基于CAN總線數(shù)據(jù)的商用車重量邊界預(yù)測

蘆 鑫，王 勃，許曉明，李靖宇，馮澤功

（陜西漢德車橋有限公司 技術(shù)中心，陜西 西安 710201）

隨著市場宏觀經(jīng)濟(jì)形勢發(fā)生重大變化，商用車市場產(chǎn)銷量均出現(xiàn)大幅下滑，尋找商用車新的增長極成為各大主機(jī)廠面臨的重要挑戰(zhàn)之一[1]。為應(yīng)對市場挑戰(zhàn)，聚焦細(xì)分市場、精細(xì)化設(shè)計已成為商用車發(fā)展的主流趨勢，路譜采集、控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network, CAN）總線數(shù)據(jù)應(yīng)用、大數(shù)據(jù)分析等手段已逐漸深入商用車產(chǎn)品設(shè)計流程；而影響車輛運(yùn)行性能的因素集中在運(yùn)行工況、運(yùn)行路況以及車輛載重三方面，其中車輛的載重對其影響程度最大，進(jìn)而得到了廣泛的關(guān)注與研究[2]。其中陜西漢德車橋有限公司李旭明等對商用車自稱重系統(tǒng)的方法進(jìn)行了介紹與分析，但未進(jìn)行實際的應(yīng)用和研究[3]；吉林大學(xué)夏冰等根據(jù)功率平衡也對低速并處于加速狀態(tài)的重型車輛給出了車輛重量的預(yù)測模型，但未對車輛的最大質(zhì)量作出預(yù)測和研究[4]。

基于以上原因，本文基于商用車CAN總線數(shù)據(jù)系統(tǒng)所采集的車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出功率比，結(jié)合車輛傳動系統(tǒng)效率和迎風(fēng)面積建立了商用車重量邊界預(yù)測模型；并利用該模型對某型 4×2快遞牽引車的最大質(zhì)量進(jìn)行了預(yù)測，并將預(yù)測結(jié)果與車輛實際稱重數(shù)據(jù)進(jìn)行對比研究分析，對預(yù)測模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了檢驗。

1 CAN總線數(shù)據(jù)介紹

CAN總線技術(shù)作為一種高效可靠的支持設(shè)備分布式控制以及實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，其具備通訊實時性強(qiáng)、開發(fā)周期短、應(yīng)用可靠且靈活，進(jìn)而被廣泛應(yīng)用于汽車制造、航空航天、機(jī)床母機(jī)等機(jī)械裝備制造領(lǐng)域；所產(chǎn)生的CAN總線數(shù)據(jù)已廣泛應(yīng)用于對應(yīng)領(lǐng)域技術(shù)開發(fā)前端設(shè)計邊界設(shè)定、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、產(chǎn)品升級改進(jìn)方向劃定等方向，尤其在商用車領(lǐng)域應(yīng)用的最為廣泛[4]。

商用車技術(shù)領(lǐng)域CAN總線技術(shù)常用于以下用途：1）通過車輛駕駛行為和能耗水平的分析研究，制定合理的駕駛準(zhǔn)則，實現(xiàn)車輛運(yùn)行成本最低化和收益最大化；2）通過 CAN總線數(shù)據(jù)對車輛運(yùn)行工況、路況以及相關(guān)零部件運(yùn)行狀態(tài)的實時監(jiān)控，實現(xiàn)車輛可靠性的動態(tài)監(jiān)控分析，在提高車輛運(yùn)行可靠性的同時車輛設(shè)計的市場適用性和精準(zhǔn)性得到了大幅的提升；3）通過對不同區(qū)域車輛運(yùn)行工況及路況特點(diǎn)分析，有針對性進(jìn)行營銷和售后服務(wù)，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)營銷與售后服務(wù)。本文通過CAN總線數(shù)據(jù)對車輛的最大重量進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測，從而實現(xiàn)細(xì)分車型的動力匹配準(zhǔn)確性有效改善，在降低生產(chǎn)成本的同時車輛可靠性得到大幅提升。

2 商用車重量邊界預(yù)測方法

2.1 預(yù)測流程分析

采用CAN總線數(shù)據(jù)進(jìn)行車輛重量預(yù)測的工作主要包括車輛原始數(shù)據(jù)的采集處理和模型預(yù)測兩方面內(nèi)容。其中數(shù)據(jù)采集處理包括從車輛CAN總線端口進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的采集和通過數(shù)據(jù)差分將原始數(shù)據(jù)采集時間點(diǎn)劃歸統(tǒng)一，然后建立數(shù)據(jù)預(yù)測模型對車輛最大重量進(jìn)行預(yù)測。具體流程如圖1所示。

