汽車儀表自動化檢測系統(tǒng)算法與功能設計研究

逯海燕

（甘肅交通職業(yè)技術(shù)學院，蘭州 730700）

目前，常見的汽車儀表檢測軟件適用環(huán)境存在一定的局限性。特別是在液晶儀表盤逐漸普及的背景下，傳統(tǒng)的檢測方式已經(jīng)無法滿足多功能儀表盤的檢測需求，需要設計一套完整的儀表檢測系統(tǒng)，依靠靈活的自動化檢測算法實現(xiàn)對各種新型儀表盤的檢測，提升檢測系統(tǒng)的可兼容性和可拓展性。

1 自動檢測算法設計

1.1 分析運行效率

對于儀表盤自動檢測系統(tǒng)而言，想要在確保質(zhì)量檢測精準性的基礎上提升檢測速度，一個重要途徑是優(yōu)化檢測算法[1]。依據(jù)現(xiàn)有的儀表盤質(zhì)量檢測流程，設計人員將控制命令的獲取時間設定為ti1，將檢測系統(tǒng)從接收指令到執(zhí)行指令之間的反應時間標定為ti2，將等待檢測控制要求和采集儀表狀態(tài)數(shù)據(jù)的時間標定為ti3，將自動檢測系統(tǒng)解析數(shù)據(jù)的時間標定為ti4，可以得出儀表檢測總時間計算公式為

式中：i為儀表盤檢測流程中每一個項目的序號；n為完整的儀表盤檢測流程中檢測項目的總數(shù)。想要縮短儀表盤自動檢測時間，需根據(jù)Amdahl法則，在對檢測流程的某個環(huán)節(jié)提速時，分析該操作對自動化檢測整體性能的影響。如果將執(zhí)行某一個檢測環(huán)節(jié)需要的時間設為Told，并將該環(huán)節(jié)執(zhí)行時間與總檢測時間的比值設定為α，設性能提升比例為k，則可以得到計算提升某個檢測環(huán)節(jié)效率后整個儀表盤檢測系統(tǒng)的執(zhí)行時間Tnew為

在式（2）的基礎上，定義加速比S為

基于式（2）與式（3），可以得到某一個檢測環(huán)節(jié)提速與完整的檢測系統(tǒng)的加速比S，即

式中：設計人員確定變量k的取值范圍為k∈[1,10]、α∈[0,1]，并繪制加速比數(shù)值S與變量k、α的關系圖。

當變量α是固定值時，對自動化檢測系統(tǒng)的某一個環(huán)節(jié)進行提速。完整的檢測系統(tǒng)得到的提速要顯著小于該環(huán)節(jié)提速比例，也就是單獨對某一個檢測環(huán)節(jié)提速并不能有效縮短完整的檢測流程花費的時間，需要對該檢測系統(tǒng)中的多個環(huán)節(jié)進行提速。只有當大部分檢測環(huán)節(jié)的檢測速度得到提升，才能夠?qū)崿F(xiàn)提升儀表盤檢測效率的目標[2]。

1.2 檢測隊列

儀表盤自動檢測系統(tǒng)運行過程中，將子系統(tǒng)中儲存的配置文件轉(zhuǎn)變?yōu)闄z測隊列，并將該隊列加載到檢測系統(tǒng)中。該隊列具有特定的運行模式，由若干個執(zhí)行過程相似的不同檢測單元集合而成。

檢測隊列由若干個最小檢測單元共同構(gòu)成，其中任意一個最小檢測單元都對應儀表盤的一種工作狀態(tài)。系統(tǒng)運行時，檢測隊列中的各個最小檢測單元依次運行，直至完成全部檢測工作。

在每一個基本檢測單元中，檢測控制系統(tǒng)先要依照設定好的控制指令進行運算，實現(xiàn)對儀表狀態(tài)的控制。某些控制單元中，通過一條控制指令就可以滿足儀表盤狀態(tài)采集條件。有些儀表功能較為復雜，對其進行檢測時需要綜合考慮多種狀態(tài)。這種背景下需要為每一條控制指令設定延時功能，使得控制指令與儀表盤的實際通信條件相符。例如，在檢測統(tǒng)一的診斷服務（Unified Diagnostic Services，UDS）通信功能時存在一個最短時間間隙，利用延時功能對連續(xù)接收信息的最小間隔時間進行限制[3]。

