CN111813075A - 工程机械在线监测方法、数据管理模块及在线监测系统 - Google Patents

工程机械在线监测方法、数据管理模块及在线监测系统 Download PDF

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周虹辉
刘政
潘玉瑾
姜涛
范武波
石嘉诚
钱骏
李媛
孙蜀
叶宏
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Abstract

本发明公开了一种工程机械在线监测方法、数据管理模块及在线监测系统，监测方法包括当发动机冷却液的温度满足温度设定条件时，分别进入数据采集及功基窗口选取步骤；在工程机械启动期间持续进行数据采集；根据瞬态循环柴油机做功量选取设定窗口数的功基窗口，之后进行有效功基窗口的选取；在工程机械处于有效寿命内时，基于有效功基窗口和NOX比排放确定工程机械排放是正常或者重点关注对象；在工程机械未处于有效寿命内时，基于有效功基窗口和有效功基窗口比排放值确定工程机械排放是正常或者重点关注对象。在线监测系统包括电源管理模块、ECU参数采集模块、污染物采集模块、数据管理模块、GPS定位模块、通信管理模和远程监测模块。

Description

工程机械在线监测方法、数据管理模块及在线监测系统
技术领域
本发明涉及车辆运行状态监测技术，具体涉及工程机械在线监测方法、数据管理模块及在线监测系统。
背景技术
随着经济水平的高速发展，机动车保有量近年来呈现迅猛增加趋势，移动源尾气排放已经成为大气污染的重要来源，根据相关污染物来源解析结果显示，重型载货汽车以及工程机械的氮氧化物与颗粒物排放量是机动车排放两项污染物的重要来源，通过对重型载货汽车以及工程机械加装后处理装置能够有效控制氮氧化物和颗粒物的排放，做好前端污染物排放控制的同时，做好后端排放的监管对实现污染物的有效减排尤为重要。
目前针对重型柴油载货车的排放监管，主要集中在一年一度的年审以及环保部门开展的路检路查工作，该项工作不能够实时的反映车辆在不同工况下的实际排放情况，且耗费大量的人力物力。北京工业大学的程水源等人申请的发明专利——移动源尾气在线监测与污染物采样系统，该系统采用五气分析仪进行CO、CO2、NO、O2、THC浓度的实时监测，同时利用采样系统对颗粒物进行稀释采样，完成对颗粒物的元素与离子成分分析以及颗粒物OC/EC和特定有机物分析。
王瑞等人申请的发明专利——车辆行驶状态下尾气排放车载和机房同步监测系统，该系统是为了用于解决目前还无法实现车辆行驶状态下的尾气排放车载和机房同步检测的问题。
上述两种方法进行在线检测机动车尾气排放情况的主要问题和缺陷：
(1)虽然两者都完成了排放数据的采集，但仅仅只是初步数据，仍无法对工程机械的排放情况进行直接的判定；
(2)多用于可移动的机动车上，未结合工程机械特殊工作工况(长时间不行走)的实际情况，无法针对工程机械提供系统的数据分析方法。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的工程机械在线监测方法、数据管理模块及在线监测系统解决了现有在线监测方法不能对工程机械的排放情况进行判断的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
第一方面，提供一种工程机械在线监控方法，其包括：
S1、采集工程机械的发动机冷却液的温度，并判断冷却液的温度是否满足温度设定条件，若是，分别进入步骤S2和步骤S3，否则继续执行步骤S1；
S2、采集发动机运行参数和工程机械排放的尾气中污染物，并判断工程机械是否关闭，若是，则终止运行参数和尾气中污染物采集循环步骤，否则继续执行步骤S2；
