一種含道路坡度的汽車運(yùn)行工況馬爾可夫鏈設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種汽車運(yùn)行工況設(shè)計(jì)方法，特別涉及一種含道路坡度的汽車運(yùn)行工況馬爾可夫鏈方法。
【背景技術(shù)】
[0002]汽車運(yùn)行工況(Vehicle Driving Cycle)又稱為汽車運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)、車輛行駛工況，是針對(duì)某一類型車輛(如乘用車、公交車、重型車輛等)，在特定交通環(huán)境(如高速公路，城市道路)下，用來(lái)描述車輛行駛特征的各種參數(shù)序列。汽車運(yùn)行工況主要用于確定車輛污染物排放量和燃油消耗量、新車型的技術(shù)開(kāi)發(fā)和評(píng)估、以及測(cè)定交通控制方面的風(fēng)險(xiǎn)等，是汽車工業(yè)一項(xiàng)共性核心技術(shù)。
[0003]設(shè)計(jì)汽車運(yùn)行工況需要先車輛的實(shí)際行駛狀況進(jìn)行調(diào)查和采集，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，運(yùn)用相關(guān)數(shù)學(xué)理論方法建立起來(lái)的典型道路車輛行駛狀況的定量描述，設(shè)計(jì)方法是汽車運(yùn)行工況設(shè)計(jì)過(guò)程中的核心技術(shù)。
[0004]速度時(shí)間序列是汽車運(yùn)行工況的必要條件，但僅有速度時(shí)間序列的運(yùn)行工況是不夠的，還需要在運(yùn)行工況中表達(dá)道路坡度信息。道路坡度會(huì)對(duì)車輛運(yùn)行造成影響，能量消耗率與污染物排放量隨著坡度的增加而明顯增加。
[0005]多數(shù)汽車運(yùn)行工況都是以微行程劃分為基礎(chǔ)的組合優(yōu)化方法設(shè)計(jì)得到的，該設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)結(jié)果中道路坡度通常有著嚴(yán)重失真。使用馬爾可夫鏈模型也能設(shè)計(jì)汽車運(yùn)行工況，但只能體現(xiàn)速度的變化，不能體現(xiàn)道路坡度信息。所以，目前還沒(méi)有一種能夠體現(xiàn)道路坡度的汽車運(yùn)行工況馬爾可夫鏈設(shè)計(jì)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種含道路坡度的汽車運(yùn)行工況馬爾可夫鏈設(shè)計(jì)方法，使用該方法能夠得到含速度和道路坡度的汽車運(yùn)行工況，且道路坡度符合實(shí)際道路情況。
[0007]本發(fā)明的方法包括以下步驟:
[0008]步驟1，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中速度、加速度和道路坡度三個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，得到各個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)編碼；
[0009]步驟2，根據(jù)狀態(tài)編碼統(tǒng)計(jì)狀態(tài)轉(zhuǎn)移頻數(shù)矩陣，該過(guò)程中使用稀疏矩陣格式存儲(chǔ)、計(jì)算狀態(tài)轉(zhuǎn)移頻數(shù)矩陣；
[0010]步驟3，根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移頻數(shù)矩陣計(jì)算狀態(tài)轉(zhuǎn)移頻率矩陣，該過(guò)程中使用稀疏矩陣格式存儲(chǔ)、計(jì)算狀態(tài)轉(zhuǎn)移頻率矩陣；
[0011 ] 步驟4，選擇怠速狀態(tài)的編碼作為初始編碼，按照設(shè)計(jì)要求時(shí)長(zhǎng)，使用MCMC方法生成新的狀態(tài)序列；
[0012]步驟5，對(duì)新生成狀態(tài)序列進(jìn)行解碼，以區(qū)間中點(diǎn)值代表區(qū)間值，將狀態(tài)編碼還原為常規(guī)數(shù)值，作為候選工況。
