純電動智能網(wǎng)聯(lián)洗掃車的優(yōu)化設(shè)計

林新強

摘 要：本文分析了新能源環(huán)衛(wèi)車輛的應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)了現(xiàn)有車輛亟待解決的技術(shù)問題。并以純電動新能源洗掃車為研究對象，對于輕量化、節(jié)能化、智能化及車聯(lián)網(wǎng)等方面的技術(shù)深入研究，提出了純電動智能網(wǎng)聯(lián)洗掃車的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：新能源;純電動;洗掃車;智能網(wǎng)聯(lián)

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市化進程不斷推進，市政環(huán)衛(wèi)保潔問題日趨嚴重。目前，通過環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)機械化程度的提升，有效的緩解了此問題，它使工人的勞動強度降低、作業(yè)效率提高。但以燃油為主的環(huán)衛(wèi)車輛，造成的能源消耗、尾氣排放污染等問題也日益受到人們的關(guān)注，已成為環(huán)衛(wèi)行業(yè)亟待解決的重大課題。新能源作為現(xiàn)階段實現(xiàn)車輛節(jié)能減排的最佳途徑[1]，不僅解決了石化能源安全、空氣污染治理等問題，同時發(fā)展新能源汽車有助于我國汽車實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)彎道超車，這是我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路。

新能源汽車大的發(fā)展趨勢是將公共服務(wù)領(lǐng)域用車作為新能源汽車推廣應(yīng)用的突破口，以純電驅(qū)動為新能源汽車發(fā)展的主要戰(zhàn)略取向。環(huán)衛(wèi)車輛作為公共服務(wù)領(lǐng)域用車的重要組成部分，因為具有定點定線運行、運力高效、耗能高和排放差等特點，符合純電動汽車的使用特點和零排放優(yōu)勢[2]，同時由于充電設(shè)施便于集中管理的運營優(yōu)勢、易于實現(xiàn)智能化的平臺優(yōu)勢[3]，成為政府推廣新能源車輛的主要對象，紛紛落地新能源環(huán)衛(wèi)車輛推廣優(yōu)惠政策。如今，在政策和技術(shù)的雙重驅(qū)動下，新能源環(huán)衛(wèi)車輛的推廣應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展已有了長足的進步，并取得了階段性的應(yīng)用成果，比如鄭州宇通路面養(yǎng)護車、北京華林灑水車、福建龍馬純電動掃路機等都已實現(xiàn)了電動化。

2 亟待解決的技術(shù)問題

本文以環(huán)衛(wèi)車輛中的主銷車型洗掃車為基礎(chǔ)研究對象，通過大量市場調(diào)研獲得用戶對純電動新能源環(huán)衛(wèi)車輛的顧慮，主要包括：純電動車輛的續(xù)航能力、充電便捷性、安全性、經(jīng)濟性等方面，并重點圍繞用戶關(guān)切的問題開展純電動智能網(wǎng)聯(lián)洗掃車優(yōu)化續(xù)航能力、智能化作業(yè)、車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)。

2.1 優(yōu)化續(xù)航能力

純電動智能網(wǎng)聯(lián)洗掃車由底盤和上裝作業(yè)裝置構(gòu)成，底盤動力蓄電池組不僅需要為車輛正常行駛提供所需的能量，還需為上裝各作業(yè)裝置提供能量。實踐表明，上裝作業(yè)裝置功耗占整車能耗的一半以上，提升專用裝置效率對降低整車能量消耗至關(guān)重要。受限于底盤電池技術(shù)的制約，需要通過上裝輕量化技術(shù)降低整車整備質(zhì)量、核心氣力輸送系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)降低整車作業(yè)能耗、能量匹配技術(shù)完成能量最優(yōu)分配，從而增加車輛續(xù)航能力滿足實際作業(yè)需求，實現(xiàn)洗掃車整車電動化目標。

2.2 智能化控制

傳統(tǒng)環(huán)衛(wèi)車輛仍以實現(xiàn)基本作業(yè)功能為主，智能化水平遠落后于現(xiàn)有的乘用車。針對洗掃車的作業(yè)特點開展路肩自動識別、路面垃圾污染量識別自動控制和語音識別切換作業(yè)方式等智能控制，提升環(huán)衛(wèi)車輛智能化水平，減輕環(huán)衛(wèi)車輛操作者的精神負擔，智能控制技術(shù)也是純電動智能網(wǎng)聯(lián)洗掃車的核心技術(shù)。

2.3 車網(wǎng)聯(lián)技術(shù)