S3、进行区间累计功计算，当区间累计功等于瞬态循环柴油机做功量时，将累计功计算的连续区间作为功基窗口；
S4、判断功基窗口的数量是否大于等于设定窗口数；若是，进入步骤S5，否则在上一功基窗口选取完成设定时间后进入步骤S3；
S5、计算每个功基窗口的功基窗口NOX比排放及窗口平均功率百分比，之后基于每个功基窗口的窗口平均功率百分比进行有效功基窗口的选取；
S6、根据工程机械的柴油机最大净功率段和柴油机累计运行时长，判断柴油机是否在有效寿命内，若是进入步骤S7，否则进入步骤S8；
S7、判断是否存在设定比例的有效功基窗口的NOX比排放小于相应功率段标准要求的2.5倍，若是，则工程机械为正常，否则，则标记工程机械为尾气排放重点关注对象；
S8、判断是否存在预设比例的有效功基窗口的有效功基窗口比排放值超过预设要求，若是，则标记工程机械为尾气排放重点关注对象，否则标记工程机械为正常。
第二方面，提供一种数据管理模块，其用于加载工程机械在线监控方法。
第三方面，提供一种工程机械在线监测系统，其包括与工程机械连接的电源管理模块，采集工程机械发动机运行参数的ECU参数采集模块，安装于工程机械的排气管道中、采集工程机械尾气中污染物的污染物采集模块及数据管理模块；
ECU参数采集模块、污染物采集模块及安装在工程机械上的GPS定位模块均与电源管理模块和数据管理模块连接；数据管理模块与通信管理模块连接，并通过通信管理模块与设置于车辆监管部门处的远程监测模块连接。
本发明的有益效果为：本方案提供的方法及系统能够在工程机械启动后，并实时采集工程机械发动机的运行参数和尾气中排放的污染物，以实现车辆污染物的排放情况的实时收集，达到方便车辆监管部门了解车辆的实时动态。
在工程机械启动处于稳定状态后，本方案首先通过瞬态循环柴油机做功量进行功基窗口统计；之后基于有效功基窗口和NOX比排放或效功基窗口和有效功基窗口比排放值对工程机械的排放达标监管，对高排放工程机械进行甄别判定、划分标记，对治理高污染工程机械有一定指导作用。
附图说明
图1为工程机械在线监控方法的流程图。
图2为工程机械在线监控系统的原理框图。
图3为电源管理模型的原理框图。
图4为数据管理模块的原理框图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
参考图1，图1示出了工程机械在线监控方法的流程图，如图1所示，该方法包括步骤S1至步骤S8。
在步骤S1中，采集工程机械的发动机冷却液的温度，并判断冷却液的温度是否满足温度设定条件，若是，分别进入步骤S2和步骤S3，否则继续执行步骤S1；其中温度设定条件为发动机冷却液温度≥70℃或者冷却液温度在5分钟内的变化<2℃。
通过发动机冷却液的温度的判断，可以确定工程机械的发动机是否稳定的启动，从而保证后续数据采集的数据的稳定性。
在步骤S2中，采集发动机运行参数和工程机械排放的尾气中污染物，并判断工程机械是否关闭，若是，则终止运行参数和尾气中污染物采集循环步骤，否则继续执行步骤S2；
本步骤通过对工程机械是否关闭进行判断，其一可以保证在工程机械运行时循环对其进行数据采集，方便车辆管理部门获取工程机械的实时数据，其二可以在发动机关闭后，同步关闭在线监测系统，保证电源管理模块的续航能力。
在步骤S3中，进行区间累计功计算，当区间累计功等于瞬态循环柴油机做功量时，将累计功计算的连续区间作为功基窗口；
在步骤S4中，判断功基窗口的数量是否大于等于设定窗口数；若是，进入步骤S5，否则在上一功基窗口选取完成设定时间后进入步骤S3；设定时间优选为1s。
实施时，本方案优选功基窗口满足的约束条件为：
Figure BDA0002543128050000051
其中，t1,i和t2,i分别为第i个功基窗口起始时间和终止时间，单位s；Wref为柴油机瞬态循环(NRTC)做功量，单位kWh。
