某輕型物流車的實(shí)時(shí)車載稱重系統(tǒng)方案

于法祥，苗少光

(1.北汽(常州)汽車有限公司，江蘇 常州 213001； 2.深圳市漢德網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，廣東 深圳 518000)

目前物流運(yùn)輸車主要使用地磅進(jìn)行稱重，由于缺乏有效的實(shí)時(shí)稱重手段，物流運(yùn)輸行業(yè)亂象叢生，超載等違規(guī)現(xiàn)象屢禁不止[1-3]。隨著物流運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展，需要實(shí)時(shí)稱重的場(chǎng)景越來(lái)越多，要求也越來(lái)越高。此外，為了規(guī)范物流運(yùn)輸行業(yè)健康有序發(fā)展，國(guó)家也已發(fā)布多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)[4]，現(xiàn)有的地磅稱重方案已不滿足需求。為解決上述問(wèn)題，本文介紹一種實(shí)時(shí)車載稱重系統(tǒng)方案[5]。

1 初始方案設(shè)計(jì)及其可行性

1.1 初始方案設(shè)計(jì)

初始方案總體設(shè)計(jì)與力傳感器布置如圖1所示。其中傳感器1～N安裝在前橋及后橋半軸受力位置，實(shí)時(shí)感應(yīng)安裝點(diǎn)的重力數(shù)據(jù)；主控終端用于采集和預(yù)處理力傳感器數(shù)據(jù)并上傳到云平臺(tái)(主控終端內(nèi)集成通訊模塊，安裝SIM卡后即可與云平臺(tái)通訊)；云平臺(tái)用于將上傳的力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，并通過(guò)已擬合出的重量計(jì)算公式得出所稱重?cái)?shù)據(jù)，然后回傳給主控終端；監(jiān)控系統(tǒng)用于遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過(guò)專用網(wǎng)站顯示云平臺(tái)計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛載貨情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；顯示器用于汽車裝載量實(shí)車顯示[6-7]。

圖1 方案總體設(shè)計(jì)及傳感器布置

從設(shè)計(jì)方案看，關(guān)鍵點(diǎn)在于傳感器安裝點(diǎn)的選擇。要考慮所選安裝點(diǎn)的受力線性、安全性、前期安裝和后期維護(hù)便捷性等。

1.2 初始方案可行性測(cè)試

選擇一輛如圖1所示的標(biāo)準(zhǔn)配置樣車作為測(cè)試對(duì)象，后橋半軸類型為方形。

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)載貨方案設(shè)計(jì)及測(cè)試

該車型設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝載量為0～1 500 kg，實(shí)測(cè)范圍0～1 533 kg。測(cè)試過(guò)程中所用載重約為20 kg/桶的沙桶，通過(guò)不斷地加載與卸載，同步觀測(cè)對(duì)比力傳感器數(shù)據(jù)，擬合出一個(gè)重量計(jì)算公式。擬合方法如下：

Y=a×X1+b×X2+c×X3+d×X4+e×X5+f×X6+C

(1)

式中：Y為系統(tǒng)輸出的重量值，即監(jiān)控平臺(tái)和車載設(shè)備顯示的裝載重量；X1為力傳感器直接測(cè)量數(shù)據(jù)，即傳感器依據(jù)形變計(jì)算的載重?cái)?shù)據(jù)；a為根據(jù)傳感器安裝位置的形變難易程度進(jìn)行調(diào)整的權(quán)重系數(shù)，使傳感器數(shù)據(jù)保持在一定范圍內(nèi)；X2為車輛運(yùn)行狀態(tài)修正值，即車輛運(yùn)行和靜止兩種狀態(tài)下的補(bǔ)償數(shù)據(jù)；b為運(yùn)行與靜止?fàn)顟B(tài)調(diào)整權(quán)重系數(shù)，平衡該狀態(tài)因素對(duì)力傳感器直接測(cè)量數(shù)據(jù)的影響；X3為裝卸貨狀態(tài)修正值，即車輛加載和卸載兩種狀態(tài)下的補(bǔ)償數(shù)據(jù)；c為加載和卸載狀態(tài)調(diào)整權(quán)重系數(shù)，平衡該狀態(tài)因素對(duì)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的影響；X4為氣壓值修正值，即不同大氣壓下的補(bǔ)償數(shù)據(jù)；d為環(huán)境氣壓調(diào)整權(quán)重系數(shù)，補(bǔ)償氣壓因素對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響；X5為溫度值修正值，即不同溫度下的補(bǔ)償數(shù)據(jù)；e為環(huán)境溫度調(diào)整權(quán)重系數(shù)，補(bǔ)償溫度因素對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響；X6為其他因素修正值，即其他影響因素的補(bǔ)償數(shù)據(jù)；f為其他因素權(quán)重系數(shù)；C為可調(diào)整常數(shù)，對(duì)最終輸出結(jié)果Y進(jìn)行總體修正。

