張洪華，張小珍

（福州職業(yè)技術學院，福建 福州 350008）

1 引言

進入21世紀以來，我國的汽車產(chǎn)業(yè)得以高速發(fā)展，已然成為我國的支柱產(chǎn)業(yè)，對國民經(jīng)濟發(fā)展起著重要作用。汽車的出現(xiàn)，極大的便利了人們的出行，但其安全問題也一直是國家、社會和國民所密切關注的現(xiàn)實問題。

對汽車安全的研究主要在主動安全[1]和被動安全[2]，分別從避免發(fā)生安全事故到發(fā)生安全事故后減輕事故后果兩方面考慮。

目前在汽車狀態(tài)監(jiān)測方面，已有學者進行了一些研究，如對新能源汽車鋰電池組溫度狀態(tài)進行在線測試[3]；基于CAN總線的汽車實時數(shù)據(jù)采集研究[4]等。對汽車狀態(tài)的多參數(shù)遠程監(jiān)測的研究還較少，在此背景下，為響應智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展，在車聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展，故障預測及診斷、健康狀態(tài)評估技術等算法的不斷深入研究背景下開展基于虛擬儀器技術的汽車多狀態(tài)監(jiān)測顯得很有意義?；诖嘶A可以開展一系列的監(jiān)測數(shù)據(jù)應用以實現(xiàn)汽車健康狀態(tài)評估、故障預測與診斷等重要研究。

研究了一種基于虛擬儀器技術的汽車狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，能將車輛安全息息相關的胎壓、胎溫、發(fā)動機振動、尾氣等參數(shù)進行全仿真生成并在監(jiān)測系統(tǒng)中進行實時在線監(jiān)測，利用LabVIEW軟件進行開發(fā)的監(jiān)測界面直觀生動，易于操作。

2 監(jiān)測系統(tǒng)功能架構

監(jiān)測系統(tǒng)主要實現(xiàn)對影響汽車健康狀態(tài)的評估參數(shù)進行實時采集與監(jiān)測。影響汽車健康狀態(tài)的評估參數(shù)很多，本項目開發(fā)的系統(tǒng)旨在對汽車原有安全系統(tǒng)作一個補充，所以選取未在汽車本身電腦系統(tǒng)所普遍監(jiān)測且重要的參數(shù)，如各輪胎的胎壓、胎溫，汽車發(fā)動機的振動，尾氣參數(shù)作為本系統(tǒng)的主要在線監(jiān)測對象（依所監(jiān)測車輛實際情況與監(jiān)測目的需求不同，本系統(tǒng)可以靈活增加或減少監(jiān)測參數(shù)）。

由于本監(jiān)測系統(tǒng)對象為隨時可能移動的汽車，所以監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸方式宜選用不受連接對象位置限制的無線網(wǎng)絡傳輸；系統(tǒng)的監(jiān)測終端要能實時呈現(xiàn)汽車各項參數(shù)的狀態(tài)，以方便相關人員實時查看；系統(tǒng)軟件開發(fā)應高效、直觀，系統(tǒng)應具備安全性、穩(wěn)定性與可擴展性。

汽車狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)架構如圖1所示。由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將汽車尾氣、胎溫、胎壓、發(fā)動機振動參數(shù)數(shù)據(jù)進行采集，通過無線網(wǎng)關將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的接入、存儲和處理等加工，再傳輸至功能服務系統(tǒng)實現(xiàn)對汽車狀態(tài)的監(jiān)測與異常報警，用戶系統(tǒng)是支撐用戶接入監(jiān)測網(wǎng)絡，使用狀態(tài)監(jiān)測、報警服務的接口系統(tǒng)，主要為企業(yè)用戶，根據(jù)需要可增加政府監(jiān)管用戶。

圖1 汽車狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)功能架構

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)的選擇與仿真生成

主要提出了一種對汽車參數(shù)進行狀態(tài)監(jiān)測和異常報警的系統(tǒng)，作為對現(xiàn)有汽車安全的一種補充。

汽車自身系統(tǒng)對各種重要參數(shù)進行著監(jiān)測，其主要通過儀表板上的指示燈來顯示，最常見的如發(fā)動機故障、機油不足或壓力過低、電瓶（蓄電池）及發(fā)電系統(tǒng)故障、ABS（防抱死）系統(tǒng)故障、制動系統(tǒng)故障、安全帶是否系好、燃油不足、后尾箱蓋打開、引擎蓋打開、安全氣囊狀態(tài)、車門未關閉等。但是目前很多車輛還未配置各輪胎的溫度和壓力監(jiān)測，基本上所有車輛均未對發(fā)動機振動和尾氣成分進行實時監(jiān)測。輪胎溫度和壓力對車輛的安全行駛至關重要，據(jù)資料統(tǒng)計，在高速公路發(fā)生的交通事故中，由于輪胎原因引起的事故占45%以上，因輪胎原因?qū)е轮型緬佸^的占84.8%[5]。輪胎氣壓越高，其側(cè)偏剛度也愈大，輪胎氣壓要與車輛負荷相適應，與胎溫適應，輪胎氣壓對輪胎壽命有著重要影響。發(fā)動機是汽車的心臟，其部件眾多，由于各種因素疊加，其故障幾率很大，汽車自身系統(tǒng)已有其故障檢測與報警，但發(fā)動機的狀態(tài)可以由其工作中的振動規(guī)律來體現(xiàn)，如果能對發(fā)動機振動進行實時集中監(jiān)測[6]，通過對其波形、幅值或頻譜分析，可以及早的發(fā)現(xiàn)其異常，在故障發(fā)生之前進行檢修排除。汽車發(fā)動機結(jié)構復雜，其運行參數(shù)的變化很多都會通過對燃燒的影響直接反映在尾氣上[7]，所以通過對發(fā)動機尾氣進行分析以實現(xiàn)對發(fā)動機故障的診斷。

