车辆分布式多级健康状态监测系统的制作方法
【专利摘要】车辆分布式多级健康状态监测系统，涉及车辆车载健康状态监测技术，目的是为了解决现有的车辆监测系统灵活性和通用性差、以及对监测数据的利用率低的问题。本发明的多个采集节点分别采集多个传感器发来的测量信息，并将所述测量信息发送给多个汇聚节点；所述多个汇聚节点将多个采集节点发来的测量信息汇总后发送给综合信息汇聚设备；综合信息汇聚设备接收多个汇聚节点发来的测量信息以及各车载设备的状态信息，并对该测量信息和车载设备状态信息汇总后发送给健康信息处理设备；健康信息处理设备对接收到的信息进行处理、存储、以及显示。本发明的灵活性和通用性好，能够对对监测数据的深度挖掘和分析，适用于各种车辆。
【专利说明】
车辆分布式多级健康状态监测系统
技术领域
[0001]本发明涉及车辆车载健康状态监测技术。【背景技术】
[0002]车辆种类繁多，其功能越来越多，结构也越来越复杂，很多车辆工作环境恶劣，且通常处于高负荷工作状态。因此，车辆在长时间运行的工况下，其机械可靠性和使用性能逐渐降低，故障发生概率增加。为减少故障出现和事故发生，同时提高车辆运行的可靠性、安全性和维修效率，保证在出现故障时能快速诊断故障位置，需要对车辆的重要运行状态参数，如发动机振动情况、液压油油质、轮胎胎压等进行实时监测。
[0003]因为各种车辆不仅在尺寸结构、性能等方面有差异，因此，对不同车辆需采用不同的健康状态监测系统，但现有的健康状态监测系统都只是针对某一类车辆设计的，灵活性和通用性较差，例如针对小型汽车设计的健康状态监测系统由于其传输距离短，不适用于大型车辆。另外，现有的特车辆状态监测系统大都使用仪表显示监测数据，而缺少对监测数据的深度挖掘和分析，对监测数据的利用率极低，这种方式需要观察者具有极其丰富的经验才能从中发现问题，而且只能观察到当时的运行状态，无法了解其变化规律，同时参数无法保存，对现在的状态与历史状态无法进行对照参考。在状态发生急剧变化，以及因为某种状况引起故障时，仪表显示方式也不能准确地记录好状态参数，无法为故障诊断提供依据。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了解决现有的车辆监测系统灵活性和通用性差、以及对监测数据的利用率低的问题，提出一种车辆分布式多级健康状态监测系统。
[0005]本发明所述的车辆分布式多级健康状态监测系统，包括多个采集节点1、多个汇聚节点2、综合信息汇聚设备3以及健康信息处理设备4;
[0006]所述多个采集节点1分别采集多个传感器发来的测量信息，并将所述测量信息发送给多个汇聚节点2;
[0007]所述多个汇聚节点2用于将多个采集节点1发来的测量信息汇总后发送给综合信息汇聚设备3;[〇〇〇8]所述综合信息汇聚设备3用于接收多个汇聚节点2发来的测量信息以及各车载设备的状态信息，并对该测量信息和车载设备状态信息汇总后发送给健康信息处理设备4;
[0009]所述健康信息处理设备4用于对接收到的信息进行处理、存储、以及显示。
[0010]本发明所述的系统具有采集节点、汇聚节点二级控制结构，具有层次性，每个综合信息汇聚设备可以支持多个汇聚节点，每个汇聚节点可以支持多个采集节点，可以根据需要在综合信息汇聚设备和汇聚节点处增添具有特定功能的信息获取单元，满足可扩展性要求，具有很强的可扩展性，适用于各种车辆，满足开放式的要求。车载设备的种类有很多，有些车载设备自身能够提供其状态信息(例如控制系统)，只要这种车载设备具备以太网接口或RS-232/422接口，就可以向综合信息汇聚设备3进行通信，向综合信息汇聚设备3提供其状态信息，对于不能提供其自身状态信息的车载设备，可以利用采集节点来采集相关信息 (如制动总缸出口液压、制动总缸入口气压、转向油温、分动器油温、桥温、环境温度等)。健康信息处理设备4可以根据采集节点1采集到的信息对车辆的健康状态进行诊断，诊断出故障后，根据获取的信息，对故障发生的部位进行确定，并在确定故障发生后发出报警信息， 即提供了对车辆的故障诊断功能、定位以及报警功能，实现了对监测数据的深度挖掘和分析，提高了监测数据的利用率。【附图说明】
