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(shí)間序列。通常，多參數(shù)用于描述車輛的運(yùn)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(rèn)證、車輛污染物排放特性與燃料經(jīng)濟(jì)性分析以及交通控制水平風(fēng)險(xiǎn)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(jià)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(shí)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(jì)性的影響［3］;LinJie借助馬爾可夫隨機(jī)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(jì)末花費(fèi)兩年多的時(shí)間進(jìn)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(jī)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(yàn)［33-34］。但與發(fā)達(dá)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(jī)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)方法、測試手段等全面沿用歐洲標(biāo)準(zhǔn),難以真實(shí)地反映我國城市混合交通流下汽車的實(shí)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(jìn)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(xiàng)研究的基本內(nèi)容美國行駛工況包括認(rèn)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(fù)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(shí)交通狀況的循環(huán),將一些主要成果作為補(bǔ)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(fù)荷運(yùn)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(jì)性的操作規(guī)程(SAEJ1376),模擬重型汽油機(jī)市內(nèi)區(qū)域操作的市內(nèi)測功機(jī)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(yùn)行工況。它們作為FTP標(biāo)準(zhǔn)工況被廣泛應(yīng)用。為了評價(jià)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(yàn)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(jìn)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(jī)動(dòng)車在歐洲城市內(nèi)的行駛特征。第2部分是機(jī)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)用于測試必然導(dǎo)致結(jié)果準(zhǔn)確性的下降。研究表明,歐洲行駛工況對排放的估計(jì)比實(shí)際情況要低15%~25%。同時(shí),歐洲由于開發(fā)新型動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)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(yùn)行工況我國在行駛工況方面的研究起步較晚。2005年實(shí)施的GB18285-2005等四項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)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(hù)科學(xué)研究院在1994年曾建立了一個(gè)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(shí)間進(jìn)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(jī)構(gòu)相繼在北京、天津、廣州、香港等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、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(shí)際行駛工況,積累了一定經(jīng)驗(yàn)［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(shí)際運(yùn)行工況有很大差異,特別是當(dāng)汽車在城市行駛時(shí)的實(shí)際燃油消耗和排放比認(rèn)證工況要大。隨著對能源消耗與環(huán)境保護(hù)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(shí)際運(yùn)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(shí)反映實(shí)際道路行駛特征,而這主要取決于道路試驗(yàn)和數(shù)據(jù)解析與處理方法。2.1實(shí)驗(yàn)方法和速度綜合文獻(xiàn)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(gè)周期內(nèi)交通流的相關(guān)數(shù)據(jù),進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(jìn)行不同數(shù)量的概率抽樣,選取代表性線路和時(shí)間進(jìn)行道路實(shí)驗(yàn),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(shí)際城市道路實(shí)驗(yàn)過程中,經(jīng)常遇到急剎車、道路顛簸等情況,因此對實(shí)驗(yàn)設(shè)備的性能有較高要求,同時(shí)汽車外觀改動(dòng)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(shí)際路面測試,然后是在臺(tái)架上借助排放分析儀模擬計(jì)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(shí)際運(yùn)行情況［9］。2)汽車行駛工況建立在實(shí)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(shí)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(shí)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(jī)選擇”短行程。(2)“最佳增量”法選擇短行程。(3)“隨機(jī)選擇”和“最佳增量”法相組合。該方法的缺點(diǎn)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(jī)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(dòng)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(shí)驗(yàn)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(shí)以平均速度等特征參數(shù)為評價(jià)準(zhǔn)則。分別計(jì)算每一個(gè)候選工況的特征參數(shù)并與實(shí)驗(yàn)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(gè)馬爾科夫過程,首先采用極大似然估計(jì)法把實(shí)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(yùn)行環(huán)境獨(dú)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(gè)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(zhǔn)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(shí)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(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測量的車載排放測試系統(tǒng),以監(jiān)測車輛在實(shí)際道路行駛時(shí)機(jī)動(dòng)車污染物排放,研究發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷對排放的影響,進(jìn)一步研究速度、加速度與排放之間的關(guān)系;同時(shí)通過GPS系統(tǒng)測量記錄的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出各污染物的排放因子,通過多車型的排放試驗(yàn),建立基于交通流的污染物排放模型［39］。但存在的問題是動(dòng)態(tài)污染物瞬時(shí)測量和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)之間不同步,存在著一定的延時(shí)。2)建立實(shí)際道路工況的油耗模型。通過測量機(jī)動(dòng)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(jìn)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(yùn)輸?shù)哪茉聪膶τ趯?shí)現(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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,樣本容量小導(dǎo)致其不能代表真實(shí)的城市交通狀況,因此不能作為當(dāng)前機(jī)動(dòng)車油耗和尾氣排放檢測標(biāo)準(zhǔn)建立的基礎(chǔ)。所以積累和增加實(shí)際路網(wǎng)中機(jī)動(dòng)車的行駛數(shù)據(jù)是今后此研究領(lǐng)域需要持續(xù)進(jìn)行的工作。4)進(jìn)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(jī)動(dòng)車油耗與排放的一個(gè)途徑。如汽車廠商可以針對固定的尾氣檢測工況設(shè)計(jì)車輛以提高車輛的通過率,這就導(dǎo)致對實(shí)際機(jī)動(dòng)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