在當(dāng)前市場(chǎng)環(huán)境對(duì)車(chē)輛多屬性平衡（動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性，駕駛性，舒適性，操縱性等）的要求越來(lái)越高的背景下，特別是對(duì)整車(chē)耐久性設(shè)計(jì)目標(biāo)提出了巨大的挑戰(zhàn)，即：精準(zhǔn)載荷目標(biāo)定義。這需要對(duì)于商用車(chē)的客戶(hù)在疲勞耐久方面的使用情況進(jìn)行詳細(xì)徹底的客戶(hù)使用調(diào)查分析。

對(duì)于商用車(chē)進(jìn)行客戶(hù)使用調(diào)查分析中存在如下的兩難局面：一方面，對(duì)于商用車(chē)，特別是重型卡車(chē)或牽引車(chē)等的商用車(chē)，為獲取用戶(hù)使用數(shù)據(jù)，需要在車(chē)輛上布置大量的測(cè)試通道，其包括但不限制于：應(yīng)變測(cè)試通道，加速度測(cè)試通道，位移測(cè)試通道，其他與CAN總線上可獲得的數(shù)據(jù)相關(guān)的測(cè)試通道；另外，如果考慮傳動(dòng)系，還需要獲取發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等相關(guān)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測(cè)試信號(hào)；而另一方面，為詳細(xì)調(diào)查用戶(hù)群的使用情況，特別是使得所述調(diào)查具有統(tǒng)計(jì)分布意義上的代表性，則需要選取足夠多的商用車(chē)用戶(hù)進(jìn)行前述多通道測(cè)試，而非僅關(guān)注于個(gè)別用戶(hù)的使用情況，從而造成樣本量明顯不足的情況。為此，需要一種方法來(lái)兼顧單個(gè)的具體樣本的測(cè)試通道數(shù)量與多個(gè)樣本數(shù)量之間的平衡。

為此，Siemens PLM 與歐美商用車(chē)企業(yè)聯(lián)合開(kāi)展了諸多工程項(xiàng)目，在這些項(xiàng)目背景下，進(jìn)行了基于各種類(lèi)型的重型牽引車(chē)的用戶(hù)相關(guān)性分析工作，并且由此建立了一整套適用于獲取商用車(chē)用戶(hù)使用情況的方法，從而為指導(dǎo)疲勞耐久測(cè)試方案的制訂/更新提供用戶(hù)使用數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布作為基礎(chǔ)。

在如下給出的本文中，以某6X4牽引車(chē)為例，給出對(duì)于此方法的描述，從而獲得：

• 在統(tǒng)計(jì)學(xué)上合理可靠的用戶(hù)相關(guān)目標(biāo)荷載特性

• 與此目標(biāo)荷載特性相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)場(chǎng)耐久性測(cè)試方法

圖1：用戶(hù)使用數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布與疲勞耐久測(cè)試的關(guān)系

方法概述

Siemens PLM 用戶(hù)相關(guān)性分析技術(shù)的一項(xiàng)核心要素是對(duì)真實(shí)用戶(hù)樣本進(jìn)行駕駛行為觀察，并以大數(shù)據(jù)分析為背景，獲得客觀的被觀察車(chē)輛運(yùn)行/使用狀況的統(tǒng)計(jì)學(xué)分布。其核心要素是對(duì)于用戶(hù)駕駛行為監(jiān)測(cè)。

這種統(tǒng)計(jì)學(xué)分布采用若干屬性進(jìn)行描述，例如，車(chē)速，路面狀態(tài)，車(chē)輛總質(zhì)量等等。為了限制整體數(shù)據(jù)分析的計(jì)算量，這些屬性采用離散化方式進(jìn)行分類(lèi)和表達(dá)，即在每一項(xiàng)用戶(hù)駕駛屬性的總數(shù)值范圍內(nèi)劃分成若干等級(jí)。

如此建立一個(gè)多維空間矩陣，每個(gè)矩陣單元代表了所有屬性整體各等級(jí)數(shù)值的組合特征，可以理解為被觀測(cè)用戶(hù)車(chē)輛運(yùn)行/使用工況的離散化表達(dá)。這些屬性從用戶(hù)實(shí)車(chē)工況數(shù)據(jù)采集的測(cè)量值推導(dǎo)而來(lái)，而這些測(cè)量數(shù)據(jù)由車(chē)隊(duì)測(cè)試的方式進(jìn)行采集。

