吳 迪，錢國剛，張?zhí)┾?Wu Di，Qian Guogang，Zhang Taiyu

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基于在用車數(shù)據(jù)流的IUPR指標解析和邏輯校驗

吳 迪，錢國剛，張?zhí)┾?Wu Di，Qian Guogang，Zhang Taiyu

（中國汽車技術研究中心，天津 300300）

IUPR限值能夠督促制造商把診斷邏輯的普適性加以改善。從國內在用車上同步采集行駛情況數(shù)據(jù)流和IUPR分子、分母數(shù)據(jù)流作解析，可以理解擁堵行駛對分子加1和分母加1的影響趨勢，遴選車輛時規(guī)定分母下限值150的必要性，以及國Ⅵ排放法規(guī)IUPR限值0.336在我國的應用效果。以一行駛片段作參數(shù)分析，可以校驗車輛的分母加1是否合規(guī)，可以篩查車輛的催化器等監(jiān)測項的分子加1是否合規(guī)。

在用車；數(shù)據(jù)流；OBD；IUPR；OBDCOND

0 引 言

OBD Ⅱ（On Board DiagnosticⅡ，車載診斷系統(tǒng)Ⅱ）運行10年后，美國加州ARB（Air Resources Board，空氣資源委員會）察覺有的制造商把催化器等監(jiān)測項診斷時機設定在非常局限的行駛狀況“Enable Conditions”[1]，導致兩方面結果：一是故障車輛多星期甚至多月“不自知”而照常行駛和持續(xù)污染，二是取巧的汽車制造商得以削減研發(fā)標定費用成本?！癊nable Conditions”出現(xiàn)在檢測環(huán)節(jié)FTP/Unified Cycle片段里，觸發(fā)車輛點亮故障燈；然而，如果選在社會在用車日常使用里的罕有狀況，制造商應當改進車輛OBD設計。

IUPR（In-Use Performance Ratio，實際監(jiān)測頻率）為表征車輛OBD診斷勤惰的指標[2-3]，OBD系統(tǒng)某一特定監(jiān)測項M的實際監(jiān)測頻率IUPRM為

分子為國Ⅴ法規(guī)要求的執(zhí)行該監(jiān)測的次數(shù)，OBD執(zhí)行該診斷后，對應分子計數(shù)器需在10s內加1；分母為滿足相關條件的車輛運行次數(shù)，大多數(shù)監(jiān)測項分母以一般分母計數(shù)器的觸發(fā)條件為標準：在某一駕駛循環(huán)內，海拔2 400 m以下，環(huán)境溫度高于-7℃，發(fā)動機啟動后累計運行時間大天600 s，汽車以40 km/h行駛累計時間大于300 s，且某一時間段內連續(xù)怠速大于30 s。當同時滿足以上條件時，一般分母計數(shù)器在10 s內加1。

一車型越是能在多種多樣的行駛狀況里作出診斷，在社會應用里其車輛的分子（診斷次數(shù)累計額）就越大，比值IUPR值通常也就越高。IUPR限值促使制造商把診斷邏輯的普適性加以改善。

全球各地道路交通狀況和車主的行駛習慣等不盡相同，這些因素會影響IUPR，同一款車型在各國的IUPR有所差別。從國內在用車上同步采集行駛情況數(shù)據(jù)流和IUPR分子分母數(shù)據(jù)流，這些實例反映出國內車輛的參數(shù)值情況和變化規(guī)律，以及法規(guī)里指標數(shù)值的設定緣由。數(shù)據(jù)流分析還能對車型IUPR計數(shù)行為是否違規(guī)加以校驗。

1 樣本車輛和數(shù)據(jù)