[0011]图1为实施方式一所述的车辆分布式多级健康状态监测系统的原理示意图；
[0012]图2为实施方式二中的采集节点的结构示意图；[〇〇13]图3为实施方式三中的汇聚节点的结构示意图；
[0014]图4为实施方式四中的综合信息汇聚设备的结构示意图；
[0015]图5为实施方式五中的采集模块的工作流程图；
[0016]图6为实施方式六中的汇聚模的工作流程图；
[0017]图7为实施方式八中的健康管理平台的功能框架。【具体实施方式】
[0018]【具体实施方式】一:结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的车辆分布式多级健康状态监测系统，包括多个采集节点1、多个汇聚节点2、综合信息汇聚设备3以及健康信息处理设备4;[〇〇19]所述多个采集节点1分别采集多个传感器发来的测量信息，并将所述测量信息发送给多个汇聚节点2;
[0020]所述多个汇聚节点2用于将多个采集节点1发来的测量信息汇总后发送给综合信息汇聚设备3;
[0021]所述综合信息汇聚设备3用于接收多个汇聚节点2发来的测量信息以及各车载设备的状态信息，并对该测量信息和车载设备状态信息汇总后发送给健康信息处理设备4; [〇〇22]所述健康信息处理设备4用于对接收到的信息进行处理、存储、以及显示。
[0023]本系统主要实现了车辆重要参量信息的获取、传输、分析以及结果呈现等功能:
[0024](1)基于车辆状态参数和传感器技术分析确定需要测量的具体参数。根据能反映状态特征并易于测量的原则，对车辆动力系、液压系、传动系、制动系和转向系进行了分析， 并对各部分的特征参数的测量进行可行性分析，最终本系统选取发动机振动信号、液压油油温、转向油温、轮胎胎压以及悬挂系统位移作为监测参数，根据上述监测参数选择合适的传感器，使得传感器各方面的指标完全满足车辆的工作要求；
[0025](2)基于层次化网络控制、智能化、开放式等技术设计监测系统总体方案。根据选定传感器供电要求和输出数据的类型以及信息传输、处理的需要，同时综合考虑系统的各方面性能指标、可视化要求，设计出监测系统总体方案，该监测系统具有采集节点和汇聚节点二级控制器架构，为传感信息的获取和汇聚提供硬件基础，同时利用获取到的传感器信息进行有效的分析并诊断故障，满足了智能化的要求，诊断故障可以通过以下三种方式实现:1)直接将监测信息进行显示，结合操作者的经验观察，提供诊断功能；2)通过设定阈值进行故障诊断;3)使用关联分析方法进行在线分析，并给出可视化的分析结果。另外该系统开发充分考虑到了开放式的要求，便于后续升级扩展；
[0026](3)基于多级控制技术、总线通信技术、低功耗技术开发采集节点和汇聚节点二级控制架构，综合传感器信息采集功能的电源电路、处理速度、通信接口等多方面的需求，设计采集节点和汇聚节点二级控制架构，实现信息的层次化处理。其中采集节点能够满足各类传感器信息采集和处理的要求，兼容各种总线。并以CAN总线的形式向上传输数据;汇聚节点的设计基于采集节点的输出数据处理的要求，能够有效实现采集节点输出数据的汇聚、集成等处理功能，并以网络的形式将集成的数据发送到信息传输的上层，另外考虑到能耗的限制，在采集节点和汇聚节点开发的过程中，单片机电路采用低功耗芯片实现；同时为了把车辆各子系统(如动力系、液压系、传动系、制动系和转向系等)的状态信息进行汇聚， 开发了综合信息汇聚设备，支持网络信息-网络信息、RS232/422串口信息-网络信息之间的相互转换。[〇〇27](4)基于数据预处理和故障预测、数据库、软件研发等技术开发了健康信息处理设备4,该健康信息处理设备4为车辆车载健康状态监测提供了一个健康管理平台。