接受工況監(jiān)測(cè)的卡車(chē)車(chē)隊(duì)由真實(shí)用戶(hù)所有和運(yùn)營(yíng)。這些車(chē)輛由 SIEMENS PLM 和作為SIEMENS PLM合作方的商用車(chē)企業(yè)進(jìn)行數(shù)采設(shè)備及傳感器的安裝工作，其中測(cè)試通道例如包含車(chē)輛質(zhì)心三向加速度及軸頭 Z 向加速度傳感器，GPS 以及相關(guān)CAN 信號(hào)，用于后期對(duì)駕駛條件進(jìn)行特征描述。

其中認(rèn)為與承載系疲勞耐久性目標(biāo)有關(guān)的行駛條件如下：

•  卡車(chē)加速/減速

•  轉(zhuǎn)彎

• 車(chē)輛總質(zhì)量（拖車(chē)+掛車(chē)+負(fù)載質(zhì)量）

• 路面平整度

• 道路坡度

• 車(chē)速 

此項(xiàng)車(chē)隊(duì)測(cè)試工作的總體目標(biāo)是通過(guò)觀察處于真實(shí)運(yùn)行/使用條件下的用戶(hù)卡車(chē)，實(shí)現(xiàn)最直接的目標(biāo)市場(chǎng)用戶(hù)使用工況研究。

圖2：基于多維矩陣的CUCO計(jì)算方法示例-測(cè)試記錄劃分

對(duì)于西門(mén)子PLM 的用戶(hù)相關(guān)分析技術(shù)，其另外一個(gè)要素是車(chē)輛在行駛過(guò)程中各個(gè)荷載通道的響應(yīng)。這項(xiàng)采集工作由全通道道路荷載數(shù)據(jù)采集（RLDA）測(cè)試完成，該測(cè)試的基礎(chǔ)是一輛全通道載荷譜采集試驗(yàn)車(chē)。外場(chǎng) RLDA 測(cè)試的目的是盡可能地復(fù)現(xiàn)用戶(hù)卡車(chē)在駕駛員日常駕駛工況觀察期間所可能出現(xiàn)的各種駕駛行為/使用工況，采集與結(jié)構(gòu)耐久性相關(guān)的荷載譜。數(shù)量眾多的測(cè)量通道當(dāng)中包括了多個(gè)六分力通道，應(yīng)變通道，加速度通道，位移通道等等?？梢詫?duì)此卡車(chē)在各種行駛條件下的結(jié)構(gòu)荷載進(jìn)行準(zhǔn)確的特性描述。

外場(chǎng) RLDA 測(cè)試工作主要由西門(mén)子合作方進(jìn)行，其中全通道測(cè)試卡車(chē)包含多個(gè)模擬測(cè)量通道（應(yīng)變計(jì)、加速計(jì)、位移傳感器）。這些測(cè)量通道應(yīng)用于卡車(chē)各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，如：車(chē)橋、車(chē)架、油箱、蓄電池和駕駛室。另外采集了其它 CAN 總線和 GPS 信號(hào)，用于提供輔助性信息。核心通道為整車(chē) 4 個(gè)車(chē)輪六分力，用于采集道路傳遞到軸頭的載荷信號(hào)。

將這兩項(xiàng)核心要素，即用戶(hù)使用工況矩陣及全通道試驗(yàn)車(chē)工況損傷矩陣進(jìn)行結(jié)合，對(duì)該用戶(hù)使用工況條件下的累計(jì)損傷進(jìn)行評(píng)估。

圖3：基于多維矩陣的CUCO計(jì)算方法示例-數(shù)據(jù)合成

針對(duì)任一車(chē)隊(duì)車(chē)輛Fleetxx，在用戶(hù)損傷矩陣內(nèi)對(duì)應(yīng)任一特定荷載通道的所有損傷之和即提供了此車(chē)輛/用戶(hù)的總損傷值。此數(shù)據(jù)為該用戶(hù)在設(shè)計(jì)目標(biāo)里程下針對(duì)這一荷載通道所評(píng)估的累積疲勞（偽）損傷值。針對(duì)車(chē)隊(duì)測(cè)試中的每一個(gè)用戶(hù)，對(duì)各個(gè)載荷通道的累積偽損傷值進(jìn)行分別計(jì)算。

