CN105043786B - 一种含道路坡度的汽车运行工况马尔可夫链设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车运行工况设计方法，特别涉及一种含道路坡度的汽车运行工况马尔可夫链设计方法，本发明的方法包括以下步骤：按照编码区间、步长和公式对数据编码，创建并计算状态转移频数矩阵，创建并计算状态转移频率矩阵，使用MCMC方法生成新的状态序列，对新状态序列解码并设为候选工况，用5点线平滑处理候选工况，满足校核要求时输出代表性工况。本发明与传统的运行工况设计方法相比，能够得到显含道路坡度信息的汽车运行工况设计结果，且设计结果中道路坡度与速度是时间同步的。该方法能够处理大规模数据，适用于各种道路，适用性较强。

Description

一种含道路坡度的汽车运行工况马尔可夫链设计方法

技术领域

本发明涉及一种汽车运行工况设计方法，特别涉及一种含道路坡度的汽车运行工况马尔可夫链方法。

背景技术

汽车运行工况(Vehicle Driving Cycle)又称为汽车运转循环、车辆行驶工况，是针对某一类型车辆(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，用来描述车辆行驶特征的各种参数序列。汽车运行工况主要用于确定车辆污染物排放量和燃油消耗量、新车型的技术开发和评估、以及测定交通控制方面的风险等，是汽车工业一项共性核心技术。

设计汽车运行工况需要先车辆的实际行驶状况进行调查和采集，并对实验数据进行分析，运用相关数学理论方法建立起来的典型道路车辆行驶状况的定量描述，设计方法是汽车运行工况设计过程中的核心技术。

速度时间序列是汽车运行工况的必要条件，但仅有速度时间序列的运行工况是不够的，还需要在运行工况中表达道路坡度信息。道路坡度会对车辆运行造成影响，能量消耗率与污染物排放量随着坡度的增加而明显增加。

多数汽车运行工况都是以微行程划分为基础的组合优化方法设计得到的，该设计方法的设计结果中道路坡度通常有着严重失真。使用马尔可夫链模型也能设计汽车运行工况，但只能体现速度的变化，不能体现道路坡度信息。所以，目前还没有一种能够体现道路坡度的汽车运行工况马尔可夫链设计方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种含道路坡度的汽车运行工况马尔可夫链设计方法，使用该方法能够得到含速度和道路坡度的汽车运行工况，且道路坡度符合实际道路情况。

本发明的方法包括以下步骤：

步骤1，对数据库中速度、加速度和道路坡度三个数据进行编码，得到各个时刻的状态编码；

步骤2，根据状态编码统计状态转移频数矩阵，该过程中使用稀疏矩阵格式存储、计算状态转移频数矩阵；

步骤3，根据状态转移频数矩阵计算状态转移频率矩阵，该过程中使用稀疏矩阵格式存储、计算状态转移频率矩阵；

步骤4，选择怠速状态的编码作为初始编码，按照设计要求时长，使用MCMC方法生成新的状态序列；

步骤5，对新生成状态序列进行解码，以区间中点值代表区间值，将状态编码还原为常规数值，作为候选工况。

步骤6，判断候选工况结束时刻是否为怠速状态，结束时刻是怠速时进行步骤7，否则返回步骤4。

步骤7，对候选工况进行后处理，使用5点线平滑的方法是对候选结果平滑处理。

步骤8，对候选工况进行校核，满足校核要求时输出代表性工况，否则返回步骤4。

所述步骤1的具体过程为：

1.1)将数据库中时间同步的车辆速度(V)、加速度(A)和道路坡度(G)进行单位转换，使得速度单位为m/s，加速度单位为m/s²，道路坡度单位为％。特别的，所述车辆速度包括但不限于GPS车速、CAN线采集车速、OBD接口采集车速或各种传感器采集的车速。所述加速度包括但不限于有速度求导数得到的加速度、传感器测量的加速度。所述道路坡度包括但不限于传感器测量值、基于传感器信号计算的道路坡度、基于GPS信号计算的道路坡度。

