基于多信息源融合的國六重型柴油車OBD-Ⅲ系統(tǒng)設(shè)計

俞妍，龐海龍，卜建國，雷威，張衡

(1.陸軍軍事交通學院軍用車輛工程系，天津 300161；2.東風商用車技術(shù)中心，湖北 武漢 430056)

通訊作者：龐海龍(1977—)，男，教授，研究方向為柴油機排放后處理、等離子體應(yīng)用設(shè)計；felixespfr@163.com。

近年來，我國機動車污染物排放標準逐步升級，2018年發(fā)布的《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》中明確規(guī)定，車輛應(yīng)裝備遠程排放管理車載終端，即在實現(xiàn)全部OBD-Ⅱ功能的基礎(chǔ)上增加無線通信裝置的OBD-Ⅲ，將采集的車載信息結(jié)合數(shù)字地圖，傳送到遠程服務(wù)器進行診斷和統(tǒng)一管理[1-2]。目前，OBD-Ⅲ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是通過OBD診斷結(jié)構(gòu)采集數(shù)據(jù)，但是汽車制造商并不會將大量數(shù)據(jù)發(fā)送至OBD診斷接口上供人隨意讀取，缺少對車輛的全面了解[3]。本研究基于國家重點研發(fā)計劃“柴油機排放后處理系統(tǒng)集成及OBD技術(shù)研究”，設(shè)計并研制了基于多信息源融合的國六重型柴油車OBD-Ⅲ遠程監(jiān)控系統(tǒng)，采取多源信息融合的方法采集傳感器節(jié)點、發(fā)動機動力CAN、車輛OBD診斷接口的數(shù)據(jù)，信息更全面。目前,該系統(tǒng)已經(jīng)在不同的重型柴油車上示范運行了10萬 km，采集數(shù)據(jù)樣本近9 000萬條，其中包含6萬條傳感器數(shù)據(jù)。并且采集的數(shù)據(jù)與便攜式排放測試系統(tǒng)(Portable Emission Measurement System，PEMS)實測數(shù)據(jù)基本一致，為相關(guān)部門進行車輛信息化監(jiān)測、診斷服務(wù)提供了重要的技術(shù)支持。

1 OBD-Ⅲ系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

OBD-Ⅲ系統(tǒng)的工作過程可以分為數(shù)據(jù)實時采集、無線傳輸和遠程監(jiān)控三部分[4]。車載數(shù)據(jù)采集終端通過與傳感器節(jié)點、發(fā)動機動力CAN、車輛OBD診斷接口通信，讀取車輛狀態(tài)參數(shù)、排放數(shù)據(jù)和故障信息等。車輛行駛時，將通過終端讀取的車輛信息與GPS模塊獲取的車輛位置信息形成數(shù)據(jù)包，利用移動互聯(lián)網(wǎng)以TCP的方式把數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程的服務(wù)器上，并將信息存儲到數(shù)據(jù)庫[5-6]。通過終端APP或者網(wǎng)頁的形式連接遠程服務(wù)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程訪問[7]。圖1示出重型柴油車OBD-Ⅲ系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。

圖1 重型柴油車OBD-Ⅲ系統(tǒng)總體方案

車載數(shù)據(jù)采集的拓撲結(jié)構(gòu)及信息流動過程可以表述為

O={S,Ls,Lp,Ld,G}。

(1)

式中：O表示車載數(shù)據(jù)采集終端；S表示傳感器集合；Ls表示傳感器線束集合；Lp和Ld分別表示動力CAN與OBD診斷接口集合；G表示OBD診斷接口網(wǎng)關(guān)。

傳感器Si通過測量得到車輛的實時數(shù)據(jù)，再經(jīng)過傳感器線束集合Ls傳輸至車載數(shù)據(jù)采集終端O，故障碼等信息會被發(fā)送到Ld上與OBD診斷接口實現(xiàn)傳輸，ECU數(shù)據(jù)流信息通過動力CAN總線Lp傳輸。具體的傳輸過程見圖2。

圖2 車載數(shù)據(jù)采集的信息流動過程示意

OBD-Ⅲ系統(tǒng)通過不同的診斷模式對OBD診斷接口發(fā)送相應(yīng)的請求，通過模式02獲取凍結(jié)幀，通過模式03讀取故障碼，通過模式09請求車輛信息等[8]，具體診斷模式見表1。

表1 OBD的9種診斷模式

2 系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件組成見圖3。

圖3 系統(tǒng)硬件組成

1) 中央控制模塊

考慮到重型柴油車的OBD診斷接口為CAN通信，因此遠程監(jiān)控系統(tǒng)終端選用工作穩(wěn)定可靠的32位STM32H743XIH6車用級芯片。它擁有兩路FDCAN通道，9個UART控制模塊，以及SPI、I2C等通信接口和豐富的I/O資源，CPU頻率可達480 MHz。這些特性能夠很好地滿足需求，對于構(gòu)建終端設(shè)備的穩(wěn)定性、實時性有很好的效果。

