基于數(shù)據(jù)融合的發(fā)動機(jī)冷起動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

陳偉京

（中車石家莊車輛有限公司，河北 石家莊 051430）

大量的實(shí)際使用和試驗(yàn)測試表明：汽車使用過程中所產(chǎn)生的有害氣體排放主要集中于低溫起動和怠速過程，其中HC、CO約占80%，NOx占50%。隨著環(huán)保意識的增強(qiáng)，人們采用了多種方法來提高發(fā)動機(jī)的性能，尤其在排放、動力和經(jīng)濟(jì)性能上取得了很大的改善，但在改善發(fā)動機(jī)冷起動性能方面則表現(xiàn)不足。由此可見，深入研究發(fā)動機(jī)冷起動，特別是柴油機(jī)低溫冷起動特性，對改善起動性能、降低有害氣體排放和燃油消耗都具有重要意義，而研究冷起動過程，首先就要將冷起動過程中的數(shù)據(jù)采集出來并進(jìn)行整體分析。本文著重研究基于數(shù)據(jù)融合技術(shù)的發(fā)動機(jī)冷起動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 數(shù)據(jù)融合技術(shù)

憑借其對數(shù)據(jù)信息處理的巨大優(yōu)勢，在工業(yè)控制、機(jī)器人、航空航天、指揮通訊等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)據(jù)融合就是通過充分利用來自測試系統(tǒng)的不同時(shí)間和空間的各種數(shù)據(jù)資源，在不同數(shù)據(jù)層次上進(jìn)行各種必要的組合、集成、抽取、關(guān)聯(lián)等處理，從而得到最佳的判斷結(jié)果。數(shù)據(jù)融合技術(shù)有助于提高智能測試系統(tǒng)的整體性能，使其具有專家系統(tǒng)的功能。

2 發(fā)動機(jī)冷起動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)冷起動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要同時(shí)監(jiān)測諸如壓力、電流、電壓、溫度、轉(zhuǎn)速等各種參量信號，（電流傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、濕度傳感器、電壓傳感器各一個(gè)；壓力傳感器三個(gè)分別用來測量大氣壓力、進(jìn)氣壓力和機(jī)油壓力；溫度傳感器4個(gè)，分別用來測量環(huán)境溫度、機(jī)油溫度、冷卻水溫度和電瓶溫度）除完成多路數(shù)據(jù)的自動監(jiān)測、采集、存儲外，還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送、處理、繪圖等功能。圖1為其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

本系統(tǒng)采用了上、下位機(jī)的結(jié)構(gòu)。其中上位機(jī)為一PC機(jī)，是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊，采用VC++程序進(jìn)行編寫；其功能是接收由下位機(jī)傳輸來的采集數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行分析處理、數(shù)據(jù)顯示、繪圖等功能。下位機(jī)為一數(shù)據(jù)采集器形式，是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊，采用C語言編寫，其功能是完成數(shù)據(jù)的采集，原始數(shù)據(jù)的簡單處理、存儲并可通過接口與上位機(jī)完成數(shù)據(jù)傳送和聯(lián)機(jī)監(jiān)測。

圖1 冷起動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

軟件部分主要用來管理硬件系統(tǒng)完成對被測量的監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)量程轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)融合、故障診斷、邏輯推理、通信、報(bào)警等功能。上位機(jī)是整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心。可以完成文件管理、試驗(yàn)設(shè)置、查看和數(shù)據(jù)分析等功能。圖2為其結(jié)構(gòu)圖。下位機(jī)軟件系統(tǒng)直接與被測對象相關(guān)，貫穿著整個(gè)測試系統(tǒng)。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

3 數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)所處理的數(shù)據(jù)包括溫度、轉(zhuǎn)速、電流、電壓、壓力和濕度等，將其按照法則進(jìn)行歸類分析后，認(rèn)為其基本可分為三類：①具有良好曲線特征并可“直接”測量的信號；②具有良好曲線特征但不可采用“直接”測量的信號；③不具有良好曲線特性但可采用“直接”測量的信號。由于電流電壓等信號可以在整流濾波后直接進(jìn)行處理，下面以溫度和轉(zhuǎn)速為例著重對前兩類數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3.1 溫度信號的數(shù)據(jù)處理

溫度數(shù)據(jù)的采集會不可避免地存在很多隨機(jī)干擾和疏失誤差，這些對數(shù)據(jù)精度的影響較大，在數(shù)據(jù)處理之前，應(yīng)予剔除。由于在實(shí)際測量中，儀器的老化、環(huán)境的變化、被測對象自身的變化等情形不可避免地會導(dǎo)致測量結(jié)果的不等精度。本系統(tǒng)中采用了自適應(yīng)加權(quán)融合法來處理溫度信號，因?yàn)榇朔椒ú恍枰獢?shù)據(jù)具有等精度性，而是引入標(biāo)志測量精度的特征數(shù)字“權(quán)”數(shù)W來計(jì)算均方差最小的融合值。自適應(yīng)加權(quán)數(shù)據(jù)融合模型如圖3所示。不同的測量數(shù)據(jù)都有其相應(yīng)的權(quán)數(shù)，在總均方差最小這一最優(yōu)條件下，根據(jù)各測量數(shù)據(jù)以自適應(yīng)的方式尋找其他對應(yīng)權(quán)數(shù)，使融合后的X達(dá)到最優(yōu)。

圖3 自適應(yīng)加權(quán)數(shù)據(jù)融合模型

加權(quán)因子W引入后，測量數(shù)據(jù)的融合值為：

其中σ2是各加權(quán)因子Wi的多元二次函數(shù)。根據(jù)多元函數(shù)求極值理論，可以求出當(dāng)加權(quán)因子為時(shí)為最小。

3.2 轉(zhuǎn)速信號的數(shù)據(jù)處理

根據(jù)轉(zhuǎn)速具有明顯曲線特征的性質(zhì)和數(shù)據(jù)融合理論的優(yōu)勢，建立起了基于估計(jì)理論模式的數(shù)據(jù)融合理論，如圖4所示。

圖4 速度信號融合假設(shè)模型

采用曲線擬合的最小二乘法對采集轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行擬合，將得到的測量估計(jì)當(dāng)作采樣結(jié)果，運(yùn)用圖3建立的對數(shù)據(jù)等精度不做要求的數(shù)據(jù)融合模型進(jìn)行處理。

4 試驗(yàn)應(yīng)用分析

將開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用于一臺安裝普通預(yù)熱塞的4缸發(fā)動機(jī)，按照圖5所示的冷起動試驗(yàn)過程進(jìn)行冷起動試驗(yàn)，發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示；圖7為開發(fā)的發(fā)動機(jī)冷起動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的結(jié)果。從圖6和圖7的比較可以看出，發(fā)動機(jī)在啟動過程中數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本與實(shí)際起動過程吻合。

圖5 冷起動試驗(yàn)過程流程圖

圖6 發(fā)動機(jī)冷起動曲線圖

圖7 發(fā)動機(jī)冷啟動采集數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

（1）本文將數(shù)據(jù)融合技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動機(jī)冷起動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，構(gòu)建了自適應(yīng)加權(quán)數(shù)據(jù)融合模型；

（2）通過冷起動試驗(yàn)，證明數(shù)據(jù)融合處理后的數(shù)據(jù)與采集到的數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本吻合，說明開發(fā)的冷啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是成功的，可為發(fā)動機(jī)的冷起動測試和優(yōu)化提供借鑒。