健康管理平台主要有三部分构成:数据处理服务器、高性能数据库和监控显示终端。数据处理服务器通过以太网网络接收汇聚节点传输过来的信息，对信息进行预处理，然后将处理过的数据导入高性能数据库进行集中的管理和存储，同时对预处理后的数据进行故障预测，故障预测的方法为:通对历史数据集进行训练得到故障预测模型，根据该故障预测模型进行下一时刻输出值的预测，将预测的下一时刻的输出值与预先设定的各种故障类型的阈值进行比较，实现故障预测，将预测结果发送至监控显示终端进行实时显示，并通过相应的软件应用程序实现对采集到的数据进行计算、存储、显示以及超限报警功能，同时可以对车辆健康状态进行实时的诊断。健康管理平台的主要功能是接收汇聚节点通过网络传输的信息，并能够对其中所包含的数据进行处理、存入数据库，并通过一定的方式实时显示信息中包含的参数的变化情况，另外健康管理平台可以通过数据库进行历史数据的查询，并且健康管理平台能够支持复杂算法的实现，能够根据需要添加监测参数，体现开放式要求。因此要求健康管理平台，具有网络通信的能力，并且能够支持数据库操作，支持添加监测参数，具有良好的界面显示能力，同时具有强大的数据处理能力。根据以上要求，选择工业平板电脑作为健康管理平台的硬件系统。[〇〇28]监测系统的结构框图如图1所示:
[0029](1)传感器信息采集与汇聚:使用采集节点控制传感器进行信息采集，将采集到的信息通过汇聚节点进行汇聚，完成传感器信息采集的功能；
[0030](2)信息传输:将数据以要求的形式(CAN总线)发送给汇聚节点，然后通过网络的形式发送至综合信息汇聚设备，最终信息通过网络传输至健康管理平台；
[0031](3)信息的处理与呈现:能够接受网络形式的传感器信息以及车载设备信息，对收到的信息进行计算、存储、显示以及超限报警，支持复杂的算法实现，对数据中隐含的相关参数信息进行进一步提取。隐含的相关信息包括:输出规则的置信度和支持度、平方预测误差SPE，提取途径:通过对历史数据进行训练建模，结合统计学的分布理论得出隐含的相关 fg息。
[0032]综上所述，本实施方式能够满足对车辆健康状态进行监测的要求:
[0033](1)保证车辆在最佳设计能力下被使用，延长车辆使用寿命；
[0034](2)记录车辆运行状态参数，对现在的状态与历史状态进行对比，了解其变化规律，为故障诊断提供依据，为车辆健康状态分析的进一步优化提供数据参照；
[0035](3)对车辆运行过程中出现的故障进行诊断，提高可靠性，降低故障发生率；
[0036](4)形成一个兼容多种测量类型的车辆监测平台，推动车辆健康状态监测的标准化发展，为车辆的智能化发展提供基础。[〇〇37]本实施方式将传感器信息采集、信息传输、信息的处理与呈现三大部分组成一个整体，对系统进行功能测试，测试结果显示其能够对传感器端获取的信息进行计算、存储、 显示以及超限报警且能支持使用复杂算法对信息进行分析。[〇〇38]【具体实施方式】二:结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的车辆分布式多级健康状态监测系统的进一步限定，本实施方式中，所述的采集节点1包括一号单片机电路和信号调理电路；[〇〇39]所述信号调理电路用于将模拟传感器发来的模拟信号转化为数字信号，并将该数字信号发送至一号单片机电路；
[0040] —号单片机电路通过CAN总线与汇聚节点2进行通信。[〇〇411 如图2所示，一号单片机电路采用专用的低功耗MC9S12XS256单片机实现，并配备有复位电路、电源、晶振和JTAG。
