CN103824461A - 一种车辆行驶工况数据的识别与修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种车辆行驶工况数据的识别与修正方法，利用车速记录仪获得车辆道路行驶试验数据，通过速度信号的定位状态、时间信号的连续性、速度限值法和加速度限值法来判断速度信号的有效性，计算无效定位、速度丢失、速度超限和加速度超限问题数据的持续时间，据此来判断奇异数据是否可修正，如果奇异数据可修正，则对奇异数据进行修正；不可修正，则剔除整组试验数据。本发明消除了由于少数奇异数据带来的整组试验数据有效性降低的影响，对原始数据进行重构，提高试验数据有效性，解决以人的主观判断和经验知识识别车速信号中的奇异数据过程中的不确定性，提高识别准确性和效率，使得车速信号识别和修正具有可重复性。

Description

一种车辆行驶工况数据的识别与修正方法

技术领域

本发明涉及车辆行驶工况数据分析领域，具体涉及一种车辆行驶工况数据中车速信号中奇异现象的识别与修正方法。

背景技术

车辆行驶工况是反映在特定交通环境下车辆行驶的运动学特征，并以速度-时间过程作为特征的表现形式。车辆行驶工况来源大量的实际交通运行数据，通过运用相关数学理论方法，建立起道路车辆行驶状态的定量描述。行驶工况研究的主要目的是用于确定车辆污染物排放量、燃油消耗量、新车型的技术开发和评估以及测定交通控制等方面，为汽车研究中共性核心技术。

获取道路行驶过程数据是实现工况研究的前提，应用GPS构成的行驶工况数据记录仪是现有技术中一种比较可行的技术方案，但由于GPS是依赖于天地之间的数据交换，某种程度上受道路环境、车辆条件以及气候状况的影响，在实际运行过程中不可避免地存在数据奇异现象，即是指由于天地信号的传输问题，会导致定位无效、速度信号丢失或超限等引偏离实际值的现象。通常用怠速等待-加速启动-匀速行驶-减速停止四个特征作为一个基本运动学片段，并以运动学片段作为数据处理的最小数据片段，如果在该数据片段中存在上述的奇异现象，一般要将该片段的从待分析处理数据片段数据集中剔除，即由于个别数据问题影响到了片段数据，造成了试验数据的浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种车辆行驶工况数据的识别与修正方法，以减小由于环境因素产生的奇异数据对整组数据带来的不利影响，从而提高试验数据利用率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种车辆行驶工况数据的识别与修正方法，包括以下步骤：

步骤一、通过车速记录仪获得车辆道路行驶试验数据；

通过车速记录仪获得车辆道路行驶试验数据，包括时间t、定位状态、车速V_i(t)(i=1,2,3,…,n)，其中车速Vi(t)单位为km/h，且V_i(t)≥0，t的单位为s，且t∈N，车辆定位状态参数为“A”和“V”，“A”代表定位有效，“V”代表定位无效；

步骤二、通过检验试验数据的定位状态数据“A”或“V”来判断速度信号是否有效；如试验数据中包含有无效定位数据“V”，则计算得到无效定位数据“V”的持续时间为ΔT_d(ΔT_d≥1s)，通过分析无效定位数据“V”的持续时间ΔT_d(ΔT_d≥1s)来判断速度信号是否可修正；如数据可修正，则修正速度信号，其处理方法如下：

如果与速度时间序列V_i(t)对应的定位状态数据中全部为“A”，证明卫星定位有效，速度信号有效，进行下一步工作；

如果与速度时间序列V_i(t)对应的定位状态数据中包含有“V”，证明试验数据中存在无效定位数据，与无效定位数据对应时刻的速度信号无效；假设可以修正的车速信号持续时间为ΔT(ΔT≥1s)；进一步通过分析无效定位数据“V”的持续时间ΔT_d(ΔT_d≥1s)来判断速度信号是否可修正，如果满足条件：ΔT_d>ΔT，则证明无效定位持续时间过长，导致速度信号无法修正，试验数据无效，剔除试验数据。本发明涉及到的被剔除试验数据，被标注为无法修正数据，即无法被本方法所修正，被保留在原始数据库中；如果ΔT_d≤ΔT，则证明无效定位数据持续时间在可修正范围内，则对由于无效定位原因而引起的速度无效信号进行修正，修正完成后进行下一步工作；

