DE102022200059A1 - Method for detecting a pressure anomaly in a fluid supply system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer Druckanomalie in einem Fluidversorgungssystem, das eine Fördereinheit, eine Förderleitung, über die die Fördereinheit mit einem Fluid-Tank verbunden ist, und eine Druckleitung, über die die Fördereinheit mit einem Dosiermodul zum Ausgeben von Fluid verbunden ist, aufweist, umfassend ein Erhalten (502) von Eingangsdaten (504), umfassend einen Verlauf eines Drucks in dem Fluid-Versorgungssystem über eine Zeitdauer von vorbestimmter Länge hinweg, ein Bestimmen (506), basierend auf den Eingangsdaten, ob eine Druckanomalie vorliegt, unter Verwendung eines Maschenlernalgorithmus, und ein Ausgeben (508) einer Information, ob eine Druckanomalie vorliegt. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Fluid-Versorgungssystems und ein Verfahren zum Trainieren eines Maschinenlernalgorithmus. The invention relates to a method for detecting a pressure anomaly in a fluid supply system, which has a delivery unit, a delivery line, via which the delivery unit is connected to a fluid tank, and a pressure line, via which the delivery unit is connected to a dosing module for dispensing fluid. comprises obtaining (502) input data (504) comprising a course of a pressure in the fluid supply system over a period of predetermined length, using a determination (506) based on the input data whether there is a pressure anomaly a mesh learning algorithm, and outputting (508) information as to whether there is a pressure anomaly. The invention also relates to a method for operating a fluid supply system and a method for training a machine learning algorithm.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen einer Druckanomalie in einem Fluidversorgungssystem, ein Verfahren zum Betreiben eines Fluidversorgungssystems, ein Verfahren zum Trainieren eines Maschinenlernalgorithmus sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.The present invention relates to a method for detecting a pressure anomaly in a fluid supply system, a method for operating a fluid supply system, a method for training a machine learning algorithm, and a computing unit and a computer program for executing it.
Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention
Bei einer Nachbehandlung von Abgasen in Kraftfahrzeugen kann, insbesondere zur Reduktion von Stickoxiden (NOx), das sog. SCR-Verfahren (engl.: Selective Catalytic Reduction) zum Einsatz kommen. Dabei wird eine Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) als Reduktionsmittellösung in das typischerweise sauerstoffreiche Abgas eingeführt. Hierfür kann als Bestandteil eines Fluid-Versorgungssystems ein Dosiermodul bzw. Dosierventil verwendet werden, das eine Düse umfasst, um die Harnstoff-Wasser-Lösung in den Abgasstrom einzusprühen bzw. einzubringen. Stromaufwärts eines SCR-Katalysators reagiert die Harnstoff-Wasser-Lösung zu Ammoniak, welcher sich anschließend am SCR-Katalysator mit den Stickoxiden verbindet, woraus Wasser und Stickstoff entstehen.The so-called SCR method (Selective Catalytic Reduction) can be used in the after-treatment of exhaust gases in motor vehicles, in particular for the reduction of nitrogen oxides (NO x ). A urea-water solution (HWL) is introduced as a reducing agent solution into the typically oxygen-rich exhaust gas. For this purpose, a dosing module or dosing valve can be used as part of a fluid supply system, which includes a nozzle in order to spray or introduce the urea-water solution into the exhaust gas flow. Upstream of an SCR catalytic converter, the urea-water solution reacts to form ammonia, which then combines with the nitrogen oxides on the SCR catalytic converter, resulting in water and nitrogen.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Erkennen einer Druckanomalie in einem Fluidversorgungssystem, ein Verfahren zum Betreiben eines Fluidversorgungssystems, ein Verfahren zum Trainieren eines Maschinenlernalgorithmus sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu deren Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method for detecting a pressure anomaly in a fluid supply system, a method for operating a fluid supply system, a method for training a machine learning algorithm, and a computing unit and a computer program for their implementation with the features of the independent patent claims are proposed. Advantageous configurations are the subject of the dependent claims and the following description.
