CN115450770A - 一种基于油耗最优驾驶策略的商用车控制方法及系统 - Google Patents

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CN115450770A CN202210973992.0A CN202210973992A CN115450770A CN 115450770 A CN115450770 A CN 115450770A CN 202210973992 A CN202210973992 A CN 202210973992A CN 115450770 A CN115450770 A CN 115450770A
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Abstract

本发明公开了一种基于油耗最优驾驶策略的商用车控制方法及系统，方法包括根据商用车的纵向速度、转速和扭矩，计算商用车行驶过程中的瞬时油耗，并建立纵向动力学特性方程，根据纵向动力学特性方程和瞬时油耗，计算油耗目标函数；根据交通流决策集和发动机性能约束集，建立驾驶策略集；其中，交通流决策集是根据商用车行驶过程的交通情况而确定；发动机性能约束集是根据商用车的发动机性能而确定；根据驾驶策略集、油耗目标函数和纳什均衡求解方法，计算纳什均衡解，并根据纳什均衡解，获得油耗最优驾驶策略；根据油耗最优驾驶策略，控制商用车的发动机运行。本实施例实现了提高商用车行驶在城市道路中的经济性，提高求解策略的精确度和准确性。

Description

一种基于油耗最优驾驶策略的商用车控制方法及系统
技术领域
本发明涉及车辆最优驾驶策略领域，尤其涉及一种基于油耗最优驾驶策略的商用车控制方法及系统。
背景技术
商用车辆行驶过程中的油耗不仅仅与车辆本身的性能有关，与驾驶员的操作行为也有很大的关系。通过目前的研究可知，通过改善驾驶过程中的决策，及驾驶过程中的操作行为，求解出油耗最优驾驶策略，能有效的降低商用车驾驶过程中的油耗。
对于商用车节油这一问题，首先要完成最优驾驶策略的构建，这一问题的的关键在于建立动力学方程、状态方程、约束集、策略集的数学函数，再对这一以最小油耗目标的车辆驾驶非线性问题求解。而现阶段的油耗最优驾驶策略求解的方法目前大多是针对乘用车而设计，且使用的求解方法大多数为伪谱法和动态规划法，具有一定的局限性，而针对商用车油耗最优驾驶策略设计的也大多数停留在多车车队控制方向，对于商用车单车行驶这一方向尚未有研究。
现有技术中的对于油耗最优驾驶策略求解方法，通常是在变时条件下两交叉口间节能驾驶策略实时寻优方法，由车辆纵向动力学模型计算的驱动功率和制动功率之和为成本函数，行驶时间、两交叉口驶入汽车纵向速度、两交叉口驶出汽车纵向速度、行驶里程作为限制条件，以成本函数最低为求解目标，以行驶里程和汽车纵向速度为状态变量，构建最优节能汽车纵向速度轨迹。使用常用的油耗最优驾驶策略方法存在在于仅考虑乘用车，没有考虑商用车特点；不考虑发动机特性与油耗的关系，无法精确的反应单车条件下瞬时油耗的精度需求；仅考虑车辆纵向动力学方程计算出的驱动功率和制动功率，忽略了转速、扭矩、速度等因素对车辆油耗的影响；没有分类考虑稳态、动态过程下油耗的差异，稳态过程下的油耗估计会有一定误差，这会导致油耗估计的不准确状态方程仅以里程、汽车纵向速度为状态变量，以功率需求估计发动机油耗，没有考虑发动机和动力系典型动力学特性的影响，这会导致单一车辆的油耗最优加速过程的精度不高；采用动态规划求解最优驾驶策略，对于高维度问题，储存和计算量呈指数增长，导致计算量增加。
发明内容
本发明提供了一种基于油耗最优驾驶策略的商用车控制方法及系统，提高商用车行驶在城市道路中的经济性，提高求解算法的计算速度和稳定性，提高求解策略的精确度和准确性。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于油耗最优驾驶策略的商用车控制方法，包括：
根据商用车的纵向速度、发动机的转速和扭矩，计算商用车行驶过程中的瞬时油耗；
根据纵向速度、转速和扭矩，建立纵向动力学特性方程，根据纵向动力学特性方程和瞬时油耗，计算油耗目标函数；
根据交通流决策集和发动机性能约束集，建立驾驶策略集；其中，交通流决策集是根据商用车行驶过程的交通情况而确定；发动机性能约束集是根据商用车的发动机性能而确定；
根据驾驶策略集、油耗目标函数和纳什均衡求解方法，计算纳什均衡解，并根据纳什均衡解，获得油耗最优驾驶策略；
根据油耗最优驾驶策略，控制商用车的发动机运行。
实施本发明实施例，根据汽车纵向速度、发动机转速、扭矩，找到车辆行驶过程中的对应得瞬时油耗，考虑发动机特性的影响，采用发动机转速、扭矩函数，建立纵向动力学特性方程，计算油耗目标函数，以交通流为决策集、发动机性能作为约束集，油耗目标函数作为收益函数进行纳什均衡求解，通过纳什均衡完成油耗驾驶策略求解，获得油耗最优驾驶策略，在求解油耗最优驾驶策略过程中，综合考虑了行驶交通流影响和发动机性能影响，充分考虑商用车单车行驶影响因素，根据油耗最优驾驶策略，控制商用车发动机运行，使商用车以最优驾驶策略在道路上行驶，降低商用车的行驶过程中油耗，提高商用车行驶在城市道路中的经济性，利用纳什均衡求解方法，提高求解算法的稳定性，同时提高求解策略的准确性。
作为优选方案，根据商用车的纵向速度、发动机的转速和扭矩，计算商用车行驶过程中的瞬时油耗，具体为：
根据转速、扭矩、发动机特性和商用车行驶过程中的阻力，获得纵向速度随转速和扭矩变化的变化函数；