得到基本公式(1)后，加入跑車工況測(cè)試并持續(xù)對(duì)該公式進(jìn)行改進(jìn)。首輪共進(jìn)行15組加載試驗(yàn)(靜態(tài)測(cè)試9組，跑車測(cè)試6組)，該階段由于時(shí)間較為充裕，公式改進(jìn)只采用上貨過(guò)程(與實(shí)際載物場(chǎng)景類似)的數(shù)據(jù)。公式(1)的優(yōu)化過(guò)程見表1。

表1 公式(1)的優(yōu)化過(guò)程

此處引用靜態(tài)第九次加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)靜態(tài)方案可行性進(jìn)行分析，引用動(dòng)態(tài)第二次加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)動(dòng)態(tài)方案可行性進(jìn)行分析，衡量標(biāo)準(zhǔn)為稱重誤差[8]。

稱重誤差計(jì)算公式如下：

稱重誤差=|Y-實(shí)際重量|/實(shí)際重量

(2)

稱重誤差曲線如圖2所示，公式(2)中的Y采用表1中的Y2。

圖2 加載量誤差曲線圖

1) 靜態(tài)可行性分析。從圖2可以看出，隨著加載量的增加，靜態(tài)誤差不斷下降并最終趨于穩(wěn)定。說(shuō)明該方案在該車型上不僅理論上可行，技術(shù)實(shí)現(xiàn)上也可行。對(duì)比另外8組靜態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)，除首組標(biāo)定用數(shù)據(jù)外，其余7組數(shù)據(jù)總體效果基本相同。

2) 動(dòng)態(tài)可行性分析。從圖2可以看出，隨著加載量的增加，動(dòng)態(tài)誤差逐漸趨于穩(wěn)定。對(duì)比另外5組跑車測(cè)試數(shù)據(jù)，總體上效果一致。

下面重點(diǎn)針對(duì)動(dòng)態(tài)方案的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

3) 最終組數(shù)據(jù)分析。將總第15組即動(dòng)態(tài)第六次加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該組試驗(yàn)共計(jì)兩個(gè)階段：第一階段(公式Y(jié)4)加載測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果在后半部分誤差較大。結(jié)合這第一階段新的稱重?cái)?shù)據(jù)，對(duì)公式進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)為Y5，再進(jìn)行第二階段加載測(cè)試，測(cè)試結(jié)果誤差明顯降低。其加載誤差曲線如圖3所示，圖中動(dòng)態(tài)測(cè)試第六次數(shù)據(jù)第二階段與第一階段相比，改進(jìn)后的稱重計(jì)算公式Y(jié)5精度有明顯提升，且更為穩(wěn)定。

圖3 最終組數(shù)據(jù)誤差-加載量曲線圖

4) 不同傳感器數(shù)量方案對(duì)比。整車標(biāo)準(zhǔn)配置為10個(gè)傳感器，為后期降本考慮，下面適當(dāng)減少傳感器，分析不同數(shù)量傳感器方案的精度。6個(gè)傳感器方案：選用圖1中的2、3、4、6、9、10號(hào)傳感器；4個(gè)傳感器方案：選用圖1中的2、6、8、9號(hào)傳感器。

對(duì)比匯總測(cè)試結(jié)果見表2，選擇稱重值誤差10%作為標(biāo)準(zhǔn)，并以此標(biāo)準(zhǔn)得到不同傳感器數(shù)量方案的達(dá)標(biāo)率(即達(dá)到10%稱重誤差的數(shù)據(jù)比率)進(jìn)行效果對(duì)比，公式選擇Y5。

