一種重型車監(jiān)控平臺(tái)與OBD數(shù)據(jù)延時(shí)修正方法

熊興旺，楊妍妍，甄凱，劉保獻(xiàn)，5

(1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司,北京 100176；2.北京市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，北京 100048；3.大氣顆粒物監(jiān)測(cè)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048；4.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司,天津 300300； 5.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084)

隨著重型車排放法規(guī)的加嚴(yán)，重型車遠(yuǎn)程監(jiān)控車載終端逐漸開始推廣應(yīng)用[1]。重型車國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》的附錄Q中規(guī)定了車載終端需要采集并向平臺(tái)傳輸規(guī)定的數(shù)據(jù)項(xiàng)。北京市生態(tài)環(huán)境局發(fā)布的《北京市重型汽車和非道路移動(dòng)機(jī)械排放遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理車載終端安裝管理辦法(試行)》通告，要求符合GB 17691—2005國(guó)五階段的重型車上的車載終端采集規(guī)定的數(shù)據(jù)并向重型車監(jiān)管平臺(tái)傳輸，且重型汽車生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)確保車載終端采集和上傳的數(shù)據(jù)與重型汽車實(shí)際數(shù)據(jù)一致，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)開展排放遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)管理車載終端數(shù)據(jù)一致性等相關(guān)試驗(yàn)。

重型車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)接收到的數(shù)據(jù)與試驗(yàn)中采集的OBD數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性比對(duì)時(shí)，重型車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)接收的數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度和起始時(shí)間，同采集的OBD數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度和起始時(shí)間存在差異，計(jì)算兩數(shù)據(jù)序列相關(guān)性時(shí)，需要對(duì)平臺(tái)接收數(shù)據(jù)序列和OBD采集數(shù)據(jù)序列進(jìn)行延時(shí)修正，若不進(jìn)行延時(shí)修正，直接計(jì)算兩時(shí)間錯(cuò)位的數(shù)據(jù)序列，相關(guān)性會(huì)受到較大影響，進(jìn)而干擾一致性試驗(yàn)結(jié)論。

目前，實(shí)驗(yàn)室常用的延時(shí)修正方法以瞬時(shí)車速為基準(zhǔn)，對(duì)平臺(tái)接收數(shù)據(jù)序列和OBD采集數(shù)據(jù)序列進(jìn)行時(shí)間對(duì)齊，利用對(duì)齊后的數(shù)據(jù)序列之間的相關(guān)系數(shù)來(lái)驗(yàn)證時(shí)間對(duì)齊效果[2]。時(shí)間對(duì)齊時(shí)，若逐次比較多個(gè)不同平移時(shí)間的對(duì)齊效果，會(huì)極大影響效率。為提高時(shí)間對(duì)齊的效率，考慮利用計(jì)算兩數(shù)據(jù)序列間的互相關(guān)函數(shù)極大值的方式進(jìn)行時(shí)間對(duì)齊，對(duì)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行延時(shí)修正[3-4]。本研究在重型車試驗(yàn)中，同步采集平臺(tái)接收數(shù)據(jù)和OBD數(shù)據(jù)，對(duì)重型車在線監(jiān)控平臺(tái)接收的數(shù)據(jù)序列與OBD采集的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行延時(shí)修正，并進(jìn)行延時(shí)修正后數(shù)據(jù)序列的相關(guān)性分析。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與方案

試驗(yàn)采用一輛國(guó)六貨車，該車的性能參數(shù)見表1。試驗(yàn)中所采用的主要測(cè)試儀器設(shè)備見表2。

表1 試驗(yàn)車輛性能參數(shù)

表2 試驗(yàn)用儀器設(shè)備

試驗(yàn)車輛加載質(zhì)量，按照標(biāo)準(zhǔn)GB 17691—2018中對(duì)Pems試驗(yàn)規(guī)定的工況比例構(gòu)成要求，生成模擬Pems試驗(yàn)工況，在底盤測(cè)功機(jī)上模擬Pems試驗(yàn)，用OBS-ONE-G12設(shè)備采集試驗(yàn)OBD數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率為1 Hz。試驗(yàn)中啟用遠(yuǎn)程排放管理車載終端，同步在重型車遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)接收車載終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸采集頻率為1 Hz。圖1示出試驗(yàn)中的模擬Pems試驗(yàn)實(shí)際車速曲線。