1.1 數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)及樣本車輛

數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)由端子、蜂窩電信網(wǎng)絡和后臺數(shù)據(jù)庫3大部分組成。端子插在車輛OBD端口上，由OBD端口的第16引腳供電來驅動運行，采集車輛數(shù)據(jù)流并經(jīng)由蜂窩電信模塊傳送出來。端子的驅動程序可以遠端刷寫，編程語句使得端子具備把IUPR數(shù)據(jù)與Mode1數(shù)據(jù)流同步上傳的功能，如圖1所示。

圖1 端子采集車輛IUPR數(shù)據(jù)的語句

基于這一系統(tǒng)，51輛車的實時數(shù)據(jù)流上傳到數(shù)據(jù)庫。車輛由6輛自主品牌車、25輛歐系品牌車、14輛日韓系品牌車和6輛美系品牌車組成，地域分布為北京、天津、上海、廣州，以北京、天津為主。51輛汽車中34輛是國Ⅴ車輛。2015年底開始采集數(shù)據(jù)，一些車輛發(fā)送了數(shù)個星期的數(shù)據(jù)流，其他車輛發(fā)送了數(shù)個月的數(shù)據(jù)流。

1.2 樣本車輛數(shù)據(jù)流參數(shù)

端子從車上讀取數(shù)據(jù)響應報文，前后報文逐行組合起來成為數(shù)據(jù)流。各行數(shù)據(jù)里的參數(shù)除了國Ⅲ、Ⅳ階段排放法規(guī)里已規(guī)定的車速、空氣流量、進氣歧管絕對壓力等變量之外，還有從國Ⅴ開始新增加的IUPR[4]相關數(shù)據(jù)。其中，OBDCOND為一般分母值，***COND為某監(jiān)測項的分母值，***COMP為某監(jiān)測項的分子值，若在一個行駛過程中完成了該診斷則數(shù)值加1，例如催化器診斷分子 CATCOMP及催化器診斷分母CATCOND。監(jiān)測項M的分子值與分母值之比IUPRM反映車輛實施診斷的“勤快”程度。

2 IUPR指標解析

2.1 擁堵行駛與通常行駛下的比較

一些樣本車輛在連續(xù)多天的行駛時間里基本處于擁堵路況，表現(xiàn)為車速小于50 km/h的時間占比高、車速峰值低、怠速比例大。這些代表擁堵行駛，其分子加1和分母加1的統(tǒng)計特征與該車的其他時期情況有所差別，也不同于其他樣本車的情況。將擁堵行駛之外的情況統(tǒng)稱為通常行駛。

2.1.1 分子加1的差異

擁堵行駛、通常行駛這兩種應用情況下，催化器監(jiān)測項的日均分子加1的頻次差異明顯。34輛國Ⅴ車輛中24輛車有較充分的通常行駛和擁堵行駛兩種狀況的數(shù)據(jù)；其他10輛車數(shù)據(jù)片段非常少，不適合作為通常行駛和擁堵行駛的比較基礎。24輛車通常行駛和擁堵行駛下催化器分子增加情況如圖2所示，一些車采集得來的通常行駛和擁堵行駛不只1輪，則多追加1個通常行駛和擁堵行駛的數(shù)據(jù)點。通常行駛的催化器分子日均增加值的散點分布總體處于擁堵行駛的上方，對通常行駛下的值作簡單平均得到平均值為1.32，而擁堵行駛下平均值為0.34。

類似地，通常行駛和擁堵行駛兩種情況的前氧傳感器、后氧傳感器、VVT/EGR監(jiān)測項分子加1的日均頻次統(tǒng)計如圖3～5所示。通常行駛和擁堵行駛的日均診斷次數(shù)平均值情況見表1。圖3、圖4中前、后氧傳感器的散點分布形態(tài)與圖2中散點形態(tài)相類似，而VVT/EGR監(jiān)測項的散點分布相對更為貼近，且數(shù)值總體較高，反映出VVT/EGR監(jiān)測項對通常行駛和擁堵行駛的敏感性較低。VVT/EGR監(jiān)測項對監(jiān)測條件的要求相對比較簡單，多數(shù)車型完成此診斷比完成催化器診斷更及時。擁堵行駛下，各監(jiān)測項都表現(xiàn)為分子加1的時域密度減小。

