熊興旺，楊妍妍，甄凱，劉保獻，5

(1.中國汽車技術研究中心有限公司,北京 100176；2.北京市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，北京 100048；3.大氣顆粒物監(jiān)測技術北京市重點實驗室，北京 100048；4.中國汽車技術研究中心有限公司,天津 300300； 5.清華大學環(huán)境學院，北京 100084)

隨著重型車排放法規(guī)的加嚴，重型車遠程監(jiān)控車載終端逐漸開始推廣應用[1]。重型車國六標準GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》的附錄Q中規(guī)定了車載終端需要采集并向平臺傳輸規(guī)定的數(shù)據(jù)項。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機械排放遠程監(jiān)測管理車載終端安裝管理辦法(試行)》通告，要求符合GB 17691—2005國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)管平臺傳輸，且重型汽車生產(chǎn)企業(yè)應確保車載終端采集和上傳的數(shù)據(jù)與重型汽車實際數(shù)據(jù)一致，按照國家標準開展排放遠程監(jiān)測管理車載終端數(shù)據(jù)一致性等相關試驗。

重型車遠程監(jiān)控平臺接收到的數(shù)據(jù)與試驗中采集的OBD數(shù)據(jù)進行一致性比對時，重型車遠程監(jiān)控平臺接收的數(shù)據(jù)序列長度和起始時間，同采集的OBD數(shù)據(jù)序列長度和起始時間存在差異，計算兩數(shù)據(jù)序列相關性時，需要對平臺接收數(shù)據(jù)序列和OBD采集數(shù)據(jù)序列進行延時修正，若不進行延時修正，直接計算兩時間錯位的數(shù)據(jù)序列，相關性會受到較大影響，進而干擾一致性試驗結論。

目前，實驗室常用的延時修正方法以瞬時車速為基準，對平臺接收數(shù)據(jù)序列和OBD采集數(shù)據(jù)序列進行時間對齊，利用對齊后的數(shù)據(jù)序列之間的相關系數(shù)來驗證時間對齊效果[2]。時間對齊時，若逐次比較多個不同平移時間的對齊效果，會極大影響效率。為提高時間對齊的效率，考慮利用計算兩數(shù)據(jù)序列間的互相關函數(shù)極大值的方式進行時間對齊，對數(shù)據(jù)序列進行延時修正[3-4]。本研究在重型車試驗中，同步采集平臺接收數(shù)據(jù)和OBD數(shù)據(jù)，對重型車在線監(jiān)控平臺接收的數(shù)據(jù)序列與OBD采集的數(shù)據(jù)序列進行延時修正，并進行延時修正后數(shù)據(jù)序列的相關性分析。

1 試驗系統(tǒng)與方案

試驗采用一輛國六貨車，該車的性能參數(shù)見表1。試驗中所采用的主要測試儀器設備見表2。

表1 試驗車輛性能參數(shù)

表2 試驗用儀器設備

試驗車輛加載質(zhì)量，按照標準GB 17691—2018中對Pems試驗規(guī)定的工況比例構成要求，生成模擬Pems試驗工況，在底盤測功機上模擬Pems試驗，用OBS-ONE-G12設備采集試驗OBD數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率為1 Hz。試驗中啟用遠程排放管理車載終端，同步在重型車遠程監(jiān)測平臺接收車載終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸采集頻率為1 Hz。圖1示出試驗中的模擬Pems試驗實際車速曲線。

圖1 模擬Pems試驗實際車速曲線

2 延時修正方法

對監(jiān)控平臺接收到的數(shù)據(jù)序列與OBD采集的數(shù)據(jù)序列進行延時修正后，排除噪聲干擾等外界因素，理論上應該具有較強相關性[5]?？梢越梃b計算無偏互相關函數(shù)極大值的方式來計算兩序列的延時。對于長度為N的時間序列x和y，x和y序號從0至N-1，則x和y間的無偏互相關函數(shù)為[6]

(1)