Ein Fluidversorgungssystem weist eine Fördereinheit, z.B. in Form einer Pumpe oder umfassend eine Pumpe, eine Förderleitung, über die die Fördereinheit mit einem Fluidtank verbunden ist, und eine Druckleitung, über die die Fördereinheit mit einem Dosiermodul verbunden ist, das zum Abgeben von Fluid auf. Ein solches Fluidversorgungssystem kann insbesondere in einem Abgasnachbehandlungssystem eingesetzt werden und dort z.B. Reduktionsmittel oder eine Reduktionsmittellösung in den Abgasstrang einbringen. Zusätzlich kann ein Rücklauf mit dem Fluidtank verbunden sein, über den überschüssiges Fluid zurückgeführt werden kann. Eine Blende oder Drossel im Rücklauf kann den Rückfluss steuern.A fluid supply system has a delivery unit, e.g. in the form of a pump or comprising a pump, a delivery line, via which the delivery unit is connected to a fluid tank, and a pressure line, via which the delivery unit is connected to a dosing module for dispensing fluid. Such a fluid supply system can be used in particular in an exhaust aftertreatment system and there, for example, introduce reducing agents or a reducing agent solution into the exhaust system. In addition, a return can be connected to the fluid tank, via which excess fluid can be returned. An orifice or throttle in the return can control the return flow.
Im Fall von Abgasnachbehandlungssystemen ist das Fluidversorgungssystem in der Regel derart ausgelegt, dass es die erforderliche Menge Fluid bzw. Reduktionsmittel in das Abgas dosiert, die auf der Grundlage der Stickoxidmenge berechnet wird, die an der Motorauslassöffnung emittiert wird. Die Einhaltung dieser Anforderung ist entscheidend, um sicherzustellen, dass keine schädlichen Emissionen aus dem Auspuff des Fahrzeugs austreten. Um richtig zu dosieren, wird das Fluidversorgungssystem bzw. dort das Fluid mit Druck beaufschlagt. Um die richtige Menge zu dosieren, sollte dieser Druck möglichst stabil gehalten werden.In the case of exhaust gas aftertreatment systems, the fluid supply system is usually designed in such a way that it meters the required amount of fluid or reducing agent into the exhaust gas, which is calculated on the basis of the amount of nitrogen oxides emitted at the engine exhaust port. Compliance with this requirement is crucial to ensure that no harmful emissions exit the vehicle's tailpipe. In order to dose correctly, the fluid supply system or the fluid there is pressurized. In order to dose the right amount, this pressure should be kept as stable as possible.
Je nach Auslegung des Fluidversorgungssystems kann es vorkommen, dass Luft in das Fluidversorgungssystem eindringt. Dabei führen Luftblasen zu einem Druckabfall im Fluid und ein typischerweise vorhandener Druckregler reagiert. In diesem Zusammenhang wird die ordnungsgemäße Dosierung des Fluids in der Regel unterbrochen, wenn der Druck auf bzw. unter einen vordefinierten Grenzwert abfällt. Außerdem kann es vorkommen, dass der Druckregler in Reaktion auf den Lufteintritt Drucküberschwinger erzeugt.Depending on the design of the fluid supply system, it may happen that air penetrates into the fluid supply system. Air bubbles lead to a pressure drop in the fluid and a pressure regulator that is typically present reacts. In this context, the correct dosing of the fluid is usually interrupted when the pressure drops to or below a predefined limit. In addition, the pressure regulator may produce pressure overshoots in response to air ingress.
Diese Luftblasen können verschiedene Folgen für das Fluidversorgungssystem sowie dessen Komponenten haben. Da die Dosierung des Fluids in aller Regel während des Lufteintritts unterbrochen wird, erfüllt das Fluidversorgungssystem bei zu viel Luft im System die Dosierungsanforderungen nicht, was schließlich zu emissionsbezogenen Nachteilen führen würde. Im schlimmsten Fall könnten sogar Systemfehler ausgelöst werden und das Fahrzeug könnte in einen Notbetrieb übergehen. Das Überschwingen des Drucks kann die Komponenten des Fluidversorgungssystems beschädigen. Ähnlich wie in der vorstehend erwähnten Situation löst dies im schlimmsten Fall auch die entsprechenden Systemfehler aus und das Fahrzeug könnte in den Notbetrieb übergehen.These air bubbles can have various consequences for the fluid supply system and its components. Since the dosing of the fluid is typically interrupted during air ingress, if there is too much air in the system, the fluid supply system will not meet the dosing requirements, which would eventually lead to emissions-related penalties. In the worst case, system errors could even be triggered and the vehicle could go into emergency operation. Pressure overshoot can damage fluid delivery system components. Similar to the situation mentioned above, in the worst case this will also trigger the corresponding system errors and the vehicle could go into emergency operation.
