混合交通行驶工况开发与关键技术研究

混合交通行驶工况开发与关键技术研究

车辆的行驶条件通常是指在特定的交通环境中，车辆的速度-时间序列。通常，多参数用于描述车辆的运行状况。行驶工况被广泛用于车辆和交通领域,对于新车型的技术开发与认证、车辆污染物排放特性与燃料经济性分析以及交通控制水平风险评估与新能源汽车控制策略优化等方面研究具有重要价值。EvaEricsson在2000年列出了影响行驶工况的因素,并根据城市交通中实际数据来描述行驶工况,分析了道路环境、驾驶员、交通条件对行驶工况的影响［1-2］;HolmenB.A分析了不同驾驶员的行驶工况对燃料经济性的影响［3］;LinJie借助马尔可夫随机过程原理研究了加利福尼亚地区的行驶工况［4-5］。近年来国内有关汽车行驶工况的研究也很多:中国环境科学研究院在20世纪末花费两年多的时间进行中国六大城市汽车行驶工况和污染物排放系数测定的研究［6-8］;郝吉明等人研究了北京、上海等中国大中城市的行驶工况与机动车排放因子及空气质量的关系［9-13］;锁国涛等人研究了城市公交车辆的行驶工况［14-19］;马志雄等研究了主成分分析与动态聚类法在车辆行驶工况开发中的应用［20-25］;姜平等人将聚类分析与马尔科夫方法相结合用于行驶工况的构建研究［26-29］;庄继晖等人研究了电动汽车的行驶工况开发［30-32］。通过上述研究,我国建立了一些城市的行驶工况,在行驶工况的原始数据积累、数据解析理论与方法研究方面积累了一定经验［33-34］。但与发达国家相比,我国道路交通,特别是市区交通结构复杂,机动车、自行车和行人常常混行,由于各自交通行为特征的不同,混合交通对城市道路交通系统的能源消耗和环境产生巨大影响［35-36］。目前,我国有关汽车行驶工况方面的标准、试验方法、测试手段等全面沿用欧洲标准,难以真实地反映我国城市混合交通流下汽车的实际行驶状况。因此,开展我国大中城市汽车行驶工况的研究十分必要。本文主要针对国内外市区道路车辆行驶工况研究进行综述。1行驶工况研究美国、日本、欧洲等国家和地区的行驶工况研究相对成熟,美国行驶工况、欧洲行驶工况和日本行驶工况是代表着世界行驶工况发展的最高水平［37-39］。1.1entdritch本项研究的基本内容美国行驶工况包括认证用(TFP系)、研究用(WUV系)和短工况(I/M系)三大体系［10，20，24］。其中影响较大的有联邦测试程序FTP75(federaltestprogram)、洛杉矶LA92和负荷模拟工况IM240等行驶工况。乘用车和轻型载货汽车行驶工况主要以FTP75为主,它是瞬态工况(transientdrivingcycle)的代表,如图1所示。随着道路交通的不断发展,研究者陆续开发了许多更加反映真实交通状况的循环,将一些主要成果作为补充形成SFTP(supplementalfederaltestproce-dures),应用于2001年后生产的车型。SFTP包括两类:一类是US06工况,主要用于在主干线和高速公路上行驶的车辆;另一类是SC03工况,主要考核开空调满负荷运行的车辆。重型车辆的研究近年来有侧重于瞬态工况的趋势。其中BAC被推荐作为测试重型车燃油经济性的操作规程(SAEJ1376),模拟重型汽油机市内区域操作的市内测功机测试循环(UDDSHDV)并用于燃油蒸发排放测试,纽约城市循环(NYCC)则更是代表了市内区域道路大型车辆的运行工况。它们作为FTP标准工况被广泛应用。为了评价公交车的排放效果,美国西弗吉尼亚大学开发了NewYorkBus工况。他们还研究了代表重型车道路测试数据复合行驶工况CSHVR与各种微型行程组成的典型城市复合行驶工况———市区(WVUCITY)、郊区(WVUSUB)和洲际(WVUINTER)。1.2日本轻型车尾气排放试验日本主要使用10工况、11工况和10~15工况3种。从2005年开始,日本的轻型车尾气排放测试将通过对不同的行驶工况进行权重得到,具体方法是88%使用10~15工况(如图2所示),12%使用11工况。