劉學(xué)軍

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧530023）

基于物聯(lián)網(wǎng)的交通營(yíng)運(yùn)車輛能耗監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)研究

劉學(xué)軍

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧530023）

通過充分調(diào)研區(qū)域交通營(yíng)運(yùn)車輛的車型配置、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、車輛保有量及運(yùn)輸環(huán)境條件等實(shí)際情況，選取覆蓋整個(gè)區(qū)域交通運(yùn)輸行業(yè)能耗監(jiān)測(cè)的采樣點(diǎn)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基本原理，研究反映該區(qū)域交通運(yùn)輸行業(yè)總體能源消耗水平，并能進(jìn)行能源消耗分析預(yù)測(cè)的監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，為交通運(yùn)輸部門統(tǒng)計(jì)、分析及預(yù)測(cè)交通能源消費(fèi)，制定政策及規(guī)劃，準(zhǔn)確分析技術(shù)設(shè)備及企業(yè)管理中存在的問題，找出行之有效的節(jié)能降耗的措施提供技術(shù)支持。

物聯(lián)網(wǎng)；營(yíng)運(yùn)車輛；能耗監(jiān)測(cè)；能耗分析

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和人民生活水平的日益提高，尤其是在石油資源日益枯竭的背景下，世界各國(guó)更加重視能源的節(jié)約和環(huán)境的改善，據(jù)相關(guān)權(quán)威部門統(tǒng)計(jì)，目前，中國(guó)車用燃油已經(jīng)占到國(guó)家燃油總消耗量的一半以上，汽車尾氣對(duì)環(huán)境污染的貢獻(xiàn)也是越來越大，同時(shí)，機(jī)動(dòng)車油耗成為了消費(fèi)者越來越關(guān)心的技術(shù)指標(biāo)。為了能對(duì)機(jī)動(dòng)車油量進(jìn)行精確的測(cè)量，做到“耗能有數(shù)，節(jié)能有據(jù)”，從而減少燃油的浪費(fèi)，降低燃油成本，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的，世界各國(guó)在能耗監(jiān)測(cè)技術(shù)研發(fā)方面進(jìn)行了大量的研究[1-2]。

在一些汽車工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，對(duì)車輛油耗監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究比較深入，早在上世紀(jì)70年代，美國(guó)和日本等國(guó)家就開始了基于碳平衡法理論的汽車油耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究，但限于當(dāng)時(shí)傳感器和電子技術(shù)發(fā)展的水平，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)過于龐大，只能限于實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行監(jiān)測(cè)。隨著日本在基于活塞式流量傳感器技術(shù)上開發(fā)流量計(jì)研發(fā)成功，采用流量方式進(jìn)行油耗監(jiān)測(cè)的方式得到了普遍采用[3]。

融合微電腦技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、微流量計(jì)設(shè)計(jì)技術(shù)，通過對(duì)交通營(yíng)運(yùn)車輛的燃油供給系統(tǒng)進(jìn)行輕度技術(shù)改造，就可以開發(fā)出能夠適用于燃油動(dòng)力車輛、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析油耗量及油耗水平系統(tǒng)，系統(tǒng)的車輛端軟件可以實(shí)時(shí)將監(jiān)測(cè)與分析數(shù)據(jù)包回傳給運(yùn)管中心終端，以實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域內(nèi)交通營(yíng)運(yùn)車輛能耗監(jiān)測(cè)與能耗分析，為節(jié)能減排提供技術(shù)支持。

1 車輛能耗監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)原理

車輛能耗監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)原理如圖1所示，車輛的燃油供給系統(tǒng)由燃油箱、進(jìn)油管、濾清器、油軌、噴油器、調(diào)壓器、回油管等組成，通對(duì)交通營(yíng)運(yùn)車輛的進(jìn)油管和回油管上，分別安裝一個(gè)微流量計(jì)（根據(jù)車輛燃油消耗水平，可選擇流量范圍為1～300 ml/min和5～1 500 ml/min兩款產(chǎn)品），流量傳感器的脈沖信號(hào)傳遞給車輛監(jiān)測(cè)端控制單元，控制單元經(jīng)過進(jìn)油量和回油量差值運(yùn)算和溫度補(bǔ)償運(yùn)算后，得出實(shí)時(shí)燃油消耗量，并通過物聯(lián)網(wǎng)無線傳遞到運(yùn)管中心終端，運(yùn)管中心終端就可以根據(jù)營(yíng)運(yùn)車輛的GPS信息，計(jì)算出某一時(shí)間段或某一里程段內(nèi)車輛的燃油消耗水平，并可以分析不同季節(jié)、不同行駛工況、不同駕駛?cè)藛T、不同載運(yùn)重量等條件下燃油消耗差別，優(yōu)化交通營(yíng)運(yùn)部門節(jié)能減排方案[4-5]。