在步骤S5中，计算每个功基窗口的功基窗口NOX比排放及窗口平均功率百分比，之后基于每个功基窗口的窗口平均功率百分比进行有效功基窗口的选取；
实施时，本方案优选功基窗口比排放和窗口平均功率百分比的计算公式分别为：
Figure BDA0002543128050000052
其中，t1,i和t2,i分别为第i个功基窗口起始时间和终止时间，单位s；gast为柴油机的NOX瞬时排放质量，单位g/s；Prated为柴油机最大净功率，单位kW；Wt为瞬时功，单位kWh，Wt的计算公式为：
Figure BDA0002543128050000061
其中，Tt为瞬时净扭矩，单位Nm；Nt为瞬时转速，单位r/min。
在本发明的一个实施例中，基于每个功基窗口的窗口平均功率百分比进行有效功基窗口的选取进一步包括：
S51、判断比较阈值是否大于15％，若是进入步骤S52，否则进入步骤S55；
S52、当窗口平均功率百分比大于比较阈值时，标记对应功基窗口为有效功基窗口；
S53、判断有效功基窗口的个数是否大于所有功基窗口总数的50％，若是，进入步骤S55，否则进入步骤S54；
步骤S54、将比较阈值以1％为步长减小，之后返回步骤S52；比较阈值的初始值为20％；
步骤S55、输出此时对应的有效功基窗口个数、功基窗口总个数和比较阈值。
本方案有效功基窗口选取过程中，通过每一个功基窗口的窗口平均功率百分比与相应值进行比较，对有效功基窗口进行标记，同时统计有效功基窗口个数及功基窗口总个数，为下一步进行单机在用符合性检查和排放判定进行数据支撑。
在步骤S6中，根据工程机械的柴油机最大净功率段和柴油机累计运行时长，判断柴油机是否在有效寿命内，若是进入步骤S7，否则进入步骤S8；
假设工程机械最大净功率为17kW，查询非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国第三、四阶段)(GB20891-2014)要求有效寿命为3000h，如果柴油机累计运行时长为2000h，则判定为柴油机在有效寿命期间内，如果柴油机累计运行时长为4000h，则判定为柴油机不在有效寿命期间内。
GB20891-2014中对于不同柴油机功率段耐久性时间要求如下表所示：
表1耐久性要求
Figure BDA0002543128050000071
在步骤S7中，判断是否存在设定比例(90％)的有效功基窗口的NOX比排放小于相应功率段标准要求的2.5倍，若是，则工程机械为正常，否则，则标记工程机械为尾气排放重点关注对象。NOX比排放的计算公式为：
Figure BDA0002543128050000072
其中，
Figure BDA0002543128050000073
为NOX的系数；
Figure BDA0002543128050000074
为NOX的瞬时湿基浓度，单位ppm；GEXHW为瞬时排气质量流量，单位kg/s。
在步骤S8中，判断是否存在预设比例的有效功基窗口的有效功基窗口比排放值超过预设要求(预设要求为执法部门的执法要求)，若是，则标记工程机械为尾气排放重点关注对象，否则标记工程机械为正常。
本方案还提供一种数据管理模块，其用于加载工程机械在线监控方法。
本方案还提供一种工程机械在线监测系统，其原理框图参考图2，在线监测系统包括与工程机械连接的电源管理模块，采集工程机械发动机运行参数的ECU参数采集模块，安装于工程机械的排气管道中、采集工程机械尾气中污染物的污染物采集模块及对采集的发动机运行参数和污染物进行存储和处理的数据管理模块；
ECU参数采集模块、污染物采集模块及安装在工程机械上的GPS定位模块均与电源管理模块和数据管理模块连接；数据管理模块与通信管理模块连接，并通过通信管理模块与设置于车辆监管部门处的远程监测模块连接。
