彭宏偉，劉冬東

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

當(dāng)前，我國(guó)的電商行業(yè)發(fā)展迅猛，帶動(dòng)了整體物流運(yùn)輸行業(yè)的爆發(fā)式增長(zhǎng)，據(jù)中國(guó)物流與采購(gòu)聯(lián)合會(huì)測(cè)算，2020年國(guó)內(nèi)A級(jí)資質(zhì)的物流企業(yè)共6 898家，累計(jì)物流業(yè)總收入達(dá)到10.5萬(wàn)億。但是隨著油價(jià)的不斷上漲和行業(yè)間激烈的競(jìng)爭(zhēng)，物流企業(yè)的經(jīng)營(yíng)利潤(rùn)卻不斷被壓縮，這就迫使客戶(hù)對(duì)運(yùn)輸車(chē)輛的燃油經(jīng)濟(jì)性要求越來(lái)越高，如何節(jié)油也成為各大商用車(chē)主機(jī)廠開(kāi)展技術(shù)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

近年來(lái)，基于傳統(tǒng)燃油車(chē)的節(jié)油技術(shù)研究，主要落腳點(diǎn)集中在車(chē)輛硬件優(yōu)化和主觀駕駛行為提醒兩大方面。硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)常用的技術(shù)包括匹配燃油經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)的發(fā)動(dòng)機(jī)、根據(jù)使用場(chǎng)景設(shè)計(jì)選取更優(yōu)的傳動(dòng)比、車(chē)輛底盤(pán)輕量化設(shè)計(jì)等。這些技術(shù)的關(guān)注點(diǎn)都在車(chē)輛硬件本身，現(xiàn)階段已經(jīng)遇到了技術(shù)發(fā)展的瓶頸。另外一方面，在主觀駕駛行為提醒上，可以通過(guò)對(duì)駕駛員的駕駛行為進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以打分的形式提醒駕駛員培養(yǎng)良好的開(kāi)車(chē)習(xí)慣，但是該技術(shù)僅限于行為評(píng)價(jià)，無(wú)法替代駕駛員的主觀駕駛行為，并不能達(dá)成高效的節(jié)油效果。為了解決駕駛員駕駛經(jīng)驗(yàn)不足導(dǎo)致的油耗浪費(fèi)，近年來(lái)國(guó)外出現(xiàn)了一種主觀預(yù)見(jiàn)性節(jié)油巡航技術(shù)（Predictive Cruise Control, PCC）。本文以預(yù)見(jiàn)性節(jié)油巡航技術(shù)基本邏輯原理為基礎(chǔ)，采用多系統(tǒng)集成調(diào)用的設(shè)計(jì)理念，針對(duì)高速物流運(yùn)輸車(chē)輛開(kāi)發(fā)了預(yù)見(jiàn)性巡航系統(tǒng)，并基于實(shí)際道路驗(yàn)證其節(jié)油效果。

1 預(yù)見(jiàn)性巡航系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

歐洲早在2012年就開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研發(fā)工作，斯堪尼亞在2012年就推出主動(dòng)預(yù)見(jiàn)性（Active Prediction）巡航控制系統(tǒng)，并在2015年進(jìn)行了升級(jí)優(yōu)化。該系統(tǒng)使用全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System, GPS）確定車(chē)輛位置和預(yù)測(cè)前方道路地形，在進(jìn)入上坡或下坡路段前，可對(duì)巡航速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，在整個(gè)行駛過(guò)程中可節(jié)省高達(dá)3%的燃油。2015年，沃爾沃在新款FH車(chē)型上應(yīng)用了一種新型的、更加智能化的I-See系統(tǒng)，在丘陵或者山坡道路行駛時(shí)，車(chē)上的I-See系統(tǒng)可以獲得最新的道路地形信息，能夠自動(dòng)在山坡道路上換擋、加速和進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)，最大程度提高燃油經(jīng)濟(jì)性，據(jù)測(cè)算長(zhǎng)途運(yùn)輸路段可以節(jié)約燃油約4%。2018年，奔馳發(fā)布了新一代Actros車(chē)型，其上搭載了全新的預(yù)見(jiàn)性動(dòng)力總成控制系統(tǒng)（Predictive Powertrain Control, PPC），該系統(tǒng)優(yōu)化了駕駛風(fēng)格，主要目的是避免不必要的制動(dòng)、加速或換擋，并盡可能提高燃油效率。經(jīng)過(guò)運(yùn)營(yíng)測(cè)試，與上一代車(chē)型相比，新Actros在高速公路上的燃油消耗量減少了3%。

