CN103256480B - 基于车载数据的公交车储气量实时监控系统 - Google Patents

Abstract

基于车载数据的公交车储气量实时监控系统，包括有控制器、用于测量气瓶外环境温度的温度传感器、设置在气瓶内用于测量气瓶内压强的压力传感器和GPRS模块，温度传感器和压力传感器将采集到的数据发送至控制器，控制器处理并存储接收到的数据信息，再通过GPRS模块发送至监控中心。本发明采集环境温度和气瓶内的压力数据，通过控制器对采集到的数据进行处理和计算得到气瓶内的储气量，再通过GPRS将计算出的储气量发送至远端监控中心，实时监控公交车的燃气消耗，为公交公司管理车队以及研究经济驾驶行为提供重要依据。

Description

基于车载数据的公交车储气量实时监控系统

技术领域

本发明涉及一种用于公交车储气量监控的系统。

背景技术

当前，作为大城市最重要的交通方式，公交车的安全、经济、舒适驾驶引起了广泛的关注。天然气由于具有安全高效、燃烧稳定、洁净环保等特点被大部分公交车所使用。在公交车运营过程当中，公交车燃气消耗的实时监控为公交公司管理车队以及研究经济驾驶行为提供了重要依据。

目前，基于车载数据的公交车储气量网络实时监控系统还未见研究报道。王炽军等人开发了汽车动态油耗在线检测系统，用于获取车辆的瞬时油耗，但无法实现远程监控。孙芃开发了天然气汽车气瓶的储气量计量方法及装置，但没明确测温装置的具体安装方式和温度参数的使用方法，无法判断其储气量估计误差量级，也没有将测量结果通过网络实现实时监控，无法体现其实际应用价值；但是由于车载系统固有的噪声干扰，直接利用这些数据来估计存气量，很难保证其有效性。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于车载数据的公交车储气量实时监控系统，它可以实时监控公交车气瓶的储气量。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有控制器、用于测量气瓶外环境温度的温度传感器、设置在气瓶内用于测量气瓶内压强的压力传感器和GPRS模块，温度传感器和压力传感器将采集到的数据发送至控制器，控制器处理并存储接收到的数据信息，再通过GPRS模块发送至监控中心。

进一步，所述温度传感器和压力传感器通过CAN总线接口将采集到的数据发送至控制器。

进一步，所述压力传感器采集数据的时间间隔为2S，控制器莱茵达准则对压力传感器采集到的原始数据进行坏点处理。

进一步，对压力传感器采集到的原始数据进行坏点处理的具体方法为：

1）将压强数据分组，并对每一组数据计算均值和均方差。

2）在每个分组中计算每一数据与均值偏差的绝对值。

3）对每个偏差的绝对值进行判断，如果大于预设值，就用该时刻的前一时刻的数据值代替，并完成数据更新；当每个分组中第一个数据为零值时，则用该组的均值数据代替。

进一步，控制器通过公式计算气瓶内储气量：

$V_{\mathrm{bz}}=\frac{{\mathrm{PVT}}_{\mathrm{bz}}}{P_{\mathrm{bz}}{\mathrm{\ΔT}}_1}$

式中，P为天然气压力，V为天然气瓶容积，环境温度△T₁，V_bz为剩余气体标准体积，P_bz、T_bz分别为气体标准状态下的压力和温度。

进一步，所述控制器还包括有以太网口。

进一步，所述控制器为ARM11处理器和S3C6410芯片。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明采集环境温度和气瓶内的压力数据，通过控制器对采集到的数据进行处理和计算得到气瓶内的储气量，再通过GPRS将计算出的储气量发送至远端监控中心，实时监控公交车的燃气消耗，为公交公司管理车队以及研究经济驾驶行为提供重要依据。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为本发明的结构示意图；

图2为压强数据处理后的前后对比图；

图3为两种情况下气瓶内储气量的估计值。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

根据我国《天然气流量的标准孔板计算方法》规定，气瓶内储气量为天然气在标准压强和标准温度下的体积。气瓶内的状态用P、V、T，等效的标准状态为P_bz、V_bz、T_bz。那么利用气态方程得到的天然气瓶内储气量为：

$V_{\mathrm{bz}}=\frac{{\mathrm{PVT}}_{\mathrm{bz}}}{P_{\mathrm{bz}}T}---\left(1\right)$

其中，P_bz=101.325KPa，T_bz=293.15K。

理论上，利用式（1）可得到气瓶内储气量，从而得到不同时刻天然气的消耗。但是公交车天然气瓶内一般没有温度测量装置，而且在气瓶内安装这种装置也不方便。但是，在CAN总线内有气瓶环境的温度值和气瓶内天然气的压强值，因而最好利用这两个参数来估计气瓶内储气量

利用式（1）来分析影响气瓶内储气量测量的误差因素。

对式（1）的压强、温度求导得到：

$\frac{{\∂}^2{V}_{\mathrm{bz}}}{\∂P\∂T}=\frac{{\mathrm{VT}}_{\mathrm{bz}}}{P_{\mathrm{bz}}T}-\frac{{\mathrm{PVT}}_{\mathrm{bz}}}{T^2{P}_{\mathrm{bz}}}---\left(2\right)$

因此，储气量的微分为：

${\mathrm{\Δ}}^2{V}_{\mathrm{bz}}=\frac{{\mathrm{VT}}_{\mathrm{bz}}}{P_{\mathrm{bz}}}(\frac{\mathrm{\ΔP}}{T}-\frac{P\×\mathrm{\ΔT}}{T^2})---\left(3\right)$