步骤三、通过检验时间信号的连续性来判断速度信号是否发生丢失；如果时间信号不连续，证明速度信号发生丢失，导致试验数据的不完整，计算速度丢失信号的持续时间ΔT_t(ΔT_t≥1s)，通过分析丢失的速度信号持续时间ΔT_t(ΔT_t≥1s)来判断丢失速度信号是否可修正；如果数据可修正，则插值补充速度信号，其处理方法如下：

车速记录仪记录速度信号的采样频率是1Hz，即试验获得的速度信号的时间间隔Δt=t_i+1-t_i=1s，对已采集到的试验数据进行时间连续性的检验，以判断速度信号是否发生丢失；

在车辆正常行驶条件下，与速度信号关联的时间间隔应满足条件：

Δt=t_i+1-t_i=1

如果时间间隔满足Δt=t_i+1-t_i=1，证明速度信号没有发生丢失，试验数据有效；

如果时间间隔Δt=t_i+1-t_i≠1，说明车速记录仪在数据记录过程中丢失了速度信号；进一步通过分析丢失的速度信号持续时间ΔT_t(ΔT_t≥1s)来判断丢失速度信号是否可修正，如果满足条件：ΔT_t>ΔT，则证明速度丢失信号的持续时间过长，无法修正，试验数据无效，剔除试验数据；如果ΔT_t≤ΔT，则证明速度丢失信号的持续时间在可修正范围内，则对速度丢失信号进行插值补充，补充完成后进行下一步工作；

步骤四、检验速度信号中是否存在速度超限值；如果速度信号中存在超限值，计算速度超限值的持续时间ΔT_v(ΔT_v≥1s)，通过分析速度超限信号的持续时间ΔT_v(ΔT_v≥1s)来判断速度信号是否可修正；如果数据可修正，则修正速度超限信号，其处理方法如下：

结合道路交通情况、实际道路特征和车辆自身特性确定车辆的最高行驶车速V_max(V_max>120km/h)，在车辆正常行驶条件下，车辆行驶速度V_i(t)应满足条件：

V_i(t)≤V_max

如果速度信号点均满足V_i(t)≤V_max，证明速度信号中不存在速度超限信号，进行下一步工作；

如果速度信号中存在V_i(t)>V_max，则说明速度信号中存在速度超限值；进一步通过分析速度超限信号的持续时间ΔT_v(ΔT_v≥1s)来判断速度信号是否可修正，如果满足条件：ΔT_v>ΔT，则证明速度超限信号持续时间过长，导致速度信号无法修正，试验数据无效，剔除试验数据；如果ΔT_v≤ΔT，则证明速度超限信号的持续时间在可修正范围内，则对速度超限信号进行修正，修正完成后进行下一步工作；

步骤五、检验加速度信号中是否存在加速度超限值，以此来判断速度信号中是否存在突变值；如果加速度信号中存在超限值，说明速度信号中存在突变值，计算速度突变信号的持续时间ΔT_a(ΔT_a≥1s)，通过分析速度突变信号的持续时间ΔT_a(ΔT_a≥1s)来判断速度突变信号是否可修正；如果可修正，则对速度突变信号进行修正，其处理方法如下：

假设车辆行驶加速度时间序列为a_j(t)(j=1,2,3,…n-1)(m/s²)，车辆行驶最大加速度为a_max(a_max>0)，在车辆正常行驶过程中，速度变化率