根据万有特性曲线、发动机行驶功率和变化函数，计算商用车行驶过程中的瞬时油耗，公式如下：
Figure BDA0003798008540000031
其中，Qt_fuel为瞬时油耗，
Figure BDA0003798008540000032
为商用车匀速行驶，
Figure BDA0003798008540000033
为商用车非匀速行驶，b为燃油消耗率、Pf为商用车克服滚动阻力、Pw为空气阻力所消耗的功率，ρ为燃油密度，η为机械效率，G为商用车重力，f为滚动阻力系数，va为商用车行驶速度，CD为空气阻力系数，A为商用车行驶方向的投影面积，δ为变速箱齿比，m为商用车质量，
Figure BDA0003798008540000034
为商用车行驶过程中的加速度。
实施本发明实施例，考虑商用车单车行驶过程中的油耗特点，根据发动机转速、扭矩，速度等建立油耗模型，考虑车辆匀速、非匀速过程油耗的差异，即分别考虑了稳态(匀速)、动态(非匀速)过程的发动机行驶功率，并找出两种状态下对应的瞬时油耗，降低动态过程中的油耗估计误差，精确度更高。
作为优选方案，根据纵向速度、转速和扭矩，建立纵向动力学特性方程，根据纵向动力学特性方程和瞬时油耗，计算油耗目标函数，具体为：
根据转速、扭矩、发动机特性和商用车行驶过程中的阻力，获得纵向速度随转速和扭矩变化的变化函数；
根据变化函数，建立纵向动力学特性方程；
根据纵向动力学特性方程、预设控制对象和预设状态条件，建立状态方程；
根据状态方程和瞬时油耗，计算油耗目标函数；其中，油耗目标函数包括匀速行驶时的油耗目标函数和非匀速行驶时的油耗目标函数。
实施本发明实施例，充分考虑发动机特性的影响，采用发动机转速、扭矩函数，位移，建立纵向动力学特性方程，发动机转速、转矩、位移等状态变量，建立纵向动力学方程，以考虑发动机和动力系典型动力学特性的影响，符合单车行驶下所要求的较高的工况，提高单一车辆的油耗最优准确度。
作为优选方案，根据转速、扭矩、发动机特性和商用车行驶过程中的阻力，获得纵向速度随转速和扭矩变化的变化函数，具体为：
根据转速、扭矩与发动机性能特性之间的关系，商用车行驶驱动力、扭矩与发动机内部机械特性之间的关系，商用车行驶驱动力与纵向速度之间的关系，分析纵向速度、转速和扭矩的关系，获得纵向速度随转速和扭矩变化的变化函数。
实施本发明实施例，根据车辆动力学模型和发动机机械和性能特性，找出发动机转速、转矩、纵向速度之间的关系，从而获得纵向速度随转速和扭矩变化的变化函数，便于找出不同状态下油耗和行驶速度的关系，有助于进一步找出发动机转速、转矩和车辆行驶油耗的关系。
作为优选方案，根据转速、扭矩与发动机性能特性之间的关系，商用车行驶驱动力、扭矩与发动机内部机械特性之间的关系，商用车行驶驱动力与纵向速度之间的关系，分析纵向速度、转速和扭矩的关系，获得纵向速度随转速和扭矩变化的变化函数，具体为：
根据商用车质量、转速和发动机性能特性，计算扭矩；
根据扭矩和发动机内部机械特性，计算商用车行驶驱动力；
根据商用车行驶驱动力和商用车行驶过程中的阻力，计算商用车前进动力；
根据商用车前进动力，计算纵向加速度；
根据纵向加速度，计算纵向速度，获得商用车纵向速度随转速和扭矩变化的变化函数。
实施本发明实施例，根据转速、扭矩、发动机特性和行驶驱动力之间的关联关系，并结合商用车行驶过程中，行驶驱动力和行驶过程中的阻力，可获得所需的前进动力关系，将前进动力与加速度有关，根据加速度计算速度，获得商用车纵向速度随转速和扭矩变化的变化函数，准确找出纵向速度与发动机特性、转速、扭矩的关联关系，有利于结合发动机特性和纵向速度做计算准确的油耗模型。
作为优选方案，根据交通流决策集和发动机性能约束集，建立驾驶策略集；其中，交通流决策集是根据商用车行驶过程的交通情况而确定；发动机性能约束集是根据商用车的发动机性能而确定，具体为：
根据前车车距、交通灯和道路限速，建立交通流决策集；
根据发动机的最大功率、最大转速和最大扭矩，建立发动机性能约束集；
将交通流决策集和发动机性能约束集，进行排列组合，建立驾驶策略集。
实施本发明实施例，以交通灯、前车状态、道路限速等交通流为决策集，及发动转速、转矩、功率作为约束集，构建驾驶策略集，在后续求解过程中，为油耗最优驾驶策略求解提供基础。
作为优选方案，根据前车车距、交通灯和道路限速，建立交通流决策集，具体为：
根据商用车与前车保持安全距离，建立第一交通流决策集；
根据绿灯时间内，商用车可安全通过，当前车速未达到最高车速，建立第二交通流决策集；
根据绿灯时间内，商用车可安全通过，当前车速达到最高车速，则建立第三交通流决策集；
根据绿灯时间内，商用车无法安全通过，当前车速达到最高车速，则建立第四交通流决策集；
根据车辆禁止通行时，商用车的减速度特性，加速与停车线距离特性，交通灯周期变换加速度特性，则建立第五交通流决策集；
根据道路限速，建立第六交通流决策集。
实施本发明实施例，商用车在实际行驶过程中，会受到现实条件的约束，建立交通流决策集时充分考虑道路行驶中，前车安全距离、交通灯情况、车速、道路限速等多种行驶路途中可能出现的情况，驾驶策略组合提供更全面决策集，有利于获得更精确的油耗最优驾驶策略。
作为优选方案，根据驾驶策略集、油耗目标函数和纳什均衡求解方法，计算纳什均衡解，并根据纳什均衡解，获得油耗最优驾驶策略，具体为：
根据驾驶策略集和油耗目标函数，建立决策收益空间，根据决策收益空间，提取纳什均衡策略组合，并根据提取的纳什均衡策略组合和油耗目标函数，计算最优油耗目标函数所对应的最优纳什均衡策略组合，根据最优纳什均衡策略组合，获得油耗最优驾驶策略。
