基于聚类算法的汽车行驶工况研究.docx
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基于聚类算法的汽车行驶工况研究
李洋
2016年6月
中图分类号：
U469.72
UDC分类号：
650
基于聚类算法的汽车行驶工况研究
作者姓名李洋学院名称机械与车辆学院指导教师王震坡教授答辩委员会主席陈勇教授申请学位工程硕士学科专业车辆工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2016年6月
StudyofVehicleDrivingCycleBasedonClusteringAlgorithm
CandidateName:
YangLi SchoolorDepartment:
SchoolofMechanicalEngineeringFacultyMentor:
Prof.ZhenpoWang Chair,ThesisCommittee:
Prof.YongChen DegreeApplied:
MasterofEngineering Major:
VehicleEngineering
Degreeby:
BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:
June,2016
研究成果声明
本人郑重声明：
所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。
尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。
与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。
特此申明。
签名：
日期：
北京理工大学硕士学位论文
摘要
车辆行驶工况是用来描述车辆行驶规律的时间速度曲线。
车辆行驶工况的研究和开发，不仅为车辆燃油经济性和污染物排放水平的测试提供理论依据，还为未来新车型的设计和开发指导方向。
本文以北京市乘用车为研究对象，对国内外典型工况和工况构建方法进行了相关研究，对各种方法的优缺点进行综合对比并确定以短行程法和马尔科夫法来构建代表性工况。
本文工作由以下4个部分展开：
（1）根据北京市道路特点进行工况数据采集试验的总体规划，包括试验方法的选择以及数据采集设备选取和参数的确定等，引入运动学片段的概念对原始有效数据进行划分。
（2）对原始数据进行预处理，运用短行程法进行工况构建。
提出基于总体特征参数偏差最小的片段选取方法，有效解决传统随机方法的准确度低、计算量大等问题。
将改进后的方法与传统方法的构建结果进行对比分析，结果证明改进后的方法与整体试验数据的误差更小，更能反映整体试验数据的车辆行驶特征。
（3）基于马尔科夫过程的理论进行工况构建，以加速度大小为划分标准，在运动学片段的基础上划分模型事件。
提出基于总体特征参数偏差最小的起始片段选取方法和基于最小二乘法原理的结尾片段选取方法。
对构建工况进行有效性验证，结果表明该方法构建的循环工况误差较小。
（4）将两种方法构建的代表性工况进行对比和分析，将其中最能代表北京市乘用车运行特点的工况挑选出与欧美两大标准工况进行比对，分析我国车辆的实际行驶情况与欧美国家存在的差异，同时论证构建适用于我国实际情况的车辆行驶工况的必要性。
关键词：
车辆行驶工况；短行程法；主成分分析；K-means聚类；马尔科夫过程
1
Abstract
Adrivingcycleisexpressedasthespeed-timecurve,whichisappliedtoshowvehicledrivingcharacterswithcertainlimitedconditions.Theresearchofthedrivingcyclehasmadeagreatcontributiontotheautomobileindustry.
Inthispaper,Beijingpassengervehiclesaretheresearchobject.Throughtheresearchandcomparisonofdifferenttypicalmethodsforconstructingdrivingcycle,themicro-tripandmarkovmethodswereusedtoconstructtheBeijingdrivingcycle.Theresearchcontentsofthispaperareshownasfollowing:
Firstofall,inviewoftheroadcharacteristicsofBeijingcity,anoverallplanningofthedataacquisitionexperimentwasmadetoensurethattheresearchiscarriedoutinanorderlymanner,includingtheselectionofexperimentmethodanddataacquisitionequipment.Aftertheacquisitionofthedata,theoriginaldataweredividedintopiecesbyusingthetheoryofkinematicfragments.
Afterdataprocessing,themicro-tripmethodwastakentobuildthedrivingcycle.Inparticular,intheprocessofcandidatecycleselection,animprovedmethodbasedontheminimumcharacteristicparametersdeviationwasadoptedtochoosethefinalsegmentstoconstructthedrivingcycle.Theresultsindicatedthatthenewmethodcanfurtherimprovesthereliabilityofthedrivingcycle.
Simultaneously,adrivingcycleonthebasisofthetheoryofMarkovprocesswasdeveloped.Amethodbasedontheminimumcharacteristicparametersdeviationwasproposedtoselectthestartingsegmentandamethodbasedontheleastsquarewasadoptedforthelastsegment.Theresultshowedthatthenewmethodcanhighlyimprovetheaccuracyofthedrivingcycle.
Finally,thetwodrivingcyclesdevelopedabovewerecomparedandanalyzed,andthedrivingcyclewhichcanrepresentthedrivingcharacteristicofBeijingpassengervehicleswasselectedtocontrastwiththestandarddrivingcyclesofEuropeandAmerica.Theactualdrivingcharacteristicofthemwereanalyzedandthegiantdifferencebetweenthemshowedthenecessityofdevelopingourowndrivingcycle.
