CN115307916A - 一种基于工业物联网的汽车发动机故障预警系统 - Google Patents

一种基于工业物联网的汽车发动机故障预警系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于工业物联网的汽车发动机故障预警系统，包括：数据采集模块：用于设定采集时间间隔，根据所述时间间隔，采集发动机在不同运行状态下的运行信号；数据处理模块：用于对运行信号进行分析处理获得所述发动机的运行参数；故障预警模块：用于根据所述发动机的运行参数进行在线检测，控制所述故障预警模块发出预警信号；其中数据采集模块、数据处理模块和故障预警模块依次连接。本发明利用多传感器技术采集发动机各种运行状态参数，设置识别框架，采用改进的数据融合算法，将发动机故障诊断结果进行融合，再利用声光报警模块进行准确预警，有效地克服了发动机故障诊断准确率低、事后诊断的问题，实现了不解体发动机故障诊断预警。

Description

一种基于工业物联网的汽车发动机故障预警系统
技术领域
本发明涉及汽车发动机预警技术领域，特别是涉及一种基于工业物联网的汽车发动机故障预警系统。
背景技术
汽车发动机是涵盖电子、计算机、信息技术的智能控制系统。随着工业的发展和人们生活水平的不断提高，汽车发动机的集成度越来越高，已经远远超出了通过直接观察就能够得知设备故障的原因。
由于发动机结构原理复杂，发动机故障发生率较高，据统计80％的汽车故障源于发动机。随着车辆日益增多，发动机也越来越朝着高速、大功率发展，发动机系统更加复杂，一旦汽车发动机出现故障，哪怕是极其微小的一部分出现故障，也将会造成巨大的经济损失和人员伤亡事故。发动机出现故障，维修保养费用较高，早期的维修还需要将发动机解体，由工人检测发动机内部进行故障判断。传统的破坏性维修方法已经不能适应社会发展需求，如何利用先进的智能技术，监测发动机的运行状态，从而分析发动机故障部位和原因，并发出预警，是当前技术领域研究的重点。且随着工业物联网技术逐渐普及应用到各大型项目，作为物联网应用中最基础的硬件数据采集系统，将基层设备运行时产生的大量数据采集到云服务端，作相应的云应用，实现对系统中大量运行设备的实时监控及管理。因此，本发明提供了一种基于工业物联网的汽车发动机故障预警系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于工业物联网的汽车发动机故障预警系统，以实现提前发现发动机故障并及时进行预警并处理。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于工业物联网的汽车发动机故障预警系统，包括：
数据采集模块：用于设定采集时间间隔，根据所述时间间隔，采集发动机在不同运行状态下的运行信号；
数据处理模块：用于对所述运行信号进行分析处理获得所述发动机的运行参数；
故障预警模块：用于根据所述发动机的运行参数进行在线检测，控制所述故障预警模块发出预警信号；
其中所述数据采集模块、所述数据处理模块和所述故障预警模块依次连接。
优选地，所述数据采集模块包括传感器阵列，所述传感器阵列包括但不限于：
节气门开度传感装置：用于监测节气门的开度变化，判断所述发动机的工况信息；
空气流量传感装置：用于监测所述发动机内部的空气流量；
声波传感装置：用于监测所述发动机的声波信息；
气缸压力传感装置：用于反馈所述发动机的转速信号。
优选地，所述数据采集模块还包括液晶显示单元，所述液晶显示单元用于根据行车电脑开关的控制进行车辆状态信息的显示和所述发动机内冷却液温度信息的显示。
优选地，所述数据处理模块包括：
数据采集网关和传输总线，所述数据采集网关用于通过所述传输总线接收所述数据传输模块发送的信息，并通过存储装置进行存储。
优选地，所述存储装置存储有普通数据报文库和异常数据报文库，其中所述普通数据报文库用于存放发动机正常运作产生的正常数据，所述异常数据报文库用于存放发动机异常运行时所产生的的数据。