[0013]步驟6，判斷候選工況結(jié)束時(shí)刻是否為怠速狀態(tài)，結(jié)束時(shí)刻是怠速時(shí)進(jìn)行步驟7，否則返回步驟4。
[0014]步驟7，對(duì)候選工況進(jìn)行后處理，使用5點(diǎn)線平滑的方法是對(duì)候選結(jié)果平滑處理。
[0015]步驟8，對(duì)候選工況進(jìn)行校核，滿足校核要求時(shí)輸出代表性工況，否則返回步驟4。
[0016]所述步驟I的具體過(guò)程為:
[0017]1.1)將數(shù)據(jù)庫(kù)中時(shí)間同步的車輛速度(V)、加速度(A)和道路坡度(G)進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，使得速度單位為m/s，加速度單位為m/s2，道路坡度單位為％。特別的，所述車輛速度包括但不限于GPS車速、CAN線采集車速、OBD接口采集車速或各種傳感器采集的車速。所述加速度包括但不限于有速度求導(dǎo)數(shù)得到的加速度、傳感器測(cè)量的加速度。所述道路坡度包括但不限于傳感器測(cè)量值、基于傳感器信號(hào)計(jì)算的道路坡度、基于GPS信號(hào)計(jì)算的道路坡度。
[0018]1.2)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)數(shù)據(jù)，設(shè)定編碼區(qū)間和編碼步長(zhǎng)。速度最小值為0，設(shè)定車速最大值V_、加速度最小值A(chǔ)nin和最大值A(chǔ) _、道路坡度最小值6_和最大值G _，設(shè)定速度編碼步長(zhǎng)gapv、加速度編碼步長(zhǎng)gapA、道路坡度編碼步長(zhǎng)gaP(；。編碼區(qū)間端點(diǎn)值要大于實(shí)際行駛數(shù)據(jù)值，以保證所有數(shù)據(jù)都屬于編碼區(qū)間。速度編碼步長(zhǎng)屬于區(qū)間[0.1, l]m/s，加速度編碼步長(zhǎng)屬于區(qū)間[0.05，0.5]m/s2，道路坡度編碼步長(zhǎng)區(qū)間[0.1，I] %。優(yōu)選的是，速度步長(zhǎng)取為0.lm/s，加速度步長(zhǎng)取為0.05m/S2,道路坡度步長(zhǎng)取為0.1 %。
[0019]1.3)將某個(gè)區(qū)間內(nèi)的數(shù)值使用一個(gè)區(qū)間碼進(jìn)行表示。使用公式⑴計(jì)算t時(shí)刻速度1的區(qū)間碼mt，使用公式⑵計(jì)算t時(shí)刻加速度^的區(qū)間碼n t，使用公式(3)計(jì)算t時(shí)刻道路坡度4的區(qū)間碼pt。式中floor代表向下取整。
[0020]mt= floor ((Vt)/ gapv) +1(I)
[0021]nt= floor ((A t-Amin) /gapA) +1 (2)
[0022]pt= floor ((G t-Gmin) /gapG) +1 (3)
[0023]1.4)使用公式⑷，由速度區(qū)間碼mt、加速度區(qū)間碼nt和道路坡度區(qū)間碼p t計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)編碼St。公式(4)中M和N的計(jì)算方法如公式(5)和公式(6)所示。
[0024]St= mt+(nt-l) XM+(pt-l) XMXN (4)
[0025]M = floor (Vmax/gapv)+l(5)
[0026]N = floor ((Amax-Amin) / gapA) +1 (6)
[0027]所述步驟2的具體過(guò)程為:
[0028]2.1)計(jì)算狀態(tài)編碼的最大值S_，創(chuàng)建Sniax維全零方陣，作為初始狀態(tài)轉(zhuǎn)移頻數(shù)矩陣T。優(yōu)選的是，采用稀疏矩陣格式創(chuàng)建和存儲(chǔ)狀態(tài)轉(zhuǎn)移頻數(shù)矩陣。
[0029]2.2)歸納狀態(tài)轉(zhuǎn)移頻數(shù)矩陣。如果當(dāng)前狀態(tài)編碼SSt和下一時(shí)刻狀態(tài)編碼SSt+1，則T(St，St+1) =T(St, St+1)+1，即態(tài)轉(zhuǎn)移頻數(shù)矩陣中St行和S t+1列位置統(tǒng)計(jì)的頻數(shù)增加I。優(yōu)選的是，采用稀疏矩陣格式存儲(chǔ)和計(jì)算狀態(tài)轉(zhuǎn)移頻數(shù)矩陣。
