汽車制動試驗臺檢定數(shù)據(jù)處理研究

白云川，李樹珉，馬 效，陳成法，但佳璧

（軍事交通學院，天津 300161）

1 引 言

汽車制動試驗臺檢定是由計量行政部門對其測試能力、可靠性和數(shù)據(jù)準確性進行測量和評價[1]。傳統(tǒng)的制動試驗臺檢定主要通過手工操作、記錄、計算完成。為了減小人工操作誤差，提高檢定精度，設(shè)計了制動試驗臺檢定系統(tǒng)[2]，采用計算機測試和處理數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了自動化檢定。

在實際檢定過程中，檢定信號經(jīng)過制動檢定系統(tǒng)硬件濾波后，信號質(zhì)量有所提高。但是由于檢定現(xiàn)場隨機干擾較多，為了保證檢定的精度，還應(yīng)該采取軟件濾波來提高信號質(zhì)量。該文將重點研究未確知有理數(shù)濾波算法對檢定信號的處理，來提高制動試驗臺檢定的準確度。

2 滾筒反力式制動試驗臺的檢定

試驗臺的結(jié)構(gòu)和工作原理決定了檢定方法。滾筒反力式制動試驗臺的檢定分為靜態(tài)、動態(tài)和在線檢定[2]。其檢定流程基本相同，只是示值誤差的檢定方式不同。

（1）靜態(tài)檢定時根據(jù)GB/T 11798.2-2001中關(guān)于載荷點的要求，選取制動試驗臺額定載荷的1.5%，3.5%，7%，17%，25%，35%為測試點，逐點加載[3]，最后計算機分別讀取檢定系統(tǒng)和制動試驗臺數(shù)據(jù)，進行比較實現(xiàn)檢定。

（2）動態(tài)檢定與靜態(tài)檢定的主要區(qū)別在于檢定時加載過程是否連續(xù)。動態(tài)檢定時，加載工具從額定載荷的0%連續(xù)加載到35%。在此加載過程中，由計算機分別自動讀出制動試驗臺輸出量與檢定系統(tǒng)輸出量，進行比較實現(xiàn)檢定。

（3）在線檢定是在對檢測設(shè)備靜態(tài)檢定完成的前提下進行的對制動試驗臺性能進一步的檢定。檢定時，檢測線處于工作狀態(tài)，通過車輛制動對檢測設(shè)備加載，分別通過檢測系統(tǒng)采集單元和檢定系統(tǒng)采集單元將整個制動過程數(shù)據(jù)傳輸至各主控系統(tǒng)，進行比較實現(xiàn)檢定。

3 檢定系統(tǒng)中數(shù)字濾波算法的選擇

由誤差理論可知，在檢定過程中產(chǎn)生的誤差主要是隨機誤差。它是由許多微小且相互獨立影響引起的測量系統(tǒng)讀數(shù)偏離。隨機誤差沒有確定的變化規(guī)律，但在多次測量時總體上服從統(tǒng)計規(guī)律，因此可由數(shù)字濾波技術(shù)對其進行處理[4]。

數(shù)字濾波技術(shù)是通過軟件算法將數(shù)據(jù)進行適當處理，從而屏蔽掉噪聲和干擾雜波信號，獲得可用、真實數(shù)據(jù)的一種方法。數(shù)字濾波方法一般有6種，即程序判斷法、中值濾波法、算數(shù)平均法、遞推平均法、抑制脈沖算數(shù)平均法和一階慣性濾波法[5]。程序判斷法，也稱限幅濾波法，就是根據(jù)經(jīng)驗確定一個最大偏差值Max，每次測量值與前一次相比，差值的絕對值≤Max，則為有效值。中值濾波法，連續(xù)采樣n次（n取奇數(shù)），把n次采樣值按大小排列，取中間值為本次有效值。算術(shù)平均法，連續(xù)取n個采樣值進行算術(shù)平均運算。遞推平均法，又稱滑動平均濾波法，把連續(xù)取n個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為n，每次采樣到一個新數(shù)據(jù)放入隊尾，并去掉原來隊首的一個數(shù)據(jù)，把隊列中的n個數(shù)據(jù)進行算數(shù)平均運算。抑制脈沖算術(shù)平均法，對n個值進行采樣后，去掉數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，得到n-2個數(shù)據(jù)，求得這n-2個算數(shù)平均值。一階慣性濾波法，其計算公式為：