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

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

于序列長度較小，因此無需遍歷整個數(shù)據(jù)序列長度，只在[-3 600 s,3 600 s]區(qū)間內(nèi)計算互相關函數(shù)值，步長為1 s。

對各數(shù)據(jù)項分別構造以監(jiān)控平臺接收數(shù)據(jù)為基準的互相關函數(shù)：

(2)

式中：Δ(t)為OBD數(shù)據(jù)yOBD相對于監(jiān)控平臺接收數(shù)據(jù)yMon的無偏互相關函數(shù)值；yMon和yOBD代表平臺接收數(shù)據(jù)和OBD數(shù)據(jù)對應進行延時修正的數(shù)據(jù)項，分別為車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進氣流量、燃油流量和NOx排放量；t=-3 600, -3 599,…0,…3 599,3 600；X為時間序列yMon和yOBD的長度。

在[-3 600 s,3 600 s]區(qū)間內(nèi)，對車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進氣流量、燃油流量和NOx排放量等各數(shù)據(jù)項分別計算得到互相關函數(shù)序列，為便于對比觀察，將各數(shù)據(jù)項各自對應的互相關函數(shù)序列分別進行數(shù)據(jù)歸一化處理，歸一化互相關函數(shù)曲線的極大值處對應的平移時間即為兩時間序列的延時。對滯后的時間序列進行延時修正，兩數(shù)據(jù)序列進行長度對齊，長度對齊后的兩數(shù)據(jù)序列按照最小二乘法進行線性擬合，計算相關系數(shù)R2，評估延時修正效果。

3 原始數(shù)據(jù)序列修正結果

圖2至圖6分別示出監(jiān)控平臺接收到的車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進氣流量、燃油流量和NOx數(shù)據(jù)與對應OBD采集的數(shù)據(jù)曲線對比及延時。其中，NOx傳感器采集數(shù)據(jù)時，為了保護傳感器，需要滿足露點溫度的條件才能進入正常工作狀態(tài)[7]，否則讀取的NOx數(shù)據(jù)會為異常的假值，這部分異常數(shù)據(jù)本身并無參考意義，同時也會影響互相關函數(shù)計算結果。因此，NOx數(shù)據(jù)進行分析之前，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)計算得到OBD數(shù)據(jù)序列關于監(jiān)控平臺接收數(shù)據(jù)序列的互相關函數(shù)曲線，并進行歸一化。從圖2至圖6中可分別得到歸一化互相關函數(shù)曲線的極大值處對應的平移時間，此平移時間即為延時。

圖2 遠程平臺與OBD車速曲線對比及延時

圖3 遠程平臺與OBD發(fā)動機轉(zhuǎn)速曲線對比及延時

圖4 遠程平臺與OBD進氣流量曲線對比及延時

圖5 遠程平臺與OBD燃油流量曲線對比及延時

圖6 遠程平臺與OBD NOx排放曲線對比及延時

將圖2至圖6中的數(shù)據(jù)序列分別在時間軸上進行延時修正，圖7至圖11分別為延時修正后的平臺車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進氣流量、燃油流量和NOx數(shù)據(jù)與OBD數(shù)據(jù)曲線對比。從圖7至圖11中可以直觀看到，延時修正后的兩時間序列基本重合，這說明延時修正后，兩數(shù)據(jù)序列具有較強的相關性，延時修正的效果較好。

圖7 遠程平臺與OBD車速曲線延時修正后對比

圖8 遠程平臺與OBD發(fā)動機轉(zhuǎn)速曲線延時修正后對比

圖9 遠程平臺與OBD進氣流量曲線延時修正后對比

圖10 遠程平臺與OBD燃油流量曲線延時修正后對比

圖11 遠程平臺與OBD NOx排放曲線延時修正后對比

匯總各數(shù)據(jù)項平臺數(shù)據(jù)與OBD數(shù)據(jù)間的延時，并統(tǒng)計進行延時修正后的數(shù)據(jù)序列之間的最小二乘法擬合相關系數(shù)R2，結果見表3。