2) 模擬信號采集模塊

本研究安裝LCO152T加速度傳感器采集發(fā)動機振動信號。選用AD7768-4BSTZ芯片，提供ADC采集。振動傳感器輸出的信號為峰峰值10～60 mV的電壓信號。

3) CAN通信模塊

國Ⅵ柴油車OBD診斷接口基本采用CAN通信，本控制器設(shè)計了兩路CAN數(shù)據(jù)采集，一路采集OBD接口的診斷CAN數(shù)據(jù)，一路采集OBD接口的動力CAN數(shù)據(jù)。選用PCA82C250為CAN收發(fā)器芯片，電路原理圖見圖4。

圖4 CAN通信模塊

4) 無線通信模塊

根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量以及鏈路需求速率，數(shù)據(jù)傳輸模組選用FG150。FG150是一款集成了GNSS定位和北斗導(dǎo)航的基于全網(wǎng)通(包括5G)的無線模塊產(chǎn)品。FG150支持移動、聯(lián)通、電信三大運營商無線網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)四網(wǎng)無縫銜接；支持上下行非對稱數(shù)據(jù)傳輸，上下行數(shù)據(jù)傳輸速率可達到2.5 Gbps，具有流量大、功耗低、信號強的優(yōu)點。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.2.1 不同頻率數(shù)據(jù)采集的融合設(shè)計

對于與排放關(guān)聯(lián)密切的車輛狀態(tài)信息需要以1 Hz的固定頻率進行采集，車輛的故障碼和凍結(jié)幀等信息由于出現(xiàn)頻率較低，可以實行周期性采集，而車輛的識別信息如車輛識別號碼(Vehicle Identification Number，VIN)等可采用一次性采集的方式[9]。傳感器采集的信號比如發(fā)動機的振動信號為實時數(shù)據(jù)，需要以10 kHz的頻率進行采集。

根據(jù)不同的采集頻率，可以將OBD-Ⅲ系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)集D描述為

D={Ds,Df,Dp,D0}。

(2)

式中：Ds表示按照10 kHz頻率快速采集的傳感器數(shù)據(jù)集；Df表示按照1 Hz頻率采集的動力CAN數(shù)據(jù)集；Dp表示周期性采集的診斷接口數(shù)據(jù)集；D0為車輛一次性采集的數(shù)據(jù)集。

汽車發(fā)動機很多故障可以通過振動信號故障特征提取進行診斷。本研究在發(fā)動機曲軸外部連接桿上安裝加速度傳感器，以10 kHz的采樣頻率采集曲軸振動信號。將采集的振動信號進行傅里葉變換，得到相應(yīng)的頻域數(shù)據(jù)[10]。選擇變換窗口為1 s，傅里葉變換計算方法為

(3)

式中，連續(xù)傅里葉變換將平方可積的函數(shù)f(t)表示成復(fù)指數(shù)函數(shù)的積分或級數(shù)形式；F(ω)為f(t)的像函數(shù)，f(t)為F(ω)的原函數(shù)，原函數(shù)和像函數(shù)構(gòu)成一個傅里葉變換對。

根據(jù)動力CAN采集的發(fā)動機轉(zhuǎn)速信息和氣缸個數(shù)，提取振動信號基頻及其相應(yīng)的與故障相關(guān)的頻段，為判斷發(fā)動機抱軸、曲軸斷裂等故障提供數(shù)據(jù)信息[11]。

2.2.2 基于狀態(tài)機的數(shù)據(jù)傳輸機制

傳統(tǒng)的過程控制流程基本是順序執(zhí)行的，這種控制測量對于處理外部突發(fā)事件的能力較弱，容易出現(xiàn)丟數(shù)的現(xiàn)象。本研究采用有限狀態(tài)機模型(見圖5)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸控制。模塊通過UART接口與單片機進行通信，單片機通過發(fā)送AT指令來控制模塊建立和斷開網(wǎng)絡(luò)連接，將采集融合后的車載數(shù)據(jù)打包進行逐秒可靠發(fā)送。

圖5 基于狀態(tài)機的數(shù)據(jù)傳輸控制

2.3 遠程監(jiān)控平臺

遠程監(jiān)控平臺采用B/S架構(gòu)，即瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)，瀏覽器即是客戶端，用戶通過瀏覽器登陸使用系統(tǒng)，無需進行其他安裝配置。該平臺運行界面見圖6。

圖6 遠程監(jiān)控平臺運行界面

監(jiān)控平臺主要對車輛、車載數(shù)據(jù)采集終端、用戶、廠商和排放管理部門5種實體對象及其聯(lián)系進行存儲管理，數(shù)據(jù)庫設(shè)計概念可利用E-R圖來描述(見圖7)。

