劉敏，陳晨，顧今今

一種汽車空調(diào)控制器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉敏，陳晨，顧今今

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201）

針對(duì)汽車空調(diào)控制器穩(wěn)定性分析的需求，開發(fā)了一種空調(diào)控制器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，使用Python語言對(duì)空調(diào)出風(fēng)口溫度性能曲線進(jìn)行趨勢(shì)提取以及數(shù)據(jù)分析，并通過Laravel框架搭建Web應(yīng)用網(wǎng)站，實(shí)現(xiàn)對(duì)Python腳本的調(diào)用。工程師只需要通過網(wǎng)站上傳測(cè)試數(shù)據(jù)，即可準(zhǔn)確快速地得到可視化的圖表結(jié)果，提升了空調(diào)控制器數(shù)據(jù)處理的效率。

汽車空調(diào)控制器；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；Laravel；Python

前言

目前汽車已經(jīng)成為大眾的交通工具，人們對(duì)乘車的舒適度也有了更高的追求。車內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)通過對(duì)空氣的溫度、濕度、純凈度、氣流速度等方面進(jìn)行控制，維持車內(nèi)的舒適環(huán)境。為了保證空調(diào)控制器的控制穩(wěn)定性和提高控制精度，工程師需要在不同的工況下進(jìn)行空調(diào)算法標(biāo)定試驗(yàn)。然而如圖1的空調(diào)出風(fēng)口溫度性能曲線走勢(shì)圖所示，空調(diào)在達(dá)到穩(wěn)定的溫度前，會(huì)出現(xiàn)升溫、降溫、溫度過調(diào)等過程，此外，用戶開窗、調(diào)溫等行為都會(huì)破壞已經(jīng)穩(wěn)定的空調(diào)溫度曲線。

目前工程師需要利用數(shù)據(jù)采集軟件通過人工的方式提取溫度數(shù)據(jù)片段進(jìn)行穩(wěn)定性分析。然而通過肉眼觀察的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，不僅效率低下，且對(duì)于同一數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)千人千式的局面，從而導(dǎo)致分析結(jié)果存在偏差。

圖1 空調(diào)出風(fēng)口溫度性能曲線

因此針對(duì)空調(diào)控制器開發(fā)專門的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)具有實(shí)際的工程意義。本文提出一種汽車空調(diào)控制器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，工程師只需將得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入該數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，點(diǎn)擊相應(yīng)操作按鈕就可自動(dòng)獲取分析結(jié)果，能夠有效地縮短數(shù)據(jù)處理周期，解決了空調(diào)控制器穩(wěn)定性分析中實(shí)時(shí)性、高效性和交互性較差的問題。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Python是一種非常流行的跨平臺(tái)的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言，具有代碼簡(jiǎn)潔、功能強(qiáng)大、開源免費(fèi)、可移植等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于數(shù)學(xué)計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)和多種數(shù)據(jù)科學(xué)應(yīng)用[1,2]。由于Python提供了豐富的第三方科學(xué)計(jì)算庫，可以高效率地實(shí)現(xiàn)開發(fā)，因而本系統(tǒng)采用Python語言開發(fā)數(shù)據(jù)分析程序，實(shí)現(xiàn)控制器性能有效數(shù)據(jù)提取和不同參數(shù)條件下的性能穩(wěn)定性分析。

Laravel框架是一種在Web應(yīng)用中廣泛使用的PHP語言框架，它遵循MVC（Model View Controller）[3]設(shè)計(jì)模式，以Composer進(jìn)行代碼包的管理，易于跨平臺(tái)移植，可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的代碼實(shí)現(xiàn)流程[4]。因而本文采用了Laravel框架搭建數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的Web網(wǎng)站，設(shè)計(jì)可視化操作界面，實(shí)現(xiàn)了用戶注冊(cè)、用戶登錄、數(shù)據(jù)上傳、文件儲(chǔ)存、調(diào)用Python腳本、數(shù)據(jù)可視化展示等功能；