本方案的在线监测系统通过ECU参数采集模块和污染物采集模块相互结合，能够将工程机械的运行参数和排放的污染物进行采集，通过数据管理模块进行存储，并可以通过通信管理模块进行数据上传，以便于车辆监管部门对车辆的具体情况实现可追溯跟踪。
如图3所示，电源管理模块包括与工程机械连接的充放电管理装置，充放电管理装置分别与电压转换装置和锂电池供电装置连接，电压转换装置的输出端与电压稳压装置连接，电压稳压装置的输出端为电源管理模块的输出端。
锂电池供电装置可以保证工程机械断电情况下设备在低能耗条件下运行；充放电管理装置能够保证在设备缺电状态时，在工程机械通电状态下通过工程机械电瓶的自带电实现对设备自带锂电池的充电功能，同时实现在工程机械工作状态下，可直接内接工程机械电瓶供电；电压转换装置能够实现输入电压与目标输出电压的转换，实现对系统不同模块电压需求的供电；电压稳压装置实现电压转换装置输出电压的稳定，保证输出电压不产生大波动，保证各模块之间的正常工作。
其中，充放电管理装置的型号为SPU150C24L，电压转换装置的型号为EV140-A2424，锂电池供电装置的型号为DC-24680，电压稳压装置为CMOS电压稳压器，其型号为S-1339D18-A4T2U3。
ECU参数采集模块实现对发动机运行参数(发动机转速、发动机扭矩、进气量、喷油量、冷却液温度等数据)的采集。GPS定位模块通过GPS实现工程机械的精准定位，同时逐秒采集工程机械的位置信息(经度、纬度、海拔高度、车速等数据)，保证路径的可追踪性。
污染物采集模块包括分别与电源管理模块和数据管理模块连接的温度传感器、氧浓度传感器、颗粒物传感器、压差传感器和氮氧化物传感器。
温度传感器能够实现对工程机械尾气排放温度的采集；压差传感器能够实现尾气排放管压差数据的采集；氧浓度传感器完成对氧气排放量(单位：％)的采集；氮氧化物(NOX)传感器，实现尾气排放物二氧化氮和一氧化氮排放量的数据采集；颗粒物(PM)传感器实现尾气排放颗粒物排放量的数据采集。
其中，温度传感器的型号为3690650-KX100，氧浓度传感器的型号为YCGQ-3，颗粒物传感器的型号为DELPHI PM sensor颗粒物传感器，压差传感器的型号为1MPP2-2，氮氧化物传感器的型号为FE7B53060。
本方案通过多个传感器采集的少量宏观数据，结合工程机械的特殊工作情况(长时间不行走)，通过在线监测方法进行工程机械排放微观分析工作，同时减少了数据测量带来的设备成本。
如图4所示，数据管理模块包括依次连接的NI数据采集卡、数据存储装置和数据离线调用装置，NI数据采集卡的输入端为数据管理模块的输入端，NI数据采集卡的一个端口和数据离线调用装置的输出端均为数据管理模块的输出端。
NI数据采集卡实现对工程机械ECU参数采集模块数据以及污染物采集模块数据的集成，并通过内置算法，实现对数据的处理，结合工程机械特殊运行工况以及功基窗口法，在线监测在用工程机械污染物排放情况以及判定其达标情况；数据存储装置采用128G存储卡实现对NI数据采集卡的处理数据的存储以及远程传输数据的调用，可根据需求实现不同时间长度的数据的存储，保证数据不丢失，同时存储模块还能够保证在设备断网情况下采集数据的保存，待恢复正常网络后将断网期间的数据通过通信管理模块完成数据的远程报送。
数据离线调用装置能够实现在离线状态下，通过网线与电脑进行连接或者USB，调用过去一段时间内设备采集到的相关基础数据及NI数据采集卡的处理数据，方便技术人员对工程机械排放数据进行深层次分析。
实施时，本方案优选数据管理模块还包括数据安全保护装置，其能够防止用户篡改工程机械排放数据，保证数据的真实性，方便政府职能部门的精准执法；数据安全保护装置分别与NI数据采集卡、数据存储装置和数据离线调用装置连接，当设置数据安全保护装置后，数据安全保护装置和数据离线调用装置的输出端均为数据管理模块的输出端。