1.3eudc和其他工况目前欧洲使用的是ECE+EUDC工况,如图3所示。该工况包括2部分:第1部分ECE(urbandrivingcycle)代表城市行驶过程,主要反映了机动车在欧洲城市内的行驶特征。第2部分是机动车在郊外公路上的行驶工况EUDC(extraurban),两种工况合起来被称作NEDC(neweuropeandrivingcy-cle)［18，23］。与美国FTP-75工况不同,EUDC是一种经过处理后的模态工况,其作为标准用于测试必然导致结果准确性的下降。研究表明,欧洲行驶工况对排放的估计比实际情况要低15%~25%。同时,欧洲由于开发新型动力汽车的需要,也研究了瞬态工况,Modem-hyzem就是其代表。该工况基于贯穿欧洲城市道路、89部车辆真实驾驶模式记录数据库,包含了市内循环、市郊循环和高速循环,因而更能反映实际的交通状况。除了上述广泛应用的行驶工况外,世界各地还有许多地方性行驶工况,影响较大的有澳洲悉尼行驶工况、印度4mode行驶工况、墨尔本行驶工况、法国行驶工况等。如法国行驶工况包括市内拥挤车流、自由车流、郊区道路与高速公路4种模式。其目的在于研究本地区道路实际交通情况,建立能够作为车辆污染物控制与油耗研究依据的本地行驶工况。1.4道路车辆的运行工况我国在行驶工况方面的研究起步较晚。2005年实施的GB18285-2005等四项国家标准规定新车及在用车的排放与燃油消耗测试均等效采用欧洲工况,但欧洲行驶曲线与中国道路交通状况存在较大差异。上海市环境保护科学研究院在1994年曾建立了一个简单的上海典型工况;中国环境科学研究院用两年多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［6-8］。近年来,清华大学、天津大学、中国环境科学研究院、中国汽车技术研究中心等研究机构相继在北京、天津、广州、香港等经济发达、环保要求高的城市开展了相关研究,建立了一些城市的实际行驶工况,积累了一定经验［9-10，12］。但由于不同国家、城市和地区的道路特征、交通流量分布不同,造成汽车在不同地区的实际运行工况有很大差异,特别是当汽车在城市行驶时的实际燃油消耗和排放比认证工况要大。随着对能源消耗与环境保护研究的不断深入与中国汽车工业的快速发展,全面调查我国城市道路车辆的实际运行工况将具有十分重要的意义。世界典型行驶工况主要特征参数的对比见表1。2基于车辆结构的研究车辆行驶工况研究的关键在于构建的行驶工况是否能真实反映实际道路行驶特征,而这主要取决于道路试验和数据解析与处理方法。2.1实验方法和速度综合文献分析,行驶工况主要受宏观层面和微观层面的影响。宏观层面包括道路条件、交通因素和天气因素的影响。微观层面包括驾驶员的、车辆等因素的影响［1-2］。通过调查、收集城市区域内一个周期内交通流的相关数据,进行统计分析、将不同得分分类成几种不同层次的类别,再根据研究者的条件进行不同数量的概率抽样,选取代表性线路和时间进行道路实验,方法见表2。数据采集是汽车行驶工况构建的基础性工作。在实际城市道路实验过程中,经常遇到急刹车、道路颠簸等情况,因此对实验设备的性能有较高要求,同时汽车外观改动必须符合交管部门的规定。目前速度测试可以采取:1)速度传感器,如张开斌等人采用了Microstar微波测速传感器技术［13］。2)GPS测速系统,以訾琨等人为代表。1)汽车行驶工况建立在实际路面测试,然后是在台架上借助排放分析仪模拟计算出各行驶工况的排放关系,以周泽兴等人为例,这种方法未考虑道路的实际运行情况［9］。2)汽车行驶工况建立在实际路面测试,而排放关系通过现有模型MOBILE修正而得,以訾琨等人为例［14］。3)汽车行驶工况与排放关系均在实际路面借助废气排放分析仪和其它测试传感器测试,以姚志良等人和张开斌等人为例［13，15，17］。