表2 不同傳感器數(shù)量標(biāo)載測(cè)試達(dá)標(biāo)率對(duì)比

從表2可看出，傳感器數(shù)量對(duì)稱重精度有一定影響。但隨著加載量增加，當(dāng)超過(guò)500 kg時(shí)，3 種方案的達(dá)標(biāo)率都為100%，誤差都保持在10%以內(nèi)，滿足使用要求。所以，在后續(xù)方案選擇上，可根據(jù)實(shí)際需要，選擇合適數(shù)量傳感器方案，達(dá)到需求和成本的最優(yōu)選。

1.2.2 超載方案設(shè)計(jì)及測(cè)試

超載方案測(cè)試過(guò)程中，由于采用人工加卸載，勞動(dòng)量過(guò)大，考慮到時(shí)間周期也較為緊張，因此將卸載數(shù)據(jù)也進(jìn)行充分利用。即超載方案按照上貨過(guò)程和下貨過(guò)程兩個(gè)場(chǎng)景聯(lián)合測(cè)試，參考公式Y(jié)5。

1) 上貨過(guò)程。傳感器安裝點(diǎn)同圖1。目標(biāo)超載測(cè)試范圍1 500～3 000 kg，實(shí)測(cè)范圍1 000～3 015 kg，共計(jì)進(jìn)行3個(gè)循環(huán)的上下貨測(cè)試。

參照前面1.2.1中4)方案，分別選擇10%、20%、30% 3種稱重值誤差作為標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試不同傳感器數(shù)量方案在3種誤差標(biāo)準(zhǔn)下的達(dá)標(biāo)率。得到測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 上貨過(guò)程超載測(cè)試達(dá)標(biāo)率對(duì)比

2) 下貨過(guò)程。參照前面1.2.1中4)方案，誤差值標(biāo)準(zhǔn)同1.2.2中1)中的上貨過(guò)程，分析不同傳感器數(shù)量方案，得到測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 下貨過(guò)程超載測(cè)試達(dá)標(biāo)率對(duì)比

對(duì)比以上數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)同樣數(shù)量傳感器，在上、下貨狀態(tài)下系統(tǒng)的最大誤差完全相同，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。此外，無(wú)論是上貨過(guò)程，還是下貨過(guò)程，隨著傳感器數(shù)量下降，誤差變大，一致性明顯，同此前測(cè)試結(jié)論相同?？傮w上，該方案超載試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

1.2.3 精確稱重范圍確定

測(cè)試范圍0～400 kg。方案測(cè)試過(guò)程中，考慮到快遞行業(yè)攬件過(guò)程中，需要即時(shí)精準(zhǔn)稱重。所以，在完成以上標(biāo)載及超載測(cè)試內(nèi)容后，在靠近貨箱尾門居中選擇60 cm×80 cm區(qū)域，作為模擬攬件稱重區(qū)域。經(jīng)調(diào)試，在該區(qū)域可實(shí)現(xiàn)誤差低于3%，絕對(duì)誤差低于2 kg。

該功能的安裝及調(diào)試要求較高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化搭載，不作為本文重點(diǎn)討論內(nèi)容，不做過(guò)多描述。

1.2.4 初始測(cè)試小結(jié)

通過(guò)首輛樣車標(biāo)載、超載與精確稱重三個(gè)不同維度以及靜態(tài)、動(dòng)態(tài)兩個(gè)不同場(chǎng)景下的測(cè)試，方形后橋半軸車型的公式Y(jié)5滿足要求。表明該系統(tǒng)均具備良好的適應(yīng)性和使用效果。尤其是在傳感器數(shù)量不同的方案下，隨著傳感器數(shù)量的減少，精度相應(yīng)地降低。結(jié)合降本需要，可靈活選擇傳感器數(shù)量，使該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)能力。

以下將通過(guò)第二輪、第三輪測(cè)試對(duì)該系統(tǒng)方案進(jìn)行優(yōu)化并實(shí)現(xiàn)方案的標(biāo)準(zhǔn)化。

2 方案優(yōu)化及標(biāo)準(zhǔn)化

2.1 方案優(yōu)化

第二輪共選擇兩輛車，除已有的前面1#車，另選一輛同樣技術(shù)狀態(tài)的車輛，車號(hào)為2#。前面測(cè)試中，圖1所示傳感器布置方案存在部分選點(diǎn)安裝困難情況。該輪測(cè)試對(duì)兩車前橋傳感器安裝點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，如圖4所示，并使1#車與2#車安裝點(diǎn)保持3 cm的距離差異，觀測(cè)安裝點(diǎn)差異對(duì)結(jié)果的影響。按照“1 初始方案設(shè)計(jì)及其可行性”方法，得到新傳感器布置方案公式Y(jié)6。

