基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)動(dòng)車動(dòng)力學(xué)參數(shù)安全檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究*

楊　樺

(廈門市計(jì)量檢定測(cè)試院，廈門 361004)

0　引言

近年來(lái)，隨著世界經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，機(jī)動(dòng)車保有量迅猛增加。據(jù)新華網(wǎng)報(bào)道，截至2013年12月，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量已突破2.5億輛，每年死于車禍6.8萬(wàn)人，道路交通安全形勢(shì)十分嚴(yán)峻，車輛安全因素是造成交通事故的主要因素之一。目前，我國(guó)已實(shí)行社會(huì)化的強(qiáng)制性機(jī)動(dòng)車安全檢驗(yàn)，根據(jù)《中華人民共和國(guó)道路交通安全法》及其實(shí)施條例規(guī)定，按照機(jī)動(dòng)車國(guó)家安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等要求，對(duì)上道路行駛的機(jī)動(dòng)車進(jìn)行檢驗(yàn)檢測(cè)的活動(dòng)[1]。機(jī)動(dòng)車檢測(cè)線配有獨(dú)立的安全檢驗(yàn)試驗(yàn)臺(tái)，開展車速、制動(dòng)、側(cè)滑、軸重等性能檢驗(yàn)。但一方面這些檢驗(yàn)項(xiàng)目相互獨(dú)立，檢驗(yàn)信息得不到綜合利用，無(wú)法提供全面的診斷信息；另一方面，作弊現(xiàn)象屢有發(fā)生，嚴(yán)重影響道路交通安全。

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)是把傳感器、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、通信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能運(yùn)算技術(shù)等融為一體，實(shí)現(xiàn)全面感知、可靠傳送、智能處理為特征的，連接人和物理世界的網(wǎng)絡(luò)[2]。從 1999 年美國(guó)麻省理工大學(xué)提出物聯(lián)網(wǎng)概念以后，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在機(jī)動(dòng)車方面應(yīng)用取得很大進(jìn)展。在車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)方面，借助車輛上裝載電子標(biāo)簽，通過(guò)無(wú)線射頻等識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上對(duì)所有車輛屬性信息和靜、動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行提取和有效利用，根據(jù)不同功能需求對(duì)所有車輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效的監(jiān)管和提供綜合服務(wù)?；谲嚶?lián)網(wǎng)平臺(tái)汽車數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)信源技術(shù)被列為 2007 年“國(guó)家科技支撐計(jì)劃”重點(diǎn)應(yīng)用示范工程項(xiàng)目。在車載信息服務(wù)技術(shù)方面，如萬(wàn)鋼[3]等人在專利成果 CN291674中提出一種基于車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程無(wú)線通信車載裝置。因此，開展基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)動(dòng)車安全檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究不僅是科技發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是保證機(jī)動(dòng)車安全行駛的重要手段。

本文重點(diǎn)研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)動(dòng)車動(dòng)力學(xué)參數(shù)安全檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)。通過(guò)建立機(jī)動(dòng)車運(yùn)動(dòng)、制動(dòng)、動(dòng)載荷相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，制定出測(cè)試方法，研發(fā)機(jī)動(dòng)車檢測(cè)線檢測(cè)過(guò)程記錄儀與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，為機(jī)動(dòng)車動(dòng)力學(xué)參數(shù)分析提供理論方法，為實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)車安全檢驗(yàn)參數(shù)綜合利用和防范檢驗(yàn)作弊奠定基礎(chǔ)，對(duì)提高機(jī)動(dòng)車安全運(yùn)行的技術(shù)保障能力，減少交通事故，促進(jìn)機(jī)械制造及儀器儀表產(chǎn)業(yè)發(fā)展，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際意義。

1　系統(tǒng)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)動(dòng)車運(yùn)動(dòng)參數(shù)安全檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)分為信息獲取、信息集成和終端應(yīng)用三個(gè)部分，如圖1所示。

圖1　基于物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)動(dòng)車安全檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

在物理傳感信息獲取部分，安裝在檢驗(yàn)工位的傳感器獲取軸重、制動(dòng)等傳感信號(hào)，并通過(guò)無(wú)線射頻收發(fā)方式建立與微處理器的信息通信。通過(guò)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算可獲得動(dòng)力學(xué)參數(shù)并通過(guò)記錄儀按CAN總線方式與微處理器建立信息聯(lián)系，完成傳感信息量的獲取。