在此步驟之后，對(duì)于同一載荷通道中 n 臺(tái)被監(jiān)測(cè)車(chē)輛/用戶(hù)樣本可以確定 n個(gè)累計(jì)損傷值，基于這些樣本可以形成一個(gè)累計(jì)用戶(hù)損傷概率分布特性圖，該分布提供了對(duì)整個(gè)用戶(hù)群（市場(chǎng)）的累計(jì)分布概率函數(shù)的估計(jì)。

根據(jù)這一累計(jì)分布估計(jì)值，推算出 95%的概率損傷值，該數(shù)據(jù)作為最終基準(zhǔn)參考數(shù)值，用于描述特定通道95%的用戶(hù)荷載目標(biāo)。在針對(duì)所有通道執(zhí)行概率統(tǒng)計(jì)分析后，能夠提供一組基準(zhǔn)損傷值，用于代表各個(gè)相關(guān)荷載通道95%用戶(hù)的疲勞耐久性目標(biāo)。

在此之后，可建立和/或修正試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法，其目標(biāo)是通過(guò)對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)不同路面/車(chē)速/載重量的組合，盡可能的復(fù)現(xiàn)各個(gè)目標(biāo)載荷通道的目標(biāo)累積損傷值。

圖4：利用用戶(hù)相關(guān)性分析結(jié)果建立或修正試驗(yàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法

試驗(yàn)場(chǎng)路譜載荷相關(guān)性分析可以利用西門(mén)子的軟件產(chǎn)品 Tecware的Combitrack模塊進(jìn)行。Combitrack模塊模塊提供兩種不同的相關(guān)性分析方法： 

1. 載荷直方圖優(yōu)化：針對(duì)不同的載荷譜進(jìn)行優(yōu)化組合，計(jì)算和目標(biāo)載荷相關(guān)性最好的結(jié)果（通常選用的優(yōu)化方法）。

2. 測(cè)試?yán)锍虄?yōu)化：通過(guò)不同載荷譜的優(yōu)化組合，形成滿(mǎn)足目標(biāo)值的最短試驗(yàn)場(chǎng)測(cè)試方法（通常試驗(yàn)場(chǎng)載荷結(jié)果會(huì)比目標(biāo)載荷大）。

Combitrack模塊的迭代計(jì)算也有兩種模式：

1. 全局損傷 – 對(duì)雨流矩陣整體進(jìn)行損傷計(jì)算得出偽損傷值并與目標(biāo)損傷對(duì)比

2. 局部損傷 – 針對(duì)目標(biāo)載荷和試驗(yàn)場(chǎng)載荷雨流矩陣中的載荷分布進(jìn)行局部對(duì)比

對(duì)于疲勞耐久性用戶(hù)相關(guān)性分析而言，不存在也并不需要用戶(hù)目標(biāo)雨流矩陣，因此在迭代計(jì)算中僅使用全局損傷優(yōu)化模型。

圖5：利用西門(mén)子的軟件產(chǎn)品 Tecware的Combitrack模塊進(jìn)行的迭代處理

工程項(xiàng)目案例

西門(mén)子與國(guó)內(nèi)某商用車(chē)制造商利用前述技術(shù)聯(lián)合進(jìn)行了商用車(chē)用戶(hù)相關(guān)性項(xiàng)目，如下基于此項(xiàng)目的執(zhí)行給出具體工程化案例，以用于更好地闡述此方法的實(shí)施。

01

車(chē)隊(duì)測(cè)試

車(chē)隊(duì)測(cè)試工作由西門(mén)子和西門(mén)子合作方（商用車(chē)制造商）在多輛用戶(hù)卡車(chē)上執(zhí)行，這些卡車(chē)分別命名為Fleet 01至 Fleet 0X。所有的輛卡車(chē)數(shù)據(jù)均用于后續(xù)數(shù)據(jù)處理及分析。駕駛路線覆蓋華北，華南，西北和西南等主要市場(chǎng)。駕駛條件為日常自由駕駛，無(wú)任何駕駛行為導(dǎo)向。測(cè)量通道為加速度傳感器（主要布置在車(chē)架和車(chē)輪上）+GPS+CAN。累計(jì)觀察時(shí)間大約2000小時(shí)。累計(jì)觀察里程10萬(wàn)千米。