实施本发明实施例，以车辆行驶油耗目标函数作为收益函数，建立决策收益空间，提取纳什均衡策略组合，并采用纳什均衡对最佳油耗驾驶策略求解，在车辆性能和交通流状况、油耗之间达到最优，使得最终利益最大化，纳什均衡的特点在于任意时间内每个策略都是对其它策略的最优反应，采用纳什均衡作为油耗最优驾驶策略的求解方法，提高运算速度，提高最优程度，提高优化效果，提高决策准确性。
为了解决相同的技术问题，本发明实施例还提供了一种基于油耗最优驾驶策略的商用车控制系统，包括：瞬时油耗模块、目标函数模块、驾驶策略集模块、纳什均衡模块和控制模块；
其中，瞬时油耗模块用于根据商用车的纵向速度、发动机的转速和扭矩，计算商用车行驶过程中的瞬时油耗；
目标函数模块用于根据纵向速度、转速和扭矩，建立纵向动力学特性方程，根据纵向动力学特性方程和瞬时油耗，计算油耗目标函数；
驾驶策略集模块用于根据交通流决策集和发动机性能约束集，建立驾驶策略集；其中，交通流决策集是根据商用车行驶过程的交通情况而确定；发动机性能约束集是根据商用车的发动机性能而确定；
纳什均衡模块用于根据驾驶策略集、油耗目标函数和纳什均衡求解方法，计算纳什均衡解，并根据纳什均衡解，获得油耗最优驾驶策略；
控制模块用于根据油耗最优驾驶策略，控制商用车的发动机运行。
附图说明
图1：为本发明提供的基于油耗最优驾驶策略的商用车控制方法的一种实施例的流程示意图；
图2：为本发明提供的基于油耗最优驾驶策略的商用车控制方法的一种实施例的油耗最优驾驶策略求解方法流程图；
图3：为本发明提供的基于油耗最优驾驶策略的商用车控制方法的一种实施例的油耗动态估计流程图；
图4：为本发明提供的基于油耗最优驾驶策略的商用车控制方法的一种实施例的油耗目标函数流程图；
图5：为本发明提供的基于油耗最优驾驶策略的商用车控制方法的一种实施例的驾驶策略集图；
图6：为本发明提供的基于油耗最优驾驶策略的商用车控制方法的一种实施例的车辆交通流示意；
图7：为本发明提供的基于油耗最优驾驶策略的商用车控制方法的一种实施例的交通灯路口的控制过程图；
图8：为本发明提供的基于油耗最优驾驶策略的商用车控制方法的一种实施例的基于纳什均衡的最佳油耗驾驶决策求解流程图；
图9：为本发明提供的基于油耗最优驾驶策略的商用车控制系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请参照图1，为本发明实施例提供的一种基于油耗最优驾驶策略的商用车控制方法的流程示意图，其中，油耗最优驾驶策略求解方法流程如图2所示。本实施例的控制方法适用于商用车，基于油耗最优驾驶策略控制商用车在道路上的行驶。本实施例通过油耗最优驾驶策略，降低商用车的行驶过程中油耗，提高商用车行驶在城市道路中的经济性。该控制方法包括步骤101至步骤106，各步骤具体如下:
步骤101：根据商用车的纵向速度、发动机的转速和扭矩，计算商用车行驶过程中的瞬时油耗。
可选的，油耗动态估计流程，如图3所示，根据商用车的纵向速度、发动机的转速和扭矩之间的关系，计算商用车行驶过程中的瞬时油耗，步骤101具体包括步骤1011至步骤1012，各步骤具体如下:
步骤1011：根据转速、扭矩、发动机特性和商用车行驶过程中的阻力，获得纵向速度随转速和扭矩变化的变化函数。
可选的，步骤1011具体为：根据转速、扭矩与发动机性能特性之间的关系，商用车行驶驱动力、扭矩与发动机内部机械特性之间的关系，商用车行驶驱动力与纵向速度之间的关系，分析纵向速度、转速和扭矩的关系，获得纵向速度随转速和扭矩变化的变化函数。
可选的，步骤1011获得变化函数的方法具体为：
根据商用车质量、转速和发动机性能特性，计算扭矩；
根据扭矩和发动机内部机械特性，计算商用车行驶驱动力；
根据商用车行驶驱动力和商用车行驶过程中的阻力，计算商用车前进动力；
根据商用车前进动力，计算纵向加速度；
根据纵向加速度，计算纵向速度，获得商用车纵向速度随转速和扭矩变化的变化函数。
在本实施例中，利用发动机特性预测车辆稳态过程中的油耗，精度很高。得知发动机的转速和扭矩后，车辆的瞬时油耗可用查表法查出，所以这里采用发动机转速转矩作为变量建立油耗估计模型。为分析发动机转速、扭矩与速度的关系，通过转速、扭矩与发动机性能特性之间的关系，根据质量、发动机的转速和发动机的最大扭矩，计算扭矩，公式如下：
Figure BDA0003798008540000091
其中，M为扭矩，Mmax为最大扭矩，Mp为最大功率时的相对扭矩，n为转速，nmax为最大扭矩时的相对转速，np为最大功率时的相对转速，m为汽车质量， a为不同发动机的参数；
而汽车的行驶驱动力全部来自汽车的发动机，通过商用车行驶驱动力、扭矩与发动机内部机械特性之间的关系，根据扭矩和发动机内部结构特性，计算车辆驱动力，公式如下：
Figure BDA0003798008540000092
其中，Fdriving为商用车行驶驱动力(车辆驱动力)，δ为变速箱齿比，σ为最后齿轮比，η为机械效率，Rwheel为轮胎半径；
通过商用车行驶驱动力与纵向速度之间的关系，分析纵向速度、转速和扭矩的关系，获得纵向速度随转速和扭矩变化的变化函数，具体根据车辆驱动力和车辆行驶过程中的阻力，计算车辆的前进动力，发动机提供的驱动力用于克服行驶过程中的滚动阻力、空气阻力、坡度阻力，并提供车辆的前进动力，公式如下：
Fdriving＝Froll+Fair+Fgrade+Fa；
Fa＝Fdriving-(Froll+Fair+Fgrade)；
其中，Fdriving为车辆驱动力、Froll为滚动阻力、Fair为空气阻力、Fgrade为坡度阻力，Fa为商用车前进动力(车辆的前进动力)。