在信息的集成與處理部分，基于所有物理傳感量，微處理器把各種監(jiān)測(cè)模型獲得的參數(shù)數(shù)據(jù)信息，通過(guò)現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線蜂窩、GPRS、Internet等與遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件聯(lián)系起來(lái)。

在監(jiān)測(cè)信息終端的網(wǎng)絡(luò)化與應(yīng)用部分，一方面通過(guò)終端顯示器顯示機(jī)動(dòng)車安全檢驗(yàn)信息，對(duì)不合格或可疑數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警；另一方面通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)接口把機(jī)動(dòng)車安全檢驗(yàn)信息接入物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，傳送到其它監(jiān)管平臺(tái)，便于監(jiān)管部門使用。

2　監(jiān)測(cè)參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性分析

本文重點(diǎn)研究機(jī)動(dòng)車安全檢驗(yàn)中動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算模型和相互關(guān)聯(lián)性，為車主提供全面、準(zhǔn)確的機(jī)動(dòng)車安全性能診斷報(bào)告提供技術(shù)支持。機(jī)動(dòng)車安全檢驗(yàn)中與動(dòng)力學(xué)相關(guān)的參數(shù)有位置信息，如車身姿態(tài)角、車輪姿態(tài)角；速度與加速度信息，如車身速度、加速度，車輪速度；力學(xué)性能，如制動(dòng)參數(shù)、車輪動(dòng)載荷等。

2.1　動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)參數(shù)計(jì)算模型

車身加速度的計(jì)算模型為[4]：

(1)

車身速度的計(jì)算方法如下[5]：

(2)

由上式展開求解得到車身三維速度(vx,vy,vz)，解析方法與初始值無(wú)關(guān)。其中a、ω不同下標(biāo)表示在不同坐標(biāo)系下各方向分量投影。

車輪姿態(tài)角的計(jì)算模型為[6]：

(3)

(4)

2.2　制動(dòng)性能參數(shù)計(jì)算模型

制動(dòng)器制動(dòng)力Fbi定義為作用于車輪圓周上克服制動(dòng)器摩擦力矩M所需要的力，設(shè)Re為滾動(dòng)半徑，Rc為摩擦襯片表面的面積中心至制動(dòng)盤中心的距離[7]：

(5)

選擇以上機(jī)動(dòng)車安全檢驗(yàn)參數(shù)及其信息，具有如下特點(diǎn)：

1)選擇的速度、載荷、制動(dòng)等動(dòng)力學(xué)參數(shù)，能夠全面、真實(shí)、動(dòng)態(tài)地反映機(jī)動(dòng)車安全檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)的需要；

2)監(jiān)測(cè)信息之間緊密聯(lián)系，減少了不必要的重復(fù)物理測(cè)量，并獲得一些其它傳統(tǒng)系統(tǒng)無(wú)法測(cè)量的參數(shù)；

3)在不改變車輛原有電路情況下，可形成一個(gè)相對(duì)完整又相對(duì)獨(dú)立的機(jī)動(dòng)車安全預(yù)警監(jiān)測(cè)平臺(tái)[8]，若形成一個(gè)信息終端接入物聯(lián)網(wǎng)，這些信息將可以得到更廣泛的應(yīng)用。

3　測(cè)試過(guò)程

機(jī)動(dòng)車安全檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由機(jī)動(dòng)車檢測(cè)線檢驗(yàn)過(guò)程記錄儀和檢測(cè)過(guò)程管理軟件系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，記錄儀由信號(hào)處理器、記錄儀用計(jì)算機(jī)、視頻監(jiān)控(攝像機(jī))構(gòu)成，檢測(cè)過(guò)程管理軟件系統(tǒng)由檢測(cè)信息收集軟件和信息管理軟件組成。

3.1　機(jī)動(dòng)車檢測(cè)線檢測(cè)過(guò)程記錄儀工作原理

3.1.1數(shù)據(jù)監(jiān)控功能

1)記錄儀從檢驗(yàn)設(shè)備傳感器或信號(hào)處理器獲取檢驗(yàn)信息，記錄儀信號(hào)處理器根據(jù)檢測(cè)線控制系統(tǒng)主控機(jī)指令從相關(guān)設(shè)備獲取數(shù)據(jù)后，及時(shí)上傳到記錄儀用計(jì)算機(jī)，給檢測(cè)線控制系統(tǒng)提供信息。記錄儀具備車輛檢驗(yàn)數(shù)據(jù)緩存功能。