圖7 遠程監(jiān)控平臺數(shù)據(jù)庫E-R圖

3 試驗對象及測試儀器

試驗選取了4輛某型國Ⅵ重型柴油車，其上安裝了自行設(shè)計的遠程OBD-Ⅲ系統(tǒng)，在內(nèi)蒙古牙克石進行了實際道路試驗。

試驗車輛安裝便攜式排放測試系統(tǒng)PEMS進行行駛數(shù)據(jù)采樣。PEMS設(shè)備選用Horiba OBS-one，主要由氣體測量模塊、PN測量模塊、排氣流量計、GPS系統(tǒng)、主機、電源等部分組成[12]。

4 數(shù)據(jù)處理及方法

圖8示出部分OBD-Ⅲ系統(tǒng)獲得的NOx傳感器濃度與PEMS儀器測得的NOx濃度的逐秒精度對比。由圖8可以看出，雖然二者在逐秒對比時存在一定程度的誤差，但決定系數(shù)計算結(jié)果高達0.84，說明OBD-Ⅲ系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)與PEMS測量結(jié)果有較強的線性關(guān)系，在整體變化趨勢上是一致的。

圖8 遠程OBD與PEMS的瞬時NOx濃度對比

4.1 利用滑動平均法計算NOx排放

對于N個動態(tài)測試數(shù)據(jù){yi},不斷逐個滑動地取m個相鄰數(shù)據(jù)作加權(quán)平均來表示平滑數(shù)據(jù)，其一般算式為

(4)

這些參數(shù)的不同取法就形成不同的滑動平均方法。使用滑動平均法對OBD-Ⅲ系統(tǒng)獲取的NOx傳感器濃度進行處理，選取滑動平均窗口m分別為60 s,120 s,300 s時遠程OBD數(shù)據(jù)與PEMS數(shù)據(jù)之間的相對誤差(見圖9)進行分析[13]?？梢钥吹?，經(jīng)過滑動平均法處理后相對誤差大幅減少，在滑動平均窗口為60 s時，相對誤差波動除個別工況點以外已經(jīng)穩(wěn)定在20%以內(nèi)，將窗口增加至120 s時，整體波動范圍已不足10%。結(jié)果表明，未經(jīng)過滑動平均法處理時，直接使用逐秒數(shù)據(jù)進行在用車的實際道路排放水平監(jiān)測存在一定程度的誤差，而滑動平均法處理能夠降低OBD-Ⅲ數(shù)據(jù)與PEMS數(shù)據(jù)的相對誤差，增加數(shù)據(jù)間的一致性。

圖9 遠程OBD與PEMS的相對誤差對比

4.2 試驗結(jié)果

除了NOx濃度之外，還采用同樣的方式評估了其他重要參數(shù)通過OBD-Ⅲ和PEMS獲取時的差異，包括車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速。計算這3個變量的決定系數(shù)、平均相對誤差(Mean Relative Error，MRE)和歸一化均方誤差(Normalized Mean Square Error，NMSE)，結(jié)果見表2。

表2 OBD-Ⅲ與PEMS數(shù)據(jù)對比

續(xù)表

計算結(jié)果表明，在進行逐秒對比時，OBD-Ⅲ與PEMS測得的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速顯示出了高度的一致性，決定系數(shù)R2都超過了0.95，平均相對誤差和歸一化均方誤差也都較低，說明OBD-Ⅲ數(shù)據(jù)與PEMS數(shù)據(jù)在這兩項參數(shù)上基本完全吻合。與此相對應(yīng)的，NOx濃度在逐秒對比時平均相對誤差保持在±25%以內(nèi)，同時數(shù)據(jù)間有著很強的相關(guān)性(R2基本介于0.8～0.92之間)。通過延長時間序列，OBD-Ⅲ與PEMS數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性都有了不同程度的提高。

5 結(jié)論

a) 通過設(shè)計基于多信息源融合的重型柴油車遠程監(jiān)控系統(tǒng)，搭建傳感器節(jié)點，采集傳感器節(jié)點、發(fā)動機動力CAN、車輛OBD診斷接口的數(shù)據(jù)，并使用多源信息融合的方法提取有效特征參數(shù)，將數(shù)據(jù)按照國六法規(guī)的要求逐秒發(fā)送至服務(wù)器，數(shù)據(jù)可靠詳盡，為后續(xù)開展故障診斷、故障預(yù)測、排放監(jiān)管等提供技術(shù)支撐;

b) OBD-Ⅲ系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)滑動平均法處理后，與PEMS測量的數(shù)據(jù)具有較高的一致性，大大提高了評估結(jié)果的可靠性；OBD-Ⅲ系統(tǒng)能夠彌補遙測方式精確度不高和PEMS方式覆蓋面小的缺陷，具有實現(xiàn)大樣本車輛的高精度排放監(jiān)測的潛力;

c) 提出了基于有限狀態(tài)機的數(shù)據(jù)傳輸機制，比起傳統(tǒng)的順序控制流程，基于有限狀態(tài)機的數(shù)據(jù)傳輸機制處理外部突發(fā)事件的能力強，可有效解決丟數(shù)的現(xiàn)象。