林新強(qiáng)

摘 要：本文分析了新能源環(huán)衛(wèi)車(chē)輛的應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)了現(xiàn)有車(chē)輛亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。并以純電動(dòng)新能源洗掃車(chē)為研究對(duì)象，對(duì)于輕量化、節(jié)能化、智能化及車(chē)聯(lián)網(wǎng)等方面的技術(shù)深入研究，提出了純電動(dòng)智能網(wǎng)聯(lián)洗掃車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)。

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

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，市政環(huán)衛(wèi)保潔問(wèn)題日趨嚴(yán)重。目前，通過(guò)環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)機(jī)械化程度的提升，有效的緩解了此問(wèn)題，它使工人的勞動(dòng)強(qiáng)度降低、作業(yè)效率提高。但以燃油為主的環(huán)衛(wèi)車(chē)輛，造成的能源消耗、尾氣排放污染等問(wèn)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(shí)現(xiàn)車(chē)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(wèn)題，同時(shí)發(fā)展新能源汽車(chē)有助于我國(guó)汽車(chē)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)彎道超車(chē)，這是我國(guó)從汽車(chē)大國(guó)邁向汽車(chē)強(qiáng)國(guó)的必由之路。

新能源汽車(chē)大的發(fā)展趨勢(shì)是將公共服務(wù)領(lǐng)域用車(chē)作為新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用的突破口，以純電驅(qū)動(dòng)為新能源汽車(chē)發(fā)展的主要戰(zhàn)略取向。環(huán)衛(wèi)車(chē)輛作為公共服務(wù)領(lǐng)域用車(chē)的重要組成部分，因?yàn)榫哂卸c(diǎn)定線運(yùn)行、運(yùn)力高效、耗能高和排放差等特點(diǎn)，符合純電動(dòng)汽車(chē)的使用特點(diǎn)和零排放優(yōu)勢(shì)[2]，同時(shí)由于充電設(shè)施便于集中管理的運(yùn)營(yíng)優(yōu)勢(shì)、易于實(shí)現(xiàn)智能化的平臺(tái)優(yōu)勢(shì)[3]，成為政府推廣新能源車(chē)輛的主要對(duì)象，紛紛落地新能源環(huán)衛(wèi)車(chē)輛推廣優(yōu)惠政策。如今，在政策和技術(shù)的雙重驅(qū)動(dòng)下，新能源環(huán)衛(wèi)車(chē)輛的推廣應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展已有了長(zhǎng)足的進(jìn)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(hù)車(chē)、北京華林灑水車(chē)、福建龍馬純電動(dòng)掃路機(jī)等都已實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)化。

2 亟待解決的技術(shù)問(wèn)題

本文以環(huán)衛(wèi)車(chē)輛中的主銷(xiāo)車(chē)型洗掃車(chē)為基礎(chǔ)研究對(duì)象，通過(guò)大量市場(chǎng)調(diào)研獲得用戶對(duì)純電動(dòng)新能源環(huán)衛(wèi)車(chē)輛的顧慮，主要包括：純電動(dòng)車(chē)輛的續(xù)航能力、充電便捷性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等方面，并重點(diǎn)圍繞用戶關(guān)切的問(wèn)題開(kāi)展純電動(dòng)智能網(wǎng)聯(lián)洗掃車(chē)優(yōu)化續(xù)航能力、智能化作業(yè)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研發(fā)。

2.1 優(yōu)化續(xù)航能力

純電動(dòng)智能網(wǎng)聯(lián)洗掃車(chē)由底盤(pán)和上裝作業(yè)裝置構(gòu)成，底盤(pán)動(dòng)力蓄電池組不僅需要為車(chē)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(shí)踐表明，上裝作業(yè)裝置功耗占整車(chē)能耗的一半以上，提升專用裝置效率對(duì)降低整車(chē)能量消耗至關(guān)重要。受限于底盤(pán)電池技術(shù)的制約，需要通過(guò)上裝輕量化技術(shù)降低整車(chē)整備質(zhì)量、核心氣力輸送系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)降低整車(chē)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(chē)輛續(xù)航能力滿足實(shí)際作業(yè)需求，實(shí)現(xiàn)洗掃車(chē)整車(chē)電動(dòng)化目標(biāo)。

2.2 智能化控制

傳統(tǒng)環(huán)衛(wèi)車(chē)輛仍以實(shí)現(xiàn)基本作業(yè)功能為主，智能化水平遠(yuǎn)落后于現(xiàn)有的乘用車(chē)。針對(duì)洗掃車(chē)的作業(yè)特點(diǎn)開(kāi)展路肩自動(dòng)識(shí)別、路面垃圾污染量識(shí)別自動(dòng)控制和語(yǔ)音識(shí)別切換作業(yè)方式等智能控制，提升環(huán)衛(wèi)車(chē)輛智能化水平，減輕環(huán)衛(wèi)車(chē)輛操作者的精神負(fù)擔(dān)，智能控制技術(shù)也是純電動(dòng)智能網(wǎng)聯(lián)洗掃車(chē)的核心技術(shù)。