式中：q——數(shù)字濾波器的時間常數(shù)；

X（n）——本次采樣值；

Y（n），Y（n-1）——本次，上次濾波輸出值。

以上6種常見濾波方法只能消除隨機誤差和單一隨機干擾，但是在實際檢定過程中，檢測設(shè)備、繼電器、接觸器和點火器等都將產(chǎn)生多種脈沖干擾，單一使用以上方法很難達到濾波效果。因此引入未確知有理數(shù)數(shù)據(jù)濾波法，既能消除脈沖干擾，又能使數(shù)據(jù)平滑[6]。

4 未確知有理數(shù)濾波算法

4.1 采樣數(shù)據(jù)的未確知性

在數(shù)據(jù)采集之前，采樣數(shù)據(jù)的具體值是未知的，但是采樣數(shù)據(jù)的范圍是清楚的。由于種種客觀原因，并不能完全確定采樣值的真實輸出，這就是采樣數(shù)據(jù)的未確知性，它既不同于隨機性也不同于模糊性。

4.2 未確知有理數(shù)定義

根據(jù)未確知有理數(shù)概念，定義采樣結(jié)果為一個n階未確知有理數(shù)A：

對于閉區(qū)間[Vimin，Vimax]，有 Vimin＜x1，x2，…，xn＜Vimax，其中：

式中：[Vimin，Vimax]和 φ（x）構(gòu)成一個 n 階未確知有理數(shù)；a，[Vimin，Vimax]和 φ（x）分別為該未確知有理數(shù)的總可信度，取值區(qū)間和可信度分布密度函數(shù)。

這樣將一組n次采樣的值定義為一個n階未確知有理數(shù)。

4.3 可信度分布密度函數(shù)的構(gòu)造

采樣數(shù)據(jù)是一個未確知有理數(shù)A，φ（x）是采樣數(shù)據(jù)的可信度分布密度函數(shù)，如何構(gòu)造φ（x）使之能夠區(qū)別是偶然干擾波動還是正常輸出變化，成為最關(guān)鍵的問題。通過分析比較偶然跳動和電壓量確實變大（小）兩種情況發(fā)現(xiàn)：

如果Vj是偶然跳動，則Vj是孤立的、少數(shù)的，在某可信度距離內(nèi)Vi的個數(shù)為零；若Vj是輸出量的確實變大（少）時，在某可信度距離內(nèi)的Vi個數(shù)會越來越多。因此，可以定義φ（x），當在某可信度距離d內(nèi)Vi多，就認為Vj的可信度大，反之Vj的可信度小。這時 φ（x）定義為：

4.4 未確知有理數(shù)期望結(jié)果輸出

為了平穩(wěn)有效地顯示出采樣量的真實值，采用采樣數(shù)據(jù)的未確知有理數(shù)A的數(shù)學期望E（A）來顯示該量的采樣值。定義未確知期望E（A）：

從式（7）可以看出顯示值與測量次數(shù)n及落在可信度距離d內(nèi)的Vi的個數(shù)ξ有關(guān)。當有偶然跳動Vj時，落在可信度距離d內(nèi)的Vi個數(shù)就為0，在顯示值E（A）中不會體現(xiàn)，這就將不可信數(shù)據(jù)濾除，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)濾波的目的，同時在計算E（A）的過程中只需計算ξ的個數(shù)，算法簡單，計算量不大。這樣就很好地解決了濾波過程中穩(wěn)定性和顯示速度的問題，滿足在數(shù)據(jù)采集與處理中抗干擾性能和實時性的要求，達到了真實、快速地反映采集量值的目的。

5 檢定數(shù)據(jù)的未確知有理數(shù)濾波

檢定現(xiàn)場存在多重干擾，而且由于制動臺機械結(jié)構(gòu)上的因素以及振動和沖擊，都可能使輸入信號中夾雜有尖脈沖。這些尖脈沖對檢定的干擾是不可避免的。綜合考慮制動力曲線和制動力差的精度要求，采用采樣次數(shù)較少的抗脈沖干擾的復合濾波法，既能消除脈沖干擾，又能做到數(shù)據(jù)平滑。因此系統(tǒng)中采用未確知有理數(shù)方法進行濾波是十分合適的。

5.1 制動數(shù)據(jù)的未確知性

制動試驗臺檢定時，對檢定傳感器的輸出電壓進行 n次采樣得到 x1，x2，…，xn，這 n個采樣值對于檢定員是存在未確知性的，因為無法知道每一個采樣值的具體數(shù)值。由于傳感器沒有固定的輸出概率分布，所以它不同于概率與數(shù)理統(tǒng)計描述的隨機性。但同時傳感器的輸出電壓有明確的定義，所以它又不同于模糊數(shù)學描述的模糊性。因此，可以運用未確知數(shù)學中的未確知有理數(shù)來描述這樣一組采樣數(shù)據(jù)。