由此可见，影响储气量的估计误差包括压强的变化和温度的变化，其中压强的变化影响较大。温度T包括环境温度△T₁和环境与气瓶内气体的温度差△T₂。△T₂是一个在车辆工作过程中变化比较缓慢的较小值。那么，如果将温度T用环境温度△T₁来取代，储气量的估计误差将更低。因此，影响储气量的估计误差主要来自于压强测量的误差。

从上述分析可知，可采用式（4）来估计气瓶内储气量。

$V_{\mathrm{bz}}=\frac{{\mathrm{PVT}}_{\mathrm{bz}}}{P_{\mathrm{bz}}{\mathrm{\ΔT}}_1}---\left(4\right)$

利用式（4）必须保证压强测量有较高的精度。但从实测的车载CAN总线数据可知，压强测量中包含不少缺值、奇异值、多值等坏点数据。坏点的存在严重影响气瓶内储气量的估计。压强原始数据是以2s的采样间隔采集的公交车的天然气瓶压强数据，数据中存在很多坏值。为了高精度地检测天然气瓶剩余储气量，必须对原始数据进行预处理。利用莱茵达准则对压强原始数据进行坏点处理。

本专利搭建的嵌入式平台的软件环境都是构建在嵌入式Linux操作系统之上，所有程序采用C和C++语言进行编写，硬件平台采用的是飞凌嵌入式公司的TE6410开发板。控制器所采用的是ARM11处理器和S3C6410芯片，这要比以前经常使用的ARM9处理器和S3C2440芯片都要优越很多。ARM11处理器的性能与ARM9相比大约提高了40%。ARM11为便携式和无线应用，提供了从未有过的高超性能，ARM11微处理器是一种高性能、低功耗的准64位微处理器。三星公司的S3C6410是一款低功耗、高性价比的RSIC处理器，它基于ARM11内核（ARM1176JZF-S)，可广泛应用于移动电话和通用处理等领域；S3C6410为2.5G和3G通信服务提供了优化的硬件性能，工作频率高达667MHz。同时，S3C6410包含了优化的外部存储器接口，该接口能满足在高端通信服务中的数据带宽要求。天然气瓶剩余储气量程序编写完成以后就烧写到TE6410开发板的FLASH中。

在车载嵌入式系统中，经过处理后，将储气量数据发送到远端的监控中心，以实现数据服务中心对车辆状况的监控以及记录。因为车辆位置的不确定性，不可能通过有线的方式连接到Internet上，而GPRS作为一种比较成熟的无线数据传输技术，恰好可以弥补上述缺点,并且相对于3G无线数据传输技术，GPRS网络价格相对低许多，可以以相对较低的成本实现车辆长时间的无线通信，所以采用GPRS网络进行信息传输，这样就为车身CAN网络的数据传输提供了一个准确、实时、永远在线的信息上报通道，实现天然气瓶储气量的网络实时监测。

利用莱茵达准则对压强原始数据进行坏点处理后，得到的处理效果如图2所示，处理后的压强数据的坏点数据明显减少，说明压强数据处理方法具有可行性。

本发明应用在重庆市公交车上，并对其进行了跟车实验。测试条件如下：

对该车辆的压强数据进行了实时采集和后续分析。将在嵌入式系统中得到的天然气瓶剩余储气量和公交公司对车辆加气数据进行比较，计算误差：

通过多次验证，误差率低于1%，实验验证了本算法的有效性。系统响应的实时性和该算法也基本满足了公交车的运行环境，也能够满足嵌入式系统的数据运算能力。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.基于车载数据的公交车储气量实时监控系统，其特征在于：

所述系统包括有控制器、用于测量气瓶外环境温度的温度传感器、设置在气瓶内用于测量气瓶内压强的压力传感器和GPRS模块，温度传感器和压力传感器将采集到的数据发送至控制器，控制器处理并存储接收到的数据信息，再通过GPRS模块发送至监控中心；

所述压力传感器采集数据的时间间隔为2S，控制器莱茵达准则对压力传感器采集到的原始数据进行坏点处理；

对压力传感器采集到的原始数据进行坏点处理的具体方法为：

1)将压强数据分组，并对每一组数据计算均值和均方差；

2)在每个分组中计算每一数据与均值偏差的绝对值；

3)对每个偏差的绝对值进行判断，如果大于预设值，就用该时刻的前一时刻的数据值代替，并完成数据更新；当每个分组中第一个数据为零值时，则用该组的均值数据代替；

控制器通过公式计算气瓶内储气量：

$V_{\mathrm{bz}}=\frac{{\mathrm{PVT}}_{\mathrm{bz}}}{P_{\mathrm{bz}}{\mathrm{\ΔT}}_1}$

式中，P为天然气压力，V为天然气瓶容积，环境温度ΔT1，V_bz为剩余气体标准体积，P_bz、T_bz分别为气体标准状态下的压力和温度。

2.如权利要求1所述的基于车载数据的公交车储气量实时监控系统，其特征在于：所述温度传感器和压力传感器通过CAN总线接口将采集到的数据发送至控制器。

3.如权利要求1所述的基于车载数据的公交车储气量实时监控系统，其特征在于：所述控制器还包括有以太网口。

4.如权利要求1所述的基于车载数据的公交车储气量实时监控系统，其特征在于：所述控制器为ARM11处理器和S3C6410芯片。