应满足如下条件：

|a_j(t)|≤a_max

如果速度变化率满足|a_j(t)|≤a_max，证明加速度信号中不存在超限值，速度信号中不存在突变信号，试验数据有效，进行下一步工作；

如果速度变化率满足|a_j(t)|>a_max，证明加速度信号中存在超限值，说明速度信号中存在突变值，需对速度突变值进行修正；进一步通过分析速度突变信号的持续时间ΔT_a(ΔT_a≥1s)来判断速度突变信号是否可修正，如果ΔT_a>ΔT，证明速度突变信号的持续时间过长，导致速度突变信号无法修正，试验数据无效，剔除试验数据；如果ΔT_a≤ΔT，则证明速度突变信号的持续时间在可修正范围内，则对速度突变信号进行修正；车辆行驶工况数据的识别与修正过程结束。

所述的修正速度信号数据、插值补充速度信号数据、修正速度超限信号数据和修正速度突变信号数据均采用三次样条插值方法。

本发明具有的优点和积极效果是：一般而言，车辆运动过程是连续的，而奇异数据是不连续的。在片段过程数据中偶然出现奇异数据是可以通过前后的数据关系和相应的数学方法进行数据修正和还原，这样就能够挽回大量由于个别数据丢失而造成成组成片数据损失，从而提高了采集数据的利用率。为此本发明介绍了用三次样条插值原理对速度信号中存在的奇异数据进行数据修正方法，特别对连续缺失少于5个数据情况更为有效，且保证插值点上的连续性。一种车辆行驶工况车速数据识别与修正方法，消除了由于少数奇异数据带来的整组试验数据有效性降低的影响，并对原始数据进行重构，提高了试验数据的有效性。同时，本发明解决了以人的主观判断和经验知识识别车速信号中的奇异数据过程中的不确定性，采用计算机技术进行速度奇异数据的识别，既提高了速度奇异数据识别的准确性，又提高了速度奇异数据的识别效率，使得车速信号的识别和修正操作具有可重复性。

附图说明

图1是一种车辆行驶工况数据的识别与修正方法流程图；

图2是一种车辆行驶速度-时间曲线获取途径；

图3是一种提取GPS定位状态和接收信号的时间等信息的数据输出格式；

图4是为本发明提供的一种试验数据实例；

图5为本发明提供的一种不可修正的无效定位数据，其中图中圈点为无效定位区间为[1522]；

图6为本发明提供的一种修正前的无效定位数据，其中图中圈点为无效定位数据；

图7为本发明提供的一种修正后的无效定位数据；

图8为本发明提供的一种不可修正的速度丢失数据，其中图中箭头所指时间丢失区间[2835]；

图9为本发明提供的一种修正前的速度丢失数据，其中图中箭头所指时间丢失区间[3940]；

图10为本发明提供的一种修正后的速度丢失数据；

图11为本发明提供的一种不可修正的速度超限数据，其中图中圈点为速度超限区间[4452]；

图12为本发明提供的一种修正前的速度超限数据，其中图中左、右两个圈点分别为速度超限点1和速度超限点2；

图13为本发明提供的一种修正后的速度超限数据；

图14为本发明提供的一种修正前的加速度超限数据-速度时间曲线，其中图中圈点为速度奇异数据；

图15为本发明提供的一种修正前的加速度超限数据-加速度时间曲线，其中图中圈点为加速度超限值；

图16为本发明提供的一种修正后的加速度超限数据-速度时间曲线；

图17为本发明提供的一种修正后的加速度超限数据-速度时间曲线。

具体实施方式

本发明的核心是提出了一种车辆行驶工况速度数据中奇异数据的识别与修正方法，为了体现本发明在工程实践中的可重复性和实用性，下面将结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种车辆行驶工况数据的识别与修正方法，利用车速记录仪获得车辆道路行驶试验数据，通过速度信号的定位状态、时间信号的连续性、速度限值法和加速度限值法来判断速度信号的有效性，计算无效定位、速度丢失、速度超限和加速度超限问题数据的持续时间，据此来判断奇异数据是否可修正，如果奇异数据可修正，则采用三次样条插值方法对奇异数据进行修正；不可修正，则剔除整组试验数据。本发明实施例为一种车速信号中奇异数据的识别与修正方法，针对车速记录仪获取的试验信号中存在的四种主要奇异现象进行识别和修正，针对四种不同的奇异现象提出以下具体的实施步骤：