1.2)根据数据库内数据，设定编码区间和编码步长。速度最小值为0，设定车速最大值V_max、加速度最小值A_min和最大值A_max、道路坡度最小值G_min和最大值G_max，设定速度编码步长gap_v、加速度编码步长gap_A、道路坡度编码步长gap_G。编码区间端点值要大于实际行驶数据值，以保证所有数据都属于编码区间。速度编码步长属于区间[0.1,1]m/s，加速度编码步长属于区间[0.05,0.5]m/s²，道路坡度编码步长区间[0.1,1]％。优选的是，速度步长取为0.1m/s，加速度步长取为0.05m/s²，道路坡度步长取为0.1％。

1.3)将某个区间内的数值使用一个区间码进行表示。使用公式(1)计算t时刻速度V_t的区间码m_t，使用公式(2)计算t时刻加速度A_t的区间码n_t，使用公式(3)计算t时刻道路坡度G_t的区间码p_t。式中floor代表向下取整。

m_t＝floor((V_t)/gap_v)+1 (1)

n_t＝floor((A_t-A_min)/gap_A)+1 (2)

p_t＝floor((G_t-G_min)/gap_G)+1 (3)

1.4)使用公式(4)，由速度区间码m_t、加速度区间码n_t和道路坡度区间码p_t计算当前时刻状态编码S_t。公式(4)中M和N的计算方法如公式(5)和公式(6)所示。

S_t＝m_t+(n_t-1)×M+(p_t-1)×M×N (4)

M＝floor(V_max/gap_v)+1 (5)

N＝floor((A_max-A_min)/gap_A)+1 (6)

所述步骤2的具体过程为：

2.1)计算状态编码的最大值S_max，创建S_max维全零方阵，作为初始状态转移频数矩阵T。优选的是，采用稀疏矩阵格式创建和存储状态转移频数矩阵。

2.2)归纳状态转移频数矩阵。如果当前状态编码为S_t和下一时刻状态编码为S_t+1，则T(S_t,S_t+1)＝T(S_t,S_t+1)+1，即态转移频数矩阵中S_t行和S_t+1列位置统计的频数增加1。优选的是，采用稀疏矩阵格式存储和计算状态转移频数矩阵。

所述步骤3的具体过程为：

可根据实际实验情况，将多次实验的状态转移频数矩阵累加计算，得到最终的状态转移频数矩阵；也可将单次实验数据的状态转移矩阵作为最终状态转移频数矩阵。

先按行计算状态转移次数和，即将状态转移频数矩阵中各元素按行累加求和(设第n行的和值为An)。然后将行中各元素值都除以和值An，得到该行状态转移频率值。对态转移频数矩阵中所有行进行上述计算，即可得到状态转移频率矩阵。优选的是，采用稀疏矩阵格式创建、存储和计算状态转移频率矩阵。

所述步骤4的具体过程为：

使用简单的马尔可夫链蒙特卡洛模拟(MCMC)方法，生成新的状态序列。该序列中，初始状态(状态序列中的第一状态)可以是某一个特定状态，可以采用随机抽样方式产生。优选的是，以零坡度怠速状态编码作为新序列的初始状态，零坡度怠速状态编码即(V_t＝0,A_t＝0,G_t＝0)时对应的状态编码。

所述步骤5的具体过程为：

5.1)将状态编码解码为区间码。先使用公式(7)计算道路坡度区间码，然后使用公式(8)计算加速度区间码，最后使用公式(9)计算速度区间码。

p_t＝floor(S_t/(M×N))+1 (7)

n_t＝floor(S_t-(p_t-1)×M×N)/M+1 (8)

m_t＝S_t-(n_t-1)×M-(p_t-1)×M×N (9)

5.2)再将区间码解码为常用数值。在解码为常用数值过程中，可以使用区间码对应区间内任意一点的值代表该区间码。使用公式(10)计算速度值，使用公式(11)计算加速度值，使用公式(12)计算道路坡度值，即使用区间中点值作为区间码的解码值。将解码后数值作为候选工况。

V_t＝(m_t-1)×gap_v+gap_v/2 (10)

A_t＝(n_t-1)×gap_A+gap_A/2+A_min (11)

G_t＝(p_t-1)×gap_G+gap_G/2+G_min (12)

特别的，当V_t＝gap_v/2时，令V_t＝0。当||A_t||≤gap_A时，令A_t＝0。当||G_t||≤gap_G时，令G_t＝0。

所述步骤6的具体过程为：检查候选工况速度序列，如果其最后时刻是怠速状态(速度为零)，则进行步骤7；否则，返回步骤4。

所述步骤7的具体过程为：对候选工况进行平滑处理，使得候选工况更加接近真实工况形态。平滑过程中，可以但不限于采用各种平滑函数、滤波手段。

所述步骤8的具体过程为：对候选工况计算统计指标校核。首先对数据库中原始数据计算相应统计指标值，再对设计工况计算统计指标值，比较二者的相对误差。相对误差满足要求即可作为最终设计结果，输出代表性工况；否则返回步骤4。