KeyWords:
vehicledrivingcycle;micro-trips;principalcomponentanalysis;k-meansclusteringanalysis;markovprocess
2
目录
第1章绪论 6
1.1研究背景和意义 6
1.2国内外汽车行驶工况的研究现状 7
1.2.1国外研究现状 7
1.2.2国内研究现状 11
1.2.3工况构建方法研究现状 13
1.3本文主要研究内容 16
第2章试验规划和数据采集整理 17
2.1试验总体规划 17
2.1.1试验方法的确定 17
2.1.2试验区域的选择 18
2.1.3试验车辆和驾驶员的选取 19
2.2数据采集试验 21
2.2.1数据采集参数 21
2.2.2数据采集设备和采样间隔 21
2.3本章小节 22
第3章原始数据处理和分析 23
3.1数据预处理 23
3.2运动学片段分析 23
3.2.1运动学片段划分和有效片段筛选 23
3.2.2运动学片段特征参数定义 24
3.2.3运动学片段特征参数计算 26
3.2.4运动学片段综合特征值计算 31
3.3本章小节 31
3
第4章基于主成分分析和K-MEANS聚类的工况构建方法 33
4.1构建思路 33
4.2主成分分析原理及步骤 34
4.3K-means聚类原理及步骤 37
4.4行驶工况构建过程 38
4.4.1主成分分析结果 38
4.4.2K-means聚类结果 39
4.4.3基于总体特征参数偏差最小的片段选取方法 41
4.4.4代表性工况的构建和结果分析 42
4.5本章小节 47
第5章基于马尔科夫过程理论的工况构建方法 48
5.1构建思路 48
5.2马尔科夫过程的基本理论 49
5.2.1马尔科夫过程和转移矩阵 50
5.3行驶工况的构建过程 51
5.3.1片段划分和状态归类 51
5.3.2计算转移概率矩阵 53
5.3.3工况起始片段的选取 53
5.3.4工况中间片段的选取 54
5.3.5工况结尾片段的选取 55
5.3.6代表性工况的构建和结果分析 56
5.4本章小节 61
第6章不同方法构建的行驶工况对比 63
6.1特征参数对比和误差分析 63
6.2国内外标准工况的对比 66
6.3本章小节 68
结论 69
全文总结 69
4
创新点 70
研究工作展望 70
参考文献 71
攻读学位期间发表论文与研究成果清单 76
致谢 77
5
第1章绪论
1.1研究背景和意义
近年来，中国汽车保有量呈井喷式增长，汽车逐渐成为人们青睐的交通工具。
据国家统计局统计，截至2015年底，我国机动车已达2.79亿辆，其中汽车保有量为1.72亿辆，如今汽车产业俨然已成为我国支柱产业之一。
汽车工业的飞速发展给我们的生活提供了便利，也给我国工业的发展带来了重大机遇，但同时也给人类社会造成了困扰和危害。
汽车的补给燃料多为汽油或柴油，石油的消耗量随汽车数量的增多而大幅度增长，导致化石能源日渐枯竭。
另外，汽车尾气排放物中有CO（一氧化碳）、HC+NOx
（碳氢化合物和氮氧化物）、PM（微粒，碳烟）等有害气体[1]以及产生温室效应的CO2，这不仅对人的身体造成损坏性危害，还严重影响了空气质量水平。
随着汽车工业的发展，节约化石能源、降低汽车尾气排放，成为汽车行业亟需面对和解决的问题。
车辆行驶工况[2]，是针对某一类的车辆（如乘用车、公交车、重型车辆等），在特定交通环境（如高速公路，城市道路）下，用来描述车辆行驶规律的时间速度曲线。
主要应用于车辆排放性、燃油经济性、动力性等测试[3]，通过实验反映真实情况下的车辆经济型、排放性、新能源汽车的续驶里程等指标，直接影响有关法规和标准的制定。
研究车辆行驶工况与车辆油耗及排放的关系，降低油耗，提高燃油经济性以及依据排放指标提高尾气处理技术，将对改善环境污染，提高人们生活质量做出重大贡献。
目前美国、欧盟和日本已分别开发出符合本国实际情况的工况测试曲线，称为三大标准工况体系，被世界各国广泛应用。
这些标准工况都是根据各国城市地理形势、交通状况和车辆性能的典型特征开发出的具有代表性的车辆行驶工况。
我国由于汽车工业起步较晚，尚未形成自己的工况测试曲线，暂时沿用欧洲的NEDC模态工况。
但我国在道路特征、交通状况、车辆性能甚至是驾驶习惯等方面都与欧洲国家有很大差异，这导致我国车辆实际行驶过程中的平均车速、油耗和排放与实验室认证结果差距很大，造成能源的浪费和排放性能的恶化。