步骤一、通过车速记录仪获得车辆道路行驶相关试验数据。

参见图2和图3，通过车速记录仪获得车辆道路行驶试验数据，包括时间t、定位状态、车速V_i(t)(i=1,2,3,…,n)，其中车速V_i(t)单位为km/h，且V_i(t)≥0，t的单位为s，且t∈N，车辆定位状态参数为“A”和“V”，“A”代表定位有效，“V”代表定位无效，图4为试验数据实例。

步骤二：通过检验试验信号的定位状态来判断试验信号定位是否有效。

假设三次样条插值方法可以修正的车速信号持续时间ΔT=5s。

当定位状态数据中全部为“A”，证明试验获得的速度信号有效，可进行下一步检验；当定位状态数据中包含有字符“V”且ΔT_d=8s时，存在ΔT_d>ΔT，ΔT_d超过了限值，速度信号无法修正，参见图5，剔除试验数据；当定位状态数据中包含有字符“V”且ΔT_d=3s时，存在ΔT_d≤ΔT，ΔT_d未超过限值，速度信号可以修正，采样三次样条插值函数对速度信号进行修正，数据修正前后参见图6和7。

步骤三：通过检验试验信号中时间信号的连续性来判断试验信号中是否存在速度丢失信号。

当满足Δt=t_i+1-t_i=1，证明试验信号中不存在速度丢失信号，进行下一步检验；当满足 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δt}=t_{i+1}-t_i\≠1\\ {\mathrm{\ΔT}}_t>\mathrm{\ΔT}\\ {\mathrm{\ΔT}}_t=8s\end{array}\right.$ 时，证明试验信号中存在速度丢失信号，ΔTt超过限值，速度信号无法修正，剔除试验数据，参见图8；当满足 $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δt}=t_{i+1}-t_i\≠1\\ {\mathrm{\ΔT}}_t>\mathrm{\ΔT}\\ {\mathrm{\ΔT}}_t=2s\end{array}\right.$ 时，试验信号中存在速度丢失信号，ΔT_t未超过限值，丢失的速度信号可以修正，采样三次样条插值方法对速度信号进据插补修正，数据修正前后参见图9和10。

步骤四：检验试验信号中车速信号V_i(t)是否超过车辆最高行驶车速V_max。

假设车辆行驶最高车速V_max=135km/h。

当满足 $\left\{\begin{array}{c}{V}_i\left(t\right)>V_{\max }\\ {\mathrm{\ΔT}}_v>\mathrm{\ΔT}\\ {\mathrm{\ΔT}}_v=9s\end{array}\right.$ 时，试验信号中存在速度超限值，ΔT_v超过限值，速度信号无法修正，剔除试验数据，参见图11；当满足 $\left\{\begin{array}{c}{V}_i\left(t\right)>V_{\max }\\ {\mathrm{\ΔT}}_v>\mathrm{\ΔT}\\ {\mathrm{\ΔT}}_v=1s\end{array}\right.$ 时，试验信号中存在速度超限值，ΔT_v未超过限值，速度信号可以修正，采样三次样条插值函数对速度信号进行修正，数据修正前后参见图12和13；当V_i(t)≤V_max，试验信号中不存在速度超限值，进行下一步检验。

