基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的車輛空調(diào)系統(tǒng)

鄭飛鵬

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心電子電氣架構(gòu)設(shè)計，河北 保定 071000）

隨著車輛的大量普及，人們對汽車的要求越來越高，車輛的舒適度也被廣泛關(guān)注，其中乘員艙溫度是人們對車輛舒適度感知的一項重要參考標(biāo)準(zhǔn)，同時乘員艙溫度也常用來作為車輛空調(diào)系統(tǒng)的輸入值和溫度反饋值，直接影響人們的溫度感知，因此乘員艙溫度的精確與否對人們的舒適度感知影響巨大。

當(dāng)前技術(shù)條件下，乘員艙溫度信號多由內(nèi)部溫度傳感器測得，以貝洱海拉為例，內(nèi)部溫度傳感器包含2個溫度傳感器和1個陽光傳感器，其中一個溫度傳感器用來檢測表面溫度，另一個溫度傳感器主要用來檢測周圍環(huán)境對內(nèi)部溫度的影響（如PCB板發(fā)熱），同時結(jié)合陽光傳感器信號，通過內(nèi)部邏輯算法，計算得出乘員艙溫度。

得出的乘員艙溫度值作為空調(diào)系統(tǒng)的輸入值及溫度反饋值，該溫度值可能存在誤差，從而對車輛乘員的舒適感知造成一定影響，可能存在的誤差主要由以下原因造成。

1）僅參考3個輸入?yún)?shù)，系統(tǒng)本身防誤差彈性較小，計算得出的溫度值，可能會因為某一個輸入?yún)?shù)的不準(zhǔn)確而影響整體的計算結(jié)果。

2）用來檢測表面溫度的傳感器受安裝位置的影響較大，現(xiàn)在大多都安裝在空調(diào)面板或儀表板處，該位置可能由于距空調(diào)出風(fēng)口的距離、空氣流通程度、周圍的其他電器件工作時產(chǎn)生的功率熱以及發(fā)動機艙熱量對該安裝位置的熱傳遞等問題，造成測量值相對于乘員艙溫度真實值偏大或偏小。

3）陽光傳感器用于檢測陽光強度，受云層厚度、停車位置影響較大，可能存在系統(tǒng)誤差。

基于以上分析，為保證乘員艙溫度的相對準(zhǔn)確、操作簡單快捷的前提下，把人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于乘員艙溫度模擬，提出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的乘員艙溫度的計算系統(tǒng)。

1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法原理

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量類似于神經(jīng)元的處理單元相互連接而成的非線性復(fù)雜的智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它是一個并行和分布式的信息處理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)一般由許多個神經(jīng)元組成，每個神經(jīng)元可以連接到很多其他神經(jīng)元，其輸入有多個連接通路，每個連接通路對應(yīng)一個連接權(quán)系數(shù)。根據(jù)連接方式的不同，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可分成兩大類：沒有反饋的前向網(wǎng)絡(luò)和相互結(jié)合型網(wǎng)絡(luò)。前向型網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱含層、輸出層組成。隱含層可有若干層，每一層的神經(jīng)元接受前一層神經(jīng)元輸出，這樣就實現(xiàn)了輸入層結(jié)點的狀態(tài)空間到輸出層狀態(tài)空間的非線性映射。在前向網(wǎng)絡(luò)中，誤差反向傳播網(wǎng)絡(luò)BP（ Back Propogat ion） 應(yīng)用最廣。BP 網(wǎng)絡(luò)是一單向傳播的多層前向網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的空調(diào)系統(tǒng)模型搭建