因此，建立适用于我国实情的车辆行驶工况势在必行，而构建车辆行驶工况的方法也成为目前研究的重点和热点。
截至目前，构建车辆行驶工况的方法有很多种，包括短行程法、马尔科夫过程理论、SOM神经网络方法等。
其中，基于聚类算法的短行程法和马尔科夫过程理论应
77
用较多，特别是传统的短行程方法受到了国内外研究人员广泛应用。
本文将分别采用短行程方法和马尔科夫过程理论进行工况研究，并对这两种方法进行相应改进，使得构建出的北京市城市道路的行驶工况更精准、更具代表性，从而能够帮助我国更好地实现车辆的节能减排，降低车辆污染物排放水平。
1.2国内外汽车行驶工况的研究现状
1.2.1国外研究现状
目前世界上最具代表性的三大工况分别是：
美国FTP工况，欧洲NEDC工况和日本10-15工况。
早在20世纪50年代，第一个标准行驶工况诞生[4]。
随着时代的发展和科技的进步，针对不同研究对象和评价目标，形成了种类更多、具有特定用途的多种行驶工况。
美国是最早认识到环境保护问题的国家，也是最早投身于汽车行驶工况的研究和开发中的国家。
美国车辆道路行驶工况包括三大类型，认证用车辆道路行驶工况（FTP系）、研究用车辆道路行驶工况（WVU系）和短工况（I/M系）[5]。
美国研究开发的工况体系最为全面，涵盖了多种车型，还针对空调使用情况、驾驶行为等其他影响因素开发了相应的特定工况。
其中，FTP工况是用于确定乘用车（LDV）和轻型载货车辆（LDT）是否符合联邦废气排放标准的行驶工况，是用作认证车辆排放的联邦测试程序[6]。
1972年，由美国研究人员在加州洛杉矶市的LA4路线上试验得到了一条城市道路的车辆行驶工况曲线，被美国环保局（简称EPA）用作检验车辆排放水平，命名为FTP72，如图1.1所示[7]。
图1.1FTP-72工况
该工况启动与停车频繁，里程12.07km，最高时速达到91.25km/h，平均车速为
31.5km/h。
1975年，研究人员将这条测试曲线进行优化，使其更接近实际道路的行驶状况：
在FTP72基础上加上600s熄火热浸车阶段和505s的热态过渡工况（重复冷态过渡工况），构成了FTP75工况，如图1.2所示[8]。
图1.2FTP-75工况
该工况持续时间2475s，最高车速91.2km/h，平均车速34.12km/h，能够用于车辆热启动排放的检测。
FTP工况属于瞬态工况，能够精确测量车辆的排放能耗情况，被认为是最为严格的工况体系。
随着科技的发展，交通网络的优化，城市中的主干路和快速路比例逐渐增多，汽车高速行驶的占比也渐渐变大，相应排放水平有了显著变化。
美国的研究人员为了能反映改变后的实际情况，对FTP进行了补充修订，建立了SupplementaryFTP工况，主要用于测试2001年以后生产的轻型乘用车的排放情况。
另外，考虑到驾驶行为和空调的使用对车辆行驶性能和排放水平的影响，开发了相应的SC03和US06循环测试曲线。
研究人员还专门开发了应用于高速公路上测试车辆油耗和排放性能的行驶工况——HWFET（或HFET）和可变坡度的循环——HWFET—MTN工况。
相应地，针对重型车辆也有一系列的循环工况，如在底盘测功机上进行试验的HD-UDDS工况，还有被人熟知的FTP-Transient工况，该工况充分考虑了美国各种重型车辆和公交车的驾驶模式，行驶范围主要包括城市道路和高速公路。
欧洲各国的经济和交通联系较为紧密，因此共同制定了汽车燃油消耗量和排放标准。
1972年，欧盟开始实行统一的行驶工况循环测试程序，制定最初的ECE（EconomicCommissionforEurope）工况，该工况是针对城市道路开发的工况循环曲线，反映了
城市驾驶特征：
即低车速、发动机低负荷和低排气温度。
行驶里程为0.9941km，持续时间为195s，最大速度达到50km/h，平均速度为18.35km/h。
1992年，研究人员对
ECE15工况进行了补充，增加了城郊公路上的车辆行驶工况EUDC（ExtraUrbanDrivingCycle），这部分工况曲线行驶里程6.9549km，测试时间400s，平均速度为
62.59km/h，最大速度能达到120km/h，反映了车辆在城郊路上高速行驶的特征。
自1992年开始，欧盟采用的欧洲标准测试循环分为两个部分：
即ECE+EUDC（也称为MVEG-A工况），由4个ECE工况片段和1个EUDC工况片段组成，用于底盘测功机上测试轻型车的燃料消耗量和污染物排放情况。