除了一些大型的整車(chē)生產(chǎn)企業(yè)之外，一級(jí)供應(yīng)商威伯科也在2015年發(fā)布了一款面向卡車(chē)與客車(chē)的預(yù)見(jiàn)性電子巡航控制系統(tǒng)OptiPaceTM，該系統(tǒng)采用車(chē)載數(shù)字地圖技術(shù)和專(zhuān)用算法，根據(jù)前方道路的地形特征預(yù)測(cè)并規(guī)劃最經(jīng)濟(jì)的路線，還能夠和威伯科的自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)融合成為一體，既能顯著地節(jié)約燃油，又能減少行車(chē)過(guò)程中的多余制動(dòng)操作，減少摩擦片磨損，提升行車(chē)安全性。

綜上所述，最早從2012年起，歐洲主流商用車(chē)公司均研發(fā)并應(yīng)用了預(yù)見(jiàn)性節(jié)油巡航技術(shù)，雖然對(duì)外發(fā)布的控制系統(tǒng)名稱(chēng)各不相同，但是其技術(shù)本質(zhì)是相同的，都是采用地圖獲取前方路況信息，綜合決策后執(zhí)行車(chē)速控制，達(dá)到節(jié)油的目的，且均已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

國(guó)內(nèi)的商用車(chē)公司在預(yù)見(jiàn)性巡航技術(shù)研究方面起步相對(duì)較晚，普遍都是近兩年才開(kāi)展這方面技術(shù)的研發(fā)，見(jiàn)諸報(bào)道的企業(yè)主要集中在商用車(chē)的頭部公司和地圖廠商。

1.2 技術(shù)原理

預(yù)見(jiàn)性節(jié)油巡航技術(shù)是使用車(chē)載終端GPS定位和內(nèi)置自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driver Assistance System, ADAS）地圖抓取前方道路的坡度和曲率等基本信息，再結(jié)合車(chē)輛當(dāng)前行駛速度來(lái)綜合規(guī)劃前方行駛路徑，其技術(shù)原理如圖1所示。在進(jìn)入上坡時(shí)，系統(tǒng)會(huì)結(jié)合規(guī)劃的行駛路徑提前給車(chē)輛加速，避免在爬坡時(shí)踩油門(mén)或者換擋，造成燃油和時(shí)間的浪費(fèi)。在車(chē)輛即將上到坡頂?shù)臅r(shí)候，系統(tǒng)會(huì)適當(dāng)降低設(shè)置車(chē)速，充分利用車(chē)輛加速的慣性實(shí)現(xiàn)沖頂。在快要下坡前，系統(tǒng)會(huì)提前松開(kāi)油門(mén)，充分利用車(chē)輛的動(dòng)力和重力勢(shì)能，在下坡時(shí)“免費(fèi)”獲得較大的速度。如此往復(fù)，與定速巡航相比，預(yù)見(jiàn)性巡航可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的節(jié)油效果。

1.3 系統(tǒng)組成

本文開(kāi)發(fā)的預(yù)見(jiàn)性巡航系統(tǒng)由主控模塊、集成ADAS地圖的車(chē)載終端、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、制動(dòng)系統(tǒng)、儀表和開(kāi)關(guān)等單元組成，其系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

1.4 功能開(kāi)發(fā)

本文提出的預(yù)見(jiàn)性巡航系統(tǒng)從軟硬件選型設(shè)計(jì)和整車(chē)匹配開(kāi)發(fā)測(cè)試方面考慮，在確保系統(tǒng)功能可靠的前提下，最大程度上提升系統(tǒng)的節(jié)油效果。系統(tǒng)的功能開(kāi)發(fā)涉及如下內(nèi)容：

1.模塊開(kāi)發(fā)

目前主流的開(kāi)發(fā)方案有兩種，其一是開(kāi)發(fā)獨(dú)立的控制單元，其二是利用發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元（Electronic Control Unit, ECU）進(jìn)行功能集成。獨(dú)立控制單元具有較高的擴(kuò)展性，通過(guò)植入自主節(jié)油算法，可以調(diào)動(dòng)整車(chē)動(dòng)力鏈上的各項(xiàng)功能，包括變速箱和制動(dòng)系統(tǒng)，具備較高的可移植性，但是需要與不同的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行適配測(cè)試，后期測(cè)試工作量較大。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU功能集成的開(kāi)發(fā)工作量相對(duì)較小，節(jié)油邏輯集成在發(fā)動(dòng)機(jī)ECU中，無(wú)需大量的測(cè)試驗(yàn)證。本文介紹的預(yù)見(jiàn)性巡航系統(tǒng)采用獨(dú)立的控制單元進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和測(cè)試。