根据商用车前进动力，可计算纵向加速度，公式如下：
Figure BDA0003798008540000101
Figure BDA0003798008540000102
其中，
Figure BDA0003798008540000103
是纵向加速度，v是纵向速度，m为汽车质量。
根据纵向加速度和纵向速度的微积分关系，联立各式可获得速度随转速、扭矩变化的变化函数如下：
v＝∫f(n,M)dt。
步骤1012：根据万有特性曲线、发动机行驶功率和变化函数，计算商用车行驶过程中的瞬时油耗，公式如下：
Figure BDA0003798008540000104
其中，Qt_fuel为瞬时油耗，
Figure BDA0003798008540000105
为商用车匀速行驶，
Figure BDA0003798008540000106
为商用车非匀速行驶，b为燃油消耗率、Pf为商用车克服滚动阻力、Pw为空气阻力所消耗的功率，ρ为燃油密度，η为机械效率，G为商用车重力，f为滚动阻力系数，va为商用车行驶速度，CD为空气阻力系数，A为商用车行驶方向的投影面积，δ为变速箱齿比，m为商用车质量，
Figure BDA0003798008540000107
为商用车行驶过程中的加速度。
在本实施例中，由步骤1011可知速度是随转速、扭矩变化的变化函数，由此也可知商用车行驶过程中的加速度与发动机转速的函数关系，根据万有特性曲线可知：
(1)当车辆匀速行驶时，加速度
Figure BDA0003798008540000111
发动机提供的功率公式为：
Figure BDA0003798008540000112
其中，η为机械效率；Pf为车辆克服滚动阻力、Pw为空气阻力所消耗的功率； Puniform为匀速行驶时的功率；
则匀速行驶时的功率所对应的瞬时油耗Qt公式为：
Figure BDA0003798008540000113
其中，b[g/(kW.h)]为燃油消耗率，ρ为燃油密度，g为重力加速度，ρg取 8.10N/L
(2)当车辆非匀速行驶时，加速度
Figure BDA0003798008540000114
发动机所提供的功率公式为：
Figure BDA0003798008540000115
其中，Ptransmission为匀加速行驶时的功率，A为汽车行驶方向的投影面积、 CD为空气阻力系数、va(km/h)为汽车行驶速度、f为滚动阻力系数、G为汽车重力，δ为变速箱齿比，m为商用车质量，
Figure BDA0003798008540000116
为商用车行驶过程中的加速度。
匀加速行驶时的功率所对应的瞬时油耗Qt公式为：
Figure BDA0003798008540000117
由(1)和(2)中不同状态的瞬时功率，联立可知，商用车行驶过程中的瞬时油耗公式如下：
Figure BDA0003798008540000118
其中，Qt_fuel为瞬时油耗，
Figure BDA0003798008540000119
为商用车匀速行驶，
Figure BDA00037980085400001110
为商用车非匀速行驶。
(3)车辆非匀速行驶时，加速度
Figure BDA0003798008540000121
时，车辆轻微制动，发动机处于怠速状态，所以非匀速行驶时的瞬时油耗量为正常怠速时的油耗量，此时的瞬时油耗与怠速时的油耗量相同，此时的瞬时油耗与速度加速度无关，所以不被考虑在非匀速行驶时的瞬时油耗之中，减速度行驶时，只考虑匀减速行驶的理想状态。
根据车辆动力学模型，找出发动机转速、转矩、速度之间的关系，分析匀速、非匀速过程下的行驶功率，并找出不同状态下油耗和行驶速度的关系，最终找出发动机转速、转矩和车辆行驶油耗的关系，充分体现了发动对油耗的直接影响，提高油耗估计的精确度。
步骤102：根据纵向速度、转速和扭矩，建立纵向动力学特性方程，根据纵向动力学特性方程和瞬时油耗，计算油耗目标函数。
可选的，建立油耗目标函数流程，如图4所示，根据步骤102具体包括步骤1021至步骤1024，各步骤具体如下:
步骤1021：根据转速、扭矩、发动机特性和商用车行驶过程中的阻力，获得纵向速度随转速和扭矩变化的变化函数。
在本实施例中，步骤1021与步骤1011的变化函数计算方法相同，因此不做赘述。
步骤1022：根据变化函数，建立纵向动力学特性方程。
在本实施例中，由步骤1011和步骤1012中变化函数，可知转速、扭矩和汽车纵向速度、纵向加速度之间的关系式如下：
Figure BDA0003798008540000122
其中，v＝∫f(n,M)dt为纵向速度，
Figure BDA0003798008540000123
为纵向加速度，n为转速、 M为扭矩。
由此关系式可建立汽车的纵向动力学特性方程如下式：
Figure BDA0003798008540000131
其中，为位移，i为上一时刻的值，i+1为当前时刻的值，n为转速，M为扭矩，Δt为i到i+1所需要的时间段；
建立纵向动力学特性方程的目的，是为了通过优化速度，间接优化转速、扭矩并改善汽车的油耗情况，所以，我们需要优化的油耗目标函数公式为：
Figure BDA0003798008540000132
其中J为时间t～(0,T)时的总油耗，Qt_fuel为单位时刻内的油耗。
步骤1023：根据纵向动力学特性方程、预设控制对象和预设状态条件，建立状态方程。
在本实施例中，以降低车辆燃油消耗率为最终目的，通过优化车辆的速度间接优化发动机的转速和扭矩，且规定在固定时间内完成。所以通过建立状态方程归纳油耗、转速、扭矩、时间之间的关系。