具體業(yè)務(wù)執(zhí)行流程如圖2所示，用戶登錄網(wǎng)站后，上傳測(cè)試數(shù)據(jù)，生成數(shù)據(jù)分析任務(wù)傳遞給基于Python的數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行性能穩(wěn)定性分析，再將分析結(jié)果通過前端頁面進(jìn)行綜合、實(shí)時(shí)的展現(xiàn)。

圖2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)業(yè)務(wù)執(zhí)行流程

2 數(shù)據(jù)分析程序開發(fā)

為了對(duì)溫度性能曲線的數(shù)據(jù)片段進(jìn)行準(zhǔn)確、高效的提取，本程序使用Python語言進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，首先采用了Savitzky- Golay平滑算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，通過Douglas- Peucker算法進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀處理，以少量的點(diǎn)描述溫度曲線波動(dòng)的趨勢(shì)，提取出所需數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，最后將結(jié)果傳遞給前端界面進(jìn)行展示。

2.1 數(shù)據(jù)平滑處理

Savitzky-Golay[5]濾波器被廣泛運(yùn)用于數(shù)據(jù)的平滑除噪，是一種在時(shí)域內(nèi)通過多項(xiàng)式實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)窗內(nèi)的最小二乘擬合的濾波方法。

圖3為空調(diào)出風(fēng)口溫度性能曲線經(jīng)過Savitzky-Golay數(shù)據(jù)平滑后的結(jié)果，原始的曲線存在大量的輕微波動(dòng)，經(jīng)過平滑處理后，基本的升溫、降溫和恒溫的趨勢(shì)保持不變，僅將數(shù)據(jù)中的波動(dòng)進(jìn)行了平滑，減少在后續(xù)數(shù)據(jù)處理時(shí)將輕微的噪音波動(dòng)作為正常的趨勢(shì)數(shù)據(jù)提取的可能性。

圖3 空調(diào)出風(fēng)口溫度性能曲線數(shù)據(jù)平滑后的結(jié)果

2.2 數(shù)據(jù)抽稀處理

Douglas-Peucker[6]算法是一種經(jīng)典的數(shù)據(jù)抽稀算法，在對(duì)曲線保持原有的形狀的基礎(chǔ)上使用少量有限的點(diǎn)來描述曲線的形態(tài)，實(shí)現(xiàn)曲線的壓縮表示。

圖4為空調(diào)出風(fēng)口溫度性能曲線在Savitzky-Golay濾波后，再經(jīng)過Douglas-Peucker算法進(jìn)行數(shù)據(jù)抽稀后的結(jié)果，可以看出，曲線經(jīng)過濾波、抽稀處理后，溫度性能曲線由原本的8890個(gè)點(diǎn)減少到由114個(gè)點(diǎn)表征曲線的基本形態(tài)，而曲線的整體趨勢(shì)得到了保留。通過去除曲線上的冗余點(diǎn)，用少量的點(diǎn)描述曲線的趨勢(shì)，顯著提高了后續(xù)數(shù)據(jù)處理的速度，同時(shí)保證了程序的準(zhǔn)確性。

圖4 空調(diào)出風(fēng)口溫度性能曲線數(shù)據(jù)抽稀后的結(jié)果

2.3 曲線趨勢(shì)提取

在經(jīng)過數(shù)據(jù)平滑和濾波后，基于數(shù)據(jù)截取的需求對(duì)空調(diào)出風(fēng)口溫度性能曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)分段，將曲線劃分為升溫過程、降溫過程以及恒溫過程，記錄不同趨勢(shì)數(shù)據(jù)的起始、終止坐標(biāo)位置，將結(jié)果代入原始曲線，提取所需數(shù)據(jù)片段做進(jìn)一步的分析。

圖5 空調(diào)出風(fēng)口溫度性能曲線趨勢(shì)提取后的結(jié)果

圖5為曲線趨勢(shì)提取后的結(jié)果，從圖中可以看出，曲線已經(jīng)被分為恒溫區(qū)域和升/降溫區(qū)域，成功提取出3 段恒溫區(qū)域數(shù)據(jù)，符合數(shù)據(jù)提取的要求。