2.車(chē)載終端開(kāi)發(fā)（集成ADAS地圖）

以軟件開(kāi)發(fā)工具包（Software Development Kit,SDK）的形式將ADAS地圖包集成到車(chē)載終端T-BOX控制器中，并在T-BOX控制器硬件上增加IMU慣導(dǎo)模塊，提升定位精度，滿(mǎn)足系統(tǒng)對(duì)節(jié)油路徑規(guī)劃的各項(xiàng)性能需求。車(chē)載終端開(kāi)發(fā)過(guò)程中，各功能模塊之間的信號(hào)交互關(guān)系如圖3所示。

3.動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化匹配

預(yù)見(jiàn)性節(jié)油巡航系統(tǒng)除了需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)外，還需對(duì)變速箱和制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。為實(shí)現(xiàn)更好的節(jié)油效果，需要對(duì)變速箱進(jìn)行總線控制，包括擋位切換和空擋滑行控制，需要對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制，確保車(chē)輛處于合理的車(chē)速調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。

4.車(chē)身系統(tǒng)優(yōu)化開(kāi)發(fā)

優(yōu)化整車(chē)控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network, CAN）報(bào)文信號(hào)路由方案，將預(yù)見(jiàn)性節(jié)油巡航系統(tǒng)輸入輸出的信號(hào)重新分配，同時(shí)開(kāi)發(fā)總線開(kāi)關(guān)，新增預(yù)見(jiàn)性巡航退出開(kāi)關(guān)，用于緊急情況下的功能退出，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。

5.人機(jī)交互（Human Machine Interface, HMI）設(shè)計(jì)

基于整車(chē)數(shù)字化儀表設(shè)計(jì)全新的交互界面，增加預(yù)見(jiàn)性巡航設(shè)置界面，包括功能激活、關(guān)閉和速度限值調(diào)節(jié)等功能設(shè)置。同時(shí)，系統(tǒng)功能生效時(shí)，可以給用戶(hù)指示工作狀態(tài)和前方行駛路徑規(guī)劃信息，使駕駛員可以更加便捷地使用該系統(tǒng)。整車(chē)數(shù)字化儀表需包含的交互模塊及對(duì)應(yīng)的界面統(tǒng)計(jì)如表1所示。

2 實(shí)車(chē)測(cè)試驗(yàn)證與結(jié)果

為驗(yàn)證按照上述方案開(kāi)發(fā)的預(yù)見(jiàn)性節(jié)油巡航系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，在某型重卡牽引車(chē)上進(jìn)行系統(tǒng)加裝和道路驗(yàn)證。系統(tǒng)設(shè)置對(duì)前方2 km道路進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃，并通過(guò)多輪次的實(shí)際道路測(cè)試，充分驗(yàn)證該系統(tǒng)的節(jié)油效果。

2.1 測(cè)試概述

按照面向高速物流運(yùn)輸行業(yè)的既定目標(biāo)，本次預(yù)見(jiàn)性巡航系統(tǒng)的實(shí)車(chē)道路測(cè)試主要選定的測(cè)試路段為高速公路，具體按照行駛速度、坡度要求及裝載情況等因素，路況要求如下：

（1）全程路段坡度變化大，推薦平均坡度3%～7%；

（2）彎道半徑大；

（3）路程中存在多個(gè)出入口匝道；

（4）路程中存在不小于500 m的隧道；

（5）單程距離不小于70 km，來(lái)回記為一次測(cè)試。

標(biāo)定車(chē)輛載重要求為一臺(tái)掛車(chē)滿(mǎn)載標(biāo)定，車(chē)輛試驗(yàn)前完成2 500 km磨合試驗(yàn)。盡可能保證試驗(yàn)過(guò)程車(chē)輛不因故障原因而影響標(biāo)定進(jìn)度。標(biāo)定過(guò)程資源需求，掛車(chē)選用9.6 m短掛，更適用于山路多彎路況，行駛過(guò)程更安全。整個(gè)試驗(yàn)周期約7天。按照試驗(yàn)安排和當(dāng)?shù)氐缆非闆r，每天試驗(yàn)1到2次。

2.2 測(cè)試路線

試驗(yàn)過(guò)程路線設(shè)定為G3京臺(tái)高速屯溪—青陽(yáng)路段，單程約113 km，多為環(huán)山公路，彎道多，坡道長(zhǎng)，坡度在±6%以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足測(cè)試路況的要求。路線起點(diǎn)為黃山屯溪國(guó)際機(jī)場(chǎng)高速入口，終點(diǎn)為沙濟(jì)高速出口。