[0030]所述步驟3的具體過(guò)程為:
[0031]可根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況，將多次實(shí)驗(yàn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移頻數(shù)矩陣?yán)奂佑?jì)算，得到最終的狀態(tài)轉(zhuǎn)移頻數(shù)矩陣；也可將單次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣作為最終狀態(tài)轉(zhuǎn)移頻數(shù)矩陣。
[0032]先按行計(jì)算狀態(tài)轉(zhuǎn)移次數(shù)和，即將狀態(tài)轉(zhuǎn)移頻數(shù)矩陣中各元素按行累加求和(設(shè)第η行的和值為An)。然后將行中各元素值都除以和值A(chǔ)n，得到該行狀態(tài)轉(zhuǎn)移頻率值。對(duì)態(tài)轉(zhuǎn)移頻數(shù)矩陣中所有行進(jìn)行上述計(jì)算，即可得到狀態(tài)轉(zhuǎn)移頻率矩陣。優(yōu)選的是，采用稀疏矩陣格式創(chuàng)建、存儲(chǔ)和計(jì)算狀態(tài)轉(zhuǎn)移頻率矩陣。
[0033]所述步驟4的具體過(guò)程為:
[0034]使用簡(jiǎn)單的馬爾可夫鏈蒙特卡洛模擬(MCMC)方法，生成新的狀態(tài)序列。該序列中，初始狀態(tài)(狀態(tài)序列中的第一狀態(tài))可以是某一個(gè)特定狀態(tài)，可以采用隨機(jī)抽樣方式產(chǎn)生。優(yōu)選的是，以零坡度怠速狀態(tài)編碼作為新序列的初始狀態(tài)，零坡度怠速狀態(tài)編碼即(Vt=0,At= O1Gt= O)時(shí)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)編碼。
[0035]所述步驟5的具體過(guò)程為:
[0036]5.1)將狀態(tài)編碼解碼為區(qū)間碼。先使用公式(7)計(jì)算道路坡度區(qū)間碼，然后使用公式(8)計(jì)算加速度區(qū)間碼，最后使用公式(9)計(jì)算速度區(qū)間碼。
[0037]pt= floor (S t/(MXN) )+1(7)
[0038]nt= floor(S t-(p-l) XMXN)/M+1 (8)
[0039]mt= S t- (n-1) XM_(pt_l) XMXN (9)
[0040]5.2)再將區(qū)間碼解碼為常用數(shù)值。在解碼為常用數(shù)值過(guò)程中，可以使用區(qū)間碼對(duì)應(yīng)區(qū)間內(nèi)任意一點(diǎn)的值代表該區(qū)間碼。使用公式(10)計(jì)算速度值，使用公式(11)計(jì)算加速度值，使用公式(12)計(jì)算道路坡度值，即使用區(qū)間中點(diǎn)值作為區(qū)間碼的解碼值。將解碼后數(shù)值作為候選工況。
[0041]Vt= (m t-l) Xgapv+gapv/2(10)
[0042]At= (n t-l) X gapA+gapA/2+Amin (11)
[0043]Gt= (p t-l) XgapG+gapG/2+Gmin (12)
[0044]特別的，當(dāng)Vt= gap J2 時(shí)，令 Vt= O。當(dāng) | |A t| | 彡 gapA時(shí)，令 A t= 0。當(dāng)I Gt I I 彡 gapG時(shí)，令 G t= Oo
[0045]所述步驟6的具體過(guò)程為:檢查候選工況速度序列，如果其最后時(shí)刻是怠速狀態(tài)(速度為零)，則進(jìn)行步驟7 ;否則，返回步驟4。
[0046]所述步驟7的具體過(guò)程為:對(duì)候選工況進(jìn)行平滑處理，使得候選工況更加接近真實(shí)工況形態(tài)。平滑過(guò)程中，可以但不限于采用各種平滑函數(shù)、濾波手段。