圖2 催化器分子加1規(guī)律

圖3 前氧傳感器分子加1規(guī)律

圖4 后氧傳感器分子加1規(guī)律

圖5 VVT/EGR分子加1規(guī)律

表1 監(jiān)測項日均增加值的平均值

2.1.2 分母加1的差異

IUPR數(shù)據(jù)流里參數(shù)IGNCNTR為點火循環(huán)計數(shù)，車輛上電、點火之后加1；OBDCOND為一般分母，一次行程只有在多項條件都達成之后才會加1，如圖6所示，圖中橫軸為數(shù)據(jù)流的序號，相鄰序號時間間隔為1 s或2 s，分母加1的階躍時點和前氧傳感器完成診斷的時點兩條階躍線為分母、分子變化過程，不表示數(shù)值。

圖6 一般分母加1條件達成的例子（某車1個行程前半部分動態(tài)過程）

車輛OBDCOND值通常小于IGNCNTR值，且在一個時段前后，車輛OBDCOND增量與IGNCNTR增量的比值也隨著通常行駛、擁堵行駛兩種應用情況而有所差異，通常行駛下兩者的比值大于擁堵行駛下兩者的比值，如圖7所示，這表明擁堵行駛下車輛的一般分母加1的行程個數(shù)增長緩慢。通常行駛下一般分母增量與點火次數(shù)比值增量的線性擬合系數(shù)值為0.414，而擁堵行駛對應的線性擬合系數(shù)值為0.034，后者僅為前者的1/12。

圖7 一般分母日均增加值與點火次數(shù)日均增加值

2.2 分母增長歷程與分母值為150的規(guī)定

當依照國Ⅴ法規(guī)中IUPR規(guī)定[4]來開展社會在用車輛IUPR核查時，樣車的遴選環(huán)節(jié)里對監(jiān)測項分母等參數(shù)有要求，見表2。其中，第3條為應用最廣泛的減排技術，應滿足分母值大于等于150的要求。

表2 樣車監(jiān)測項分母數(shù)值要求

2.2.1 OBDCOND起步值的必要性

新車初交付使用的幾周或幾個月的行駛行為可能不反映其習慣，例如車主照顧新車磨合而采取限速等特定行為，或出于車生或手生的緣故而格外謹慎。對分母值提出最低數(shù)值要求，可以淡化這些因素對 IUPR統(tǒng)計結果的影響程度。11輛新車的一般分母值OBDCOND與點火次數(shù)值IGNCNTR隨車輛使用的增長過程如圖8所示。假定從新車交付之日起車主的使用習慣是一貫的，則在隨后的時間里OBDCOND與IGNCNTR會呈現(xiàn)同比例增長趨勢；否則，會表現(xiàn)出其他形態(tài)。

圖8中第3車、10車和17車的散點分布趨勢雖然呈直線，但與坐標軸的交點位于軸，又與原點有顯著間距；第7車及12車的散點分布趨勢分別類似于對數(shù)函數(shù)形態(tài)及冪函數(shù)形態(tài)，并非同比例增長。這5輛車的散點分布顯示車主使用行為有了改變，在初得新車的幾個月里行駛行為與習慣有差別，之后才回到習慣狀態(tài)。其余6輛車散點分布趨勢線指向坐標圖的原點附近，表明車主在獲得新車之后就已依照習慣使用；盡管這6輛車沒有規(guī)律性的偏差，但從正態(tài)分布規(guī)律可知在行程段樣本過少時會使偏差偏大。這兩種情況說明OBDCOND起步值的必要性。