[0042]采集节点的主要功能为是采集传感器信息(即传感器发来的测量信息)，并将传感器信息以CAN总线数据包的形式向汇聚节点传输。该采集节点能够满足多种总线，且由于采集节点安装于空间受到限制的车辆重要信息测量部位，因此本实施方式中的采集节点满足小型化的标准。[〇〇43] MC9S12XS16位M⑶系列针对一系列成本敏感型汽车车身电子应用进行了优化，且该产品满足用户对设计灵活性和平台兼容性的需求，并在一系列汽车电子平台上实现了可扩展性、硬件和软件的可重复利用及兼容性。紧凑的封装使得这些器件适于空间受限应用， 非常适合于传感器采集模块的应用。本实施方式采用通用化、模块化的思路开展采集节点设计，使监测节点可以有效实现多类型传感器接口。
[0044]【具体实施方式】三:结合图3说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一和二所述的车辆分布式多级健康状态监测系统的进一步限定，本实施方式中，所述的汇聚节点2包括二号单片机电路和PHY芯片；
[0045]二号单片机电路通过CAN总线与采集节点1进行通信；
[0046]二号单片机电路通过PHY芯片与综合信息汇聚设备3进行通信。[〇〇47] 如图3所示，二号单片机电路采用MPC5748G单片机实现，并配备有复位电路、电源、 晶振和JTAG接口。PHY芯片采用DP83848C芯片实现，DP83848C芯片通过RJ45接口与综合信息汇聚设备3进行通信，DP83848C芯片与RJ45接口之间通过以太网进行信息传输。[〇〇48]汇聚节点实现接收采集节点的CAN总线数据包的信息并进行汇总，然后以 Ethernet网络数据包的形式发送至综合信息汇聚设备，为了满足分布式的应用需求，设计多个汇聚节点，所有网络数据的发送要经过综合信息汇聚设备。汇聚节点具有CAN通信能力、强大的处理性能，同时能够进行网络通信。[〇〇49] MPC5748G MCU系列芯片能够提供高度集成的单芯片安全解决方案，可以应用在新一代中央车身控制、网关和工业控制等领域。而且，MPC5748G具有MII/RMII接口，配合网络 PHY层芯片，能够提供网络通信功能。支持MII/RMII接口的典型芯片有DM916URTL8201、以及DP83848等。综合性能、成本等因素，汇聚节点中采用的PHY层芯片为DP83848。[〇〇5〇] DP83848是10/100Mbps单路、全双工PHY层器件。在功能上，器件本身提供了 MII/ RMII，可供系统开发时灵活选择，可支持10BASE-T和100BASE-TX以太网外设;在性能上，具有高达4000V的ESD保护，无误差传输距离可达137米，可靠性远远超过IEEE-802.3标准;此外，DP83848内部集成了25MHz时钟输出，因而不需要其它的MAC时钟源元件，从而降低了系统的复杂度和成本。[〇〇51]汇聚节点设计方案如图3所示。每个控制节点提供8路CAN接口，提供与采集节点进行通信的功能。[〇〇52]【具体实施方式】四:结合图4说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一至三所述的车辆分布式多级健康状态监测系统的进一步限定，本实施方式中，所述的综合信息汇聚设备3采用FPGA实现。[〇〇53] 如图4所示，FPGA采用CYCLONE V系列实现，并配备有复位电路、电源、晶振、JTAG、 W5300接口、RJ45接口、以及14路异步通信串口。
[0054]综合信息汇聚设备主要实现将车辆上各个汇聚节点输出的测量信息和部分车载设备的状态信息进行汇聚，通过Ethernet网络实现数据的转发，使各个独立的设备连接起来构成互联网络，形成一个有机整体，并将汇聚后的信息发送至健康管理平台。
[0055]【具体实施方式】五:结合图5说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二所述的车辆分布式多级健康状态监测系统的进一步限定，本实施方式中，所述的一号单片机电路内嵌入采集模块，所述采集模块包括以下单元:
[0056]第一初始化单元:对一号单片机电路进行初始化，声明循环变量i=0,声明缓存数组A;