优选地，所述数据处理模块还包括问题识别单元，所述问题识别单元用于根据问题识别模型判断异常数据的故障类型，得到最终诊断结果。
优选地，判断所述异常数据的故障类型包括：
根据汽车发动机的故障类型建立问题识别框架，对传感器阵列采集的发动机状态参数，采用数据小波变换方法得到不同传感器测得的病症属于各类故障的信度函数mj(A1)，…，mj(An)，其中所述mj(Ai)表示传感器j测得的症状属于Ai的信任度函数；基于所述信度函数判断所述异常数据的故障类型。
优选地，所述问题识别框架一级辨识框架和二级辨识框架，其中，所述一级辨识框架中包括气路故障、油路故障、配气故障和点火故障，所述二级故障包括具体部件的故障；所述一级辨识框架识别到发动机故障后，进行二级识别，得到具体部件故障。
优选地，所述故障预警模块包括：
记录器：用于记录所述发动机发生故障时产生的数据，并基于故障数据生成预警规则，存入预警规则库；
报警装置：用于接收所述预警规则库中的数据，进行声光报警；
其中，所述记录器还与所述数据处理模块中的存储装置连接，通过所述记录器中的预警规则库对所述存储装置中的异常数据报文库进行实时更新。
优选地，所述报警装置包括报文显示器和声音预警器，所述报文显示器与所述数据采集装置中的液晶显示单元连接，用于发出图文性的警示信息，所述声音预警器用于发出声音警报。
本发明的有益效果为：
本发明利用多传感器技术采集发动机各种运行状态参数，设置识别框架，采用改进的数据融合算法，将发动机故障诊断结果进行融合，再利用声光报警模块进行准确预警，有效的克服了发动机故障诊断准确率低、事后诊断的问题，实现了不解体发动机故障诊断预警。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种基于工业物联网的汽车发动机故障预警系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种基于工业物联网的汽车发动机故障预警系统(如图1)，包括：
数据采集模块：用于设定采集时间间隔，根据所述时间间隔，采集发动机在不同运行状态下的运行信号；
数据处理模块：用于对所述运行信号进行分析处理获得所述发动机的运行参数；
故障预警模块：用于根据所述发动机的运行参数进行在线检测，控制所述故障预警模块发出预警信号；
其中所述数据采集模块、所述数据处理模块和所述故障预警模块依次连接。
进一步优化方案，数据采集模块包括传感器阵列，所述传感器阵列包括但不限于：
节气门开度传感装置：用于监测节气门的开度变化，判断所述发动机的工况信息；
空气流量传感装置：用于监测所述发动机内部的空气流量；
声波传感装置：用于监测所述发动机的声波信息；
气缸压力传感装置：用于反馈所述发动机的转速信号。
本实施例利用多传感技术采集发动机各种运行状态参数，设定采集间隔时间为每十分钟采集一次，将采集的数据发送至液晶显示单元和数据处理模块。
进一步优化方案，所述数据采集模块还包括液晶显示单元，所述液晶显示单元用于根据行车电脑开关的控制进行车辆状态信息的显示和所述发动机内冷却液温度信息的显示。
其中，所述液晶显示单元在所述冷却液温度正常温度范围(80℃-110℃)的情况下，不经过行车电脑开关的切换，直接切换到冷却液温度信息的显示，以显示当前冷却液的温度，并且显示方式为常显。当发动机冷却液温度一直处于上升趋势，且温度值达到某一温度升高的第一规定阈值I(例如105摄氏度)，无论液晶显示屏上显示的行车电脑信息页面是任何一页，不用经过行车电脑开关的操作，直接切换到发动机冷却液温度显示的页面，并显示当前发动机冷却液的温度，显示方式为常显，提示驾驶员目前发动机冷却液温度呈现上升趋势且接近高温报警，引起驾驶员在行驶过程中注意发动机冷却液温度的报警，或者在发动机冷却液报警灯点亮报警之前可以先停车进行检查。
当发动机冷却液温度一直上升，且温度值达到大于所述第一规定阈值的第二规定阈值II(115摄氏度)，当前页面直接进入发动机冷却液温度显示的页面，并显示当前发动机冷却液的温度，显示方式为闪烁，当前温度值按照固定的频率闪烁，显示的温度值按照实际的温度值进行更新并闪烁，闪烁状态已经很接近报警灯激活的阈值，引起驾驶员在行驶过程中注意发动机冷却液温度的报警，或者在发动机冷却液温度高报警灯点亮之前就可先停车进行检查。