圖1 商用車重量預(yù)測流程

2.2 預(yù)測模型建立

根據(jù)相關(guān)基礎(chǔ)性研究可知，車輛的重量邊界與發(fā)動機(jī)輸出扭矩n、發(fā)動輸出扭矩比率Tp、車輛傳動效率s、車速v、空氣阻力系數(shù)CD以及車輛迎風(fēng)面積A有關(guān)。同時為了排除CAN數(shù)據(jù)與車輛實際運(yùn)行工況之間的差異造成的誤差，需確定車輛發(fā)動機(jī)輸出扭矩的修正系數(shù)Tf，計算公式如式（1）所示。

式中，a1、a2、a3和a4為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線修正系數(shù)，可根據(jù)車輛適配發(fā)動機(jī)特性以及實際工況予以確定，待完成發(fā)動機(jī)輸出扭矩修正系數(shù)Tf的計算后，可根據(jù)車輛最大重量與發(fā)動機(jī)輸出扭矩n、發(fā)動輸出扭矩比率Tp、車輛傳動效率s、車速v、空氣阻力系數(shù)CD以及車輛迎風(fēng)面積A之間的關(guān)系建立車輛最大重量預(yù)測模型，具體如式（2）所示。

式中，m為車輛的最大重量，t，此處為車輛全時段重量預(yù)測值前10%的均值；v為車輛運(yùn)行速度，km/h，此處選擇速度為車輛最高擋位或此稿擋位下大于10 km/h的部分；n為發(fā)動機(jī)輸出扭矩，Nm，此處選擇發(fā)動機(jī)輸出扭矩大于10%的部分；g為重力加速度，取值9.8 m/s2。

3 商用車重量預(yù)測結(jié)果與分析

3.1 原始數(shù)據(jù)采集與分析

選擇某型 4×2快遞牽引車作為研究對象進(jìn)行CAN總線數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)采集結(jié)果可知發(fā)動機(jī)輸出扭矩n的信號采集頻次為0.1 Hz，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號和車輛運(yùn)行速度信號的采集頻次均為0.5 Hz，采用數(shù)據(jù)線性插值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使的三者的信號采集頻率均為1 Hz，從而減小有效數(shù)據(jù)容量以便于后續(xù)參數(shù)計算與最大重量的預(yù)測分析，插值結(jié)果如圖2(a)—圖2(c)所示。

圖2 原始數(shù)據(jù)插值計算結(jié)果

3.2 商用車重量預(yù)測

通過式（1）對該型4×2快遞牽引車發(fā)動機(jī)全轉(zhuǎn)速段的發(fā)動機(jī)輸出扭矩修正系數(shù)Tf進(jìn)行計算，計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 發(fā)動機(jī)輸出扭矩修正系數(shù)T_f計算曲線

并根據(jù)式（2）對該型車輛的最大重量進(jìn)行多天全時段預(yù)測，并將所有預(yù)測結(jié)果進(jìn)行擬合正態(tài)分布，結(jié)果如圖4所示。即在97.73%的置信區(qū)間內(nèi)車輛的最大預(yù)測質(zhì)量為37.9 t。

圖4 某型4×2快遞牽引車最大重量預(yù)測結(jié)果

3.3 預(yù)測結(jié)果對比分析

為了進(jìn)一步對預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性作出分析，選擇該型4×2快遞牽引車連續(xù)16天的實際重量進(jìn)行稱取，結(jié)果如表1所示。從中可知該車輛的最大實際質(zhì)量為35.6 t，與預(yù)測的最大質(zhì)量37.9 t輕2.3 t，僅相差6.5%。進(jìn)而可知該預(yù)測模型準(zhǔn)確，具有較高的實用價值。

表1 某型4×2快遞牽引車實際重量分布

4 結(jié)論

車輛的最大重量對于車輛的運(yùn)行可靠性以及經(jīng)濟(jì)性影響重大，根據(jù)可靠的最大重量值進(jìn)行合理的動力匹配可有效改善車輛的運(yùn)行效率與可靠性，有效提升車輛的市場競爭能力，基于此本文采用車輛最大重量與運(yùn)行數(shù)據(jù)之間的數(shù)值關(guān)系建立商用車重量邊界預(yù)測模型，利用車輛CAN總線數(shù)據(jù)對某型4×2快遞牽引車的最大質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測，并與車輛實際最大質(zhì)量進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，在 97.73%的置信區(qū)間內(nèi)車輛的最大預(yù)測質(zhì)量為37.9 t，與實際質(zhì)量相差6.5%，預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確，具有較高的實用價值。