步骤五：通过检验车辆速度变化率|a_j(t)|中是否超过最大加速度a_max来判断是速度信号中是否存在突变信号。

假设试验车辆的行驶最大加速度a_max=7m/s²。

当满足 $\left\{\begin{array}{c}{|a}_j\left(t\right)|>a_{\max }\\ {\mathrm{\ΔT}}_a>\mathrm{\ΔT}\end{array}\right.$ 时，加速度信号中存在超限值，说明速度信号中存在突变值，ΔT_a超过限值，速度信号无法修正，剔除试验数据，此种情况出现概率很低，在此不举例说明；当满足 $\left\{\begin{array}{c}{|a}_j\left(t\right)|>a_{\max }\\ {\mathrm{\ΔT}}_a\≤\mathrm{\ΔT}\\ {\mathrm{\ΔT}}_a=1s\end{array}\right.$ 时，加速度信号中存在超限值，证明速度信号中存在突变值，ΔT_a未超过限值，速度信号可以修正，采样三次样条插值函数对速度信号进行修正，修正前后速度时间曲线和加速度时间曲线参见图14、图15、图16和图17；当|a_j(t)|≤a_max，加速度信号中不存在超限值，证明试验信号中不存在速度突变值。至此车辆行驶工况数据的识别与修正过程结束。

综上所述，构建车辆行驶工况离不开车速时间信号，本发明实施例提供了一种车辆行驶试验数据中奇异数据的识别与修正方法，本发明实施例是针对车辆行驶试验数据中奇异数据固有特征，提出了一种识别车速信号中奇异数据的方法，用来检验试验获得的速度信号的准确性，其应用价值在于针对车速信号的准确性在不可预知的前提下，通过四种有效的技术方法识别出试验数据中的奇异数据，并采用三次样条插值方法对奇异数据进行拟合修正，有效地提高了车速信号的有效性。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (2)

1.一种车辆行驶工况数据的识别与修正方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、通过车速记录仪获得车辆道路行驶试验数据；

通过车速记录仪获得车辆道路行驶试验数据，包括时间t、定位状态、车速V_i(t)(i=1,2,3,…,n)，其中车速V_i(t)单位为km/h，且V_i(t)≥0，t的单位为s，且t∈N，车辆定位状态参数为“A”和“V”，“A”代表定位有效，“V”代表定位无效；

步骤二、通过检验试验数据的定位状态数据“A”或“V”来判断速度信号是否有效；如试验数据中包含有无效定位数据“V”，则计算得到无效定位数据“V”的持续时间为ΔT_d(ΔT_d≥1s)，通过分析无效定位数据“V”的持续时间ΔT_d(ΔT_d≥1s)来判断速度信号是否可修正；如数据可修正，则修正速度信号，其处理方法如下：

如果与速度时间序列Vi(t)对应的定位状态数据中全部为“A”，证明卫星定位有效，速度信号有效，进行下一步工作；

如果与速度时间序列V_i(t)对应的定位状态数据中包含有“V”，证明试验数据中存在无效定位数据，与无效定位数据对应时刻的速度信号无效；假设可以修正的车速信号持续时间为ΔT(ΔT≥1s)；进一步通过分析无效定位数据“V”的持续时间ΔT_d(ΔT_d≥1s)来判断速度信号是否可修正，如果满足条件：ΔT_d>ΔT，则证明无效定位持续时间过长，导致速度信号无法修正，试验数据无效，剔除试验数据；如果ΔT_d≤ΔT，则证明无效定位数据持续时间在可修正范围内，则对由于无效定位原因而引起的速度无效信号进行修正，修正完成后进行下一步工作；

步骤三、通过检验时间信号的连续性来判断速度信号是否发生丢失；如果时间信号不连续，证明速度信号发生丢失，导致试验数据的不完整，计算速度丢失信号的持续时间ΔT_t(ΔT_t≥1s)，通过分析丢失的速度信号持续时间ΔT_t(ΔT_t≥1s)来判断丢失速度信号是否可修正；如果数据可修正，则插值补充速度信号，其处理方法如下：

车速记录仪记录速度信号的采样频率是1Hz，即试验获得的速度信号的时间间隔Δt=t_i+1-t_i=1s，对已采集到的试验数据进行时间连续性的检验，以判断速度信号是否发生丢失；

