劉義樂， 張進(jìn)秋

(陸軍裝甲兵學(xué)院車輛工程系， 北京 100072)

時(shí)間序列指一串按時(shí)間先后順序有序排列的觀測值[1]，具有數(shù)據(jù)點(diǎn)多(往往達(dá)到億級(jí))、數(shù)據(jù)鏈長和冗余點(diǎn)多的特點(diǎn)，只有在某個(gè)時(shí)間段，這些數(shù)據(jù)才會(huì)按照某種規(guī)律變化而具備分析意義。為了找到并表示這些有意義的片段，人們提出了利用不同模式來分段表示時(shí)間序列的各種方法，如頻域表示法、符號(hào)表示法和分段直線表示法等[2]。

坦克駕駛訓(xùn)練過程中所產(chǎn)生的動(dòng)作數(shù)據(jù)是一種典型的時(shí)間序列，不僅數(shù)據(jù)點(diǎn)多、數(shù)據(jù)鏈長、冗余點(diǎn)多，且具有穩(wěn)定的數(shù)值特征和固定時(shí)序組合，因此應(yīng)采用分段方法來表示數(shù)據(jù)中所包含的不同動(dòng)作及其相互間的時(shí)間關(guān)系，但需要結(jié)合這些動(dòng)作的數(shù)值特點(diǎn)和教范要求來定義完備的動(dòng)作模式，明確各動(dòng)作模式的數(shù)據(jù)特征?；诖耍P者按照模式識(shí)別的思路來分割駕駛動(dòng)作數(shù)據(jù)，識(shí)別各種動(dòng)作模式，以達(dá)到對(duì)駕駛動(dòng)作進(jìn)行精細(xì)化分析的目的。

1 時(shí)間序列分割定義

設(shè)時(shí)間序列為X=(x1,x2,…,xn)，將其分為k+1(k<

(1)

也可表示為

式中：ta1,ta2,…,tak表示分割點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻；wi為[ta(i-1),tai]之間的模式；fi(t,wi)表示連接模式wi兩端點(diǎn)的函數(shù)；ei(t)為一段時(shí)間內(nèi)時(shí)間序列與它的模式之間的誤差。這種把時(shí)間序列分割后用模式表示的過程，稱為序列分割或者數(shù)據(jù)壓縮[3]。常見的時(shí)間序列分割方法包括重要點(diǎn)分割法[4]、滑動(dòng)窗口分割法[5]等。

駕駛動(dòng)作數(shù)據(jù)分割的目的在于,判定當(dāng)前數(shù)據(jù)中包含了哪些駕駛動(dòng)作，明確各動(dòng)作的起始時(shí)間。其中：駕駛動(dòng)作可通過模式識(shí)別的方法實(shí)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)時(shí)間序列分割定義中的fi(t,wi)模式函數(shù);各動(dòng)作起始時(shí)間，對(duì)應(yīng)時(shí)間序列分割定義中各子序列模式起始點(diǎn)t1,ta1,ta2,…,tak。

2 離合器動(dòng)作模式識(shí)別

2.1 離合器動(dòng)作數(shù)據(jù)

離合器動(dòng)作數(shù)據(jù)是指駕駛訓(xùn)練過程中所產(chǎn)生的離合器踏板位移數(shù)據(jù)。圖1為任意截取的一段離合器動(dòng)作位移曲線，屬于一種典型的時(shí)間序列。

圖1 離合器動(dòng)作位移曲線

2.2 離合器單一動(dòng)作模式定義

按照訓(xùn)練效果分析需求，離合器動(dòng)作模式可分為單一動(dòng)作模式和組合動(dòng)作模式。單一動(dòng)作模式是指單一動(dòng)作件的一次運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變，結(jié)合駕駛動(dòng)作實(shí)踐和離合器動(dòng)作位移曲線，可知：常見的離合器動(dòng)作共有6種動(dòng)作模式，即原始位置C1、分離位置C2、半聯(lián)動(dòng)位置C3、踩離合C4、松離合C5、錯(cuò)誤動(dòng)作C6。

2.3 離合器動(dòng)作模式識(shí)別規(guī)則

離合器單一動(dòng)作模式識(shí)別的目的，是通過對(duì)離合器動(dòng)作位移數(shù)據(jù)的處理識(shí)別出離合器上述6種動(dòng)作模式。從離合器動(dòng)作實(shí)踐和離合器動(dòng)作位移數(shù)據(jù)曲線形狀來看，這6種動(dòng)作模式的區(qū)分主要依賴2類特征：一是位移特征，3個(gè)位置均有相對(duì)穩(wěn)定且明確的位移范圍；二是運(yùn)動(dòng)速度特征(包括運(yùn)動(dòng)方向)，當(dāng)處于松離合或踩離合2種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度不能為0且運(yùn)動(dòng)方向相反。因此，可以根據(jù)位移和速度這2類特征來完成離合器6種動(dòng)作模式的識(shí)別。識(shí)別規(guī)則如表1所示。

表1 離合器動(dòng)作模式識(shí)別規(guī)則

從離合器動(dòng)作數(shù)值特點(diǎn)看，即使經(jīng)過平滑預(yù)處理，其踏板的原始位置C1、分離位置C2和半聯(lián)動(dòng)位置C3也會(huì)受機(jī)械結(jié)構(gòu)(如回位彈簧疲勞、連桿變形、連接件磨損、松動(dòng)等)影響而發(fā)生一定程度的偏離。為了彌補(bǔ)這一缺陷，設(shè)定離合器踏板3個(gè)位置模式的參考值的偏差范圍為±10%。