以车辆纵向速度v＝∫f(n,M)dt为控制对象，设定状态方程初始条件 x(0)＝x(0),v(0)＝v0＝∫f(n0,M0)dt,设定最终状态x(T)＝xT,v(T)＝vT＝∫f(nT,MT)dt；
根据纵向动力学特性方程，状态方程如下：
Figure BDA0003798008540000133
以发动机转速、转矩、位移等状态变量，建立纵向动力学方程，考虑发动机和动力系典型动力学特性的影响，提高单一车辆的油耗最优准确度。
步骤1024：根据状态方程和瞬时油耗，计算油耗目标函数；其中，油耗目标函数包括匀速行驶时的油耗目标函数和非匀速行驶时的油耗目标函数。
在本实施例中，根据状态方程和瞬时油耗，可得出油耗目标函数，匀速行驶时(稳态过程下)的油耗目标函数公式如下；
Figure BDA0003798008540000141
考虑到非匀速行驶时(动态过程下)，车辆非匀速行驶时的油耗(包含了加速度<0时的油耗)，车辆等减速度行驶时的过程总油耗是车辆怠速行驶时的瞬时油耗与整个减速过程总时长的乘积。其中，整个减速过程总时长与减速初始速度、减速终了速度、减速度有关。
因此，非匀速行驶时(动态过程下)的油耗目标函数公式如下；
Figure BDA0003798008540000142
分别考虑稳态、动态过程中的瞬时油耗，降低动态过程中的油耗估计误差。
步骤103：根据交通流决策集和发动机性能约束集，建立驾驶策略集；其中，交通流决策集是根据商用车行驶过程的交通情况而确定；发动机性能约束集是根据商用车的发动机性能而确定。
在本实施例中，车辆在实际行驶过程中，会受到现实条件的约束，驾驶策略集如图5所示，交通流决策集ai根据商用车行驶过程的交通情况而确定,ai(a1、a2、...、an)表示某个策略集之一，包括但不限于将前车车距、交通灯和道路限速作为交通流决策集，发动机性能约束集bi是根据商用车的发动机性能而确定,bi(b1、b2、...、bi)表示某个约束集之一，包括但不限于将发动机最大功率、转速和扭矩作为车辆自身性能约束集。
可选的，步骤103具体包括步骤1031至步骤1033，各步骤具体如下:
步骤1031：根据前车车距、交通灯和道路限速，建立交通流决策集。
在本实施例中，(1)根据前车车距，车辆行驶应保持与前车安全距离，预留车辆应急反应空间，建立第一交通流决策集a1为下式：
Figure BDA0003798008540000143
其中，第一交通流决策集，为p表示行驶压力，其取值为{0.1，0.3，0.5，0.7，0.9}，取值越大，表示行驶压力越大，即行驶距离越近；dfront为本车辆与前车的距离，dmin为与前车的最小安全距离；Vmax为最大行驶速度；Vlim为道路限速；as为S加速度、-as为S减速度。
(2)根据交通灯建立，建立交通流决策集，设车辆行驶时，发现交通灯的时间为t，车辆开始动作的时间为t+i,t+i时刻的绿灯时步为Tg(红灯为Tr)，ti+i时刻的车速为Vt+i，车辆行驶的最大车速为Vmax；根据车辆交通流示意图，如图6 所示，设定交叉路口通过距离为gap,t+i时刻车辆距离停车线的距离为dt+i； tacc、tdec分别为加速时间、减速度时间。
车辆通过交通灯路口的控制过程如图7所示，根据绿灯时间内，商用车可安全通过，当前车速未达到最高车速，即如果在时间Tg内，车辆能安全通过，
且此时Vt+i还未达到最高车速Vmax为下式：
Figure BDA0003798008540000151
则车辆速度Vt+i以S型加速度加速，加速度为as，加速至Vmax，由此建立第二交通流决策集a2为下式：
Figure BDA0003798008540000152
根据绿灯时间内，商用车可安全通过，当前车速达到最高车速，即如果在时间Tg内，车辆能安全通过，且此时Vt+i已经达到最高车速Vmax为下式：
Figure BDA0003798008540000153
则保持Vt+i不变，建立第三交通流决策集a3如下式：
a3＝Vt+i＝Vmax；
根据绿灯时间内，商用车无法安全通过，当前车速达到最高车速，即如果在时间Tg内，车辆不能安全通过，且此时Vt+i已经达到最高车速Vmax为下式：
Figure BDA0003798008540000154
则车辆速度Vt+i以S型减速度减速，减速度为-as，减速至0，建立第四交通流决策集a4为下式：
Figure BDA0003798008540000161
根据车辆禁止通行时，商用车的减速度特性，加速与停车线距离特性，交通灯周期变换加速度特性，即红灯时，车辆禁止通行，所以车辆速度Vt+i首先以 S型减速度减速至0，且加速过程中的距离必须小于，t+i时刻车辆距离停车线的距离dt+i；当红灯周期变换为绿灯周期时，车辆速度0再以S型加速度加速至 Vmax，建立第五交通流决策集a5为下式：
Figure BDA0003798008540000162
(3)根据道路限速，建立第六交通流决策集a6为下式：
a6＝Vmax＝Vlim
步骤1032：根据发动机的最大功率，建立发动机性能约束集b1如下式：
Figure BDA0003798008540000163
其中，车辆运行过程中发动机任一时刻的功率P(t)必须小于发动机所能承受的最大功率Pmax。
根据发动机最大转速，建立发动机性能约束集b2如下式：
b2＝
n(t)<nmax
其中，车辆运行过程中的发动机任一时刻的转速n(t)必须小于发动机最大转速nmax。
根据发动机的最大扭矩，建立发动机性能约束集b3如下式：
b3＝
M(t)<Mmax