圖1 車輛能耗監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)原理圖

2 能耗監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)

2.1 傳感器模塊

傳感器模塊的設(shè)計(jì)要求傳感器的體積小，能夠測(cè)量非常小的流量，量程比盡可能寬，由于考慮到交通營(yíng)運(yùn)車輛的種類繁多，從微型車到長(zhǎng)途大巴，再到貨運(yùn)重卡，其燃油供給系統(tǒng)每分鐘的供油量有很大的差別，根據(jù)分析，傳感器模塊中最為關(guān)鍵傳感器的選擇有兩款，可以根據(jù)不同的交通車輛選配加裝。可選配的流量計(jì)有：德國(guó)003系列流量計(jì)，測(cè)量范圍1～300 ml/min；霍爾脈沖信號(hào)輸出：7 000和14 000脈沖數(shù)/升；體積：30 mm ×30 mm×50 mm；德國(guó)005系列流量計(jì)：測(cè)量范圍：5～1500 ml/min，霍爾脈沖信號(hào)輸出：1 600，3 800 個(gè)脈沖數(shù)/升。

同時(shí)，傳感器模塊處于一個(gè)比較復(fù)雜的環(huán)境當(dāng)中，傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)線傳遞給車輛監(jiān)測(cè)客戶端的過程中，存在著大量的信號(hào)干擾源，因此傳感器模塊的必須設(shè)計(jì)抗干擾電路和光電隔離電路，以保證車輛監(jiān)測(cè)客戶端能采集到干凈真實(shí)的流量數(shù)據(jù)。

2.2 車輛監(jiān)測(cè)客戶端

車輛監(jiān)測(cè)客戶端是一個(gè)融微電腦處理器、數(shù)據(jù)采集模塊、移動(dòng)通信模塊等于一體的電子控制單元。從傳感器模塊傳遞過來的脈沖信號(hào)經(jīng)過濾波后輸送給數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊將采樣數(shù)據(jù)提供給微處理器，微處理器根據(jù)傳感器的量程計(jì)算出實(shí)際流量后輸送給移動(dòng)通信模塊，移動(dòng)通信模塊通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)輸送到運(yùn)管中心終端[6]。

2.3 運(yùn)管中心終端

運(yùn)管中心終端由一臺(tái)電腦及其配套軟件組成，通過物聯(lián)網(wǎng)與整個(gè)區(qū)域內(nèi)車輛監(jiān)測(cè)客戶端連在一起，車輛監(jiān)測(cè)客戶端發(fā)回的移動(dòng)數(shù)據(jù)在這里進(jìn)行收集、匯總、整理和分析，并按照預(yù)先設(shè)定的計(jì)算方案（如某時(shí)間段、某駕駛?cè)藛T、某里程等）計(jì)算出車輛的油耗情況。也可以按天、月、季度或年度等計(jì)算出本區(qū)域內(nèi)交通營(yíng)運(yùn)車輛的總?cè)剂舷牧?，為制定本區(qū)域的節(jié)能減排方案提供技術(shù)支持。

3 能耗監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)應(yīng)用理論分析

車輛能耗監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)由一個(gè)運(yùn)管中心監(jiān)控終端和多個(gè)車輛監(jiān)測(cè)客戶端組成，要實(shí)現(xiàn)對(duì)該區(qū)域內(nèi)營(yíng)運(yùn)車輛油耗水平的監(jiān)測(cè)，需要依托區(qū)域內(nèi)交通營(yíng)運(yùn)車輛的車型配置、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、車輛保有量及運(yùn)輸環(huán)境條件等調(diào)研數(shù)據(jù)，進(jìn)行車輛能耗數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)的選取和設(shè)置，制定整個(gè)區(qū)域內(nèi)交通營(yíng)運(yùn)車輛能耗監(jiān)測(cè)方案。建立完善評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)交通運(yùn)輸業(yè)能耗統(tǒng)計(jì)、分析及預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建一個(gè)對(duì)監(jiān)測(cè)、考核和評(píng)價(jià)交通營(yíng)運(yùn)車輛能耗水平及節(jié)能降耗效果的閉環(huán)控制回路，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的良性循環(huán)。某一區(qū)域內(nèi)交通營(yíng)運(yùn)車輛能源消耗監(jiān)測(cè)分析方案需要解決下列問題。

（1）制定能夠反映區(qū)域交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的調(diào)研方案并獲得科學(xué)的分析調(diào)研數(shù)據(jù)。