本发明的有益效果为：本发明与传统的运行工况设计方法相比，能够得到显含道路坡度信息的汽车运行工况设计结果，且设计结果中道路坡度与速度是时间同步的。设计结果中道路坡度精度取决于采集精度，该设计方法造成的设计误差为坡度步长的一半，完全符合工程实践要求。该方法不包括优化算法，计算效率高且易于实现。该方法能够处理大规模数据，适用于各种道路，适用性较强。

附图说明

图1为本发明算法流程图；

图2为本发明最终设计结果的速度时间曲线图；

图3为本发明最终设计结果的坡度时间曲线图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

参阅图1所示。本发明包括以下步骤：

步骤1：对工况设计数据库中数据进行编码。具体过程为：

1.1)将数据库中时间同步的车辆速度(V)、加速度(A)和道路坡度(G)进行单位转换，使得速度单位为m/s，加速度单位为m/s²，道路坡度单位为％。

1.2)根据数据库内数据，设定速度最小值为0，计算车速最大值V_max、加速度最小值A_min和最大值A_max、道路坡度最小值G_min和最大值G_max，设定速度编码步长gap_v、加速度编码步长gap_A、道路坡度编码步长gap_G。速度步长取为0.1m/s，加速度步长取为0.05m/s²，道路坡度步长取为0.1％。

1.3)将某个区间内的数值使用一个区间码进行表示。使用公式(1)计算t时刻速度V_t的区间码m_t，使用公式(2)计算t时刻加速度At的区间码nt，使用公式(3)计算t时刻道路坡度Gt的区间码pt。式中floor代表向下取整。

m_t＝floor((V_t)/gap_v)+1 (1)

n_t＝floor((A_t-A_min)/gap_A)+1 (2)

p_t＝floor((G_t-G_min)/gap_G)+1 (3)

1.4)使用公式(4)，由速度区间码m_t、加速度区间码n_t和道路坡度区间码p_t计算当前时刻状态编码S_t。公式(4)中M和N的计算方法如公式(5)和公式(6)所示。

S_t＝m_t+(n_t-1)×M+(p_t-1)×M×N (4)

M＝floor(V_max/gap_v)+1 (5)

N＝floor((A_max-A_min)/gap_A)+1 (6)

步骤2：根据编码统计状态转移频数矩阵。具体过程为：

2.1)计算状态编码的最大值S_max，创建S_max维稀疏矩阵，作为初始状态转移频数矩阵T。

2.2)归纳状态转移频数矩阵。如果当前状态编码为S_t和下一时刻状态编码为S_t+1，则T(S_t,S_t+1)＝T(S_t,S_t+1)+1，即态转移频数矩阵中S_t行和S_t+1列位置统计的频数增加1。

步骤3：根据状态转移频数矩阵计算状态转移频率矩阵。具体过程为：先按行计算状态转移次数和，即将状态转移频数矩阵中各元素按行累加求和(设第n行的和值为An)。然后将行中各元素值都除以和值An，得到该行状态转移频率值。对态转移频数矩阵中所有行进行上述计算，即可得到状态转移频率矩阵。

步骤4：按照设计要求时长，使用MCMC方法生成新的状态序列。具体过程为：使用简单的马尔可夫链蒙特卡洛模拟(MCMC)方法，生成新的状态序列。该序列中，初始状态(状态序列中的第一状态)是零坡度怠速状态编码。

步骤5：对新生成状态序列进行解码，还原为常规数值。具体过程为：

5.1)将状态编码解码为区间码。先使用公式(7)计算道路坡度区间码，然后使用公式(8)计算加速度区间码，最后使用公式(9)计算速度区间码。

p_t＝floor(S_t/(M×N))+1 (7)

n_t＝floor(S_t-(p_t-1)×M×N)/M+1 (8)

m_t＝S_t-(n_t-1)×M-(p_t-1)×M×N (9)