[0057]传感器数量统计单元:对缓存数组A进行清零操作，并根据汇聚节点2发来的待测量信息确定传感器的数量N;
[0058]i值判断单元:判断i是否小于或等于N;如果判断结果为是，则启动测量信息获取单元;否则，启动缓存数组A发送单元；
[0059]测量信息获取单元:获取第i个传感器发来的测量信息，并将该测量信息存入A[i] 中，然后令i = i+l;
[0060]缓存数组A发送单元:将缓存数组A发送至汇聚节点2,然后延时^秒，重新启动传感器数量统计单元。
[0061]采集模块由嵌入在一号单片机电路内的软件实现，采集节点主要实现采集各类传感器数据的功能，并能够响应健康管理平台的添加监测参数的要求。其软件流程图如图5所不。
[0062]采集节点上电后，进行初始化操作，并声明循环变量i和缓存数组A，在将缓存数组 A清零后，统计传感器的数量，并采集全部传感器的数据放入A中，最后以CAN总线的方式把缓存数组A发送至汇聚节点，然后延时5s，开始下一次采集。
[0063]【具体实施方式】六:结合图6说明本实施方式，本实施方式是对实施方式三所述的车辆分布式多级健康状态监测系统的进一步限定，本实施方式中，所述的二号单片机电路内嵌入汇聚模块，所述汇聚模块包括以下单元:
[0064]第二初始化单元:对二号单片机电路进行初始化，声明循环变量j = 0,声明缓存二维数组B;
[0065]采集节点数量统计单元:对缓存二维数组B进行清零操作，并根据综合信息汇聚设备3发来的待测量信息确定采集节点1的数量M;
[0066]j值判断单元:判断j是否小于或等于M;如果判断结果为是，则启动采集节点信息获取单元;否则，启动缓存二维数组B发送单元；[〇〇67]采集节点信息获取单元:获取第j个采集节点1发来的信息，并将该信息存入B[j] []中(B[ j][]表示缓存二维数组B的第j行)，然后令j = j+1;
[0068]缓存二维数组B发送单元:将缓存二维数组B发送至综合信息汇聚设备3,然后延时 T2秒，重新启动采集节点数量统计单元。[〇〇69]汇聚节点主要实现接收采集节点传送过来的CAN数据，并将所有采集节点的数据汇总以网络数据包的形式发送至综合信息汇聚设备。汇聚模块由嵌入在二号单片机电路内的软件实现，其软件流程图如图6所示。
[0070]汇聚节点上电后，进行初始化操作，并声明循环变量j和缓存二维数组B，在将缓存二维数组B清零后，统计采集节点的数量，并将所有采集节点的数据放入B中，最后以网络数据包的形式把缓存数组B发送至综合信息汇聚设备，然后延时30s，进行下一次汇总。
[0071]【具体实施方式】七:本实施方式是对实施方式六所述的车辆分布式多级健康状态监测系统的进一步限定，本实施方式中，综合信息汇聚设备主要完成异步串行控制器、总线协议收发控制器和基于IP总线的以太网控制器，以及他们之间的数据传输，核心为异步串行控制数据与IP协议转换、以及以太网与串口协议转换。各寄存器访问和控制由一路L0CAL_ BUS总线实现。
[0072]【具体实施方式】八:结合图7说明本实施方式，本实施方式是对实施方式七所述的车辆分布式多级健康状态监测系统的进一步限定，本实施方式中，健康管理平台主要实现接收汇聚节点传输过来的数据信息，并以合理的方式呈现、存储，实现超限报警功能。另外健康管理平台能查询历史数据，对数据进行一定分析，支持复杂的算法实现。健康管理平台软件由网络管理模块、数据处理模块、存储管理模块、界面显示模块、线程管理模块和任务管理模块组成，如下图7所示。[〇〇73]网络管理模块:主要负责健康管理平台与汇聚节点之间网络连接的建立、实时数据传输，使得健康管理平台有效无误的获取到汇聚节点传输过来的网络信息；[〇〇74]数据处理模块:主要负责对接收到的传感器数据进行解析，并且能对传感器数据进行分析，支持使用GPR(高斯过程回归)、AR模型、卡尔曼滤波等算法对传感器的数据进行预测分析；[〇〇75]数据库管理模块:主要负责维护本地小型数据库，并对其进行管理，提供数据来源信息、起止时间等数据的记录；[〇〇76]界面显示模块:主要负责实时显示传感器的参数信息，对传感器的信息进行异常报警等功能；[〇〇77]配置管理模块:配置管理模块负责本软件所有预先定义的配置说明项，并且对外提供了各配置项的存取操作接口，包括了数据源的配置信息、数据库的配置信息等。