圖1 模擬Pems試驗(yàn)實(shí)際車速曲線

2 延時(shí)修正方法

對(duì)監(jiān)控平臺(tái)接收到的數(shù)據(jù)序列與OBD采集的數(shù)據(jù)序列進(jìn)行延時(shí)修正后，排除噪聲干擾等外界因素，理論上應(yīng)該具有較強(qiáng)相關(guān)性[5]。可以借鑒計(jì)算無(wú)偏互相關(guān)函數(shù)極大值的方式來(lái)計(jì)算兩序列的延時(shí)。對(duì)于長(zhǎng)度為N的時(shí)間序列x和y，x和y序號(hào)從0至N-1，則x和y間的無(wú)偏互相關(guān)函數(shù)為[6]

(1)

式中：t=-(N-1), -(N-2),…0,…N-2,N-1；N為時(shí)間序列x和y的長(zhǎng)度。

傳感器采集數(shù)據(jù)頻率為1 Hz，采集的數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度一般都較長(zhǎng)(大于3 600 s)，各數(shù)據(jù)項(xiàng)的延時(shí)相對(duì)

于序列長(zhǎng)度較小，因此無(wú)需遍歷整個(gè)數(shù)據(jù)序列長(zhǎng)度，只在[-3 600 s,3 600 s]區(qū)間內(nèi)計(jì)算互相關(guān)函數(shù)值，步長(zhǎng)為1 s。

對(duì)各數(shù)據(jù)項(xiàng)分別構(gòu)造以監(jiān)控平臺(tái)接收數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)的互相關(guān)函數(shù)：

(2)

式中：Δ(t)為OBD數(shù)據(jù)yOBD相對(duì)于監(jiān)控平臺(tái)接收數(shù)據(jù)yMon的無(wú)偏互相關(guān)函數(shù)值；yMon和yOBD代表平臺(tái)接收數(shù)據(jù)和OBD數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)進(jìn)行延時(shí)修正的數(shù)據(jù)項(xiàng)，分別為車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣流量、燃油流量和NOx排放量；t=-3 600, -3 599,…0,…3 599,3 600；X為時(shí)間序列yMon和yOBD的長(zhǎng)度。

在[-3 600 s,3 600 s]區(qū)間內(nèi)，對(duì)車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣流量、燃油流量和NOx排放量等各數(shù)據(jù)項(xiàng)分別計(jì)算得到互相關(guān)函數(shù)序列，為便于對(duì)比觀察，將各數(shù)據(jù)項(xiàng)各自對(duì)應(yīng)的互相關(guān)函數(shù)序列分別進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理，歸一化互相關(guān)函數(shù)曲線的極大值處對(duì)應(yīng)的平移時(shí)間即為兩時(shí)間序列的延時(shí)。對(duì)滯后的時(shí)間序列進(jìn)行延時(shí)修正，兩數(shù)據(jù)序列進(jìn)行長(zhǎng)度對(duì)齊，長(zhǎng)度對(duì)齊后的兩數(shù)據(jù)序列按照最小二乘法進(jìn)行線性擬合，計(jì)算相關(guān)系數(shù)R2，評(píng)估延時(shí)修正效果。

3 原始數(shù)據(jù)序列修正結(jié)果

圖2至圖6分別示出監(jiān)控平臺(tái)接收到的車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣流量、燃油流量和NOx數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)OBD采集的數(shù)據(jù)曲線對(duì)比及延時(shí)。其中，NOx傳感器采集數(shù)據(jù)時(shí)，為了保護(hù)傳感器，需要滿足露點(diǎn)溫度的條件才能進(jìn)入正常工作狀態(tài)[7]，否則讀取的NOx數(shù)據(jù)會(huì)為異常的假值，這部分異常數(shù)據(jù)本身并無(wú)參考意義，同時(shí)也會(huì)影響互相關(guān)函數(shù)計(jì)算結(jié)果。因此，NOx數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之前，需要先剔除這部分異常數(shù)據(jù)。從圖2至圖6可以看到，監(jiān)控平臺(tái)接收到的數(shù)據(jù)序列明顯滯后于采集的OBD數(shù)據(jù)序列。根據(jù)式(2)計(jì)算得到OBD數(shù)據(jù)序列關(guān)于監(jiān)控平臺(tái)接收數(shù)據(jù)序列的互相關(guān)函數(shù)曲線，并進(jìn)行歸一化。從圖2至圖6中可分別得到歸一化互相關(guān)函數(shù)曲線的極大值處對(duì)應(yīng)的平移時(shí)間，此平移時(shí)間即為延時(shí)。