2.3 車(chē)網(wǎng)聯(lián)技術(shù)

目前的環(huán)衛(wèi)服務(wù)管理平臺(tái)只能對(duì)車(chē)輛的位置、車(chē)速、行駛軌跡等非常有限的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控，而且現(xiàn)有車(chē)載網(wǎng)聯(lián)終端不能完全適配環(huán)衛(wèi)車(chē)輛，無(wú)法實(shí)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(píng)估等，不能全面統(tǒng)計(jì)、分析駕駛員的作業(yè)習(xí)慣，在環(huán)衛(wèi)作業(yè)質(zhì)量反饋、降低環(huán)衛(wèi)運(yùn)營(yíng)成本、數(shù)字評(píng)估管理實(shí)效性等方面存在不足。開(kāi)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(chē)輛專用網(wǎng)聯(lián)終端設(shè)備，全方位采集、分析車(chē)輛作業(yè)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，合理設(shè)計(jì)規(guī)劃車(chē)輛的作業(yè)路徑及作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)環(huán)衛(wèi)作業(yè)車(chē)輛與環(huán)衛(wèi)管理平臺(tái)的互聯(lián)，提升作業(yè)質(zhì)量和效率，降低環(huán)衛(wèi)運(yùn)營(yíng)成本。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)踐

3.1 優(yōu)化續(xù)航能力

3.1.1 上裝輕量化設(shè)計(jì)

開(kāi)展整車(chē)道路譜應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究，獲得整車(chē)上裝不同測(cè)點(diǎn)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(chē)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(chē)模型響應(yīng)，確定洗掃車(chē)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?fù)鋬?yōu)化等技術(shù)得出輕量化優(yōu)化方案，并與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證有限元模型的有效性。同時(shí)分析了轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)和顛簸工況下優(yōu)化后箱體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度特性，最終上裝箱體減重16%，實(shí)現(xiàn)了輕量化的目標(biāo)，降低百公里能耗[4]。

3.1.2 氣力輸送系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)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(lèi)車(chē)輛專用裝置的最核心的技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)于解決目前氣力輸送系統(tǒng)功率大、能耗高、噪聲大的問(wèn)題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。首先，基于計(jì)算流體力學(xué)軟件ANSYS CFX建立針對(duì)離心風(fēng)機(jī)和風(fēng)道系統(tǒng)的數(shù)值仿真模型并采用實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證;其次，基于該模型分別對(duì)離心風(fēng)機(jī)和風(fēng)道系統(tǒng)進(jìn)行性能預(yù)測(cè)，并獲得離心風(fēng)機(jī)與風(fēng)道系統(tǒng)的特性曲線，確定清掃系統(tǒng)離心風(fēng)機(jī)匹配工作點(diǎn);再次，針對(duì)匹配點(diǎn)工況下的離心風(fēng)機(jī)流動(dòng)損失和流場(chǎng)分析，摸清了各流通部件之間的耦合流動(dòng)影響規(guī)律，以及耦合流動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了進(jìn)口導(dǎo)管導(dǎo)致的葉輪入口流場(chǎng)畸變是導(dǎo)致風(fēng)機(jī)性能惡化的關(guān)鍵因素。并通過(guò)詳細(xì)的流場(chǎng)分析，揭示了性能惡化的流動(dòng)機(jī)理以及關(guān)鍵影響幾何參數(shù)?；诹鲃?dòng)損失機(jī)理，對(duì)現(xiàn)有離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能優(yōu)化并用數(shù)值仿真方法進(jìn)行優(yōu)化效果驗(yàn)證。CFD數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)在滿足環(huán)衛(wèi)清掃車(chē)工作需求的情況下，匹配工作點(diǎn)工況下效率提高約10%[5]。

3.1.3 動(dòng)力系統(tǒng)匹配

進(jìn)行純電動(dòng)底盤(pán)動(dòng)力系統(tǒng)與上裝工作裝置的功率匹配研究，即底盤(pán)電機(jī)與上裝電機(jī)的能量分配、電壓控制等動(dòng)力模塊的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證洗掃車(chē)各工作裝置在滿足作業(yè)要求的情況下進(jìn)行合理能量分配。發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)控制器、電機(jī)控制器、電動(dòng)機(jī)、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(jì)編寫(xiě)，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(lèi)、污染等級(jí)和車(chē)輛行駛狀態(tài)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整車(chē)輛的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、掃盤(pán)轉(zhuǎn)速和噴灑水量的大小，在保證清掃效果的同時(shí)降低能耗。采用基于機(jī)器視覺(jué)的判斷方法在實(shí)時(shí)系統(tǒng)與原有定義間建立一種映射機(jī)制，使實(shí)時(shí)視頻傳感器等測(cè)出的垃圾量直接與路面所檢測(cè)的面積形成比值，從而反應(yīng)到路面垃圾覆蓋率，通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的采集路面的垃圾覆蓋率即可實(shí)時(shí)調(diào)整洗掃車(chē)的作業(yè)參數(shù)。