2000年以后，欧洲标准工况改用NEDC（即NewEuropeanDrivingCycle）循环工况[9]，如下图1.3所示，该工况与上述“ECE+EUDC”工况大致相同，只是取消了40s的热机时间，把刚开始冷启动排放的污染物也考虑到测试范围内。
图1.3ECE+EUDC（或NEDC）工况
NEDC工况属于模态工况，是由一组匀速、匀加速和匀减速片段构成，是车辆在一种理想环境下的行驶状态，其真实性必定使试验结果具有一定偏差，不能完全反映车辆在实际道路上的行驶状况。
研究表明，用欧洲行驶工况对测试出的排放结果通常比实际情况要低15%~25%[10]。
为此，研究人员开发了基于欧洲大部分城市道路实际行驶数据的HYZEM瞬态循环工况。
该工况包括城市道路、城郊道路和高速公路三部分，分别反映了在这三种道路上轻型车的行驶特征。
同样，在重型车方面，欧盟也开发了相应的一系列行驶工况，如早期的WTVC
（WorldWideTransientVehicleCycle）行驶循环工况，还有后来改进的ESC稳态十三工况测试循环、ETC（EuropeanTransientCycle）测试和ELR（EuropeanLoad
Response）测试[11]，共同用来测试重型柴油机车辆的污染物排放情况。
日本在行驶工况的研究上也很重视，早期使用的Japan-10工况是针对城市道路开发的循环工况，结构单一。
随着经济的多元化发展，城市交通网络越来越复杂化，研究人员将Japan-10工况进行不断修改和完善，得到了Japan10-15工况，如下图1.4所示，Japan10-15工况也属于模态工况[12]。
该工况持续时间660s，行驶里程4.16km，平均车速为22.7km/h，最高车速达到70km/h。
图1.4Japan10-15工况
2005年，日本排放法规中提出了新的工况测试方法——JC08循环测试曲线（见下图1.5），主要用于底盘测功机上的排放和油耗测试[13]。
JC08循环工况是瞬态工况，反映了车辆在拥挤的城市交通状况下的行驶情况，持续时间1204s，行驶里程8.171km，平均车速24.4km/h，最高车速达81.6km/h。
JC08循环工况分为城区、中心城区和高速道路三个部分，于2011年替代Japan10-15成为日本排放测试采用的标准循环工况。
图1.5JC08工况
针对重型车开发的测试循环工况，也从最早的6-模式循环，到13-模式循环，再到2005年针对总质量超过3500kg的重型车辆开发的JE05排放测试循环，该循环是以东京行驶状况为基础而开发的瞬态循环，适用于汽油车以及柴油车。
JE05测试持续时间近1800s，平均车速26.94km/h，最高车速达88km/h。
1.2.2国内研究现状
我国在车辆行驶工况的研究相较于欧美发达国家晚了一些。
在传统车方面，国标GB/T18352-2005《轻型汽车污染物排放限制及测量方法》[14-16]中沿用了欧洲的NEDC工况来测试轻型车辆的燃油经济性和污染物的排放情况，而国标GB12545-2001中也规定了重型车辆采用欧洲的四工况、六工况[17]来进行排放等测试。
对于电动汽车，国标GB/T18368-2001中《电动车辆-能量消耗率和续驶里程-试验方法》明确规定电动车辆的能耗测试采用欧洲ECE15工况循环[18]。
但由于我国和欧洲国家地理位置、城市结构和交通网络等都有相当大的差异，直接采用欧洲工况来进行的测试结果并不能很好地反映我国的实际车辆道路行驶状况。
并且，随着我国汽车工业的迅猛发展和新技术的应用，NEDC工况更加不能满足现有的车辆发展要求，它低估了新能源汽车的节能效果，电动汽车的EMC在瞬态加减速工况下要比在等速工况下严重。
另外，混合动力等技术的应用，让既有工况体系的测试数据与车辆实际运行数据出现的偏差越来越大。
所以研究开发适应本国国情和道路交通特征的车辆行驶工况是极其必要的。
近年来，我国各地研究人员积极展开了对车辆行驶工况的研究和构建[19-31]，对北京、天津、深圳、广州、香港等一些经济比较发达，环保要求相对高的城市进行了相关研究工作，并取得了一定的成果，通过对国外主要工况进行分析和研究，结合中国各地城市的一些特点，得到了一些典型的车辆道路行驶工况，也为此项工作的后续发展奠定了一定基础，对后续开展国内各地车辆行驶工况构建的研究工作起到一定的指导作用。
国内研究开发的典型行驶工况主要有以下几个：
上海市环境保护局根据上海的
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