基于數據融合的發動機冷起動數據采集系統

陳偉京

（中車石家莊車輛有限公司，河北 石家莊 051430）

大量的實際使用和試驗測試表明：汽車使用過程中所產生的有害氣體排放主要集中于低溫起動和怠速過程，其中HC、CO約占80%，NOx占50%。隨著環保意識的增強，人們采用了多種方法來提高發動機的性能，尤其在排放、動力和經濟性能上取得了很大的改善，但在改善發動機冷起動性能方面則表現不足。由此可見，深入研究發動機冷起動，特別是柴油機低溫冷起動特性，對改善起動性能、降低有害氣體排放和燃油消耗都具有重要意義，而研究冷起動過程，首先就要將冷起動過程中的數據采集出來并進行整體分析。本文著重研究基于數據融合技術的發動機冷起動數據采集系統。

1 數據融合技術

憑借其對數據信息處理的巨大優勢，在工業控制、機器人、航空航天、指揮通訊等諸多領域得到了廣泛應用。數據融合就是通過充分利用來自測試系統的不同時間和空間的各種數據資源，在不同數據層次上進行各種必要的組合、集成、抽取、關聯等處理，從而得到最佳的判斷結果。數據融合技術有助于提高智能測試系統的整體性能，使其具有專家系統的功能。

2 發動機冷起動數據采集系統

發動機冷起動數據采集系統需要同時監測諸如壓力、電流、電壓、溫度、轉速等各種參量信號，（電流傳感器、轉速傳感器、濕度傳感器、電壓傳感器各一個；壓力傳感器三個分別用來測量大氣壓力、進氣壓力和機油壓力；溫度傳感器4個，分別用來測量環境溫度、機油溫度、冷卻水溫度和電瓶溫度）除完成多路數據的自動監測、采集、存儲外，還需要進行數據的傳送、處理、繪圖等功能。圖1為其系統結構圖。

本系統采用了上、下位機的結構。其中上位機為一PC機，是系統的數據處理模塊，采用VC++程序進行編寫；其功能是接收由下位機傳輸來的采集數據并對其進行分析處理、數據顯示、繪圖等功能。下位機為一數據采集器形式，是系統的數據采集模塊，采用C語言編寫，其功能是完成數據的采集，原始數據的簡單處理、存儲并可通過接口與上位機完成數據傳送和聯機監測。

圖1 冷起動數據采集系統結構圖

軟件部分主要用來管理硬件系統完成對被測量的監測和數據采集，實現量程轉換、數據融合、故障診斷、邏輯推理、通信、報警等功能。上位機是整個數據采集系統的核心。可以完成文件管理、試驗設置、查看和數據分析等功能。圖2為其結構圖。下位機軟件系統直接與被測對象相關，貫穿著整個測試系統。

圖2 數據采集系統軟件結構圖

3 數據處理

系統所處理的數據包括溫度、轉速、電流、電壓、壓力和濕度等，將其按照法則進行歸類分析后，認為其基本可分為三類：①具有良好曲線特征并可“直接”測量的信號；②具有良好曲線特征但不可采用“直接”測量的信號；③不具有良好曲線特性但可采用“直接”測量的信號。由于電流電壓等信號可以在整流濾波后直接進行處理，下面以溫度和轉速為例著重對前兩類數據進行處理。

3.1 溫度信號的數據處理

溫度數據的采集會不可避免地存在很多隨機干擾和疏失誤差，這些對數據精度的影響較大，在數據處理之前，應予剔除。由于在實際測量中，儀器的老化、環境的變化、被測對象自身的變化等情形不可避免地會導致測量結果的不等精度。本系統中采用了自適應加權融合法來處理溫度信號，因為此方法不需要數據具有等精度性，而是引入標志測量精度的特征數字“權”數W來計算均方差最小的融合值。自適應加權數據融合模型如圖3所示。不同的測量數據都有其相應的權數，在總均方差最小這一最優條件下，根據各測量數據以自適應的方式尋找其他對應權數，使融合后的X達到最優。

圖3 自適應加權數據融合模型

加權因子W引入后，測量數據的融合值為：

其中σ2是各加權因子Wi的多元二次函數。根據多元函數求極值理論，可以求出當加權因子為時為最小。

3.2 轉速信號的數據處理

根據轉速具有明顯曲線特征的性質和數據融合理論的優勢，建立起了基于估計理論模式的數據融合理論，如圖4所示。

圖4 速度信號融合假設模型

采用曲線擬合的最小二乘法對采集轉速信號進行擬合，將得到的測量估計當作采樣結果，運用圖3建立的對數據等精度不做要求的數據融合模型進行處理。

4 試驗應用分析

將開發的數據采集系統應用于一臺安裝普通預熱塞的4缸發動機，按照圖5所示的冷起動試驗過程進行冷起動試驗，發動機臺架試驗結果如圖6所示；圖7為開發的發動機冷起動數據采集系統采集的結果。從圖6和圖7的比較可以看出，發動機在啟動過程中數據變化規律基本與實際起動過程吻合。

圖5 冷起動試驗過程流程圖

圖6 發動機冷起動曲線圖

圖7 發動機冷啟動采集數據

5 結語

（1）本文將數據融合技術應用于發動機冷起動數據采集系統，構建了自適應加權數據融合模型；

（2）通過冷起動試驗，證明數據融合處理后的數據與采集到的數據變化規律基本吻合，說明開發的冷啟動數據采集系統是成功的，可為發動機的冷起動測試和優化提供借鑒。