其中，车辆运行过程中的发动机任一时刻的转速M(t)必须小于发动机最大扭矩Mmax。
步骤1033：将交通流决策集和发动机性能约束集，进行排列组合，建立驾驶策略集。
在本实施例中，参与者交通流决策集(约束集)和车辆自身性能约束集分别提供有策略集A＝{a1、a2、a3、a4、a5、a6}、B＝{b1、b2、b3}，往往车辆自身性能约束是确定存在的，而交通流约束集具有不确定性，根据如表1的排列组合，表1将交通流决策{a1～a6}为策略约束，发动机车辆自身性能约束集 {b1、b2、b3}为驾驶约束，建立驾驶策略集，S1、S2、S3、S4、S5、S6表示6个策略组合，由此可知S1为{a1、b1、b2、b3}、S2为{a2、b1、b2、b3}、以此类推， S6为{a6、b1、b2、b3}，Sn为{an、b1、b2…bn}。
a<sub>1</sub> a<sub>2</sub> a<sub>3</sub> a<sub>4</sub> a<sub>5</sub> a<sub>6</sub>
{b<sub>1</sub>、b<sub>2</sub>、b<sub>3</sub>} S<sub>1</sub> S<sub>2</sub> S<sub>3</sub> S<sub>4</sub> S<sub>5</sub> S<sub>6</sub>
以前车状态、交通灯状态、道路限速等交通流作为驾驶策略，以发动机转速、扭矩、功率作为驾驶约束，以车辆行驶油耗作为收益函数。为油耗最优驾驶策略求解提供基础。
步骤104：根据驾驶策略集、油耗目标函数和纳什均衡求解方法，计算纳什均衡解，并根据纳什均衡解，获得油耗最优驾驶策略。
可选的，步骤104具体为：根据驾驶策略集和油耗目标函数，建立决策收益空间，根据决策收益空间，提取纳什均衡策略组合，并根据提取的纳什均衡策略组合和油耗目标函数，计算最优油耗目标函数所对应的最优纳什均衡策略组合，根据最优纳什均衡策略组合，获得油耗最优驾驶策略。
在本实施例中，车辆行驶过程中以最佳油耗驾驶的方法，是一个对驾驶策略求解的过程。基于纳什均衡的最佳油耗驾驶决策求解流程如图8所示，以前车距离、红绿灯、道路限速等交通流，发动机最大功率、最大转矩、最大扭矩等车辆自身性能作为策略集，以油耗的大小为最终收益，通过纳什均衡的数学方法求解最佳油耗驾驶策略。
纳什均衡模型，存在决策模型如下：
G＝{S1、S2、...、Sn:u1,u2,...,un}
其中，S1、S2、...、Sn表示n个策略组合，u1,u2,...,un表示对应的收益，
在G中存在某个由各个参与者选择的混合策略组合
Figure BDA0003798008540000181
其中任一参与者的策略
Figure BDA0003798008540000182
相对于其它策略组合
Figure BDA0003798008540000183
为最佳策略，选择该策略可使得收益最高，即如下式：
Figure BDA0003798008540000184
对任意
Figure BDA0003798008540000185
都成立，则称
Figure BDA0003798008540000186
为G的纳什均衡，
Figure BDA0003798008540000187
为G的纳什均衡解。
具体求解过程，根据驾驶策略集和油耗目标函数，建立决策收益空间，可构成决策-收益空间G＝{S1、S2、...、S6:J1、J2、...、J6}；
a<sub>1</sub> a<sub>2</sub> a<sub>3</sub> a<sub>4</sub> a<sub>5</sub> a<sub>6</sub>
{b<sub>1</sub>、b<sub>2</sub>、b<sub>3</sub>} S<sub>1</sub> S<sub>2</sub> S<sub>3</sub> S<sub>4</sub> S<sub>5</sub> S<sub>6</sub>
收益J J<sub>1</sub> J<sub>2</sub> J<sub>3</sub> J<sub>4</sub> J<sub>5</sub> J<sub>6</sub>
由步骤1023中油耗目标函数作为驾驶策略的收益函数如下式：
Figure BDA0003798008540000188
在G中存在由参与者的交通流决策集(约束集)A和车辆自身性能约束集B各提出一个策略组成的策略组合
Figure BDA0003798008540000189
中，第i个参与者的策略
Figure BDA00037980085400001810
都是对其余参与者策略组合的
Figure BDA0003798008540000191
的最佳对策。记为：
Figure BDA0003798008540000192
Jmin∈Ji
其中，
Figure BDA0003798008540000193
都成立，则
Figure BDA0003798008540000194
为G的一个纳什均衡解,
Figure BDA0003798008540000195
表示除了
Figure BDA0003798008540000196
以外其它参与者提出的策略，
Figure BDA0003798008540000197
本实施例中j＝5，Jmin表示所选策略中所有收益的最优收益，油耗最低，策略最佳；
以上最佳油耗驾驶策略求解过程，若满足以下公式：
Figure BDA0003798008540000198
其中，
Figure BDA0003798008540000199
表示第i个参与者的最优策略，