圖4 傳感器安裝新方案

新方案下，按照前面描述的6個(gè)傳感器與4個(gè)傳感器選點(diǎn)方案分別測(cè)試，并選擇稱重誤差10%作為參考標(biāo)準(zhǔn)。1#車和2#車測(cè)試結(jié)果見表5。

表5 1#車和2#車測(cè)試結(jié)果

1) 新方案下，兩輛車整體測(cè)試結(jié)果良好并有一定差異，證明安裝點(diǎn)的不同對(duì)計(jì)算公式和精度都有一定影響。但由于差異不大，后續(xù)若進(jìn)行批量標(biāo)準(zhǔn)化安裝，可允許一定范圍的安裝誤差，提高安裝效率。

2) 目前市場(chǎng)上，后橋半軸具有圓形半軸與方形半軸兩種狀態(tài)。下一步，在保持傳感器安裝點(diǎn)相對(duì)位置一致的情況下，測(cè)試不同的后橋半軸對(duì)公式和精度的影響，以及標(biāo)準(zhǔn)可研分析。

2.2 方案標(biāo)準(zhǔn)化

作正向開發(fā)設(shè)計(jì)方案，最重要的是要將方案進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以具備高效率下的批量生產(chǎn)能力和較高的一致性、可靠性。

此第三輪測(cè)試共計(jì)選擇5輛車，除已有的1#、2#車，另選3輛車，車號(hào)為3#、4#、5#。其中，1#、2#、4#車的后橋半軸都為方形；3#、5#車的后橋半軸都為圓形。傳感器數(shù)量都為10個(gè)，按照?qǐng)D4方案布置，前4后6。

2.2.1 測(cè)試過(guò)程

1) 以1#車與3#車的計(jì)算公式，分別代表兩種后橋半軸狀態(tài)的方案。

2) 使用1#車公式Y(jié)6測(cè)試其他4輛車，觀察該方案的適配性。

本輪通過(guò)兩種不同車型的公式進(jìn)行交叉測(cè)試，意在進(jìn)一步分析和確定當(dāng)前狀態(tài)下，將通用性更好的公式作為標(biāo)準(zhǔn)公式。

2.2.2 測(cè)試結(jié)果及分析

1) 使用1#方形半軸后橋車的計(jì)算公式Y(jié)6，測(cè)試其他4輛車，部分?jǐn)?shù)據(jù)見表6。

表6 1#車擬合公式測(cè)試部分結(jié)果

依據(jù)表6測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，方形半軸車輛公式下，該狀態(tài)車輛的數(shù)據(jù)表現(xiàn)優(yōu)于圓形半軸車輛。對(duì)比2#、5#另外兩輛樣車，與同狀態(tài)車輛測(cè)試結(jié)果一致。

表7 3#車擬合公式測(cè)試部分結(jié)果

依據(jù)表7測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，圓形半軸車輛公式下，該狀態(tài)車輛的數(shù)據(jù)表現(xiàn)則優(yōu)于方形半軸車輛。對(duì)比1#、4#另外兩輛樣車，與同狀態(tài)車輛測(cè)試結(jié)果一致。

所以，后橋半軸狀態(tài)對(duì)公式有一定的影響，在精度要求較高的場(chǎng)景下，應(yīng)根據(jù)后橋半軸狀態(tài)選用對(duì)應(yīng)的公式。總體來(lái)說(shuō)，雖然方形與圓形半軸狀態(tài)公式不是完全互相適用，但是結(jié)合市場(chǎng)上不同的應(yīng)用場(chǎng)景，可在誤差允許范圍內(nèi)適度互用，以降低生產(chǎn)及后期維護(hù)成本。例如，汽車廠商監(jiān)控用戶違規(guī)超載使用的行為，對(duì)精度要求較低，則可使用通用型公式。綜上分析，方形半軸的計(jì)重公式整體測(cè)試結(jié)果較好，可作為通用型公式。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著物流行業(yè)的快速發(fā)展，既為汽車產(chǎn)業(yè)帶來(lái)巨大的需求促進(jìn)，同時(shí)也提出了更高要求。未來(lái)智慧物流的發(fā)展，更要求汽車主機(jī)廠能夠站在市場(chǎng)和技術(shù)的前沿，促進(jìn)智慧物流的進(jìn)一步發(fā)展[9]。