数据处理模块包括：
数据采集网关和传输总线，所述数据采集网关用于通过所述传输总线接收所述数据传输模块发送的信息，并通过存储装置进行存储。
进一步优化方案，存储装置存储有普通数据报文库和异常数据报文库，其中所述普通数据报文库用于存放发动机正常运作产生的正常数据，所述异常数据报文库用于存放发动机异常运行时所产生的的数据。
本实施例采用多传感器技术采集发动机各种运行状态参数，作为故障诊断模型的输入特征向量，然后采用改进的数据融合算法，对发动机运行状态在线监测，将发动机故障诊断结果进行融合。多传感器数据融合技术，是一个系统中采用多个或多种传感器，利用计算机技术对多传感器采集的信息和数据，进行多级别、多方面、多层次的处理，从而优化组合导出有效的信息，提高传感器系统的有效性。
其中，数据处理模块还包括问题识别单元，所述问题识别单元用于根据问题识别模型判断异常数据的故障类型，得到最终诊断结果。
判断所述异常数据的故障类型包括：
根据汽车发动机的故障类型建立问题识别框架，对传感器阵列采集的发动机状态参数，采用数据小波变换方法得到不同传感器测得的病症属于各类故障的信度函数mj(A1)，…，mj(An)，其中所述mj(Ai)表示传感器j测得的症状属于Ai的信任度函数；基于所述信度函数判断所述异常数据的故障类型。
进一步优化方案，所述问题识别框架一级辨识框架和二级辨识框架，其中，所述一级辨识框架中包括气路故障、油路故障、配气故障和点火故障，所述二级故障包括具体部件的故障；所述一级辨识框架识别到发动机故障后，进行二级识别，得到具体部件故障。
汽车发动机是由机、电、液、气四部分构成的复杂的机电设备，又可细分为供油、冷却、润滑、点火、起动、曲轴连杆和配气七个子系统。各个系统之间存在非常复杂的耦合关系。本实施例中设置二级识别框架，可以提高故障诊断的效率。一级辨识框架为Q＝{A，B，C，D]，A＝气路故障，B＝油路故障，C＝配气故障，D＝点火系统故障。一级识别得到四种发动机故障；然后在一级识别故障的基础上进行二级识别，具体到该子系统具体部件的故障。
多传感器信息融合关键问题之一是各种故障信息的获取。信度函数分配是表示人对故障模式假设的可信程度的一种推理，是一种人为的判断，本实施例中的信度函数分配公式为：
αj＝max{Cj(Ai)}i＝1，2，...Nc
Figure BDA0003801855160000091
Figure BDA0003801855160000092
其中，其中Cj(Ai)是传感器j对目标模式Ai的相关系数；Nc为目标模式数目；N是传感器总数；Wj是传感器j的环境加权系数，其值域为[0，1]；αj是传感器j最大相关系数；βj是传感器j的相关分配值；Rj是传感器j的可靠性系数。
则传感器j对目标模式Ai的信度函数mj(Ai)为：
Figure BDA0003801855160000093
其中，k为修正系数；
传感器j的不确定性θ的信度函数为：
Figure BDA0003801855160000094
对传感器采集的数据进行信度计算后，采用改进后的数据融合算法进行计算，得到融合的信度，最终得到准确的故障诊断结果。
用信度函数表达概率大小，得出每一传感器测得的症状属于各类故障的信度函数，然后利用D-S组合规则进行信息融合，得到融合后症状属于各类故障的信度函数，最后根据判定准则确定故障类型。
进一步优化方案，所述故障预警模块包括：
记录器：用于记录所述发动机发生故障时产生的数据，并基于故障数据生成预警规则，存入预警规则库；
报警装置：用于接收所述预警规则库中的数据，进行声光报警；
其中，所述记录器还与所述数据处理模块中的存储装置连接，通过所述记录器中的预警规则库对所述存储装置中的异常数据报文库进行实时更新。