2.4 穩(wěn)定性分析

基于提取的數(shù)據(jù)片段，通過均值、方差等統(tǒng)計(jì)分析變量對(duì)空調(diào)控制器的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并結(jié)合車速、溫度、濕度、氣流速度等環(huán)境條件進(jìn)行分析，為進(jìn)一步尋找影響穩(wěn)定性的主要因素提供了基礎(chǔ)。

3 網(wǎng)站搭建

本系統(tǒng)開發(fā)了一個(gè)基于Web服務(wù)的網(wǎng)站，可以為用戶提供圖形化的交互界面，用戶訪問網(wǎng)站后，可以上傳測(cè)試數(shù)據(jù)，提交待分析的需求并接收數(shù)據(jù)處理返回的結(jié)果，以表格、折線圖等多種形式查看和下載分析結(jié)果。

3.1 后臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于Laravel 5.5框架開發(fā)，以LNMP（Linux+ Nginx+ MySQL+PHP）架構(gòu)搭建網(wǎng)站服務(wù)系統(tǒng)。其中，使用開源免費(fèi)的Ubuntu作為開發(fā)和運(yùn)行的環(huán)境，Nginx作為代理服務(wù)器，MySQL作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，采用PHP語言作為內(nèi)容動(dòng)態(tài)解析語言。

3.2 前端界面設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶設(shè)備的屏幕大小進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，本系統(tǒng)采用Javascript、HTML5、CSS3以及Bootstrap作為前端框架設(shè)計(jì)用戶注冊(cè)、用戶登錄、數(shù)據(jù)上傳等Web前端界面，保證用戶在手機(jī)、平板或電腦等設(shè)備上都能獲得較好的用戶體驗(yàn)。

圖6 數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)Web端界面

Bootstrap-Table是基于Bootstrap的表格插件，通過簡(jiǎn)單的設(shè)置就可以開發(fā)一個(gè)功能完備的表格。ECharts是一款基于JavaScript的可視化插件，具備豐富的圖表類型，支持深度的交互數(shù)據(jù)探索功能。本系統(tǒng)采用Bootstrap-Table框架設(shè)計(jì)表格界面，Echarts框架設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)圖表，將數(shù)據(jù)處理模塊返回的結(jié)果以圖表的形式呈現(xiàn)給用戶。圖6為經(jīng)過可視化圖表展示的結(jié)果。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種汽車空調(diào)控制器數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，主要講解了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、基于Python語言的數(shù)據(jù)分析程序開發(fā)、基于Laravel框架的網(wǎng)站搭建。用戶可以登錄網(wǎng)站上傳測(cè)試數(shù)據(jù)，調(diào)用Python腳本對(duì)空調(diào)出風(fēng)口溫度性能曲線進(jìn)行趨勢(shì)提取以及穩(wěn)定性分析，通過前端頁面以圖表的方式查看結(jié)果，使用流程簡(jiǎn)單便捷，分析結(jié)果可靠有效，縮短了數(shù)據(jù)處理周期。后續(xù)可以結(jié)合環(huán)境條件進(jìn)行分析，探索環(huán)境因素對(duì)穩(wěn)定性的影響，進(jìn)一步完善和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

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Design of Data Processing System for Vehicle Air-conditioning Controller

Liu Min, Chen Chen, Gu Jinjin

( Pan Asia Technical Automotive Center Co., Ltd., Shanghai 201201 )

A data processing system is designed for stability analysis of vehicle air-conditioning controller. It uses Python to perform trend extraction and data analysis of air-conditioning outlet temperature performance curves, and builds a website using Laravel framework, which can execute python scripts. Engineers only need to upload the test data to the website to accurately access the visualization results, which improves the efficiency of data processing for the air conditioner controller.

Vehicle air-conditioning controller; Data processing system; Laravel; Python

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.015

U463.85+1

A

1671-7988(2021)07-42-03

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劉敏，碩士，高級(jí)工程師，就職于泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，研究方向：電子架構(gòu)、車輛大數(shù)據(jù)分析。