當(dāng)前空調(diào)系統(tǒng)中，乘員艙溫度的測量通常由內(nèi)部溫度傳感器測得，由以上分析可知，該測量方法存在一定的溫度誤差，對乘員舒適度造成某種程度的影響。比如，在自動空調(diào)工作時，空調(diào)控制器需根據(jù)乘員艙溫度傳感器的測量值，判斷當(dāng)前乘員艙溫度是否達(dá)到乘員設(shè)定溫度，控制器以此判定條件執(zhí)行制熱或制冷動作，但是由于這種誤差，可能造成空調(diào)控制器執(zhí)行制熱、制冷動作不準(zhǔn)確，從而造成乘員艙溫度不均衡，進而影響乘員的舒適度。為解決上述問題，建立一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的乘員艙溫度模型，以更加精確地測量乘員艙溫度，從而使空調(diào)系統(tǒng)更好地運行，其原理如圖2所示。

3 模型樣本分析

根據(jù)熱傳導(dǎo)原理，將車內(nèi)空間看作一個有自平衡能力的單個整體，影響車內(nèi)空間溫度變化的因素主要有：①由車內(nèi)外溫度差引起的對乘員艙的熱傳遞Qa；②由發(fā)動機艙溫度引起的對乘員艙的熱傳遞Qb；③由車內(nèi)乘員人體熱、車載設(shè)備功率熱引起的溫度變化Qc；④空調(diào)系統(tǒng)工作引起的溫度變化Qd。

3.1 Qa分析

在車輛門窗關(guān)閉的情況下，由車內(nèi)外溫度差通過車身引起的熱傳遞，對車內(nèi)乘員艙的溫度變化起到很大影響。這種影響主要與熱傳遞系數(shù)K1、乘員艙與外部接觸的車身面積S、車內(nèi)外溫度差ΔT有關(guān)，其中車身面積S中包含有車窗、天窗的面積S1，同時車身的熱傳遞系數(shù)K1與玻璃的熱傳遞系數(shù)K2也有所差別，所以設(shè)定一個新的物理量——單位車身熱傳遞系數(shù) Ke。

Ke=［K1×（S-S1）+ K2×S1］/ S

車內(nèi)外溫度差ΔT由空調(diào)系統(tǒng)中車外溫度傳感器測得車外溫度Tw和測量時乘員艙的初始溫度T0求得。

因此可知熱傳遞Qa與單位車身熱傳遞系數(shù)Ke、乘員艙與外部接觸的車身面積S、車外溫度Tw和測量時乘員艙的初始溫度T0有關(guān)。

3.2 Qb分析

在發(fā)動機工作情況下，發(fā)動機艙對車輛乘員艙的熱傳遞影響非常明顯，特別是在發(fā)動機工作一段時間后，發(fā)動機附近溫度將達(dá)到90 ℃左右。雖然在車輛設(shè)計開發(fā)階段，設(shè)計人員在機艙與乘員艙隔板處安裝了一種類似隔熱棉之類的裝置，但是這種裝置并不能完全消除由發(fā)動機艙溫度引起的對乘員艙的熱傳遞，這種熱傳遞同樣也是乘員艙溫度變化的主要因素。

因此可知熱傳遞Qb主要與發(fā)動機溫度Te（即發(fā)動機水溫）、汽車機艙到乘員艙的熱傳遞系數(shù)Ke1及發(fā)動機機艙熱傳遞面積Se有關(guān)。

3.3 Qc分析

在分析乘員艙內(nèi)部空間溫度變化時，該空間內(nèi)部熱源也同樣不應(yīng)忽視，該熱源主要指車內(nèi)乘員人體生命活動產(chǎn)生的生物熱Qc1及車內(nèi)照明設(shè)備工作時產(chǎn)生的功率熱Qc2。其中人體產(chǎn)生的Qc1主要與性別、年齡、衣著、人數(shù)有關(guān)；車內(nèi)照明設(shè)備產(chǎn)生的功率熱Qc2主要與該設(shè)備的照明功率、使用時間有關(guān)。由于乘員的性別、年齡、衣著變動較大，且若是識別乘員的性別、年齡、衣著情況，需要添加額外的傳感設(shè)備，并作大量的內(nèi)部識別計算，增加該模型成本，因此關(guān)于人體產(chǎn)生的Qc1僅看作與乘員人數(shù)n相關(guān)。