（2）根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行能耗監(jiān)測(cè)樣本點(diǎn)的選取，并開發(fā)適應(yīng)各種不同類型車輛的能耗監(jiān)測(cè)方案。

（3）根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立整個(gè)區(qū)域內(nèi)營(yíng)運(yùn)車輛能耗統(tǒng)計(jì)、分析和預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型。

廣西交通營(yíng)運(yùn)車輛數(shù)量、類型及運(yùn)輸條件等調(diào)研是監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)的根基，它對(duì)于能源消耗監(jiān)測(cè)樣本點(diǎn)的選取、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)模型的建立、節(jié)能降耗舉措的出臺(tái)、能耗水平的監(jiān)測(cè)、考核和評(píng)價(jià)都起著至關(guān)重要的作用。

圖2為廣西交通營(yíng)運(yùn)車輛能耗監(jiān)測(cè)分析方案的技術(shù)路線。技術(shù)路線構(gòu)建了一個(gè)對(duì)監(jiān)測(cè)、考核和評(píng)價(jià)交通營(yíng)運(yùn)車輛能耗水平及節(jié)能降耗效果的閉環(huán)控制回路（圖中箭頭）。如果選取的監(jiān)測(cè)樣本點(diǎn)足夠多，數(shù)學(xué)模型反饋實(shí)際情況的水平又足夠好，這個(gè)閉環(huán)控制回路就可以實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)。

圖2 廣西交通營(yíng)運(yùn)車輛能耗監(jiān)測(cè)分析技術(shù)路線

4 結(jié)束語

本文根據(jù)交通運(yùn)輸行業(yè)對(duì)車輛能源消耗監(jiān)控分析提出的實(shí)際要求，采用液體流量監(jiān)測(cè)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和微電腦技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一款由運(yùn)管中心監(jiān)控終端和多個(gè)車輛監(jiān)測(cè)客戶端組成的交通運(yùn)營(yíng)車輛能耗監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)。借助本系統(tǒng)，通過分析區(qū)域交通營(yíng)運(yùn)車輛的車型配置、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、車輛保有量及運(yùn)輸環(huán)境條件等實(shí)際情況，選取覆蓋整個(gè)區(qū)域交通運(yùn)輸行業(yè)能耗監(jiān)測(cè)的采樣點(diǎn)，制定了一套能夠反映該區(qū)域交通車輛能耗水平的能耗監(jiān)測(cè)方案，為交通運(yùn)輸部門統(tǒng)計(jì)、分析及預(yù)測(cè)交通能源消費(fèi)，制定政策及規(guī)劃，準(zhǔn)確分析技術(shù)設(shè)備及企業(yè)管理中存在的問題，找出行之有效的節(jié)能降耗的措施提供技術(shù)支持。

[1]隗海林．基于城市道路工況的汽車燃油消耗模型[J]．吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2011，39（9）：1146-1151.

[2]汪春華．基于LPC2362帶GPS功能汽車行駛記錄儀的開發(fā)[J]．嵌入式技術(shù)，2010，3（3）：35-38.

[3]楊 志．車輛異常油耗數(shù)據(jù)分析處理與仿真分析[J]．科技信息，73-74.

[4]羅海波．基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的車輛實(shí)時(shí)油耗檢測(cè)研究[J]．制造業(yè)自動(dòng)化，2010，32（9）：40-43.

[5]蔡亮明．基于富士通MB9BF506R的車輛油耗采集系統(tǒng)[J]．海峽科學(xué)，2012，72（12）：7-10.

[6]霍振興．基于PTR2000的汽車油耗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無線通信設(shè)計(jì)[J]．機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，1（1）：142-145.

Research on Energy Monitoring and Analysis System of Traffic Operation Vehicle Based on Internet of Things

LIU Xue-jun
（Guangxi Vocational and Technical College of Communications，Nanning Guangxi 530023，China）

Through the full investigation of regional traffic operation of the vehicle model configuration，structure characteristics，vehicle ownership and transportation conditions，etc.Select sampling points covering the entire area of the transportation industry energy monitoring，based on the basic principle of IOT technology research，reflect the regional transportation industry overall level of energy consumption，and can be energy monitoring analysis and forecast analysis system for consumption.Department of transportation statistics，analysis and forecast of traffic energy consumption，policy and planning，accurate analysis of existing equipment and technology in the enterprise management problems，find out the effective energy saving measures to provide technical support.

internet of things；operating vehicles；energy consumption monitoring；energy consumption analysis

U461.3

A

1672-545X（2017）09-0112-03

2017-06-23

廣西壯族自治區(qū)高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目支持（KY2015YB416）

劉學(xué)軍（1977－），男，山東濰坊人，教授，工學(xué)博士，研究方向：汽車機(jī)電一體化技術(shù)。