02

全通道試驗(yàn)車(chē)路譜采集（RLDA）

在疲勞耐久性用戶(hù)相關(guān)性分析中，于外場(chǎng)公共道路上全通道試驗(yàn)車(chē)用于描述在某個(gè)特定用戶(hù)工況下車(chē)輛各個(gè)零部件的載荷響應(yīng)。同時(shí)在試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化路面上用于采集加速的疲勞耐久性測(cè)試信號(hào)，便于后期用戶(hù)載荷目標(biāo)與試驗(yàn)場(chǎng)測(cè)試強(qiáng)度等效。

全通道試驗(yàn)車(chē)路譜采集中主要布置如下的測(cè)量通道：位移傳感器（拉線式位移傳感器），應(yīng)變片（對(duì)于拉壓彎扭進(jìn)行全橋測(cè)量），加速度傳感器（電容式PCB加速度傳感器），車(chē)輪六分力傳感器，其他類(lèi)型的傳感器（GPS，CAN信號(hào)等）。

全通道測(cè)試車(chē)從北京空載出發(fā)，途徑石家莊，鄭州，后抵達(dá)襄樊。在襄樊進(jìn)行車(chē)輛狀態(tài)檢查及修整后，進(jìn)行公共道路譜采集。其中同一載重工況的基礎(chǔ)路譜數(shù)據(jù)采集時(shí)長(zhǎng)約六天，測(cè)試?yán)锍碳s1700公里。去程從襄樊出發(fā)，途徑武漢，合肥到達(dá)定遠(yuǎn)，以高速公路為主，行程約為三天?；爻虖亩ㄟh(yuǎn)出發(fā)，途徑六安，信陽(yáng)返回襄樊，以國(guó)道為主，行程約為三天。

試驗(yàn)路線以測(cè)試車(chē)試驗(yàn)牌照有效省份為基礎(chǔ)，包含國(guó)道，高速，山區(qū)，城市等典型用戶(hù)工況，盡量保證測(cè)試工況的多樣性。外場(chǎng)過(guò)程中有服務(wù)車(chē)全程跟蹤輔助，測(cè)試停經(jīng)點(diǎn)有專(zhuān)門(mén)的服務(wù)站便于試驗(yàn)車(chē)的?？考皽y(cè)試系統(tǒng)的檢查及修整。測(cè)試過(guò)程中對(duì)途徑省市各典型路面進(jìn)行路譜信號(hào)采集，含高速，國(guó)道，省道，山區(qū)，城市道路，各大物流園進(jìn)出道路等。測(cè)試同時(shí)對(duì)公共道路譜路面質(zhì)量進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)并記錄。

本次襄陽(yáng)試驗(yàn)場(chǎng)耐久性載荷譜采集主要基于場(chǎng)內(nèi)強(qiáng)化路面，其中包含直搓板，帶角度搓板路，坑洼路，乙種水泥路面，甲種水泥路面，長(zhǎng)波路，小扭曲，大扭曲，中扭曲，卵石路，短波路及比利時(shí)環(huán)路。每種路面之間有平滑連接路進(jìn)行過(guò)度，整體布局以并聯(lián)路面為主。

圖6：襄樊試驗(yàn)場(chǎng)耐久性測(cè)試路面整體布局

03

數(shù)據(jù)處理中的一些技術(shù)要點(diǎn)

1. 坡度計(jì)算

用戶(hù)工況中的路面坡度計(jì)算可基于以下兩種測(cè)試信號(hào)獲?。?strong>GPS海拔信號(hào)和零頻加速度傳感器信號(hào)。

由于GPS傳感器對(duì)海拔的精度相對(duì)較低，因此本次用戶(hù)工況分析通過(guò)車(chē)輛質(zhì)心 X向零頻加速度信號(hào)獲取路面坡度信息。車(chē)輛質(zhì)心零頻X向加速度測(cè)試信號(hào)包含兩方面的信息：

• 車(chē)速變化產(chǎn)生的卡車(chē)縱加速度

  
  

• 道路坡度導(dǎo)致的傳感器局部坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的重力場(chǎng)分量

  
  

即：a_x_measured = a_x_SpeedChange + a_x_RoadGradient

其中車(chē)輛速度變化產(chǎn)生的車(chē)輛縱向加速度可以通過(guò)車(chē)速變化曲線的微分獲?。?/strong>