[0078]系统在划分模块时以车辆监测系统软件的处理流程为依据，每个模块完成一个独立的功能，并且也独立完成数据处理过程中的某一个阶段的功能。
【主权项】
1.车辆分布式多级健康状态监测系统，其特征在于，包括多个采集节点(1)、多个汇聚 节点(2)、综合信息汇聚设备(3)以及健康信息处理设备(4);所述多个采集节点(1)分别采集多个传感器发来的测量信息，并将所述测量信息发送 给多个汇聚节点(2);所述多个汇聚节点(2)用于将多个采集节点(1)发来的测量信息汇总后发送给综合信 息汇聚设备(3);所述综合信息汇聚设备(3)用于接收多个汇聚节点(2)发来的测量信息以及各车载设 备的状态信息，并对该测量信息和车载设备状态信息汇总后发送给健康信息处理设备(4);所述健康信息处理设备(4)用于对接收到的信息进行处理、存储、以及显示。2.根据权利要求1所述的车辆分布式多级健康状态监测系统，其特征在于，所述的采集 节点(1)包括一号单片机电路和信号调理电路；所述信号调理电路用于将模拟传感器发来的模拟信号转化为数字信号，并将该数字信 号发送至一号单片机电路；一号单片机电路通过CAN总线与汇聚节点(2)进行通信。3.根据权利要求1或2所述的车辆分布式多级健康状态监测系统，其特征在于，所述的 汇聚节点(2)包括二号单片机电路和PHY芯片；二号单片机电路通过CAN总线与采集节点(1)进行通信；二号单片机电路通过PHY芯片与综合信息汇聚设备(3)进行通信。4.根据权利要求3所述的车辆分布式多级健康状态监测系统，其特征在于，所述的综合 信息汇聚设备(3)采用FPGA实现。5.根据权利要求1所述的车辆分布式多级健康状态监测系统，其特征在于，所述的一号 单片机电路内嵌入采集模块，所述采集模块包括以下单元:第一初始化单元:对一号单片机电路进行初始化，声明循环变量i = 〇,声明缓存数组A;传感器数量统计单元:对缓存数组A进行清零操作，并根据汇聚节点(2)发来的待测量 信息确定传感器的数量N;i值判断单元:判断i是否小于或等于N;如果判断结果为是，则启动测量信息获取单元； 否则，启动缓存数组A发送单元；测量信息获取单元:获取第i个传感器发来的测量信息，并将该测量信息存入A[ i ]中， 然后令i = i+l;缓存数组A发送单元:将缓存数组A发送至汇聚节点(2 )，然后延时^秒，重新启动传感器 数量统计单元。6.根据权利要求5所述的车辆分布式多级健康状态监测系统，其特征在于，所述的二号 单片机电路内嵌入汇聚模块，所述汇聚模块包括以下单元:第二初始化单元:对二号单片机电路进行初始化，声明循环变量j = 〇,声明缓存二维数 组B;采集节点数量统计单元:对缓存二维数组B进行清零操作，并根据综合信息汇聚设备 (3)发来的待测量信息确定采集节点(1)的数量M;j值判断单元:判断j是否小于或等于M;如果判断结果为是，则启动采集节点信息获取 单元;否则，启动缓存二维数组B发送单元；采集节点信息获取单元:获取第j个采集节点(1)发来的信息，并将该信息存入B[j][] 中，然后令j = j+1;缓存二维数组B发送单元:将缓存二维数组B发送至综合信息汇聚设备(3)，然后延时T2 秒，重新启动采集节点数量统计单元。
【文档编号】G05B19/418GK105974897SQ201610396850
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】彭宇, 张玉杰, 刘连胜, 潘大为, 彭喜元, 刘大同
【申请人】哈尔滨工业大学