Figure BDA00037980085400001910
表示除去第i个参与者的策略后，其它参与则所选择的策略；s′i表示所构成的混合策略集中的第i个策略集；s-i表示混合策略集中，除了第i个策略集以外的其它策略集。
最佳油耗驾驶策略求解过程满足公式则表示纳什均衡解求出，即油耗最优驾驶策略求解完成，根据纳什均衡解，获得油耗最优驾驶策略。
纳什均衡方法通过将车辆行驶过程划分为车辆行驶的分段决策，通过将车辆行驶策略和车辆自身性能约束组合为策略集，以行驶油耗为最终收益函数，通过选择不同的决策集来达到收益最高(即油耗最低)，且其它任意决策的改变都无法使收益降低。采用纳什均衡作为油耗最优驾驶策略的求解方法，提高运算速度，提高优化效果，提高决策准确性。
为证明本方法中油耗最优驾驶策略的实际效益，基于INTERACTION-dATASET 数据集，11组行驶于城市交通路口的商用车不同时段行驶数据，计算出策略前和策略后的油耗降低百分比，其中，11组数据如下表：
Figure BDA00037980085400001911
Figure BDA0003798008540000201
通过本方法的油耗模型所计算的油耗，与本方法油耗最优策略所计算出的油耗做对比，本方案中基于纳什均衡的商用车油耗最优驾驶策略求解方法对商用车在城市道路行驶时的经济性具有一定的效用，在对INTERACTION-dATASE数据集中的11组商用车数据的计算中，平均油耗能降低22.364％，对于商用车油耗最优驾驶领域具有一定的经济效益。
步骤105：根据油耗最优驾驶策略，控制商用车的发动机运行。
在本实施例中，根据油耗最优驾驶策略，可控制商用车纵向速度，控制商用车的发动机运行，基于商用车自身发动机性能，以最低油耗、最安全距离、合规的交通规则，通过具有交通信号灯的城市交叉路段。
根据汽车纵向速度、发动机转速、扭矩，找到车辆行驶过程中的对应得瞬时油耗，考虑发动机特性的影响，采用发动机转速、扭矩函数，建立纵向动力学特性方程，计算油耗目标函数，以交通流为决策集、发动机性能作为约束集，油耗目标函数作为收益函数进行纳什均衡求解，通过纳什均衡完成油耗驾驶策略求解，获得油耗最优驾驶策略，在求解油耗最优驾驶策略过程中，综合考虑了行驶交通流影响和发动机性能影响，充分考虑商用车单车行驶影响因素，根据油耗最优驾驶策略，控制商用车发动机运行，使商用车以最优驾驶策略在道路上行驶，降低商用车的行驶过程中油耗，提高商用车行驶在城市道路中的经济性，利用采用纳什均衡求解方法，提高求解算法的稳定性，同时提高求解策略的准确性。
实施例二
相应地，参见图9，图9是本发明提供的基于油耗最优驾驶策略的商用车控制系统的实施例二的结构示意图。如图9所示，基于油耗最优驾驶策略的商用车控制系统包括瞬时油耗模块901、目标函数模块902、驾驶策略集模块903、纳什均衡模块904和控制模块905；
其中，瞬时油耗模块901用于根据商用车的纵向速度、发动机的转速和扭矩，计算商用车行驶过程中的瞬时油耗；
目标函数模块902用于根据纵向速度、转速和扭矩，建立纵向动力学特性方程，根据纵向动力学特性方程和瞬时油耗，计算油耗目标函数；
驾驶策略集模块903用于根据交通流决策集和发动机性能约束集，建立驾驶策略集；其中，交通流决策集是根据商用车行驶过程的交通情况而确定；发动机性能约束集是根据商用车的发动机性能而确定；
纳什均衡模块904用于根据驾驶策略集、油耗目标函数和纳什均衡求解方法，计算纳什均衡解，并根据纳什均衡解，获得油耗最优驾驶策略；
控制模块905用于根据油耗最优驾驶策略，控制商用车的发动机运行。
根据汽车纵向速度、发动机转速、扭矩，找到车辆行驶过程中的对应得瞬时油耗，考虑发动机特性的影响，采用发动机转速、扭矩函数，建立纵向动力学特性方程，计算油耗目标函数，以交通流为决策集、发动机性能作为约束集，油耗目标函数作为收益函数进行纳什均衡求解，通过纳什均衡完成油耗驾驶策略求解，获得油耗最优驾驶策略，在求解油耗最优驾驶策略过程中，综合考虑了行驶交通流影响和发动机性能影响，充分考虑商用车单车行驶影响因素，根据油耗最优驾驶策略，控制商用车发动机运行，使商用车以最优驾驶策略在道路上行驶，降低商用车的行驶过程中油耗，提高商用车行驶在城市道路中的经济性，利用采用纳什均衡求解方法，提高求解算法的稳定性，同时提高求解策略的准确性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于油耗最优驾驶策略的商用车控制方法，其特征在于，包括：
根据商用车的纵向速度、发动机的转速和扭矩，计算所述商用车行驶过程中的瞬时油耗；
根据所述纵向速度、所述转速和所述扭矩，建立纵向动力学特性方程，根据所述纵向动力学特性方程和所述瞬时油耗，计算油耗目标函数；
根据交通流决策集和发动机性能约束集，建立驾驶策略集；其中，所述交通流决策集是根据商用车行驶过程的交通情况而确定；所述发动机性能约束集是根据所述商用车的发动机性能而确定；
根据所述驾驶策略集、所述油耗目标函数和纳什均衡求解方法，计算纳什均衡解，并根据所述纳什均衡解，获得油耗最优驾驶策略；
根据所述油耗最优驾驶策略，控制所述商用车的发动机运行。
2.如权利要求1所述的基于油耗最优驾驶策略的商用车控制方法，其特征在于，所述根据商用车的纵向速度、发动机的转速和扭矩，计算所述商用车行驶过程中的瞬时油耗，具体为：
根据所述转速、所述扭矩、发动机特性和商用车行驶过程中的阻力，获得所述纵向速度随所述转速和所述扭矩变化的变化函数；
根据万有特性曲线、发动机行驶功率和所述变化函数，计算所述商用车行驶过程中的瞬时油耗，公式如下：
