汽車(chē)輪胎爆胎預(yù)警門(mén)限設(shè)計(jì)

劉卡 龔佳慧 李鵬

摘 要：文章通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的汽車(chē)輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行研究分析，提出了基于3σ準(zhǔn)則的爆胎預(yù)警門(mén)限算法和雙層次報(bào)警決策策略相結(jié)合的預(yù)警門(mén)限設(shè)計(jì)。為了對(duì)預(yù)警門(mén)限設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證，文章用兩組數(shù)據(jù)分別代表壓力和溫度進(jìn)行了模擬驗(yàn)證，證明了預(yù)警門(mén)限設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：爆胎預(yù)警;預(yù)警門(mén)限;報(bào)警決策

中圖分類(lèi)號(hào)：U462.1? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）15-63-02

Abstract： This paper puts forward the design of Pressure-Sensor Based Tire Pressure Monitoring System by researching and analyzing those systems. Meanwhile， the puncture warning threshold based on 3σ criteria and the dual level alarm warning decision strategy is designed. Finally， this paper proves the feasibility of the design of warning threshold by simulation and verification which use two sets of data， one represents the pressure and the other represents the temperature.

Keywords： Puncture warning; Warning threshold; Alarm warning strategy

CLC NO.： U462.1? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）15-63-02

1 前言

隨車(chē)輪胎引起的交通事故逐漸增加，汽車(chē)輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)（TPMS）技術(shù)正逐漸被汽車(chē)的設(shè)計(jì)制造所采用。國(guó)外對(duì)于TPMS的研究起步較早，20世紀(jì)70年代末歐洲的一些發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始對(duì)輪胎氣壓監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究。而且因立法較早，TPMS技術(shù)較為成熟，市場(chǎng)占有率較高[1]。據(jù)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)相關(guān)市場(chǎng)調(diào)查表明，國(guó)內(nèi)輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)的相關(guān)產(chǎn)品已有推出，如佛山的TOPCHEK輪胎氣壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、偉力通胎壓報(bào)警器、南京泰晟科技輪胎監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等等[2]。但大多技術(shù)性能不甚完善或系統(tǒng)簡(jiǎn)易，產(chǎn)品也沒(méi)有形成一定的規(guī)模，存在以下缺點(diǎn)：（1）系統(tǒng)工作壽命短;（2）系統(tǒng)在低溫或高溫環(huán)境下穩(wěn)定性不夠;（3）工作可靠性較差;（4）檢測(cè)精度不夠。

2 預(yù)警門(mén)限設(shè)計(jì)

輪胎爆胎預(yù)警門(mén)限的設(shè)置直接關(guān)系到系統(tǒng)的綜合預(yù)警性能，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要科學(xué)準(zhǔn)確的設(shè)定預(yù)警門(mén)限，并進(jìn)行最優(yōu)決策的研究和處理，以提高預(yù)警的準(zhǔn)確率。

現(xiàn)有的預(yù)警算法包括兩種：

（1）按照將基準(zhǔn)胎壓的1.2倍的氣壓值作為“壓力預(yù)警門(mén)限的上限值”，基準(zhǔn)胎壓的85%的氣壓值作為“壓力預(yù)警門(mén)限的下限值”，將85℃作為“溫度預(yù)警的門(mén)限值”，將檢測(cè)的壓力和溫度值實(shí)時(shí)與門(mén)限值進(jìn)行比較，并判斷是否啟動(dòng)預(yù)警[3]。這種方法的缺點(diǎn)是：當(dāng)車(chē)輛在顛簸的路面行駛時(shí)，會(huì)出現(xiàn)輪胎氣壓瞬時(shí)超過(guò)預(yù)警門(mén)限值而導(dǎo)致虛警;當(dāng)車(chē)輛外部環(huán)境劇變，造成胎內(nèi)氣壓短時(shí)間發(fā)生較大變化，則會(huì)被判斷為輪胎出現(xiàn)故障。

（2）多傳感器融合預(yù)警算法。輪胎檢測(cè)模塊檢測(cè)獲得輪胎壓力和溫度，利用理想氣體定律將溫度值轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的壓力值，實(shí)時(shí)顯示并判斷是否啟動(dòng)預(yù)警[4]。這種方法的缺點(diǎn)是如果出現(xiàn)輪胎漏氣，則理想氣體定律不成立帶來(lái)系統(tǒng)判斷出現(xiàn)差錯(cuò)。