5.2)再将区间码解码为常用数值。在解码为常用数值过程中，可以使用区间码对应区间内任意一点的值代表该区间码。使用公式(10)计算速度值，使用公式(11)计算加速度值，使用公式(12)计算道路坡度值。将解码后数值作为候选工况。

V_t＝(m_t-1)×gap_v+gap_v/2 (10)

A_t＝(n_t-1)×gap_A+gap_A/2+A_min (11)

G_t＝(p_t-1)×gap_G+gap_G/2+G_min (12)

特别的，当V_t＝gap_v/2时，令V_t＝0。当||A_t||≤gap_A时，令A_t＝0。当||G_t||≤gap_G时，令G_t＝0。

步骤6：检查候选工况速度序列，判断其结束时刻是否为怠速状态。如果是怠速状态，则进行步骤7；否则返回步骤4。

步骤7：对候选工况进行后处理。具体过程为：对候选工况进行平滑处理，使得候选工况更加接近真实工况形态。平滑过程中，使用五点线平滑。

步骤8：对候选工况进行校核，满足校核要求时输出代表性工况，否则返回步骤4。具体过程为：

对候选工况计算统计指标校核。首先对数据库中原始数据计算相应统计指标值，再对设计工况计算统计指标值，比较二者的相对误差。相对误差满足要求即可作为最终设计结果，否则返回步骤4。如附图中图2和图3所示，分别是最终设计结果的速度时间序列和坡度时间序列。

以上依据附图中图1所示的流程图详细说明了本发明的计算过程，以上所述仅为本发明的一般使用方法，但本发明不以流程图所示限定实施方法，凡是依照本发明的算法所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种含道路坡度的汽车运行工况马尔可夫链设计方法，包括以下步骤：

步骤1，对数据库中速度、加速度和道路坡度三个数据进行编码，得到各个时刻的状态编码；

步骤2，根据状态编码统计状态转移频数矩阵，使用稀疏矩阵格式存储、计算状态转移频数矩阵；

步骤3，根据状态转移频数矩阵计算状态转移频率矩阵，使用稀疏矩阵格式存储、计算状态转移频率矩阵；

步骤4，选择怠速状态的状态编码作为初始编码，按照设计要求时长，使用马尔可夫链蒙特卡洛模拟方法生成新的状态序列；

步骤5，对新生成状态序列进行解码，以区间中点值代表区间值，将状态编码还原为常规数值，作为候选工况；

步骤6，判断候选工况结束时刻是否为怠速状态，结束时刻是怠速时进行步骤7，否则返回步骤4；

步骤7，对候选工况进行后处理，使用5点线平滑的方法是对候选结果平滑处理；

步骤8，对候选工况进行校核，满足校核要求时输出代表性工况，否则返回步骤4。

2.根据权利要求1所述的一种含道路坡度的汽车运行工况马尔可夫链设计方法，其特征在于所述步骤1的具体过程为：

1.1)将数据库中时间同步的车辆速度(V)、加速度(A)和道路坡度(G)进行单位转换，使得速度单位为m/s，加速度单位为m/s²，道路坡度单位为％；所述车辆速度包括但不限于GPS车速、CAN线采集车速、OBD接口采集车速或各种传感器采集的车速；所述加速度包括但不限于有速度求导数得到的加速度、传感器测量的加速度；所述道路坡度包括但不限于传感器测量值、基于传感器信号计算的道路坡度、基于GPS信号计算的道路坡度；

1.2)根据数据库内数据，设定速度最小值为0，计算车速最大值V_max、加速度最小值A_min和最大值A_max、道路坡度最小值G_min和最大值G_max，设定速度编码步长gap_v、加速度编码步长gap_A、道路坡度编码步长gap_G，速度编码步长属于区间[0.1,1]m/s，加速度编码步长属于区间[0.05,0.5]m/s²，道路坡度编码步长区间[0.1,1]％；速度步长取为0.1m/s，加速度步长取为0.05m/s²，道路坡度步长取为0.1％；

1.3)将某个区间内的数值使用一个区间码进行表示，使用公式(1)计算t时刻速度V_t的区间码m_t，使用公式(2)计算t时刻加速度A_t的区间码n_t，使用公式(3)计算t时刻道路坡度G_t的区间码p_t，

式中floor代表向下取整；

m_t＝floor((V_t)/gap_v)+1 (1)

n_t＝floor((A_t-A_min)/gap_A)+1 (2)

p_t＝floor((G_t-G_min)/gap_G)+1 (3)