2.4 模式識(shí)別閾值設(shè)置

離合器動(dòng)作的速度特征由位移曲線求導(dǎo)得到。對(duì)某車輛離合器13 344組位移數(shù)據(jù)進(jìn)行求導(dǎo)，得到速度分布如圖2所示?？梢钥闯觯?) 當(dāng)離合器處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，仍會(huì)存在大量速度<2 mm/ms的毛刺，即信號(hào)采集的噪聲；2) 當(dāng)踩踏或松開離合器時(shí)，踏板的運(yùn)動(dòng)速度>>2 mm/ms，而在極端情況下的踩踏或松開速度可達(dá)10 mm/ms以上?；谶@一判定，把離合器運(yùn)動(dòng)和靜止的速度區(qū)分閾值設(shè)置為2 mm/ms,將圖1、2中的橫坐標(biāo)點(diǎn)逐一比較，可以看出：只要閾值設(shè)置合理，離合器各運(yùn)動(dòng)速度的突變點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換點(diǎn)是一一對(duì)應(yīng)的。

圖2 離合器動(dòng)作速度分布

在建立各動(dòng)作模式識(shí)別特征和閾值的基礎(chǔ)上，按圖3所示流程編程，對(duì)離合器動(dòng)作的每點(diǎn)進(jìn)行模式識(shí)別，把離合器原始位移序列轉(zhuǎn)變?yōu)殡x合器動(dòng)作模式序列。在很多時(shí)間序列處理技術(shù)中，也將這一步工作稱作時(shí)間序列符號(hào)化表示[6]。

圖3 離合器動(dòng)作模式識(shí)別流程

3 離合器動(dòng)作數(shù)據(jù)分割

離合器動(dòng)作數(shù)據(jù)分割的目的為明確各動(dòng)作模式的起止時(shí)間。前文根據(jù)速度特征和位移特征對(duì)離合器每一個(gè)位移點(diǎn)進(jìn)行了模式識(shí)別和符號(hào)化表示，但離合器動(dòng)作數(shù)據(jù)的長度未產(chǎn)生變化，仍存在冗余數(shù)據(jù)多、求解時(shí)間長的問題。

3.1 滑動(dòng)窗口分割算法

借鑒時(shí)間序列的滑動(dòng)窗口分割法，以相鄰2個(gè)模式符號(hào)為窗口寬度進(jìn)行比較：若動(dòng)作模式Cp相同，則繼續(xù)比較；否則,記為分割點(diǎn)，輸出該點(diǎn)的動(dòng)作模式和時(shí)間序列索引號(hào)q(q=1,2,…,N)，從而完成離合器動(dòng)作數(shù)據(jù)的分割[7]。分割算法偽代碼如下：

算法名稱：時(shí)間序列的滑動(dòng)窗口分割法。

算法輸入：離合器動(dòng)作模式識(shí)別結(jié)果時(shí)間序列C={Cpq∈Cp,p=1,2,…,6,q=1,2,…,N}。

輸出：分割點(diǎn)序列IP。

算法步驟：

1)cp→IP[1]，index =2；∥將序列第1個(gè)點(diǎn)作為第1個(gè)重要點(diǎn);

2) forp=2 toN-1 do;

3) begin;

4) Ifcp+1≠cp;

5) thencp+1→IP(index)，index + +；∥將序列點(diǎn)cp加入IP 中;

6) end。

由算法步驟可以看出：該方法只需對(duì)離合器動(dòng)作模式序列進(jìn)行一次掃描，就可以得到分割點(diǎn)序列，其時(shí)間復(fù)雜度為O(N)。

3.2 離合器動(dòng)作數(shù)據(jù)分割示例

選擇一組離合器動(dòng)作數(shù)據(jù)，共計(jì)包括13 344個(gè)位移點(diǎn)，采用上述離合器動(dòng)作模式識(shí)別和序列分割的方法對(duì)該數(shù)據(jù)序列進(jìn)行處理，其各動(dòng)作模式識(shí)別和分割的起始時(shí)間點(diǎn)如表2所示。對(duì)表2中某一次離合器動(dòng)作曲線放大，得到的分割點(diǎn)與動(dòng)作模式轉(zhuǎn)折點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。可以看出：各分割點(diǎn)的確定與動(dòng)作模式轉(zhuǎn)換點(diǎn)基本吻合，說明所采用的模式識(shí)別和數(shù)據(jù)分割方法適用于離合器動(dòng)作分析。

表2 離合器動(dòng)作數(shù)據(jù)分割點(diǎn)

圖4 離合器動(dòng)作曲線分割點(diǎn)與動(dòng)作模式轉(zhuǎn)折點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

4 結(jié)論

將時(shí)間序列進(jìn)行分割，轉(zhuǎn)變?yōu)榉?hào)化表示形式，是降低時(shí)間序列數(shù)據(jù)處理難度的有效方法。筆者提出的基于模式識(shí)別和滑動(dòng)窗口相結(jié)合的離合器動(dòng)作數(shù)據(jù)分割方法，既考慮了離合器單一動(dòng)作模式的識(shí)別和符號(hào)化表示，也考慮了不同動(dòng)作模式之間的分割點(diǎn)識(shí)別，計(jì)算比較簡單，易于實(shí)現(xiàn)，且識(shí)別和分割結(jié)果能夠完整反映離合器動(dòng)作數(shù)據(jù)的動(dòng)作特征，對(duì)后續(xù)各類動(dòng)作數(shù)據(jù)處理和訓(xùn)練效果有重要意義。