當全部控制指令發(fā)送完畢并根據(jù)設定調(diào)整延時后，檢測系統(tǒng)默認儀表盤已經(jīng)處于正常工作狀態(tài)，檢測系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入待采集模式。系統(tǒng)會依據(jù)檢測項目的不同，靈活選擇數(shù)據(jù)采集方法，將采集的儀表盤信息導入解析算法，最終得到檢測結(jié)果。

1.3 設計多線程檢測功能

1.3.1 UI線程

用戶界面（User Interface，UI）線程的主要功能是與駕駛員進行交互，利用液晶屏實時展現(xiàn)車輛的狀態(tài)。在該功能模塊中，代碼為線性運算邏輯，不支持并發(fā)。實際駕駛過程中，駕駛員通過UI界面直接向系統(tǒng)發(fā)送指令以獲取車輛智能系統(tǒng)的反饋信息。UI功能無法與其他功能共享一個線程，需要單獨為其設計線程。

1.3.2 分配線程

所謂的分配線程，實際上是指用戶預先配置好的檢測隊列線程，主要功能是解析檢測流程，能夠直接體現(xiàn)自動檢測算法邏輯。該模塊主要用于完成一些簡單的檢測操作，以及必須要進行同步檢測的工作，自身并不會進行多任務檢測。通常情況下，指針檢測與燈光檢測占據(jù)了儀表檢測的絕大部分，在儀表空間未發(fā)生重合的情況下，同時進行UI線程和分配線程檢測，能夠在不相互干擾的情況下實現(xiàn)兩種檢測項目的同時檢測。基于分配檢測的特殊性質(zhì)，設計人員嘗試縮短ti3的時間，在一個檢測序列中同時運行兩種分配線程壓縮單線程檢測等待時間，提高儀表盤自動化檢測效率。

1.4 設計解析線程池

在實際開展儀表盤檢測的工作過程中，如果在采集到儀表盤狀態(tài)數(shù)據(jù)后立刻使用同步方式解析數(shù)據(jù)，會延長自動化檢測系統(tǒng)的運行時間。為了解決這一問題，設計人員嘗試利用多核、多線程檢測模式，異步解析儀表盤檢測內(nèi)容，將儀表盤狀態(tài)數(shù)據(jù)分配給獨立進行解析任務的不同線程，減少分配線程解析工作量。創(chuàng)建解析線程池，利用對固定數(shù)目線程的控制，實現(xiàn)對現(xiàn)有算力的合理分配，縮短ti4運行時間。

分配線程與解析線程池之間存在“生產(chǎn)者—消費者”結(jié)構(gòu)模型。前者主要的責任是收集儀表狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，并將該信息傳輸給解析線程池，完成信息傳輸工作后分配線程會進入下一個工作循環(huán)，不再涉及后續(xù)信息解析與執(zhí)行環(huán)節(jié)。它讀取并傳送的信息會暫時儲存在自動化檢測系統(tǒng)的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)隊列中，并由解析線程池分配目前處于空閑狀態(tài)的線程解析數(shù)據(jù)并生成檢測結(jié)果，具體工作流程如下。

步驟1：創(chuàng)建一定數(shù)量的線程。自動化檢測系統(tǒng)進行初始化時，線程池借助設定好的函數(shù)創(chuàng)建相應數(shù)量的線程，并將這部分線程調(diào)整為等待狀態(tài)，避免線程過多而占用中央處理器（Central Processing Unit，CPU），將其統(tǒng)一集中到相應的管理模塊，隨時準備調(diào)用。

步驟2：創(chuàng)建任務隊列。線程池中內(nèi)嵌有數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，未被解析的數(shù)據(jù)可以先存儲在該區(qū)域?？梢詫⒕彌_區(qū)視為兩個相鄰檢測環(huán)節(jié)之間的連接點，借助其實現(xiàn)待解析數(shù)據(jù)的內(nèi)部交流。