其中，NI数据采集卡的型号为NI MCC USB-6002；数据存储装置的型号为SDCX10，数据离线调用装置为USB接口。
通信管理模块通过GPRS网络与远程监测模块实现通讯，完成对采集数据的传送功能，能够将工程机械的实时状态远程传输给远程监测模块；远程监测模块直接设置于政府的相关职能管理部门，实现与政府管理平台的交互，便于相关管理部门实现对工程机械的排放监管排查工作。
本方案的在线监测系统在安装调试前通过工程机械相关信息查询，将工程机械原始信息参数(柴油机型式核验各污染物比排放值、柴油机最大净功率Prated、柴油机瞬态循环(NRTC)做功量Wref、安装时柴油机累计运行时间等参数)，以及标准要求的不同功率段污染物排放目标要求，标准要求的不同功率段有效寿命录入数据管理模块中，此部分数据是数据管理模块进行单车数据识别与传送的重要基础数据，将永久保存在数据存储装置中，并能随时进行读取调用。
在工程机械未使用时，设备内置锂电池供电模块通过充放电管理装置、电压转换装置、电压稳压装置完成对其他模块的供电，保证监测系统能够在低耗电低功耗条件下正常运行。当工程机械正常启动后，充放电管理装置检测到工程机械电压输入，将断开与锂电池供电装置的连接，改为直接通过工程机械内置电瓶实现对工程机械ECU参数采集模块、GPS定位模块、污染物采集模块、数据管理模块、通信管理模块的供电，保证设备在工程机械运行状态下的正常数据采集工作。同时，当检测到锂电池供电装置处于缺电状态时，充放电管理装置将通过工程机械供电完成对锂电池供电装置的充电工作。
工程机械正常使用状态下，将通过工程机械ECU参数采集模块与工程机械整机ECU的通讯，采集工程机械运行参数发动机转速(单位：r/min)、发动机扭矩(单位：Nm)、进气质量流量(单位：kg/s)、燃油质量流量(单位：kg/s)等重要参数用做后续车辆是否正常进行判断的基础数据备用；
通过数据管理模块中NI数据采集卡将ECU参数采集模块、GPS定位模块、污染物采集模块等采集的数据集成并进行处理，通过数据安全保护装置以及通信管理模块进行加密传输，实现数据的远程传输功能；同时当通信管理模块异常时，数据将会自动保存到数据存储装置中，待通信管理模块正常后，再完成此时间段内数据的报送；数据离线调用装置能够实现在离线状态下，通过网线与电脑进行连接或者USB连接，调用过去一段时间内设备采集到的相关基础数据及处理数据，方便技术人员对工程机械进行排放数据进行深层次分析。
综上所述，本方案在线监测系统所采用的模块量少，能够解决现有在线监测设备体积大、操作复杂、携带不便等问题，采集的数据能够实现远程数据回传接入政府相关机构的管理平台，帮助政府更好的监管工程机械的实际使用情况以及相关污染物排放是否超标等情况；同时在线监测方法能够对工程机械的实际运行工况，在线判定工程机械达标情况，对高排放车辆进行甄别判定、划分标记。

Claims (10)

1.工程机械在线监控方法，其特征在于，包括：
S1、采集工程机械的发动机冷却液的温度，并判断冷却液的温度是否满足温度设定条件，若是，分别进入步骤S2和步骤S3，否则继续执行步骤S1；
S2、采集发动机运行参数和工程机械排放的尾气中污染物，并判断工程机械是否关闭，若是，则终止运行参数和尾气中污染物采集循环步骤，否则继续执行步骤S2；
S3、进行区间累计功计算，当区间累计功等于瞬态循环柴油机做功量时，将累计功计算的连续区间作为功基窗口；
S4、判断功基窗口的数量是否大于等于设定窗口数；若是，进入步骤S5，否则在上一功基窗口选取完成设定时间后进入步骤S3；
S5、计算每个功基窗口的功基窗口NOX比排放及窗口平均功率百分比，之后基于每个功基窗口的窗口平均功率百分比进行有效功基窗口的选取；
S6、根据工程机械的柴油机最大净功率段和柴油机累计运行时长，判断柴油机是否在有效寿命内，若是进入步骤S7，否则进入步骤S8；