目前的環(huán)衛(wèi)服務(wù)管理平臺只能對車輛的位置、車速、行駛軌跡等非常有限的實時數(shù)據(jù)監(jiān)控，而且現(xiàn)有車載網(wǎng)聯(lián)終端不能完全適配環(huán)衛(wèi)車輛，無法實現(xiàn)上裝作業(yè)裝置的數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)控、工況評估等，不能全面統(tǒng)計、分析駕駛員的作業(yè)習慣，在環(huán)衛(wèi)作業(yè)質(zhì)量反饋、降低環(huán)衛(wèi)運營成本、數(shù)字評估管理實效性等方面存在不足。開發(fā)全新的基于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)衛(wèi)車輛專用網(wǎng)聯(lián)終端設(shè)備，全方位采集、分析車輛作業(yè)過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)，合理設(shè)計規(guī)劃車輛的作業(yè)路徑及作業(yè)模式，實現(xiàn)環(huán)衛(wèi)作業(yè)車輛與環(huán)衛(wèi)管理平臺的互聯(lián)，提升作業(yè)質(zhì)量和效率，降低環(huán)衛(wèi)運營成本。

3 優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用實踐

3.1 優(yōu)化續(xù)航能力

3.1.1 上裝輕量化設(shè)計

開展整車道路譜應(yīng)力測試實驗研究，獲得整車上裝不同測點在典型載荷工況下的等效應(yīng)力和加速度響應(yīng)。建立了車輛上裝清水箱和垃圾箱的力學(xué)模型，采用有限元仿真分析手段，分析滿載、空載、平路和斜坡等不同工況下的整車模型響應(yīng)，確定洗掃車載荷分布及整體重量富余情況。并結(jié)合結(jié)構(gòu)優(yōu)化、拓撲優(yōu)化等技術(shù)得出輕量化優(yōu)化方案，并與試驗測試結(jié)果進行對比，驗證有限元模型的有效性。同時分析了轉(zhuǎn)彎、制動和顛簸工況下優(yōu)化后箱體結(jié)構(gòu)的強度特性，最終上裝箱體減重16%，實現(xiàn)了輕量化的目標，降低百公里能耗[4]。

3.1.2 氣力輸送系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

風機特性的選擇與氣力輸送管網(wǎng)阻力的合理匹配是清掃保潔類車輛專用裝置的最核心的技術(shù)難點，對于解決目前氣力輸送系統(tǒng)功率大、能耗高、噪聲大的問題具有重要的現(xiàn)實意義。首先，基于計算流體力學(xué)軟件ANSYS CFX建立針對離心風機和風道系統(tǒng)的數(shù)值仿真模型并采用實驗結(jié)果進行驗證;其次，基于該模型分別對離心風機和風道系統(tǒng)進行性能預(yù)測，并獲得離心風機與風道系統(tǒng)的特性曲線，確定清掃系統(tǒng)離心風機匹配工作點;再次，針對匹配點工況下的離心風機流動損失和流場分析，摸清了各流通部件之間的耦合流動影響規(guī)律，以及耦合流動對風機性能的影響機制，發(fā)現(xiàn)了進口導(dǎo)管導(dǎo)致的葉輪入口流場畸變是導(dǎo)致風機性能惡化的關(guān)鍵因素。并通過詳細的流場分析，揭示了性能惡化的流動機理以及關(guān)鍵影響幾何參數(shù)?；诹鲃訐p失機理，對現(xiàn)有離心風機進行性能優(yōu)化并用數(shù)值仿真方法進行優(yōu)化效果驗證。CFD數(shù)值計算結(jié)果顯示，優(yōu)化后的風機在滿足環(huán)衛(wèi)清掃車工作需求的情況下，匹配工作點工況下效率提高約10%[5]。

3.1.3 動力系統(tǒng)匹配

進行純電動底盤動力系統(tǒng)與上裝工作裝置的功率匹配研究，即底盤電機與上裝電機的能量分配、電壓控制等動力模塊的控制系統(tǒng)設(shè)計，保證洗掃車各工作裝置在滿足作業(yè)要求的情況下進行合理能量分配。發(fā)電機、發(fā)電機控制器、電機控制器、電動機、系統(tǒng)控制器、上裝控制器及冷卻系統(tǒng)控制器等相互間CAN通訊協(xié)議的設(shè)計編寫，包括各子系統(tǒng)間通訊地址的定義，各數(shù)據(jù)ID及數(shù)據(jù)內(nèi)容的定義，各數(shù)據(jù)位的定義，數(shù)據(jù)內(nèi)容的發(fā)送與接收格式的定義等。

3.2 智能化控制

3.2.1 作業(yè)模式智能切換

根據(jù)路面垃圾種類、污染等級和車輛行駛狀態(tài)，實時動態(tài)調(diào)整車輛的風機轉(zhuǎn)速、掃盤轉(zhuǎn)速和噴灑水量的大小，在保證清掃效果的同時降低能耗。采用基于機器視覺的判斷方法在實時系統(tǒng)與原有定義間建立一種映射機制，使實時視頻傳感器等測出的垃圾量直接與路面所檢測的面積形成比值，從而反應(yīng)到路面垃圾覆蓋率，通過實時動態(tài)的采集路面的垃圾覆蓋率即可實時調(diào)整洗掃車的作業(yè)參數(shù)。