根據(jù)式（1）可知，φ（x）表示了每一個采樣值 Vi在閉區(qū)間[Vimin，Vimax]上取值的可信度。對于這樣一個n階未確知有理數(shù)，總可信度a＜1，它表明了這n個采樣數(shù)據(jù)提供的信息并不完整。階數(shù)越大，表示對某量的采集次數(shù)越多，對每一個分量x都賦予一個在區(qū)間[Vimin，Vimax]上取值的可信度a，從而對該量的表示就越精細。如果用一個實數(shù)表示該采集量，就是用總可信度a=1的未確知有理數(shù)表示該量，這時可理解為，經(jīng)過多次測量，每次的測量結(jié)果均是同一個實數(shù)，該實數(shù)就是該量的真實值，說明該量為一個確知量，這對于采樣來說沒有實際意義。把一個未確知量用一個實數(shù)來表示總是粗糙的，對于需要精確采樣和檢測的量來說，這種粗糙的表示方法可能導致很大的誤差積累。如改為未確知有理數(shù)表示，就比較精細，有可信度概念可以合理地描述采樣量不確定性的這一特點。可信度概念也真實反映了采樣過程的客觀實際，對于n個采樣值，總是有些值較真實地體現(xiàn)了采樣量的真值，而有個別采樣值不能真實地反映或不能較高可信度地反映采樣量的真值，這與現(xiàn)實情況比較吻合。所以用未確知有理數(shù)表示采樣數(shù)據(jù)是合理可行的。

5.2 制動數(shù)據(jù)可信度分布函數(shù)構(gòu)造

根據(jù)式（1）可知，當所有的Vi均落在可信度距離d內(nèi)時：

總可信度為1表示所采樣數(shù)據(jù)完全真實可信，屬于正常輸出變化，該組數(shù)據(jù)可以直接用于顯示處理。當出現(xiàn)偶然跳動，必然會有少數(shù)Vi落在可信度距離d之外，從而這幾個Vi對應(yīng)的ξ為0，也就是對應(yīng)的φ（xi）=0，而總可信度：

表示存在不可信的數(shù)據(jù)，同時在可信度分布函數(shù)φ（xi）的表示中已將這些不可信數(shù)據(jù)排除在外。這些數(shù)據(jù)的可信度為0，只留下了那些可信度不為0的數(shù)據(jù)進行顯示處理。并且在這種未確知有理數(shù)的表示方法中，將不同的數(shù)據(jù)賦予不同的可信度，客觀實際，與直觀感受是一致的，不是把所有數(shù)據(jù)同等處理，而是根據(jù)每個數(shù)據(jù)的可信程度來處理，反映了采集數(shù)據(jù)的真實情況。

5.3 濾波流程

未確知有理數(shù)濾波法流程如圖1所示，軟件編程實現(xiàn)的部分代碼如下：

5.4 數(shù)據(jù)處理

在對檢定傳感器采樣數(shù)據(jù)濾波過程中，需要人為設(shè)定可信度距離d，主要是根據(jù)對采樣精度的要求、允許數(shù)據(jù)波動的范圍和實際輸出的要求來定。在制動試驗臺靜態(tài)檢定中，加載到額定載荷的35%時，連續(xù)采樣15次，可信度取22.5，ξ和ai的值如表1所示。

運用未確知有理數(shù)數(shù)據(jù)濾波法，由未確知期望現(xiàn)實采樣結(jié)果為：

而15次采樣結(jié)果的均值為11 357.52。很明顯第12個采樣數(shù)據(jù)一個偶然跳動，當采用未確知有理數(shù)濾波法時，這一跳變不影響最終的輸出結(jié)果，實現(xiàn)了預期濾波效果，而且從a可看出每一個采樣數(shù)據(jù)的可信程度與實際結(jié)果是吻合的。但是用均值表示輸出時就會產(chǎn)生較大誤差。

表1 連續(xù)10次采樣結(jié)果

6 結(jié)束語

該文采用了未確知有理數(shù)濾波法對汽車制動試驗臺檢定數(shù)據(jù)進行處理，實現(xiàn)了自動化檢定，減少了人工操作誤差，消除了脈沖干擾，使數(shù)據(jù)平滑，提高了檢定的準確度和精度。

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