表3 各數(shù)據(jù)項延時與延時修正后相關系數(shù)

從表3中可以看到，車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進氣流量和NOx排放量等各數(shù)據(jù)項的延時均為529 s，燃油流量的延時為528 s；延時修正后的數(shù)據(jù)系列間相關系數(shù)R2均大于0.9。從各數(shù)據(jù)項之間的延時比較可以看出，各數(shù)據(jù)項的延時并不完全相同，燃油流量如果按照529 s的延時來進行時間對齊，延時修正后的燃油流量數(shù)據(jù)序列相關系數(shù)R2為0.803 1，小于0.9，對延時修正后的兩數(shù)據(jù)序列間的相關性產(chǎn)生了明顯的影響。計算得到的燃油流量信號的延時同車速等信號的延時不同，可能是由于不同信號的采集過程并非嚴格的時間同步，不同信號的采集過程之間也存在延時。

平臺數(shù)據(jù)與OBD數(shù)據(jù)本質(zhì)上都是從ECU讀取的實時數(shù)據(jù)流信號，但由于信號采集的初始時間的差異，所以會存在采集傳輸起始時間不一致的問題，若經(jīng)過合理的延時修正，在噪聲信號干擾較小的情況下，兩時間序列理應存在較強的相關性。通過互相關函數(shù)方式計算的延時與通過計算相關系數(shù)R2最大值方式得到的延時一致。表3的統(tǒng)計結果表明，用互相關函數(shù)求極大值的方式對平臺接收數(shù)據(jù)序列和OBD數(shù)據(jù)序列進行延時修正，修正結果較為理想。

4 加入噪聲數(shù)據(jù)序列修正結果

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

將重型車監(jiān)控平臺接收到的車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進氣流量、燃油流量和NOx數(shù)據(jù)序列分別加入高斯白噪聲信號，圖12至圖16示出加噪聲合成后的平臺數(shù)據(jù)與對應的OBD采集數(shù)據(jù)之間的對比及延時。從圖12至圖16可以看到，合成后的平臺數(shù)據(jù)曲線上含有很多“毛刺”，與原始信號相比，存在明顯失真，其中車速信號和燃油流量信號失真現(xiàn)象尤其明顯；合成后的平臺數(shù)據(jù)與OBD數(shù)據(jù)之間的相關性變差。同樣根據(jù)式(2)，構造OBD各數(shù)據(jù)項關于對應的合成后的平臺各數(shù)據(jù)項間的互相關函數(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函數(shù)曲線的極大值，極大值處對應的平移時間即為延時。

圖12 遠程平臺信號加噪聲后與OBD 車速曲線對比及延時

圖13 遠程平臺信號加噪聲后與OBD 發(fā)動機轉(zhuǎn)速曲線對比及延時

圖14 遠程平臺信號加噪聲后與OBD 進氣流量曲線對比及延時

圖15 遠程平臺信號加噪聲后與OBD 燃料流量曲線對比及延時

圖16 遠程平臺信號加噪聲后與OBD NOx排放曲線對比及延時

統(tǒng)計圖12至圖16中的各數(shù)據(jù)項對應的延時，統(tǒng)計結果見表4。

表4 平臺數(shù)據(jù)加噪聲合成后各數(shù)據(jù)項延時

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

5 結論

a) 利用互相關函數(shù)求極大值法對重型車監(jiān)控平臺接收的車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進氣流量、燃油流量和NOx數(shù)據(jù)序列與對應OBD數(shù)據(jù)序列進行延時修正，各數(shù)據(jù)項的延時大小并不完全相同，延時修正后各數(shù)據(jù)序列的相關系數(shù)R2均大于0.9；

b) 車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進氣流量、燃油流量和NOx的平臺接收數(shù)據(jù)加信噪比為SNR=-10 dB的高斯白噪聲信號后，與相應的OBD數(shù)據(jù)之間的延時同加入噪聲前完全相同。