Figure FDA0003798008530000011
其中，Qt_fuel为瞬时油耗，
Figure FDA0003798008530000012
为商用车匀速行驶，
Figure FDA0003798008530000013
为商用车非匀速行驶，为燃油消耗率、Pf为商用车克服滚动阻力、Pw为空气阻力所消耗的功率，ρ为燃油密度，η为机械效率，G为商用车重力，f为滚动阻力系数，va为商用车行驶速度，CD为空气阻力系数，A为商用车行驶方向的投影面积，δ为变速箱齿比，m为商用车质量，
Figure FDA0003798008530000021
为商用车行驶过程中的加速度。
3.如权利要求1所述的基于油耗最优驾驶策略的商用车控制方法，其特征在于，所述根据所述纵向速度、所述转速和所述扭矩，建立纵向动力学特性方程，根据所述纵向动力学特性方程和所述瞬时油耗，计算油耗目标函数，具体为：
根据所述转速、所述扭矩、发动机特性和商用车行驶过程中的阻力，获得所述纵向速度随所述转速和所述扭矩变化的变化函数；
根据所述变化函数，建立纵向动力学特性方程；
根据所述纵向动力学特性方程、预设控制对象和预设状态条件，建立状态方程；
根据所述状态方程和所述瞬时油耗，计算所述油耗目标函数；其中，所述油耗目标函数包括匀速行驶时的油耗目标函数和非匀速行驶时的油耗目标函数。
4.如权利要求2或3所述的基于油耗最优驾驶策略的商用车控制方法，其特征在于，所述根据所述转速、所述扭矩、发动机特性和商用车行驶过程中的阻力，获得所述纵向速度随所述转速和所述扭矩变化的变化函数，具体为：
根据所述转速、所述扭矩与发动机性能特性之间的关系，商用车行驶驱动力、所述扭矩与发动机内部机械特性之间的关系，所述商用车行驶驱动力与所述纵向速度之间的关系，分析所述纵向速度、所述转速和所述扭矩的关系，获得所述纵向速度随所述转速和所述扭矩变化的变化函数。
5.如权利要求4所述的基于油耗最优驾驶策略的商用车控制方法，其特征在于，所述根据所述转速、所述扭矩与发动机性能特性之间的关系，商用车行驶驱动力、所述扭矩与发动机内部机械特性之间的关系，所述商用车行驶驱动力与所述纵向速度之间的关系，分析所述纵向速度、所述转速和所述扭矩的关系，获得所述纵向速度随所述转速和所述扭矩变化的变化函数，具体为：
根据商用车质量、所述转速和所述发动机性能特性，计算所述扭矩；
根据所述扭矩和所述发动机内部机械特性，计算所述商用车行驶驱动力；
根据所述商用车行驶驱动力和所述商用车行驶过程中的阻力，计算商用车前进动力；
根据所述商用车前进动力，计算纵向加速度；
根据所述纵向加速度，计算所述纵向速度，获得商用车纵向速度随转速和扭矩变化的变化函数。
6.如权利要求1所述的基于油耗最优驾驶策略的商用车控制方法，其特征在于，所述根据交通流决策集和发动机性能约束集，建立驾驶策略集；其中，所述交通流决策集是根据商用车行驶过程的交通情况而确定；所述发动机性能约束集是根据所述商用车的发动机性能而确定，具体为：
根据前车车距、交通灯和道路限速，建立所述交通流决策集；
根据所述发动机的最大功率、最大转速和最大扭矩，建立所述发动机性能约束集；
将所述交通流决策集和所述发动机性能约束集，进行排列组合，建立所述驾驶策略集。
7.如权利要求6所述的基于油耗最优驾驶策略的商用车控制方法，其特征在于，所述根据前车车距、交通灯和道路限速，建立所述交通流决策集，具体为：
根据所述商用车与所述前车保持安全距离，建立第一交通流决策集；
根据绿灯时间内，所述商用车可安全通过，当前车速未达到最高车速，建立第二交通流决策集；
根据绿灯时间内，所述商用车可安全通过，所述当前车速达到所述最高车速，则建立第三交通流决策集；
根据绿灯时间内，所述商用车无法安全通过，所述当前车速达到所述最高车速，则建立第四交通流决策集；
根据车辆禁止通行时，所述商用车的减速度特性，加速与停车线距离特性，交通灯周期变换加速度特性，则建立第五交通流决策集；
根据道路限速，建立第六交通流决策集。
8.如权利要求1所述的基于油耗最优驾驶策略的商用车控制方法，其特征在于，所述根据所述驾驶策略集、所述油耗目标函数和纳什均衡求解方法，计算纳什均衡解，并根据所述纳什均衡解，获得油耗最优驾驶策略，具体为：
根据所述驾驶策略集和所述油耗目标函数，建立决策收益空间，根据所述决策收益空间，提取纳什均衡策略组合，并根据提取的纳什均衡策略组合和所述油耗目标函数，计算最优油耗目标函数所对应的最优纳什均衡策略组合，根据所述最优纳什均衡策略组合，获得油耗最优驾驶策略。
9.一种基于油耗最优驾驶策略的商用车控制系统，其特征在于，包括瞬时油耗模块、目标函数模块、驾驶策略集模块、纳什均衡模块和控制模块；
其中，所述瞬时油耗模块用于根据商用车的纵向速度、发动机的转速和扭矩，计算所述商用车行驶过程中的瞬时油耗；
所述目标函数模块用于根据所述纵向速度、所述转速和所述扭矩，建立纵向动力学特性方程，根据所述纵向动力学特性方程和所述瞬时油耗，计算油耗目标函数；
所述驾驶策略集模块用于根据交通流决策集和发动机性能约束集，建立驾驶策略集；其中，所述交通流决策集是根据商用车行驶过程的交通情况而确定；所述发动机性能约束集是根据所述商用车的发动机性能而确定；
所述纳什均衡模块用于根据所述驾驶策略集、所述油耗目标函数和纳什均衡求解方法，计算纳什均衡解，并根据所述纳什均衡解，获得油耗最优驾驶策略；
所述控制模块用于根据所述油耗最优驾驶策略，控制所述商用车的发动机运行。
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