步驟3：以預先設定好的算法作為依據(jù)分配線程，正常狀態(tài)下可以從線程池中挑選處于空閑狀態(tài)的線程解析儀表盤狀態(tài)數(shù)據(jù)。特殊情況下也可以根據(jù)解析任務的具體需求，選擇特定的線程處理儀表盤狀態(tài)數(shù)據(jù)。

2 儀表盤自動化檢測系統(tǒng)功能設計

2.1 統(tǒng)計過程控制

統(tǒng)計過程控制功能的實現(xiàn)主要依靠過程受控判斷技術(shù)和過程能力分析技術(shù)。兩項技術(shù)的主要作用是判斷儀表盤生產(chǎn)線的穩(wěn)定性，進而評定儀表盤生產(chǎn)能力。例如，針對儀表盤指針類型檢測項目，其檢測結(jié)果的判斷需要依靠具體的檢測值。具體的檢測值需要利用計量型控制圖得出。本文設計中相關工作人員使用均值-極差控制圖進行計量型檢測結(jié)果的統(tǒng)計工作[4]。

制作均值-極差控制圖時，需要確定子組的體積、數(shù)據(jù)以及頻率。將所有待檢測數(shù)據(jù)分為若干個子組，需確保每一個子組中的檢測數(shù)據(jù)數(shù)量相等。一般情況下，一個子組內(nèi)含有2～5組連續(xù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的個數(shù)即子組體積的大小。頻率即采集數(shù)據(jù)的周期。子組的數(shù)量越多，檢測到質(zhì)量問題的概率越大。一般情況下，儀表盤檢測的子組數(shù)量為25。利用公式對子組的均值和極差進行計算，如

式中：xi為子組中第i組數(shù)據(jù)；n為子組數(shù)據(jù)總數(shù)；xmax與xmin為數(shù)據(jù)的最大值與最小值。此外，需要計算子組的過程均值和平均極差。

式中，為第i個子組的均值；k為子組的數(shù)量。

利用公式得到控制系數(shù)與子組個數(shù)的關系，并利用過程能力指數(shù)對自動檢測系統(tǒng)的過程能力進行分析。借助這種方式可自動判斷控制過程是否達到設定的閾值，再結(jié)合儀表盤實際生產(chǎn)需求升級生產(chǎn)線。

2.2 生產(chǎn)控制功能設計

采用上述方法對儀表盤生產(chǎn)線進行質(zhì)量控制，借助均值-標準差控制圖和過程能力指數(shù)，判斷儀表盤生產(chǎn)線生產(chǎn)狀態(tài)。第一步，確定子組的數(shù)據(jù)規(guī)格極值和判斷參數(shù)。第二步，針對數(shù)據(jù)庫中的待檢測數(shù)據(jù)進行抽樣檢測。第三步，根據(jù)抽樣數(shù)據(jù)繪制均值-標準差控制圖，計算子組數(shù)據(jù)的過程能力指數(shù)。

借助以上步驟能夠解析與判斷儀表生產(chǎn)質(zhì)量檢測工作中的大部分檢測項數(shù)據(jù)。針對具備具體檢測結(jié)果的檢測項，如儀表盤指針讀數(shù)和斷式燈段數(shù)等功能，可以直接利用上述方法判定其質(zhì)量。針對沒有具體參數(shù)可供參考的檢測項，如顯示燈形狀完整性或者指示燈亮度等檢測項，可以截取計算參數(shù)的某一部分判斷該功能是否正常[5]。

自動化檢測系統(tǒng)中還搭載了歷史數(shù)據(jù)搜索模塊，依據(jù)儀表信號檢測時間段等指標過濾和篩選數(shù)據(jù)，快速鎖定符合特定要求的待檢測數(shù)據(jù)，進一步壓縮數(shù)據(jù)檢測時間。

3 結(jié)語

想要提高汽車儀表盤檢測效率，要積極嘗試使用自動化檢測系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工與半自動檢測方式。根據(jù)儀表盤功能和生產(chǎn)流程設計自動化檢測算法，使自動化檢測系統(tǒng)設計符合檢測需求的功能，縮短各個檢測環(huán)節(jié)占用的時間，提高儀表盤檢測效率。