2)記錄儀與檢測(cè)主控機(jī)指令檢測(cè)時(shí)相互應(yīng)答，并根據(jù)指令收集相關(guān)檢測(cè)信息，整理相關(guān)信息，將機(jī)動(dòng)車檢驗(yàn)信息以機(jī)動(dòng)車車牌和檢測(cè)編號(hào)為索引存放在記錄儀計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3) 記錄儀的計(jì)算機(jī)監(jiān)管系統(tǒng)根據(jù)遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)指令，對(duì)檢測(cè)過(guò)程的關(guān)鍵工位進(jìn)行錄像、抓拍，并將機(jī)動(dòng)車檢驗(yàn)視頻、圖像以機(jī)動(dòng)車車牌為索引存放在記錄儀的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.1.2數(shù)據(jù)比對(duì)功能

記錄儀具備記錄儀數(shù)據(jù)與檢測(cè)線控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)比對(duì)功能，按GB 7258、GB 21861規(guī)定，收集檢測(cè)線控制系統(tǒng)對(duì)受檢車輛的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，與記錄儀數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)異常時(shí)，將異常檢測(cè)數(shù)據(jù)存放專用數(shù)據(jù)庫(kù)備查，并預(yù)警監(jiān)管部門。

3.2　測(cè)試參數(shù)

機(jī)動(dòng)車運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、動(dòng)載荷、制動(dòng)性能等動(dòng)力學(xué)參數(shù)及誤差要求見表1，其中車身速度、車身加速度目前安全檢驗(yàn)方法中沒(méi)有涉及，但它們可通過(guò)其它指標(biāo)間接獲得。

表1　機(jī)動(dòng)車安全檢驗(yàn)動(dòng)力學(xué)參數(shù)及誤差要求

3.3　監(jiān)測(cè)結(jié)果

依據(jù)GB 7258、GB 21861標(biāo)準(zhǔn)，記錄儀收集檢測(cè)線控制系統(tǒng)對(duì)受檢車輛的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并與存放記錄儀本機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，對(duì)異常檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和預(yù)警。鑒于傳感器零點(diǎn)漂移及靈敏度可能對(duì)比對(duì)結(jié)果的影響，對(duì)制動(dòng)傳感器進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，使制動(dòng)力標(biāo)定后的信號(hào)曲線與理論值一致。

測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)氣溫22.3℃，濕度67％RH，風(fēng)速<3m/s。記錄儀的軸重誤差為左前軸1.43％，右前軸-0.93％，左后軸1.16％，右后軸-1.28％，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定允許誤差為±2％；制動(dòng)力誤差左前軸為0.15％，右前軸為-1.21％，左后軸0.03％，右后軸-0.64％，左后駐車為-0.74％，右后駐車為-0.92％，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定允許誤差為±3％。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)包括軸重、制動(dòng)力、速度、加速度等有關(guān)數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)見圖 2，顯示的是機(jī)動(dòng)車制動(dòng)力檢驗(yàn)部分的數(shù)據(jù)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠測(cè)出所有的機(jī)動(dòng)車安全檢驗(yàn)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并在監(jiān)測(cè)界面顯示所監(jiān)測(cè)車輛的所有數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)流。

圖2　制動(dòng)力檢驗(yàn)曲線比對(duì)圖

在制動(dòng)過(guò)程中，各軸制動(dòng)力都在變化，見圖3。其中，由于制動(dòng)減速度引起前軸軸重增加，后軸軸重減少，使到前軸制動(dòng)力的增加大于后軸制動(dòng)力的增加。由式(5)、圖2中的隨時(shí)間變化的制動(dòng)曲線以及圖3(a)中的實(shí)驗(yàn)重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)可測(cè)出各個(gè)輪的制動(dòng)力不平衡率。

4　結(jié)論

本文建立了速度、制動(dòng)、載荷相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，研究制定測(cè)試方法，開發(fā)機(jī)動(dòng)車檢測(cè)線檢測(cè)過(guò)程記錄儀和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)載荷、制動(dòng)力等參數(shù)相關(guān)測(cè)試證明該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、同步地監(jiān)測(cè)機(jī)動(dòng)車安全檢驗(yàn)相關(guān)動(dòng)力學(xué)參數(shù)信息，與檢測(cè)線數(shù)據(jù)的比對(duì)誤差符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，并且具備遠(yuǎn)程監(jiān)管功能。該系統(tǒng)的建立為機(jī)動(dòng)車行駛安全狀況評(píng)估和預(yù)警提供技術(shù)支撐，為監(jiān)管部門防范機(jī)動(dòng)車檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)弄虛作假提供科學(xué)手段。

圖3　車輪制動(dòng)力與軸重測(cè)試

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