通過調(diào)查、收集城市區(qū)域內(nèi)一個周期內(nèi)交通流的相關(guān)數(shù)據(jù),進行統(tǒng)計分析、將不同得分分類成幾種不同層次的類別,再根據(jù)研究者的條件進行不同數(shù)量的概率抽樣,選取代表性線路和時間進行道路實驗,方法見表2。數(shù)據(jù)采集是汽車行駛工況構(gòu)建的基礎(chǔ)性工作。在實際城市道路實驗過程中,經(jīng)常遇到急剎車、道路顛簸等情況,因此對實驗設(shè)備的性能有較高要求,同時汽車外觀改動必須符合交管部門的規(guī)定。目前速度測試可以采取:1)速度傳感器,如張開斌等人采用了Microstar微波測速傳感器技術(shù)［13］。2)GPS測速系統(tǒng),以訾琨等人為代表。1)汽車行駛工況建立在實際路面測試,然后是在臺架上借助排放分析儀模擬計算出各行駛工況的排放關(guān)系,以周澤興等人為例,這種方法未考慮道路的實際運行情況［9］。2)汽車行駛工況建立在實際路面測試,而排放關(guān)系通過現(xiàn)有模型MOBILE修正而得,以訾琨等人為例［14］。3)汽車行駛工況與排放關(guān)系均在實際路面借助廢氣排放分析儀和其它測試傳感器測試,以姚志良等人和張開斌等人為例［13，15，17］。2.2行駛工況的合成與解析應(yīng)用較多的行駛工況構(gòu)建方法有短行程法、行程片段法、分類法、定步長截取法、模型構(gòu)建法和矩陣分析法［23-27］。1)短行程法:國內(nèi)、外廣泛采用此方法來構(gòu)建大城市的行駛工況,如悉尼工況。短行程定義為相鄰怠速間的速度-時間軌跡曲線［15-16］。短行程的選取很關(guān)鍵,可以采取以下方法:(1)“隨機選擇”短行程。(2)“最佳增量”法選擇短行程。(3)“隨機選擇”和“最佳增量”法相組合。該方法的缺點是不能通過短行程來區(qū)分道路類型或服務(wù)水平［17-19］。2)行程片段法:該方法可以構(gòu)建特定道路類型或服務(wù)水平的行駛工況,行程片段采用“隨機選擇”和“最佳增量”法的組合方法,EPA特定工況就是采用這種方法構(gòu)建的［23-24］。3)分類法:該方法廣泛應(yīng)用于歐洲行駛工況的構(gòu)建。對一系列的短行程通過主成分分析法,找出能解釋這些特征參數(shù)的主成分,再通過聚類分析,形成不同的行駛工況類型。馬志雄等人即通過動態(tài)聚類法構(gòu)建了廣州市汽車在不同交通狀況下的代表性行駛工況［20-22］。4)定步長截取法:就是從實驗數(shù)據(jù)中以一定步長依次截取數(shù)據(jù)段作為備選工況,同時以平均速度等特征參數(shù)為評價準則。分別計算每一個候選工況的特征參數(shù)并與實驗數(shù)據(jù)相比,相關(guān)系數(shù)最大的工況為代表性行駛工況。5)模型構(gòu)建法:美國加利福尼亞大學(xué)LinJie提出的以模型為基礎(chǔ)構(gòu)建工況的方法［4-5］。汽車行駛工況可以看作一個馬爾科夫過程,首先采用極大似然估計法把實際行駛工況數(shù)據(jù)劃分成許多連續(xù)的片段,然后再次使用MLE方法把這些片段聚類成模型事件集(狀態(tài))。最后求出不同狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移概率,通過轉(zhuǎn)移概率和相鄰片段間的性質(zhì)來構(gòu)建候選工況,然后從中選取代表性行駛工況［27-28］。6)矩陣分析法:主要通過比較備選工況的速度-加速度聯(lián)合分布矩陣與實驗數(shù)據(jù)的相似程度來確定汽車的行駛工況［27］。行駛工況合成與解析方法見表3。由于采集的數(shù)據(jù)量龐大,描述參數(shù)眾多,統(tǒng)計分析非常復(fù)雜,因此很多研究者采用VisualC++、VisualBasic、MTLAB等來編寫解析程序,開發(fā)了許多數(shù)據(jù)解析軟件。例如武漢理工大學(xué)基于MATLAB運行環(huán)境獨立開發(fā)的車輛行駛工況解析軟件(vehi-cledrivingcyclesanalysisprogram)［24］。3交通流污染物的排放模型行駛工況是交通領(lǐng)域宏觀層面節(jié)能與環(huán)保量化中的一個重要概念,代表了交通路網(wǎng)中車輛行駛的典型車速變化規(guī)律,它的開發(fā)直接影響到區(qū)域燃油消耗和尾氣排放量化的準確程度。但是目前中國行駛工況的研究還存在如下的問題,也決定了其未來的研究方向和發(fā)展趨勢:1)考慮實際道路行駛狀態(tài)的污染物排放。主要方案是在車輛上安裝動態(tài)實時測量的車載排放測試系統(tǒng),以監(jiān)測車輛在實際道路行駛時機動車污染物排放,研究發(fā)動機負荷對排放的影響,進一步研究速度、加速度與排放之間的關(guān)系;同時通過GPS系統(tǒng)測量記錄的數(shù)據(jù)可以計算出各污染物的排放因子,通過多車型的排放試驗,建立基于交通流的污染物排放模型［39］。但存在的問題是動態(tài)污染物瞬時測量和發(fā)動機運轉(zhuǎn)狀態(tài)之間不同步,存在著一定的延時。2)建立實際道路工況的油耗模型。通過測量機動車在市區(qū)道路上的燃油消耗,可以建立城市交通環(huán)境中的車輛油耗模型,進而探索城市交通系統(tǒng)燃油消耗規(guī)律及節(jié)能措施。降低交通運輸?shù)哪茉聪膶τ趯崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的交通系統(tǒng)有著重要意義。3)繼續(xù)采集與積累行駛原始數(shù)據(jù)。只有建立在大量的行駛數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的行駛工況才更具有代表性。而國內(nèi)對行駛工況的研究都停留在研究初期的實驗基礎(chǔ)上,樣本容量小導(dǎo)致其不能代表真實的城市交通狀況,因此不能作為當(dāng)前機動車油耗和尾氣排放檢測標準建立的基礎(chǔ)。所以積累和增加實際路網(wǎng)中機動車的行駛數(shù)據(jù)是今后此研究領(lǐng)域需要持續(xù)進行的工作。4)進一步推行更加靈活的行駛工況。如果行駛工況固定不變,就可能成為出于不良目的降低機動車油耗與排放的一個途徑。如汽車廠商可以針對固定的尾氣檢測工況設(shè)計車輛以提高車輛的通過率,這就導(dǎo)致對實際機動車排放的低估。因此更加靈活多變的車輛行駛工況(包括輕型車、重