圖8 分母值與點火次數(shù)值之間的散點圖

2.2.2 OBDCOND起步值設為150

選取起步值時要兼顧偏差和可實施性，OBDCOND起步值若設定為較小值會使樣車遴選更容易，但從樣車采集的IUPR值誤差會較大。例如第12車在2015年11月19日分母值達到75，將此時的催化器、前氧傳感器及后氧傳感器的IUPR值與相應的IUPR理論真值IUPRM_TruthValue取差值75_M，該值顯著大于分母值為150時（2016年1月19日）IUPR值與IUPRM-_TruthValue的差值150_M。將車輛長久使用后的IUPR值作為IUPR理論真值IUPRM_TruthValue，見表3。表中列出了第12車、19車情況，各監(jiān)測項M的150_M都小于75_M。

第12車的150_M數(shù)值相對不大，第19車的150_M數(shù)值相對突出。國Ⅴ要求銷售量大于5 000輛的OBD系族抽樣最低數(shù)量為15輛，采用統(tǒng)計手段將OBD系族里個別樣車偏差大的潛在危害加以弱化。

表3 樣車監(jiān)測項的IUPR

2.3 國Ⅵ[5]排放法規(guī)IUPR限值

基于2000—2002年美國3個城市的車主行駛樣本數(shù)據(jù)庫開展統(tǒng)計分析，得出IUPR限值為0.336，其目標是使故障車輛OBD點亮故障燈不晚于2個星期的概率不低于90%。當時社會車輛尚無OBDCOND值，只能依據(jù)車輛實時行駛曲線統(tǒng)計樣本車輛各天行程段里有幾個滿足OBDCOND條件。

參考美國做法，對51輛樣車中的國Ⅳ車輛進行了統(tǒng)計。樣車組中國Ⅴ車（約30輛）的OBD數(shù)據(jù)流里包含OBDCOND參數(shù)，直接讀取。首先統(tǒng)計全體車輛各天OBDCOND增加狀況，接著用假定的IUPR數(shù)值來代入，試算出2周內能夠觸發(fā)點亮的車輛數(shù)恰恰占總數(shù)90%的值。

國Ⅵ標準規(guī)定車型OBD試驗中通常只進行1次預處理，若制造商提出申請則允許2次預處理。

針對1次預處理的情況，以0.336乘以51輛樣車各車的14天（2周）OBDCOND增加值，再統(tǒng)計得數(shù)大于2的車輛數(shù)占總車輛數(shù)的比率，值為90.2%，即恰巧為90%的車輛達成了故障燈點亮；另外10%車輛由于慣常行駛在低速多堵工況而不能確保在2周內點亮。綜合表現(xiàn)說明0.336是適用的。

如果車輛允許2次預處理，則其點亮故障燈的時效性較遲。0.336限值僅能使概率達到77%，只有更高的IUPR限值才能使概率增大到90%。換個角度來看，假如目標設定改為使故障車輛OBD點亮故障燈不晚于3個星期的概率≥90%，再用0.336作試算及比較，結果同樣適用。

3 基于數(shù)據(jù)流作邏輯校驗

3.1 OBDCOND的校驗

催化器、氧傳感器等多個監(jiān)測項的分母在絕大多數(shù)狀況下等于或非常近似于一般分母OBDCOND。從IUPR計算公式可知，如果分母被刻意減計，則有利于虛高IUPR值。作為防范措施，用法規(guī)對應的條件作為算法，把數(shù)據(jù)流中車速演化情況作后臺演算，可以指出該次行駛的OBDCOND理應加1時刻rational。如果數(shù)據(jù)流中OBDCOND參數(shù)的加1時刻report顯著遲于rational，則判斷該車疑似有分母減計傾向。可采取抽車到檢測機構開展SAE J1699-3動態(tài)試驗進行判定。對圖6所示行程的OBDCOND加1作邏輯校驗，已知該數(shù)據(jù)流在時刻16：31：53發(fā)生了OBDCOND加1，即report；將之前時刻中車速演變情況作統(tǒng)計，得出如圖9所示的結果和判斷。其中，總時長、最長怠速和速大于40時長的單位為s；GD為一般分母，車GD加1了？沖突否？為邏輯值。車輛在該次行程中沒有出現(xiàn)違反IUPR計數(shù)規(guī)范的行為。

