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、等離子體應用設計；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，車輛應裝備遠程排放管理車載終端，即在實現全部OBD-Ⅱ功能的基礎上增加無線通信裝置的OBD-Ⅲ，將采集的車載信息結合數字地圖，傳送到遠程服務器進行診斷和統一管理[1-2]。目前，OBD-Ⅲ數據采集系統主要是通過OBD診斷結構采集數據，但是汽車制造商并不會將大量數據發(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集成及OBD技術研究”，設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，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診斷接口的數據，信息更全面。目前,該系統已經在不同的重型柴油車上示范運行了10萬 km，采集數據樣本近9 000萬條，其中包含6萬條傳感器數據。并且采集的數據與便攜式排放測試系統(Portable Emission Measurement System，PEMS)實測數據基本一致，為相關部門進行車輛信息化監(jiān)測、診斷服務提供了重要的技術支持。

1 OBD-Ⅲ系統總體結構設計

OBD-Ⅲ系統的工作過程可以分為數據實時采集、無線傳輸和遠程監(jiān)控三部分[4]。車載數據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、排放數據和故障信息等。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據包，利用移動互聯網以TCP的方式把數據傳輸到遠程的服務器上，并將信息存儲到數據庫[5-6]。通過終端APP或者網頁的形式連接遠程服務器，實現數據的遠程訪問[7]。圖1示出重型柴油車OBD-Ⅲ系統的總體設計方案。

圖1 重型柴油車OBD-Ⅲ系統總體方案

車載數據采集的拓撲結構及信息流動過程可以表述為

O={S,Ls,Lp,Ld,G}。

(1)

式中：O表示車載數據采集終端；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診斷接口網關。

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

圖2 車載數據采集的信息流動過程示意

OBD-Ⅲ系統通過不同的診斷模式對OBD診斷接口發(fā)送相應的請求，通過模式02獲取凍結幀，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 系統構成

2.1 系統硬件設計

系統硬件組成見圖3。

圖3 系統硬件組成

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，對于構建終端設備的穩(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，本控制器設計了兩路CAN數據采集，一路采集OBD接口的診斷CAN數據，一路采集OBD接口的動力CAN數據。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

根據系統的數據量以及鏈路需求速率，數據傳輸模組選用FG150。FG150是一款集成了GNSS定位和北斗導航的基于全網通(包括5G)的無線模塊產品。FG150支持移動、聯通、電信三大運營商無線網絡，可實現四網無縫銜接；支持上下行非對稱數據傳輸，上下行數據傳輸速率可達到2.5 Gbps，具有流量大、功耗低、信號強的優(yōu)點。

2.2 系統軟件設計

2.2.1 不同頻率數據采集的融合設計

對于與排放關聯密切的車輛狀態(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幀等信息由于出現頻率較低，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據，需要以10 kHz的頻率進行采集。

根據不同的采集頻率，可以將OBD-Ⅲ系統采集的數據集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據集；Df表示按照1 Hz頻率采集的動力CAN數據集；Dp表示周期性采集的診斷接口數據集；D0為車輛一次性采集的數據集。

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，得到相應的頻域數據[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f(t)表示成復指數函數的積分或級數形式；F(ω)為f(t)的像函數，f(t)為F(ω)的原函數，原函數和像函數構成一個傅里葉變換對。

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

2.2.2 基于狀態(tài)機的數據傳輸機制

傳統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，容易出現丟數的現象。本研究采用有限狀態(tài)機模型(見圖5)來實現數據傳輸控制。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絡連接，將采集融合后的車載數據打包進行逐秒可靠發(fā)送。

圖5 基于狀態(tài)機的數據傳輸控制

2.3 遠程監(jiān)控平臺

遠程監(jiān)控平臺采用B/S架構，即瀏覽器/服務器架構，瀏覽器即是客戶端，用戶通過瀏覽器登陸使用系統，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、車載數據采集終端、用戶、廠商和排放管理部門5種實體對象及其聯系進行存儲管理，數據庫設計概念可利用E-R圖來描述(見圖7)。

圖7 遠程監(jiān)控平臺數據庫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，其上安裝了自行設計的遠程OBD-Ⅲ系統，在內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PEMS進行行駛數據采樣。PEMS設備選用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、主機、電源等部分組成[12]。

4 數據處理及方法

圖8示出部分OBD-Ⅲ系統獲得的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，但決定系數計算結果高達0.84，說明OBD-Ⅲ系統獲取的數據與PEMS測量結果有較強的線性關系，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)測試數據{yi},不斷逐個滑動地取m個相鄰數據作加權平均來表示平滑數據，其一般算式為

(4)

這些參數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數據與PEMS數據之間的相對誤差(見圖9)進行分析[13]?？梢钥吹?，經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穩(wěn)定在20%以內，將窗口增加至120 s時，整體波動范圍已不足10%。結果表明，未經過滑動平均法處理時，直接使用逐秒數據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數據與PEMS數據的相對誤差，增加數據間的一致性。

圖9 遠程OBD與PEMS的相對誤差對比

4.2 試驗結果

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

表2 OBD-Ⅲ與PEMS數據對比

續(xù)表

計算結果表明，在進行逐秒對比時，OBD-Ⅲ與PEMS測得的發(fā)動機轉速、車速顯示出了高度的一致性，決定系數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數據與PEMS數據在這兩項參數上基本完全吻合。與此相對應的，NOx濃度在逐秒對比時平均相對誤差保持在±25%以內，同時數據間有著很強的相關性(R2基本介于0.8～0.92之間)。通過延長時間序列，OBD-Ⅲ與PEMS數據之間的相關性都有了不同程度的提高。

5 結論

a) 通過設計基于多信息源融合的重型柴油車遠程監(jiān)控系統，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診斷接口的數據，并使用多源信息融合的方法提取有效特征參數，將數據按照國六法規(guī)的要求逐秒發(fā)送至服務器，數據可靠詳盡，為后續(xù)開展故障診斷、故障預測、排放監(jiān)管等提供技術支撐;

b) OBD-Ⅲ系統獲取的數據經滑動平均法處理后，與PEMS測量的數據具有較高的一致性，大大提高了評估結果的可靠性；OBD-Ⅲ系統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)機的數據傳輸機制，比起傳統的順序控制流程，基于有限狀態(tài)機的數據傳輸機制處理外部突發(fā)事件的能力強，可有效解決丟數的現象。