在车辆正常行驶条件下，与速度信号关联的时间间隔应满足条件：

Δt=t_i+1-t_i=1

如果时间间隔满足Δt=t_i+1-t_i=1，证明速度信号没有发生丢失，试验数据有效；

如果时间间隔Δt=t_i+1-t_i≠1，说明车速记录仪在数据记录过程中丢失了速度信号；进一步通过分析丢失的速度信号持续时间ΔT_t(ΔT_t≥1s)来判断丢失速度信号是否可修正，如果满足条件：ΔT_t>ΔT，则证明速度丢失信号的持续时间过长，无法修正，试验数据无效，剔除试验数据；如果ΔT_t≤ΔT，则证明速度丢失信号的持续时间在可修正范围内，则对速度丢失信号进行插值补充，补充完成后进行下一步工作；

步骤四、检验速度信号中是否存在速度超限值；如果速度信号中存在超限值，计算速度超限值的持续时间ΔT_v(ΔT_v≥1s)，通过分析速度超限信号的持续时间ΔT_v(ΔT_v≥1s)来判断速度信号是否可修正；如果数据可修正，则修正速度超限信号，其处理方法如下：

结合道路交通情况、实际道路特征和车辆自身特性确定车辆的最高行驶车速V_max(V_max>120km/h)，在车辆正常行驶条件下，车辆行驶速度V_i(t)应满足条件：

V_i(t)≤V_max

如果速度信号点均满足V_i(t)≤V_max，证明速度信号中不存在速度超限信号，进行下一步工作；

如果速度信号中存在V_i(t)>V_max，则说明速度信号中存在速度超限值；进一步通过分析速度超限信号的持续时间ΔT_v(ΔT_v≥1s)来判断速度信号是否可修正，如果满足条件：ΔT_v>ΔT，则证明速度超限信号持续时间过长，导致速度信号无法修正，试验数据无效，剔除试验数据；如果ΔT_v≤ΔT，则证明速度超限信号的持续时间在可修正范围内，则对速度超限信号进行修正，修正完成后进行下一步工作；

步骤五、检验加速度信号中是否存在加速度超限值，以此来判断速度信号中是否存在突变值；如果加速度信号中存在超限值，说明速度信号中存在突变值，计算速度突变信号的持续时间ΔT_a(ΔT_a≥1s)，通过分析速度突变信号的持续时间ΔT_a(ΔT_a≥1s)来判断速度突变信号是否可修正；如果可修正，则对速度突变信号进行修正，其处理方法如下：

假设车辆行驶加速度时间序列为a_j(t)(j=1,2,3,…n-1)(m/s²)，车辆行驶最大加速度为a_max(a_max>0)，在车辆正常行驶过程中，速度变化率

应满足如下条件：

|a_j(t)|≤a_max

如果速度变化率满足|a_j(t)|≤a_max，证明加速度信号中不存在超限值，速度信号中不存在突变信号，试验数据有效，进行下一步工作；

如果速度变化率满足|a_j(t)|>a_max，证明加速度信号中存在超限值，说明速度信号中存在突变值，需对速度突变值进行修正；进一步通过分析速度突变信号的持续时间ΔT_a(ΔT_a≥1s)来判断速度突变信号是否可修正，如果ΔT_a>ΔT，证明速度突变信号的持续时间过长，导致速度突变信号无法修正，试验数据无效，剔除试验数据；如果ΔT_a≤ΔT，则证明速度突变信号的持续时间在可修正范围内，则对速度突变信号进行修正；车辆行驶工况数据的识别与修正过程结束。

2.根据权利要求1所述的一种车辆行驶工况数据的识别与修正方法，其特征在于：所述的修正速度信号数据、插值补充速度信号数据、修正速度超限信号数据和修正速度突变信号数据均采用三次样条插值方法。

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