圖9 篩查OBDCOND加1邏輯的范例

3.2 參數(shù)間的邏輯性辨析校驗

從IUPR計算公式可知，如果分子被刻意多報，也有利于虛高IUPR值。監(jiān)測項的分子加1與該監(jiān)測項的診斷運行應當為同一事件，如果車輛的發(fā)動機參數(shù)或后處理信號參數(shù)顯示未發(fā)生診斷，而分子***COMP被加1，則判斷該車疑似有分子多計傾向?？刹扇〕檐嚨綑z測機構開展OBD試驗進行判定。對圖6所示行程的瞬時噴油量、車速、催化器分子CATCOMP進行邏輯校驗，特別注意催化器分子加1時刻的前、后30 s數(shù)值，如圖10所示。圖中橫軸為數(shù)據(jù)流的序號，相鄰序號時間間隔為1 s或2 s，分母加1的階躍時點和催化器完成診斷的時點兩條階躍線為分母、分子的變化過程，不表示數(shù)值。在催化器分子加1時刻前的大約5 s及15 s時刻，有發(fā)動機加濃噴油事件發(fā)生，表明車輛確實采取了診斷行為，催化器的分子加1真實可信。此外，也可以從數(shù)據(jù)流的其他參數(shù)進行篩查性辨析。

圖10 篩查OBDCOND加1邏輯的范例

4 結 論

IUPR限值能夠督促制造商把診斷邏輯的普適性加以改善。從國內在用車上同步采集行駛情況數(shù)據(jù)流和IUPR分子、分母數(shù)據(jù)流，傳送到后臺開展解析后獲得多項認識。就通常行駛、擁堵行駛這兩種應用情況比較而言，后者中分母加1受抑制程度強于分子加1的受抑制程度，即擁堵行駛并不必然拉低IUPR；對汽車制造商而言，應更關注介于通常行駛與擁堵行駛之間的行駛情況的診斷覆蓋。

國Ⅴ、國Ⅵ法規(guī)中規(guī)定遴選車輛時分母下限值為150，實例車隊的表現(xiàn)證明該條款的合理性。從社會減排期望效果出發(fā)，并以實例車隊的分子、分母表現(xiàn)為輸入數(shù)據(jù)，推算出IUPR限值為0.336，恰為國Ⅵ法規(guī)規(guī)定，表明此條規(guī)定是適合的。

當監(jiān)管工作中需要抽查某一款車的IUPR是否合規(guī)時，抽樣車輛依照所述方法可完成IUPR數(shù)值邏輯校驗，就某行駛片段作參數(shù)分析，可以檢查車輛的分母加1是否合規(guī)；換裝上故障催化器之后開展行駛，可考核車輛催化器監(jiān)測項的分子加1是否合規(guī)。

[1]California ARB. Staff Report：Initial Statement of Reasons for Proposed Rulemaking，Technical Status and Revisions to Malfunction and Diagnostic Systems Requirements for 2004 and Subsequent Model Year Passenger Cars，Light-duty Trucks，and Medium-duty Vehicles and Engines （OBDⅡ）[R]. 2002：50-55.

[2]沈姝，田冬蓮，杜常清，等.國V在用車實際道路下IUPR分布特征研究[J].汽車技術，2016（6）：45-48.

[3]錢國剛，陸紅雨. 從OBD的IUPR運用看汽車減排的綜合標準化[J]. 汽車標準化，2014（6）：13-19.

[4]輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）：GB18352.5—2013[S].

[5]輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）：GB 18352.6—2016[S].

2017-12-29

U467

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2018.02.008

1002-4581（2018）02-0027-06