基于以上分析，為了對車輛原有安全系統(tǒng)進行有效補充，選取胎壓、胎溫、發(fā)動機振動、尾氣參數(shù)作為本開發(fā)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)。

該監(jiān)測系統(tǒng)采用“參數(shù)數(shù)據(jù)生成器”實現(xiàn)對胎壓、胎溫、發(fā)動機振動、尾氣參數(shù)的模擬，主要有以下幾點理由：一是對監(jiān)測系統(tǒng)采用模擬數(shù)據(jù)進行試驗，以驗證監(jiān)測的可行性與監(jiān)測效果，可提高開發(fā)效率和減少開發(fā)成本；二是車輛一般處于安全、穩(wěn)定狀態(tài)，實際尾氣、胎壓、胎溫、發(fā)動機振動等參數(shù)異常情況很少發(fā)生且變化較小，這就給系統(tǒng)的異常情況監(jiān)測及全幅度變化的監(jiān)測效果檢測帶來很大的難度，但模擬數(shù)據(jù)可模擬出所有情況下的傳感數(shù)值且可調(diào)整變化幅度，很適合對系統(tǒng)進行科學的嚴酷測試。

4 監(jiān)測系統(tǒng)軟件開發(fā)

通過選用合適的軟件，依據(jù)各參數(shù)特點編寫“參數(shù)數(shù)據(jù)生成器”，編寫狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)程序和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)程序并進行最終的調(diào)試，是本系統(tǒng)的核心。

4.1 需實現(xiàn)功能

汽車狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應具備傳感數(shù)據(jù)采集，各參數(shù)閾值的設定以及對采集的數(shù)據(jù)進行存儲和后續(xù)歷史數(shù)據(jù)查看的功能。

（1）傳感數(shù)據(jù)采集

在正式投入使用的情況下，系統(tǒng)應可通過用戶系統(tǒng)進行遠程設置，實現(xiàn)對汽車的相應傳感器進行數(shù)據(jù)采集與存儲，通過無線網(wǎng)絡傳輸，并將相應傳感數(shù)據(jù)直觀顯示于狀態(tài)監(jiān)測中心，監(jiān)測人員可實現(xiàn)對汽車的遠程狀態(tài)監(jiān)測。

（2）閾值設定

有權限的監(jiān)測或管理人員可根據(jù)監(jiān)測要求設置不同參數(shù)的閾值，當采集的相應參數(shù)值超出設定閾值時，系統(tǒng)會自動觸發(fā)閾值報警，將異常情況進行實時反饋。

（3）存儲與歷史數(shù)據(jù)查看

汽車狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能將采集的數(shù)據(jù)信息捆綁時間信息進行自動存儲，生成本地或云端數(shù)據(jù)文件，監(jiān)測人員通過本系統(tǒng)端便捷操作即可實現(xiàn)對各參數(shù)歷史數(shù)據(jù)進行直觀查詢，可實現(xiàn)溯源分析以及后續(xù)的數(shù)據(jù)開發(fā)運用。

4.2 開發(fā)環(huán)境選擇

LabVIEW目前被廣泛運用于科研實驗及工業(yè)應用領域[8]。LabVIEW可以實現(xiàn)對虛擬儀器的自行建立。利用它進行原理研究、開發(fā)系統(tǒng)、測試系統(tǒng)，可以極大地提高工作效率?；贚abVIEW在數(shù)據(jù)采集方面還具有很大的優(yōu)勢，本課題采用LabVIEW實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與分析及數(shù)據(jù)的顯示這3部分的功能進行汽車狀態(tài)監(jiān)測平臺的軟件開發(fā)。

5 仿真實例分析

5.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)的實現(xiàn)

