一種含道路坡度的汽車運行工況馬爾可夫鏈設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種汽車運行工況設(shè)計方法，特別涉及一種含道路坡度的汽車運行工況馬爾可夫鏈方法。
【背景技術(shù)】
[0002]汽車運行工況(Vehicle Driving Cycle)又稱為汽車運轉(zhuǎn)循環(huán)、車輛行駛工況，是針對某一類型車輛(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，用來描述車輛行駛特征的各種參數(shù)序列。汽車運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)開發(fā)和評估、以及測定交通控制方面的風險等，是汽車工業(yè)一項共性核心技術(shù)。
[0003]設(shè)計汽車運行工況需要先車輛的實際行駛狀況進行調(diào)查和采集，并對實驗數(shù)據(jù)進行分析，運用相關(guān)數(shù)學理論方法建立起來的典型道路車輛行駛狀況的定量描述，設(shè)計方法是汽車運行工況設(shè)計過程中的核心技術(shù)。
[0004]速度時間序列是汽車運行工況的必要條件，但僅有速度時間序列的運行工況是不夠的，還需要在運行工況中表達道路坡度信息。道路坡度會對車輛運行造成影響，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)計得到的，該設(shè)計方法的設(shè)計結(jié)果中道路坡度通常有著嚴重失真。使用馬爾可夫鏈模型也能設(shè)計汽車運行工況，但只能體現(xiàn)速度的變化，不能體現(xiàn)道路坡度信息。所以，目前還沒有一種能夠體現(xiàn)道路坡度的汽車運行工況馬爾可夫鏈設(shè)計方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種含道路坡度的汽車運行工況馬爾可夫鏈設(shè)計方法，使用該方法能夠得到含速度和道路坡度的汽車運行工況，且道路坡度符合實際道路情況。
[0007]本發(fā)明的方法包括以下步驟:
[0008]步驟1，對數(shù)據(jù)庫中速度、加速度和道路坡度三個數(shù)據(jù)進行編碼，得到各個時刻的狀態(tài)編碼；
[0009]步驟2，根據(jù)狀態(tài)編碼統(tǒng)計狀態(tài)轉(zhuǎn)移頻數(shù)矩陣，該過程中使用稀疏矩陣格式存儲、計算狀態(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)矩陣計算狀態(tài)轉(zhuǎn)移頻率矩陣，該過程中使用稀疏矩陣格式存儲、計算狀態(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)計要求時長，使用MCMC方法生成新的狀態(tài)序列；
[0012]步驟5，對新生成狀態(tài)序列進行解碼，以區(qū)間中點值代表區(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)束時刻是否為怠速狀態(tài)，結(jié)束時刻是怠速時進行步驟7，否則返回步驟4。
[0014]步驟7，對候選工況進行后處理，使用5點線平滑的方法是對候選結(jié)果平滑處理。
[0015]步驟8，對候選工況進行校核，滿足校核要求時輸出代表性工況，否則返回步驟4。
[0016]所述步驟I的具體過程為:
[0017]1.1)將數(shù)據(jù)庫中時間同步的車輛速度(V)、加速度(A)和道路坡度(G)進行單位轉(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數(shù)得到的加速度、傳感器測量的加速度。所述道路坡度包括但不限于傳感器測量值、基于傳感器信號計算的道路坡度、基于GPS信號計算的道路坡度。
[0018]1.2)根據(jù)數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)，設(shè)定編碼區(qū)間和編碼步長。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gapv、加速度編碼步長gapA、道路坡度編碼步長gaP(；。編碼區(qū)間端點值要大于實際行駛數(shù)據(jù)值，以保證所有數(shù)據(jù)都屬于編碼區(qū)間。速度編碼步長屬于區(qū)間[0.1, l]m/s，加速度編碼步長屬于區(qū)間[0.05，0.5]m/s2，道路坡度編碼步長區(qū)間[0.1，I] %。優(yōu)選的是，速度步長取為0.lm/s，加速度步長取為0.05m/S2,道路坡度步長取為0.1 %。
[0019]1.3)將某個區(qū)間內(nèi)的數(shù)值使用一個區(qū)間碼進行表示。使用公式⑴計算t時刻速度1的區(qū)間碼mt，使用公式⑵計算t時刻加速度^的區(qū)間碼n t，使用公式(3)計算t時刻道路坡度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計算當前時刻狀態(tài)編碼St。公式(4)中M和N的計算方法如公式(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的具體過程為:
[0028]2.1)計算狀態(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。如果當前狀態(tài)編碼SSt和下一時刻狀態(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)計的頻數(shù)增加I。優(yōu)選的是，采用稀疏矩陣格式存儲和計算狀態(tài)轉(zhuǎn)移頻數(shù)矩陣。
[0030]所述步驟3的具體過程為:
[0031]可根據(jù)實際實驗情況，將多次實驗的狀態(tài)轉(zhuǎn)移頻數(shù)矩陣累加計算，得到最終的狀態(tài)轉(zhuǎn)移頻數(shù)矩陣；也可將單次實驗數(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。對態(tài)轉(zhuǎn)移頻數(shù)矩陣中所有行進行上述計算，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、存儲和計算狀態(tài)轉(zhuǎn)移頻率矩陣。
[0033]所述步驟4的具體過程為:
[0034]使用簡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))可以是某一個特定狀態(tài)，可以采用隨機抽樣方式產(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)時對應(yīng)的狀態(tài)編碼。
[0035]所述步驟5的具體過程為:
[0036]5.1)將狀態(tài)編碼解碼為區(qū)間碼。先使用公式(7)計算道路坡度區(qū)間碼，然后使用公式(8)計算加速度區(qū)間碼，最后使用公式(9)計算速度區(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)值過程中，可以使用區(qū)間碼對應(yīng)區(qū)間內(nèi)任意一點的值代表該區(qū)間碼。使用公式(10)計算速度值，使用公式(11)計算加速度值，使用公式(12)計算道路坡度值，即使用區(qū)間中點值作為區(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Vt= gap J2 時，令 Vt= O。當 | |A t| | 彡 gapA時，令 A t= 0。當I Gt I I 彡 gapG時，令 G t= Oo
[0045]所述步驟6的具體過程為:檢查候選工況速度序列，如果其最后時刻是怠速狀態(tài)(速度為零)，則進行步驟7 ;否則，返回步驟4。
[0046]所述步驟7的具體過程為:對候選工況進行平滑處理，使得候選工況更加接近真實工況形態(tài)。平滑過程中，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的具體過程為:對候選工況計算統(tǒng)計指標校核。首先對數(shù)據(jù)庫中原始數(shù)據(jù)計算相應(yīng)統(tǒng)計指標值，再對設(shè)計工況計算統(tǒng)計指標值，比較二者的相對誤差。相對誤差滿足要求即可作為最終設(shè)計結(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)的運行工況設(shè)計方法相比，能夠得到顯含道路坡度信息的汽車運行工況設(shè)計結(jié)果，且設(shè)計結(jié)果中道路坡度與速度是時間同步的。設(shè)計結(jié)果中道路坡度精度取決于采集精度，該設(shè)計方法造成的設(shè)計誤差為坡度步長的一半，完全符合工程實踐要求。該方法不包括優(yōu)化算法，計算效率高且易于實現(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。
【附圖說明】
[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)計結(jié)果的速度時間曲線圖；
[0051]圖3為本發(fā)明最終設(shè)計結(jié)果的坡度時間曲線圖。
【具體實施方式】
[0052]下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(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:對工況設(shè)計數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進行編碼。具體過程為:
[0055]1.1)將數(shù)據(jù)庫中時間同步的車輛速度(V)、加速度(A)和道路坡度(G)進行單位轉(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)庫內(nèi)數(shù)據(jù)，設(shè)定速度最小值為0，計算車速最大值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gapv、加速度編碼步長gapA、道路坡度編碼步長gaps。速度步長取為0.lm/s，加速度步長取為0.05m/s2，道路坡度步長取為0.1%。
[0057]1.3)將某個區(qū)間內(nèi)的數(shù)值使用一個區(qū)間碼進行表示。使用公式(I)計算t時刻速度1的區(qū)間碼mt，使用公式⑵計算t時刻加速度At的區(qū)間碼nt，使用公式(3)計算t時刻道路坡度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計算當前時刻狀態(tài)編碼St。公式(4)中M和N的計算方法如公式(5)和公式(6)所示。
[0062]St= mt+(nt-l) XM+(pt-l) XMXN (4)