S7、判断是否存在设定比例的有效功基窗口的NOX比排放小于相应功率段标准要求的2.5倍，若是，则工程机械为正常，否则，则标记工程机械为尾气排放重点关注对象；
S8、判断是否存在预设比例的有效功基窗口的有效功基窗口比排放值超过预设要求，若是，则标记工程机械为尾气排放重点关注对象，否则标记工程机械为正常。
2.根据权利要求1所述的工程机械在线监控方法，其特征在于，基于每个功基窗口的窗口平均功率百分比进行有效功基窗口的选取进一步包括：
S51、判断比较阈值是否大于15％，若是进入步骤S52，否则进入步骤S55；
S52、当窗口平均功率百分比大于比较阈值时，标记对应功基窗口为有效功基窗口；
S53、判断有效功基窗口的个数是否大于所有功基窗口总数的50％，若是，进入步骤S55，否则进入步骤S54；
步骤S54、将比较阈值以1％为步长减小，之后返回步骤S52；所述比较阈值的初始值为20％；
步骤S55、输出此时对应的有效功基窗口个数、功基窗口总个数和比较阈值。
3.根据权利要求1所述的工程机械在线监控方法，其特征在于，所述温度设定条件为发动机冷却液温度≥70℃或者冷却液温度在5分钟内的变化<2℃。
4.根据权利要求1所述的在线监控方法，其特征在于，所述功基窗口比排放和窗口平均功率百分比的计算公式分别为：
Figure FDA0002543128040000021
其中，t1,i和t2,i分别为第i个功基窗口起始时间和终止时间，单位s；gast为柴油机的NOX瞬时排放质量，单位g/s；Prated为柴油机最大净功率，单位kW；Wt为瞬时功，单位kWh。
5.根据权利要求4所述的工程机械在线监控方法，其特征在于，所述NOX瞬时排放质量和瞬时功的计算公式为：
Figure FDA0002543128040000022
其中，
Figure FDA0002543128040000031
为NOX的系数；
Figure FDA0002543128040000032
为NOX的瞬时湿基浓度，单位ppm；GEXHW为瞬时排气质量流量，单位kg/s；Tt为瞬时净扭矩，单位Nm；Nt为瞬时转速，单位：r/min。
6.数据管理模块，其特征在于，数据管理模块用于加载权利要求1-5任一所述的工程机械在线监控方法。
7.工程机械在线监测系统，其特征在于，包括与工程机械连接的电源管理模块，采集工程机械发动机运行参数的ECU参数采集模块，安装于工程机械的排气管道中、采集工程机械尾气中污染物的污染物采集模块及权利要求6所述的数据管理模块；
所述ECU参数采集模块、污染物采集模块及安装在工程机械上的GPS定位模块均与所述电源管理模块和数据管理模块连接；所述数据管理模块与通信管理模块连接，并通过通信管理模块与设置于车辆监管部门处的远程监测模块连接。
8.根据权利要求7所述的工程机械在线监测系统，其特征在于，所述电源管理模块包括与工程机械连接的充放电管理装置，所述充放电管理装置分别与电压转换装置和锂电池供电装置连接，所述电压转换装置的输出端与电压稳压装置连接，所述电压稳压装置的输出端为电源管理模块的输出端。
9.根据权利要求7所述的工程机械在线监测系统，其特征在于，所述污染物采集模块包括分别与电源管理模块和数据管理模块连接的温度传感器、氧浓度传感器、颗粒物传感器、压差传感器和氮氧化物传感器。
10.根据权利要求7所述的工程机械在线监测系统，其特征在于，所述数据管理模块包括依次连接的NI数据采集卡、数据存储装置和数据离线调用装置，所述NI数据采集卡的输入端为数据管理模块的输入端，所述NI数据采集卡的一个端口和数据离线调用装置的输出端均为数据管理模块的输出端；所述工程机械在线监控方法加载于NI数据采集卡上。
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