[0047]所述步驟8的具體過(guò)程為:對(duì)候選工況計(jì)算統(tǒng)計(jì)指標(biāo)校核。首先對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中原始數(shù)據(jù)計(jì)算相應(yīng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)值，再對(duì)設(shè)計(jì)工況計(jì)算統(tǒng)計(jì)指標(biāo)值，比較二者的相對(duì)誤差。相對(duì)誤差滿足要求即可作為最終設(shè)計(jì)結(jié)果，輸出代表性工況；否則返回步驟4。
[0048]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明與傳統(tǒng)的運(yùn)行工況設(shè)計(jì)方法相比，能夠得到顯含道路坡度信息的汽車運(yùn)行工況設(shè)計(jì)結(jié)果，且設(shè)計(jì)結(jié)果中道路坡度與速度是時(shí)間同步的。設(shè)計(jì)結(jié)果中道路坡度精度取決于采集精度，該設(shè)計(jì)方法造成的設(shè)計(jì)誤差為坡度步長(zhǎng)的一半，完全符合工程實(shí)踐要求。該方法不包括優(yōu)化算法，計(jì)算效率高且易于實(shí)現(xiàn)。該方法能夠處理大規(guī)模數(shù)據(jù)，適用于各種道路，適用性較強(qiáng)。
【附圖說(shuō)明】
[0049]圖1為本發(fā)明算法流程圖；
[0050]圖2為本發(fā)明最終設(shè)計(jì)結(jié)果的速度時(shí)間曲線圖；
[0051]圖3為本發(fā)明最終設(shè)計(jì)結(jié)果的坡度時(shí)間曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0052]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0053]參閱圖1所示。本發(fā)明包括以下步驟:
[0054]步驟1:對(duì)工況設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。具體過(guò)程為:
[0055]1.1)將數(shù)據(jù)庫(kù)中時(shí)間同步的車輛速度(V)、加速度(A)和道路坡度(G)進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，使得速度單位為m/s，加速度單位為m/s2，道路坡度單位為％。
[0056]1.2)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)數(shù)據(jù)，設(shè)定速度最小值為0，計(jì)算車速最大值Vmax、加速度最小值八_和最大值A(chǔ) _、道路坡度最小值6_和最大值G _，設(shè)定速度編碼步長(zhǎng)gapv、加速度編碼步長(zhǎng)gapA、道路坡度編碼步長(zhǎng)gaps。速度步長(zhǎng)取為0.lm/s，加速度步長(zhǎng)取為0.05m/s2，道路坡度步長(zhǎng)取為0.1%。
[0057]1.3)將某個(gè)區(qū)間內(nèi)的數(shù)值使用一個(gè)區(qū)間碼進(jìn)行表示。使用公式(I)計(jì)算t時(shí)刻速度1的區(qū)間碼mt，使用公式⑵計(jì)算t時(shí)刻加速度At的區(qū)間碼nt，使用公式(3)計(jì)算t時(shí)刻道路坡度Gt的區(qū)間碼Pt。式中floor代表向下取整。
[0058]mt= floor ((Vt)/ gapv) +1(I)
[0059]nt= floor ((A t-Amin) /gapA) +1 (2)
[0060]pt= floor ((G t-Gmin) /gapG) +1 (3)
[0061]1.4)使用公式(4)，由速度區(qū)間碼mt、加速度區(qū)間碼nt和道路坡度區(qū)間碼pt計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)編碼St。公式(4)中M和N的計(jì)算方法如公式(5)和公式(6)所示。
[0062]St= mt+(nt-l) XM+(pt-l) XMXN (4)