3.2.2 路肩及障礙物自動(dòng)識(shí)別

該系統(tǒng)通過(guò)超聲波傳感器探測(cè)掃盤(pán)、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(chē)載控制器計(jì)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(dòng)調(diào)整作業(yè)裝置的擺出位置，以免車(chē)輛在工作過(guò)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(duì)車(chē)體或作業(yè)裝置造成剛性損傷，減輕了駕駛員工作強(qiáng)度。

3.2.3 控制系統(tǒng)智能化

采用語(yǔ)音識(shí)別控制模塊存儲(chǔ)洗掃車(chē)的操作控制指令并識(shí)別駕駛員的語(yǔ)音指令，實(shí)現(xiàn)駕駛員駕駛車(chē)輛進(jìn)行環(huán)衛(wèi)作業(yè)時(shí)能用語(yǔ)音來(lái)控制上裝專用裝置的運(yùn)行，協(xié)助或替代手動(dòng)操作工作，提高駕駛安全性。通過(guò)人臉識(shí)別模塊，與預(yù)先在平臺(tái)綁定的駕駛員信息對(duì)比進(jìn)行駕駛員身份認(rèn)證，駕駛過(guò)程中會(huì)根據(jù)駕駛員的面部表情及體態(tài)特征，監(jiān)測(cè)駕駛員是否處于疲勞狀態(tài)或身體不適，對(duì)駕駛員發(fā)出警報(bào)提示。

3.3 智慧平臺(tái)及終端

智慧環(huán)衛(wèi)運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)系統(tǒng)可兼容各類(lèi)型底盤(pán)、電池、掃盤(pán)等結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)通用化的電氣原理，模塊化的電控箱、應(yīng)用軟件，標(biāo)準(zhǔn)化的控制通信協(xié)議。使純電動(dòng)洗掃車(chē)ECU的可靠性、可維護(hù)性、穩(wěn)定性大幅提升，售后維護(hù)成本降低，系統(tǒng)軟硬件的升級(jí)改進(jìn)方便， 產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力提高，為遠(yuǎn)程升級(jí)、維護(hù)、更新控制系統(tǒng)軟件提供統(tǒng)一的全新的智能化平臺(tái)。良好地實(shí)現(xiàn)洗掃車(chē)各專用工作裝置的控制，實(shí)現(xiàn)各工作狀態(tài)的良好控制，達(dá)到預(yù)期效果，保證洗掃車(chē)的兼容性，良好的人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)洗掃車(chē)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(gè)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(jìn)行各類(lèi)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(lèi)作業(yè)狀態(tài)信息通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與智慧環(huán)衛(wèi)運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通訊。依托云平臺(tái)大數(shù)據(jù)支持，通過(guò)B/S架構(gòu)的管理平臺(tái)及手機(jī)APP應(yīng)用，基于專業(yè)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃惴?，從最專業(yè)的視角獲取純電動(dòng)洗掃車(chē)的運(yùn)行數(shù)據(jù)及最直觀全面的數(shù)據(jù)分析報(bào)告，最終實(shí)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(yuǎn)程交互。該終端可準(zhǔn)確、可靠、有效地采集現(xiàn)有環(huán)衛(wèi)裝備各種信號(hào)類(lèi)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(tái)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(shí)現(xiàn)智慧環(huán)衛(wèi)裝備的遠(yuǎn)程交互功能，為智慧環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)平臺(tái)與純電動(dòng)洗掃車(chē)提供可靠的數(shù)據(jù)鏈路基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)輕量化使上裝箱體減重16%、優(yōu)化氣力輸送系統(tǒng)使風(fēng)機(jī)效率提高約10%以及動(dòng)力系統(tǒng)合理匹配，最終實(shí)現(xiàn)了整車(chē)?yán)m(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(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)及終端裝置的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了環(huán)衛(wèi)設(shè)備自動(dòng)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(dòng)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(yǔ)言處理以及智能決策等方面獲得重大突破，自動(dòng)駕駛已經(jīng)成為車(chē)輛發(fā)展的主流方向[6-10]。未來(lái)環(huán)衛(wèi)車(chē)輛也必將融合人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能路徑規(guī)劃、智能垃圾檢測(cè)及清理、智能切換作業(yè)模式、智能遠(yuǎn)程調(diào)度、故障遠(yuǎn)程診斷等功能。

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