2.3 測(cè)試車(chē)輛

參與道路測(cè)試車(chē)輛需具備如下技術(shù)狀態(tài)：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)：按照系統(tǒng)方案要求，開(kāi)通ECU的預(yù)見(jiàn)性巡航控制功能；

（2）變速箱及緩速器：變速箱及緩速器程序匹配車(chē)型及發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)狀態(tài)，系統(tǒng)無(wú)故障；

（3）制動(dòng)系統(tǒng)：制動(dòng)系統(tǒng)匹配整車(chē)技術(shù)狀態(tài)，系統(tǒng)無(wú)故障；

（4）車(chē)載終端：按照系統(tǒng)方案要求，T-BOX集成eHP和ADAS地圖，可按協(xié)議要求與ECU握手，并基于實(shí)車(chē)定位完成前方行駛路徑的動(dòng)態(tài)規(guī)劃；

（5）車(chē)輛結(jié)構(gòu)、線束無(wú)動(dòng)態(tài)干涉，車(chē)輛運(yùn)行良好。

具體車(chē)輛相關(guān)參數(shù)要求如表2所示。

2.4 性能驗(yàn)證

在上述選定的測(cè)試路段，采用符合選型要求的車(chē)輛，進(jìn)行多輪次的道路測(cè)試，基于發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性的工作轉(zhuǎn)速分布如圖4和圖5所示，從圖中可以看出，與普通的定速巡航相比，預(yù)見(jiàn)

性巡航的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/扭矩分布點(diǎn)更加集中，經(jīng)濟(jì)性負(fù)荷占比較高，燃油經(jīng)濟(jì)性也更好。

通過(guò)記錄車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)ECU發(fā)出的累計(jì)噴油量，可以統(tǒng)計(jì)出完整測(cè)試過(guò)程中定速巡航和預(yù)見(jiàn)性巡航的百公里油耗數(shù)值，具體油耗數(shù)據(jù)對(duì)比如圖6所示，平均車(chē)速對(duì)比如圖7所示。通過(guò)記錄的數(shù)據(jù)可以清晰地看出，在選定的高速測(cè)試路段上進(jìn)行巡航行駛，定速巡航平均油耗為31.98 L/100 km，預(yù)見(jiàn)性巡航平均油耗為30.75 L/100 km，比定速巡航平均節(jié)油1.23 L。測(cè)試路段最低節(jié)油率2.93%，最高節(jié)油率4.26%，平均節(jié)油率在3.85%。

但是由于預(yù)見(jiàn)性巡航對(duì)車(chē)速的主動(dòng)控制調(diào)節(jié)，對(duì)測(cè)試全程的平均車(chē)速略有影響，與定速巡航相比，全程平均車(chē)速低2%～4%。

3 結(jié)論

以重卡6×4牽引車(chē)做為試驗(yàn)車(chē)輛，匹配預(yù)見(jiàn)性巡航控制系統(tǒng)，通過(guò)車(chē)載終端集成eHP和ADAS地圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛前方2 km道路的動(dòng)態(tài)規(guī)劃，并主動(dòng)調(diào)節(jié)車(chē)輛的高速巡航車(chē)速，與普通定速巡航相比，可以顯著提升節(jié)油效果。經(jīng)過(guò)實(shí)際道路測(cè)試驗(yàn)證，形成主要結(jié)論如下：

在地勢(shì)起伏較為明顯的路段，相比于定速巡航，預(yù)見(jiàn)性巡航可以降低油耗3%～4%。對(duì)于高速物流車(chē)輛，使用巡航頻率和里程均較高。單臺(tái)車(chē)以年行駛里程30萬(wàn)公里、平均油耗32 L/100 km，節(jié)油效果按4%，巡航使用率80%計(jì)算，單車(chē)一年預(yù)計(jì)可以節(jié)油3 072 L，節(jié)約成本2.15萬(wàn)左右，車(chē)輛在5年生命周期內(nèi)累計(jì)可以節(jié)約成本大于10萬(wàn)。由此可見(jiàn)，預(yù)見(jiàn)性巡航技術(shù)是高速物流運(yùn)輸?shù)纳逃密?chē)實(shí)現(xiàn)節(jié)油的有效手段。

由于預(yù)見(jiàn)性巡航控制系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛巡航車(chē)速的主動(dòng)調(diào)節(jié)，與定速巡航相比，平均車(chē)速會(huì)有3%～4%的降低，但是平均車(chē)速也達(dá)到80 km/h左右，對(duì)物流的時(shí)效性影響微弱。