3.2.2 路肩及障礙物自動識別

該系統(tǒng)通過超聲波傳感器探測掃盤、噴管架等作業(yè)裝置與障礙物的位置關(guān)系，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給車載控制器計算出作業(yè)裝置最合適的工作狀態(tài)，使擺出距離始終小于障礙距離并保持在合理的距離范圍之內(nèi)。并自動調(diào)整作業(yè)裝置的擺出位置，以免車輛在工作過程中作業(yè)裝置與障礙物發(fā)生碰撞，從而避免路面障礙物對車體或作業(yè)裝置造成剛性損傷，減輕了駕駛員工作強度。

3.2.3 控制系統(tǒng)智能化

采用語音識別控制模塊存儲洗掃車的操作控制指令并識別駕駛員的語音指令，實現(xiàn)駕駛員駕駛車輛進行環(huán)衛(wèi)作業(yè)時能用語音來控制上裝專用裝置的運行，協(xié)助或替代手動操作工作，提高駕駛安全性。通過人臉識別模塊，與預(yù)先在平臺綁定的駕駛員信息對比進行駕駛員身份認證，駕駛過程中會根據(jù)駕駛員的面部表情及體態(tài)特征，監(jiān)測駕駛員是否處于疲勞狀態(tài)或身體不適，對駕駛員發(fā)出警報提示。

3.3 智慧平臺及終端

智慧環(huán)衛(wèi)運營管理平臺系統(tǒng)可兼容各類型底盤、電池、掃盤等結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)通用化的電氣原理，模塊化的電控箱、應(yīng)用軟件，標準化的控制通信協(xié)議。使純電動洗掃車ECU的可靠性、可維護性、穩(wěn)定性大幅提升，售后維護成本降低，系統(tǒng)軟硬件的升級改進方便， 產(chǎn)品的核心競爭力提高，為遠程升級、維護、更新控制系統(tǒng)軟件提供統(tǒng)一的全新的智能化平臺。良好地實現(xiàn)洗掃車各專用工作裝置的控制，實現(xiàn)各工作狀態(tài)的良好控制，達到預(yù)期效果，保證洗掃車的兼容性，良好的人機交互界面實現(xiàn)洗掃車安全、有效、可靠的智能控制。

智慧環(huán)衛(wèi)裝備網(wǎng)聯(lián)終端裝置以中央處理器模塊為核心采集通信模塊集成于一個信息網(wǎng)聯(lián)終端內(nèi)部，CAN口模塊、DI模塊、PI模塊、AI模塊、RS232串口模塊、GPS/BD模塊分別將各自采集或交互的信息傳遞給中央處理器模塊進行各類型狀態(tài)數(shù)據(jù)的處理，中央處理器模塊再將處理完成的各類作業(yè)狀態(tài)信息通過移動通信網(wǎng)絡(luò)與智慧環(huán)衛(wèi)運營管理平臺進行聯(lián)網(wǎng)通訊。依托云平臺大數(shù)據(jù)支持，通過B/S架構(gòu)的管理平臺及手機APP應(yīng)用，基于專業(yè)科學(xué)嚴謹?shù)乃惴?，從最專業(yè)的視角獲取純電動洗掃車的運行數(shù)據(jù)及最直觀全面的數(shù)據(jù)分析報告，最終實現(xiàn)環(huán)衛(wèi)裝備全作業(yè)狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、上傳、監(jiān)控、安全預(yù)警與遠程交互。該終端可準確、可靠、有效地采集現(xiàn)有環(huán)衛(wèi)裝備各種信號類型的全作業(yè)狀態(tài)數(shù)據(jù)，可有效接收智慧環(huán)衛(wèi)裝備網(wǎng)聯(lián)平臺下發(fā)指令、數(shù)據(jù)并發(fā)送給環(huán)衛(wèi)裝備控制系統(tǒng)，輔助實現(xiàn)智慧環(huán)衛(wèi)裝備的遠程交互功能，為智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)平臺與純電動洗掃車提供可靠的數(shù)據(jù)鏈路基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

通過輕量化使上裝箱體減重16%、優(yōu)化氣力輸送系統(tǒng)使風機效率提高約10%以及動力系統(tǒng)合理匹配，最終實現(xiàn)了整車續(xù)航能力的大幅提高;環(huán)衛(wèi)設(shè)備智能化、智慧環(huán)衛(wèi)運營管理平臺及終端裝置的應(yīng)用，實現(xiàn)了環(huán)衛(wèi)設(shè)備自動化作業(yè)，大幅度提升環(huán)衛(wèi)裝備行業(yè)的智能化水平，環(huán)衛(wèi)作業(yè)效率的顯著提升。

隨著人工智能技術(shù)在自動駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用及推廣，使得環(huán)境感知、高精度地圖、自然語言處理以及智能決策等方面獲得重大突破，自動駕駛已經(jīng)成為車輛發(fā)展的主流方向[6-10]。未來環(huán)衛(wèi)車輛也必將融合人工智能技術(shù)，實現(xiàn)智能路徑規(guī)劃、智能垃圾檢測及清理、智能切換作業(yè)模式、智能遠程調(diào)度、故障遠程診斷等功能。

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