2.2行驶工况的合成与解析应用较多的行驶工况构建方法有短行程法、行程片段法、分类法、定步长截取法、模型构建法和矩阵分析法［23-27］。1)短行程法:国内、外广泛采用此方法来构建大城市的行驶工况,如悉尼工况。短行程定义为相邻怠速间的速度-时间轨迹曲线［15-16］。短行程的选取很关键,可以采取以下方法:(1)“随机选择”短行程。(2)“最佳增量”法选择短行程。(3)“随机选择”和“最佳增量”法相组合。该方法的缺点是不能通过短行程来区分道路类型或服务水平［17-19］。2)行程片段法:该方法可以构建特定道路类型或服务水平的行驶工况,行程片段采用“随机选择”和“最佳增量”法的组合方法,EPA特定工况就是采用这种方法构建的［23-24］。3)分类法:该方法广泛应用于欧洲行驶工况的构建。对一系列的短行程通过主成分分析法,找出能解释这些特征参数的主成分,再通过聚类分析,形成不同的行驶工况类型。马志雄等人即通过动态聚类法构建了广州市汽车在不同交通状况下的代表性行驶工况［20-22］。4)定步长截取法:就是从实验数据中以一定步长依次截取数据段作为备选工况,同时以平均速度等特征参数为评价准则。分别计算每一个候选工况的特征参数并与实验数据相比,相关系数最大的工况为代表性行驶工况。5)模型构建法:美国加利福尼亚大学LinJie提出的以模型为基础构建工况的方法［4-5］。汽车行驶工况可以看作一个马尔科夫过程,首先采用极大似然估计法把实际行驶工况数据划分成许多连续的片段,然后再次使用MLE方法把这些片段聚类成模型事件集(状态)。最后求出不同状态间的转移概率,通过转移概率和相邻片段间的性质来构建候选工况,然后从中选取代表性行驶工况［27-28］。6)矩阵分析法:主要通过比较备选工况的速度-加速度联合分布矩阵与实验数据的相似程度来确定汽车的行驶工况［27］。行驶工况合成与解析方法见表3。由于采集的数据量庞大,描述参数众多,统计分析非常复杂,因此很多研究者采用VisualC++、VisualBasic、MTLAB等来编写解析程序,开发了许多数据解析软件。例如武汉理工大学基于MATLAB运行环境独立开发的车辆行驶工况解析软件(vehi-cledrivingcyclesanalysisprogram)［24］。3交通流污染物的排放模型行驶工况是交通领域宏观层面节能与环保量化中的一个重要概念,代表了交通路网中车辆行驶的典型车速变化规律,它的开发直接影响到区域燃油消耗和尾气排放量化的准确程度。但是目前中国行驶工况的研究还存在如下的问题,也决定了其未来的研究方向和发展趋势:1)考虑实际道路行驶状态的污染物排放。主要方案是在车辆上安装动态实时测量的车载排放测试系统,以监测车辆在实际道路行驶时机动车污染物排放,研究发动机负荷对排放的影响,进一步研究速度、加速度与排放之间的关系;同时通过GPS系统测量记录的数据可以计算出各污染物的排放因子,通过多车型的排放试验,建立基于交通流的污染物排放模型［39］。但存在的问题是动态污染物瞬时测量和发动机运转状态之间不同步,存在着一定的延时。2)建立实际道路工况的油耗模型。通过测量机动车在市区道路上的燃油消耗,可以建立城市交通环境中的车辆油耗模型,进而探索城市交通系统燃油消耗规律及节能措施。降低交通运输的能源消耗对于实现可持续发展的交通系统有着重要意义。3)继续采集与积累行驶原始数据。只有建立在大量的行驶数据基础上的行驶工况才更具有代表性。而国内对行驶工况的研究都停留在研究初期的实验基础上,样本容量小导致其不能代表真实的城市交通状况,因此不能作为当前机动车油耗和尾气排放检测标准建立的基础。所以积累和增加实际路网中机动车的行驶数据是今后此研究领域需要持续进行的工作。4)进一步推行更加灵活的行驶工况。如果行驶工况固定不变,就可能成为出于不良目的降低机动车油耗与排放的一个途径。如汽车厂商可以针对固定的尾气检测工况设计车辆以提高车辆的通过率,这就导致对实际机动车排放的低估。因此更加灵活多变的车辆行驶工况(包括轻型车、重