圖2 遠(yuǎn)程平臺(tái)與OBD車速曲線對(duì)比及延時(shí)

圖3 遠(yuǎn)程平臺(tái)與OBD發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線對(duì)比及延時(shí)

圖4 遠(yuǎn)程平臺(tái)與OBD進(jìn)氣流量曲線對(duì)比及延時(shí)

圖5 遠(yuǎn)程平臺(tái)與OBD燃油流量曲線對(duì)比及延時(shí)

圖6 遠(yuǎn)程平臺(tái)與OBD NOx排放曲線對(duì)比及延時(shí)

將圖2至圖6中的數(shù)據(jù)序列分別在時(shí)間軸上進(jìn)行延時(shí)修正，圖7至圖11分別為延時(shí)修正后的平臺(tái)車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣流量、燃油流量和NOx數(shù)據(jù)與OBD數(shù)據(jù)曲線對(duì)比。從圖7至圖11中可以直觀看到，延時(shí)修正后的兩時(shí)間序列基本重合，這說(shuō)明延時(shí)修正后，兩數(shù)據(jù)序列具有較強(qiáng)的相關(guān)性，延時(shí)修正的效果較好。

圖7 遠(yuǎn)程平臺(tái)與OBD車速曲線延時(shí)修正后對(duì)比

圖8 遠(yuǎn)程平臺(tái)與OBD發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線延時(shí)修正后對(duì)比

圖9 遠(yuǎn)程平臺(tái)與OBD進(jìn)氣流量曲線延時(shí)修正后對(duì)比

圖10 遠(yuǎn)程平臺(tái)與OBD燃油流量曲線延時(shí)修正后對(duì)比

圖11 遠(yuǎn)程平臺(tái)與OBD NOx排放曲線延時(shí)修正后對(duì)比

匯總各數(shù)據(jù)項(xiàng)平臺(tái)數(shù)據(jù)與OBD數(shù)據(jù)間的延時(shí)，并統(tǒng)計(jì)進(jìn)行延時(shí)修正后的數(shù)據(jù)序列之間的最小二乘法擬合相關(guān)系數(shù)R2，結(jié)果見表3。

表3 各數(shù)據(jù)項(xiàng)延時(shí)與延時(shí)修正后相關(guān)系數(shù)

從表3中可以看到，車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣流量和NOx排放量等各數(shù)據(jù)項(xiàng)的延時(shí)均為529 s，燃油流量的延時(shí)為528 s；延時(shí)修正后的數(shù)據(jù)系列間相關(guān)系數(shù)R2均大于0.9。從各數(shù)據(jù)項(xiàng)之間的延時(shí)比較可以看出，各數(shù)據(jù)項(xiàng)的延時(shí)并不完全相同，燃油流量如果按照529 s的延時(shí)來(lái)進(jìn)行時(shí)間對(duì)齊，延時(shí)修正后的燃油流量數(shù)據(jù)序列相關(guān)系數(shù)R2為0.803 1，小于0.9，對(duì)延時(shí)修正后的兩數(shù)據(jù)序列間的相關(guān)性產(chǎn)生了明顯的影響。計(jì)算得到的燃油流量信號(hào)的延時(shí)同車速等信號(hào)的延時(shí)不同，可能是由于不同信號(hào)的采集過(guò)程并非嚴(yán)格的時(shí)間同步，不同信號(hào)的采集過(guò)程之間也存在延時(shí)。

平臺(tái)數(shù)據(jù)與OBD數(shù)據(jù)本質(zhì)上都是從ECU讀取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流信號(hào)，但由于信號(hào)采集的初始時(shí)間的差異，所以會(huì)存在采集傳輸起始時(shí)間不一致的問(wèn)題，若經(jīng)過(guò)合理的延時(shí)修正，在噪聲信號(hào)干擾較小的情況下，兩時(shí)間序列理應(yīng)存在較強(qiáng)的相關(guān)性。通過(guò)互相關(guān)函數(shù)方式計(jì)算的延時(shí)與通過(guò)計(jì)算相關(guān)系數(shù)R2最大值方式得到的延時(shí)一致。表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，用互相關(guān)函數(shù)求極大值的方式對(duì)平臺(tái)接收數(shù)據(jù)序列和OBD數(shù)據(jù)序列進(jìn)行延時(shí)修正，修正結(jié)果較為理想。