2.1 3σ準(zhǔn)則爆胎預(yù)警門(mén)限算法

汽車(chē)行駛時(shí)，當(dāng)輪胎處于正常狀態(tài)時(shí)，輪胎的氣壓、溫度接近于正態(tài)分布。輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)工作時(shí)會(huì)記錄輪胎的壓力、溫度數(shù)據(jù)，取輪胎正常工作時(shí)的一段數(shù)據(jù)為樣本，分別計(jì)算出溫度的均值和標(biāo)準(zhǔn)差μT、σT，壓力的均值和標(biāo)準(zhǔn)差μP、σp，則根據(jù) 3σ準(zhǔn)則，（μP+3σp）為壓力預(yù)警門(mén)限的上限值，（μP-3σp）為壓力預(yù)警門(mén)限的下限值;將（μT +3σT）作為溫度預(yù)警的門(mén)上限值，溫度預(yù)警下限值為0。

2.2 雙層次報(bào)警決策策略

為提高輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)報(bào)警的正確率，并減小誤報(bào)率，將報(bào)警決策分為兩個(gè)層次：第一層次為雙路信號(hào)報(bào)警決策，如果某一時(shí)刻測(cè)得的溫度、壓力數(shù)據(jù)都超出預(yù)警門(mén)限閾值，則立即進(jìn)行報(bào)警;第二層次為單路信號(hào)報(bào)警決策，若單獨(dú)的溫度或壓力信號(hào)連續(xù)三次超出預(yù)警門(mén)限閾值，即使另一信號(hào)正常，也進(jìn)行報(bào)警，否則不報(bào)警。決策圖如圖1所示。

輪胎爆胎預(yù)警系統(tǒng)容易出現(xiàn)的失誤主要有誤報(bào)、漏報(bào)、報(bào)警不及時(shí)等[5]。誤報(bào)警主要出現(xiàn)在輪胎遇到突發(fā)偶然情況時(shí)，比如路面凹凸引起輪胎氣壓突變，第二層次單路報(bào)警決策可以有效減少誤報(bào)警;漏報(bào)警問(wèn)題可以通過(guò)第一層次的雙路信號(hào)報(bào)警決策來(lái)解決;針對(duì)報(bào)警不及時(shí)出現(xiàn)在輪胎真正出現(xiàn)故障的情況，采用雙層次報(bào)警決策策略，兩路都可以獨(dú)立報(bào)警，因此會(huì)在輪胎出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)準(zhǔn)確的進(jìn)行預(yù)警。

3 預(yù)警門(mén)限算法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證將3σ準(zhǔn)則爆胎預(yù)警門(mén)限算法和雙層次報(bào)警決策策略相結(jié)合的預(yù)警門(mén)限設(shè)計(jì)，使用分別代表壓力和溫度的兩組樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

兩組樣本數(shù)據(jù)是通過(guò)模擬輪胎運(yùn)行時(shí)的狀況由傳感器測(cè)得的，分別有1920個(gè)樣本點(diǎn)。用Matlab將兩組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖像形式，壓力樣本如圖2所示，在前1120個(gè)樣本點(diǎn)保持正常，在X：1121開(kāi)始出現(xiàn)明顯異常;溫度樣本如圖3所示，在前1121個(gè)樣本點(diǎn)保持正常，在X：1122開(kāi)始出現(xiàn)明顯異常。

分別取壓力、溫度樣本數(shù)據(jù)處于正常狀態(tài)的前800個(gè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，求出均值、方差，根據(jù)預(yù)警閾值，壓力預(yù)警門(mén)限上限值為（μp+3σp）=9.5861，下限值為（μp -3σp）=9.1019;溫度預(yù)警門(mén)限上限值為（μT +3σT）=94.9887。

根據(jù)預(yù)警門(mén)限設(shè)計(jì)進(jìn)行報(bào)警實(shí)驗(yàn)。由圖4可以看出：

第379個(gè)樣本點(diǎn)時(shí)，壓力值超出預(yù)警上限一次，但溫度正常，根據(jù)單路信號(hào)報(bào)警決策，不報(bào)警;

第577個(gè)樣本點(diǎn)時(shí)，壓力值低于預(yù)警下限一次，但溫度正常，根據(jù)單路信號(hào)報(bào)警決策，不報(bào)警;

第1121個(gè)樣本點(diǎn)，壓力值低于預(yù)警下限，且之后連續(xù)低于預(yù)警下限值，同時(shí)，在第1122個(gè)樣本點(diǎn)，溫度值超出預(yù)警門(mén)限值，且之后連續(xù)超出，根據(jù)雙層次預(yù)警決策策略，在第1122個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行預(yù)警。

上述預(yù)警結(jié)果與之前所觀(guān)察的輪胎狀態(tài)相符合，證明了預(yù)警門(mén)限設(shè)計(jì)的可行性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有爆胎預(yù)警算法的分析，設(shè)計(jì)的3σ準(zhǔn)則爆胎預(yù)警門(mén)限算法和雙層次報(bào)警決策策略相結(jié)合的輪胎爆胎預(yù)警方案，可以有效的提高預(yù)警正確率的同時(shí)，減小誤報(bào)率。

參考文獻(xiàn)

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