1.4)使用公式(4)，由速度区间码m_t、加速度区间码n_t和道路坡度区间码p_t计算当前时刻状态编码S_t，公式(4)中M和N的计算方法如公式(5)和公式(6)所示

S_t＝m_t+(n_t-1)×M+(p_t-1)×M×N (4)

M＝floor(V_max/gap_v)+1 (5)

N＝floor((A_max-A_min)/gap_A)+1 (6)。

3.根据权利要求1所述的一种含道路坡度的汽车运行工况马尔可夫链设计方法，其特征在于所述步骤2的具体过程为：

2.1)计算状态编码的最大值S_max，创建S_max维全零方阵，作为初始状态转移频数矩阵T；采用稀疏矩阵格式创建和存储状态转移频数矩阵；

2.2)归纳状态转移频数矩阵，如果当前状态编码为S_t和下一时刻状态编码为S_t+1，则T(S_t,S_t+1)＝T(S_t,S_t+1)+1，即状态转移频数矩阵中S_t行和S_t+1列位置统计的频数增加1；采用稀疏矩阵格式存储和计算状态转移频数矩阵。

4.根据权利要求1所述的一种含道路坡度的汽车运行工况马尔可夫链设计方法，其特征在于所述步骤3的具体过程为：

先按行计算状态转移次数和，即将状态转移频数矩阵中各元素按行累加求和，设第n行的和值为An；然后将行中各元素值都除以和值An，得到该行状态转移频率值；对状态转移频数矩阵中所有行进行上述计算，即可得到状态转移频率矩阵；采用稀疏矩阵格式创建、存储和计算状态转移频率矩阵。

5.根据权利要求1所述的一种含道路坡度的汽车运行工况马尔可夫链设计方法，其特征在于所述步骤4的具体过程为：

使用简单的马尔可夫链蒙特卡洛模拟方法，生成新的状态序列，该序列中，以零坡度怠速状态编码作为新序列的初始状态，零坡度怠速状态编码即V_t＝0,A_t＝0,G_t＝0时对应的状态编码。

6.根据权利要求1所述的一种含道路坡度的汽车运行工况马尔可夫链设计方法，其特征在于所述步骤5的具体过程为：

5.1)将状态编码解码为区间码，先使用公式(7)计算道路坡度区间码，然后使用公式(8)计算加速度区间码，最后使用公式(9)计算速度区间码

p_t＝floor(S_t/(M×N))+1 (7)

n_t＝floor(S_t-(p_t-1)×M×N)/M+1 (8)

m_t＝S_t-(n_t-1)×M-(p_t-1)×M×N (9)；

5.2)再将区间码解码为常用数值，在解码为常用数值过程中，使用区间码对应区间内任意一点的值代表该区间码；使用公式(10)计算速度值，使用公式(11)计算加速度值，使用公式(12)计算道路坡度值，即使用区间中点值作为区间码的解码值，将解码后数值作为候选工况；

V_t＝(m_t-1)×gap_v+gap_v/2 (10)

A_t＝(n_t-1)×gap_A+gap_A/2+A_min (11)

G_t＝(p_t-1)×gap_G+gap_G/2+G_min (12)

当V_t＝gap_v/2时，令V_t＝0，当||A_t||≤gap_A时，令A_t＝0；当||G_t||≤gap_G时，令G_t＝0。

7.根据权利要求1所述的一种含道路坡度的汽车运行工况马尔可夫链设计方法，其特征在于所述步骤6的具体过程为：

检查候选工况速度序列，如果其最后时刻是怠速状态，即速度为零，则进行步骤7；否则，返回步骤4。

8.根据权利要求1所述的一种含道路坡度的汽车运行工况马尔可夫链设计方法，其特征在于所述步骤7的具体过程为：

对候选工况进行平滑处理，使得候选工况更加接近真实工况形态；平滑过程中，可采用各种平滑函数、滤波手段。

9.根据权利要求1所述的一种含道路坡度的汽车运行工况马尔可夫链设计方法，其特征在于所述步骤8的具体过程为：

对候选工况计算统计指标校核；首先对数据库中原始数据计算相应统计指标值，再对设计工况计算统计指标值，比较二者的相对误差；相对误差满足要求即可作为最终设计结果，输出代表性工况；否则返回步骤4。