4 加入噪聲數(shù)據(jù)序列修正結(jié)果

車載終端向重型車監(jiān)控平臺(tái)傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中，會(huì)存在噪聲信號(hào)的干擾。不同類型、不同信噪比的噪聲會(huì)不同程度地影響算法的精度[8-9]。為考察本研究的延時(shí)修正方法對(duì)噪聲的抗干擾能力，利用Matlab軟件對(duì)重型車監(jiān)控平臺(tái)接收到的數(shù)據(jù)添加信噪比為SNR=-10 dB的高斯白噪聲信號(hào)，合成為新的平臺(tái)接收數(shù)據(jù)，利用互相關(guān)函數(shù)法計(jì)算加入噪聲后的合成平臺(tái)接收數(shù)據(jù)序列與對(duì)應(yīng)OBD數(shù)據(jù)序列之間的延時(shí)。

將重型車監(jiān)控平臺(tái)接收到的車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣流量、燃油流量和NOx數(shù)據(jù)序列分別加入高斯白噪聲信號(hào)，圖12至圖16示出加噪聲合成后的平臺(tái)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的OBD采集數(shù)據(jù)之間的對(duì)比及延時(shí)。從圖12至圖16可以看到，合成后的平臺(tái)數(shù)據(jù)曲線上含有很多“毛刺”，與原始信號(hào)相比，存在明顯失真，其中車速信號(hào)和燃油流量信號(hào)失真現(xiàn)象尤其明顯；合成后的平臺(tái)數(shù)據(jù)與OBD數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性變差。同樣根據(jù)式(2)，構(gòu)造OBD各數(shù)據(jù)項(xiàng)關(guān)于對(duì)應(yīng)的合成后的平臺(tái)各數(shù)據(jù)項(xiàng)間的互相關(guān)函數(shù)，并將函數(shù)曲線歸一化。從圖12至圖16中可分別得到歸一化互相關(guān)函數(shù)曲線的極大值，極大值處對(duì)應(yīng)的平移時(shí)間即為延時(shí)。

圖12 遠(yuǎn)程平臺(tái)信號(hào)加噪聲后與OBD 車速曲線對(duì)比及延時(shí)

圖13 遠(yuǎn)程平臺(tái)信號(hào)加噪聲后與OBD 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線對(duì)比及延時(shí)

圖14 遠(yuǎn)程平臺(tái)信號(hào)加噪聲后與OBD 進(jìn)氣流量曲線對(duì)比及延時(shí)

圖15 遠(yuǎn)程平臺(tái)信號(hào)加噪聲后與OBD 燃料流量曲線對(duì)比及延時(shí)

圖16 遠(yuǎn)程平臺(tái)信號(hào)加噪聲后與OBD NOx排放曲線對(duì)比及延時(shí)

統(tǒng)計(jì)圖12至圖16中的各數(shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)應(yīng)的延時(shí)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 平臺(tái)數(shù)據(jù)加噪聲合成后各數(shù)據(jù)項(xiàng)延時(shí)

從表4中可以看到，對(duì)于各數(shù)據(jù)項(xiàng)，平臺(tái)數(shù)據(jù)加噪聲合成后與OBD數(shù)據(jù)間的延時(shí)同原始平臺(tái)接收數(shù)據(jù)與OBD數(shù)據(jù)之間的延時(shí)完全相同，具有良好的一致性。這說(shuō)明本研究中的延時(shí)修正方法可以在一定程度上排除車載遠(yuǎn)程終端向平臺(tái)傳輸信號(hào)過(guò)程中受到的噪聲干擾，具備一定的抗噪聲干擾能力。

5 結(jié)論

a) 利用互相關(guān)函數(shù)求極大值法對(duì)重型車監(jiān)控平臺(tái)接收的車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣流量、燃油流量和NOx數(shù)據(jù)序列與對(duì)應(yīng)OBD數(shù)據(jù)序列進(jìn)行延時(shí)修正，各數(shù)據(jù)項(xiàng)的延時(shí)大小并不完全相同，延時(shí)修正后各數(shù)據(jù)序列的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.9；

b) 車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣流量、燃油流量和NOx的平臺(tái)接收數(shù)據(jù)加信噪比為SNR=-10 dB的高斯白噪聲信號(hào)后，與相應(yīng)的OBD數(shù)據(jù)之間的延時(shí)同加入噪聲前完全相同。