因此可知熱傳遞Qc主要與乘員人數(shù)n、車內(nèi)照明設(shè)備的功率Pz、及使用時間Tz有關(guān)。其中Tz為車輛喚醒到當(dāng)前時刻的時間。

3.4 Qd分析

車內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)是專門為調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度，以滿足車內(nèi)乘員舒適要求而專門設(shè)計的，在空調(diào)系統(tǒng)工作情況下，空調(diào)系統(tǒng)是引起車內(nèi)溫度變化的最為重要的因素，空調(diào)系統(tǒng)引起乘員艙溫度變化主要與空調(diào)出風(fēng)口溫度Tk、空調(diào)出風(fēng)口的單位時間出風(fēng)量An、空調(diào)出風(fēng)模式Mk和空調(diào)工作時間Tg有關(guān)。

綜上所述，在對Qa、Qb、Qc、Qd這4種溫度變化量分析之后，可知乘員艙溫度變化主要與單位車身熱傳遞系數(shù)Ke、乘員艙與外部接觸的車身面積S、車外溫度Tw、乘員艙初始溫度T0、發(fā)動機溫度Te、汽車機艙到乘員艙的熱傳遞系數(shù)Ke1、發(fā)動機艙熱傳遞面積Se、乘員人數(shù)n、車內(nèi)照明設(shè)備的功率Pz及使用時間Tz、空調(diào)出風(fēng)口溫度Tk、空調(diào)出風(fēng)口的單位時間出風(fēng)量An、空調(diào)出風(fēng)模式Mk和空調(diào)工作時間Tg等14個參數(shù)有關(guān)。

因此該模型結(jié)構(gòu)中，輸入層節(jié)點數(shù)為14個，隱含層數(shù)1層，隱含層節(jié)點數(shù)4個，輸出層節(jié)點數(shù)1個（為乘員艙溫度），具體如圖3所示。

圖3 模型結(jié)構(gòu)框圖

4 模型樣本采集

根據(jù)圖3模型框圖結(jié)構(gòu)，在計算機中構(gòu)建采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的該溫度模型，模型輸入量為Ke、S、Tw、T0、Te、Ke1、Se、n、Pz、Tz、Tk、An、Mk、Tg等14個參數(shù)。

1）Ke、S、Ke1、Se這4個輸入層參數(shù)相對于同款車型而言，可看作定值，具體可由計算或測量得出。

2）Tw、T0、Te、n、Pz、Tz、Tk、An、Mk和Tg，這10個輸入層參數(shù)雖為變量，均可以用傳感器、計時器等工具測得。

3）模型訓(xùn)練樣本中乘員艙溫度信息為該模型輸出層的唯一數(shù)據(jù)，樣本中它的精確性直接影響到該模型的最終結(jié)果，因此，對乘員艙溫度信息的樣本采集必須做到盡可能準(zhǔn)確，現(xiàn)擬定乘員艙溫度的采集方式如下。

取6個溫度傳感器，安裝于乘員艙內(nèi)不同位置，如圖4所示。其中①號②號傳感器安裝在乘員艙前部，③號④號傳感器安裝在乘員艙尾部，⑤號傳感器安裝在乘員艙地板，⑥號傳感器安裝在乘員艙頂篷，取這6個溫度傳感器測量值的平均值Ti作為乘員艙溫度訓(xùn)練樣本。

圖4 溫度傳感器安裝位置示意圖

4）根據(jù)以上方式采集N組訓(xùn)練樣本，制作出樣本集Xp，其中p=1，2，3……N，為保證模型精確性，需確保N足夠大，

5 模型訓(xùn)練

在訓(xùn)練樣本采集完成之后，便開始用樣本集對人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行訓(xùn)練，主要包含前向計算過程、誤差反向過程和權(quán)值更新過程，具體流程如圖5所示。