报警装置包括报文显示器和声音预警器，所述报文显示器与所述数据采集装置中的液晶显示单元连接，用于发出图文性的警示信息，所述声音预警器用于发出声音警报。
本发明利用多传感器技术采集发动机各种运行状态参数，设置二级识别框架采用改进的数据融合算法，将发动机故障诊断结果进行融合，再通过故障预警模块进行准确预警，有效的克服了发动机故障诊断准确率低、事后诊断的问题。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于工业物联网的汽车发动机故障预警系统，其特征在于，包括：
数据采集模块：用于设定采集时间间隔，根据所述时间间隔，采集发动机在不同运行状态下的运行信号；
数据处理模块：用于对所述运行信号进行分析处理获得所述发动机的运行参数；
故障预警模块：用于根据所述发动机的运行参数进行在线检测，控制所述故障预警模块发出预警信号；
其中所述数据采集模块、所述数据处理模块和所述故障预警模块依次连接。
2.根据权利要求1所述的基于工业物联网的汽车发动机故障预警系统，其特征在于，所述数据采集模块包括传感器阵列，所述传感器阵列包括但不限于：
节气门开度传感装置：用于监测节气门的开度变化，判断所述发动机的工况信息；
空气流量传感装置：用于监测所述发动机内部的空气流量；
声波传感装置：用于监测所述发动机的声波信息；
气缸压力传感装置：用于反馈所述发动机的转速信号。
3.根据权利要求2所述的基于工业物联网的汽车发动机故障预警系统，其特征在于，所述数据采集模块还包括液晶显示单元，所述液晶显示单元用于根据行车电脑开关的控制进行车辆状态信息的显示和所述发动机内冷却液温度信息的显示。
4.根据权利要求1所述的基于工业物联网的汽车发动机故障预警系统，其特征在于，所述数据处理模块包括：
数据采集网关和传输总线，所述数据采集网关用于通过所述传输总线接收所述数据传输模块发送的信息，并通过存储装置进行存储。
5.根据权利要求4所述的基于工业物联网的汽车发动机故障预警系统，其特征在于，所述存储装置存储有普通数据报文库和异常数据报文库，其中所述普通数据报文库用于存放发动机正常运作产生的正常数据，所述异常数据报文库用于存放发动机异常运行时所产生的的数据。
6.根据权利要求4所述的基于工业物联网的汽车发动机故障预警系统，其特征在于，所述数据处理模块还包括问题识别单元，所述问题识别单元用于根据问题识别模型判断异常数据的故障类型，得到最终诊断结果。
7.根据权利要求6所述的基于工业物联网的汽车发动机故障预警系统，其特征在于，判断所述异常数据的故障类型包括：
根据汽车发动机的故障类型建立问题识别框架，对传感器阵列采集的发动机状态参数，采用数据小波变换方法得到不同传感器测得的病症属于各类故障的信度函数mj(A1)，…，mj(An)，其中所述mj(Ai)表示传感器j测得的症状属于Ai的信任度函数；基于所述信度函数判断所述异常数据的故障类型。
8.根据权利要求7所述的基于工业物联网的汽车发动机故障预警系统，其特征在于，所述问题识别框架一级辨识框架和二级辨识框架，其中，所述一级辨识框架中包括气路故障、油路故障、配气故障和点火故障，所述二级故障包括具体部件的故障；所述一级辨识框架识别到发动机故障后，进行二级识别，得到具体部件故障。
9.根据权利要求1所述的基于工业物联网的汽车发动机故障预警系统，其特征在于，所述故障预警模块包括：
记录器：用于记录所述发动机发生故障时产生的数据，并基于故障数据生成预警规则，存入预警规则库；
报警装置：用于接收所述预警规则库中的数据，进行声光报警；
其中，所述记录器还与所述数据处理模块中的存储装置连接，通过所述记录器中的预警规则库对所述存储装置中的异常数据报文库进行实时更新。
10.根据权利要求9所述的基于工业物联网的汽车发动机故障预警系统，其特征在于，所述报警装置包括报文显示器和声音预警器，所述报文显示器与所述数据采集装置中的液晶显示单元连接，用于发出图文性的警示信息，所述声音预警器用于发出声音警报。
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