隨著國家對環(huán)保的愈加重視，汽車尾氣排放標準也在提高，現(xiàn)行的國六汽車尾氣排放標準，其對碳氫化合物、氮氧化合物、CO和懸浮顆粒等機動車排放物的限制更為嚴苛。另外，通過汽車尾氣中的CO、碳氫化合物、O2、CO2等氣體的含量及變化，可以知道該汽車的相應狀態(tài)及對其故障進行預測。一個調(diào)整好的閉環(huán)控制電控汽車的尾氣排放中[9]，CO應低于0.5%，碳氫化合物的含量大約為55~100ppm，O2的濃度應該是1.0%~2.0%，CO2為13.8%~15.0%，依據(jù)這些要求，通過軟件設置友好的人機界面，有權限人員通過人機界面中的各參數(shù)閾值設定窗口即可方便進行查看和設置。根據(jù)以上要求設計了可供調(diào)用的汽車尾氣數(shù)據(jù)生成子程序，如圖2所示。胎壓、胎溫和發(fā)動機振動數(shù)據(jù)生成子程序原理與此類似。

圖2 汽車尾氣數(shù)據(jù)生成子程序

對每種氣體根據(jù)閾值分別通過邏輯運算設計得到1個通道的仿真數(shù)據(jù)，其仿真數(shù)據(jù)為隨機值，且大多在正常值范圍內(nèi)，通過適當調(diào)整邏輯運算可方便調(diào)整超閾值數(shù)字的大小及比例，以利于對系統(tǒng)進行全面測試。利用LabVIEW中子VI的形式，對每種“參數(shù)數(shù)據(jù)生成器”進行單獨的設計，通過其前面板的顯示控件可以很容易的檢驗數(shù)據(jù)生成情況，在監(jiān)測程序中只需調(diào)用這些子VI即可。

5.2 汽車狀態(tài)監(jiān)測的實現(xiàn)及效果

“數(shù)據(jù)生成器”子程序生成仿真數(shù)據(jù)，作為輸入端為主程序提升監(jiān)測數(shù)據(jù)來源，系統(tǒng)將帶時間戳的各參數(shù)通過不同波形圖表進行實時顯示。

通過“數(shù)組插入”將模擬數(shù)據(jù)與當前時間信息進行捆綁，以電子表格形式寫入，通過目錄控件選擇存儲目錄及文件，最終實現(xiàn)帶時間信息的實時監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)的存儲。汽車尾氣監(jiān)測存儲程序如圖3所示，其余參數(shù)數(shù)據(jù)的監(jiān)測存儲程序與此類似。

圖3 汽車尾氣監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲程序

在背板進行程序的設計，在前面板中進行顯示控件的設置和調(diào)整。為了將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的監(jiān)測顯示界面和歷史數(shù)據(jù)界面在同一界面進行較為合理的設計，本設計利用顯示卡控件，將實時監(jiān)測面板與歷史數(shù)據(jù)面板布置在不同頁面，通過切換顯示卡操作，即可實現(xiàn)對不同界面的切換。其各參數(shù)實時監(jiān)測主界面如圖4所示（家用小車胎溫上、下限分別設為80℃和-5℃；胎壓上、下限分別設為0.28MPa和0.18MPa；發(fā)動機振動的正常范圍數(shù)據(jù)主要依據(jù)該車輛平時使用時的正常范圍，在此系統(tǒng)先依據(jù)ISO2372中Ⅰ類A級，暫取上限值為0.71mm/s；尾氣中監(jiān)測類別及閾值設定按上文中要求進行設定，有相應權限人員可通過圖4右側(cè)界面對各參數(shù)上下限值進行相應設置）。其監(jiān)測界面左側(cè)將所有參數(shù)實時監(jiān)測波形進行動態(tài)展現(xiàn)，右側(cè)為系統(tǒng)存儲目錄、當前實時值、報警情況、閾值設置等界面。

圖4 各參數(shù)實時監(jiān)測主界面

通過波形圖來呈現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢，通過右側(cè)實時界面可直觀看到當前各項監(jiān)測值與對應的閾值，超閾值時閾值報警燈會亮起以提醒監(jiān)測人員注意。如測試數(shù)據(jù)尾氣中的CO2含量為13.45%，而正常值為13.8%~15%，系統(tǒng)觸發(fā)閾值警報，尾氣操作與顯示界面如圖5所示。

圖5 尾氣操作與顯示界面

5.3 歷史數(shù)據(jù)顯示

歷史數(shù)據(jù)界面與實時監(jiān)測布局一致，分別顯示帶時間的胎溫、胎壓、各尾氣、發(fā)動機振動數(shù)據(jù)等信息，如圖6所示。通過垂直滾動條或鼠標滾輪即可實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的靈活查閱。

圖6 各參數(shù)歷史數(shù)據(jù)界面

6 結(jié)束語

研究了一種基于虛擬儀器的汽車狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，通過程序生成了豐富的試驗數(shù)據(jù)，通過實驗表明監(jiān)測系統(tǒng)能將數(shù)據(jù)情況進行實時、準確的展現(xiàn)，各參數(shù)的實時監(jiān)測曲線與當前數(shù)值及歷史數(shù)值一一對應。對超閾值時的異常情況也能通過監(jiān)測界面的閾值報警進行及時的呈現(xiàn)。為后續(xù)的汽車安全研究（故障預測、健康狀態(tài)評估等）提供了一種思路。