圖5 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練流程圖

5.1 前向計算過程

1）根據(jù)圖1所示，依次從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入層開始向隱含層計算。隱含層第j結(jié)點來自輸入層的總輸入為。其中i從1到14，為輸入層節(jié)點編號，xi依次對應(yīng)輸入層的14個輸入?yún)?shù)的具體數(shù)值，Wij為輸入層第i個節(jié)點與隱含層第j個節(jié)點之間的權(quán)值。則隱含層第j節(jié)點的輸出為Vj=f（hj），其中函數(shù)其中j從1到4，為隱含層節(jié)點編號。

其中Wjk為隱含層和輸出層之間的權(quán)值，k為輸出層節(jié)點數(shù)，該模型中輸出層有1個輸出節(jié)點。則輸出層的輸出為。

5.2 誤差反向計算過程

2）定義該模型反向?qū)W習(xí)效率β，考慮到該模型中學(xué)習(xí)樣本測量需要大量的人力、物力，因此為加速該模型的快速學(xué)習(xí)，且保證相對準(zhǔn)確，在這里定義3個等級的學(xué)習(xí)效率，分別為β1，β2，β3，且β1＞β2＞β3；定義模型誤差δ的3個門限值，分別為A，B，C，且A＞B＞C，其中定義C≤γ，γ為該模型訓(xùn)練完成后允許的模型最小誤差。不同誤差門限值對應(yīng)不同的學(xué)習(xí)效率，如表1所示。

3）誤差反向傳播規(guī)則，采用梯度下降法調(diào)整初始權(quán)值Wjk、Wij。是誤差函數(shù)δ對Wjk的負(fù)偏導(dǎo)；是誤差函數(shù)δ對Wij的負(fù)偏導(dǎo)。

5.3 更新Wij、Wjk權(quán)值

Wjkn=Wjkn-1+ΔWjk。其中Wjkn-1是Wjk上一次的運算結(jié)果，Wjkn是Wjk本次運算結(jié)果；Wijn=Wijn-1+ΔWij，其中Wijn-1是Wij上一次的運算結(jié)果，Wijn是Wij本次運算結(jié)果。

根據(jù)以上邏輯，模型的每次學(xué)習(xí)，都會調(diào)整權(quán)值系數(shù)Wij、Wjk的值。

表1 不同誤差門限值對應(yīng)不同的學(xué)習(xí)效率

5.4 模型訓(xùn)練學(xué)習(xí)的完成

由于權(quán)值Wij、Wjk為負(fù)梯度更新，所以模型誤差δ隨著每次的訓(xùn)練學(xué)習(xí)總是在減小，當(dāng)判定誤差δ＜C時，模型即可認(rèn)為該誤差滿足要求，更新權(quán)值，停止訓(xùn)練學(xué)習(xí)，即模型訓(xùn)練完成。

6 該模型在實車上的應(yīng)用

設(shè)計該乘員艙溫度模型（圖6），主要目的是為了應(yīng)用于車載空調(diào)系統(tǒng)，因此可將該溫度模型集成于空調(diào)控制器內(nèi)部，通過獲取來自數(shù)據(jù)采集機構(gòu)、乘員操作面板的相關(guān)輸入信息，再結(jié)合該模型中的其他相關(guān)定值參數(shù)（如Ke、S、Ke1、Se），計算得出當(dāng)前乘員艙溫度，空調(diào)控制器根據(jù)當(dāng)前乘員艙溫度，向空調(diào)執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送相關(guān)制熱或制冷的命令。

圖6 乘員艙溫度模型控制系統(tǒng)框圖

7 結(jié)語

該空調(diào)系統(tǒng)的溫度調(diào)節(jié)，是基于內(nèi)部的溫度模型實現(xiàn)的，空調(diào)控制器通過對比該模型的溫度值，來對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送繼續(xù)制冷或制熱的命令，對乘員艙溫度調(diào)節(jié)具有更加積極效果。