Um diese Situationen zu verhindern, kann ein Tankfilter im Fluidversorgungssystem bzw. dort im Fluidtank entsprechend verbessert werden, um das Eindringen von Luft in das System zu minimieren; dies ist allerdings zeit- und kostenaufwändig. Ebenso könnte der Druckregler entsprechend kalibriert werden, um diese Druckspitzen zu vermeiden. Es handelt sich dabei allerdings nur um ein reaktives Verhalten und kann nicht alle Fälle abdecken, die durch Lufteintritt verursacht werden. Denkbar ist auch eine Logik in Software, um den Druckregler während der nächsten Druckaufbauphase zurückzusetzen. Der Nachteil dieser Lösung ist allerdings ein in der Regel spätes Update und eine fehlende Validierung. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es keine regelbasierte Diagnosefunktion gibt, um Luft im System zu erkennen und somit die Steuerung des Druckreglers zu verbessern.In order to prevent these situations, a tank filter in the fluid supply system or there in the fluid tank can be improved accordingly in order to minimize the ingress of air into the system; however, this is time-consuming and costly. Likewise, the pressure regulator could be calibrated accordingly to avoid these pressure peaks. However, this is only a reactive behavior and cannot cover all cases caused by air ingress. A logic in software is also conceivable in order to reset the pressure regulator during the next pressure build-up phase. The disadvantage of this solution, however, is that the update is usually late and there is no validation. In summary, there is no rule-based diagnostic to detect air in the system and thus improve pressure regulator control.
Vor diesem Hintergrund wird ein Verfahren zum Erkennen einer Druckanomalie in einem Fluidversorgungssystem vorgeschlagen, das einen Maschinenlernalgorithmus, insbesondere ein künstliches neuronales Netz wie ein CNN („Convolutional Neural Network“) verwendet, also künstliche Intelligenz. Hierbei werden Eingangsdaten erhalten, die einen Verlauf eines Drucks in dem Fluid-Versorgungssystem, insbesondere in der Druckleitung, über eine Zeitdauer von vorbestimmter Länge hinweg, umfassen. Basierend auf den Eingangsdaten wird dann unter Verwendung des Maschenlernalgorithmus bestimmt, ob eine Druckanomalie vorliegt. Eine Information darüber wird dann ausgegeben.Against this background, a method for detecting a pressure anomaly in a fluid supply system is proposed which uses a machine learning algorithm, in particular an artificial neural network such as a CNN (“Convolutional Neural Network”), ie artificial intelligence. In this way, input data are obtained which include a pressure profile in the fluid supply system, in particular in the pressure line, over a period of time of a predetermined length. Based on the input data, it is then determined whether there is a pressure anomaly using the mesh learning algorithm. Information about this will then be issued.
Die Eingangsdaten können zudem z.B. wenigstens einen der folgenden Parameter umfassen: einen Wert einer Betriebsgröße, z.B. einen Tastgrad der Fördereinheit während der Zeitdauer, und eine Betriebsgröße einer Nadelbewegung des Dosiermoduls während der Zeitdauer. Eine Nadelbewegung des Dosiermoduls kann, ähnlich wie die Pumpe, z.B. über einen Tastgrad (bei PWM-Betrieb) als Betriebsgröße für das Dosiermodul kontrolliert bzw. gesteuert werden (z.B. bedeutet Tastgrad 0%: das Dosiermodul dosiert nicht, 100% bedeutet: das Dosiermodul ist voll geöffnet).The input data can also include at least one of the following parameters, for example: a value of an operating variable, e.g. A needle movement of the dosing module can, similar to the pump, be monitored or controlled, e.g. via a duty cycle (in PWM operation) as an operating variable for the dosing module (
Dabei kann dann zum Betreiben eines Fluidversorgungssystems, bei dem der Druck auf einen vorgegebenen Sollwert durch Ansteuerung der Fördereinheit mit einer Betriebsgröße wie z.B. dem Tastgrad (bei PWM-Betrieb) als Stellgröße geregelt wird, diese Betriebsgröße auf einen vorgegebenen oder früheren (d.h. vor Erkennen der Druckanomalie verwendeten) Wert begrenzt oder eingestellt werden, wenn auf die erläuterte Weise eine Druckanomalie erkannt worden ist.In order to operate a fluid supply system in which the pressure is regulated to a specified setpoint by controlling the delivery unit with an operating variable such as the duty cycle (in PWM operation) as a manipulated variable, this operating variable can be set to a predetermined or earlier (i.e. before detection of the Pressure anomaly used) value can be limited or adjusted when a pressure anomaly has been detected in the manner explained.
Die Verwendung eines solchen Maschinenlernalgorithmus ist möglich, da dieser anhand einer Vielzahl von Vergleichsverläufen mit Drücken trainiert werden kann. Solche Trainingsdaten können z.B. von Fahrzeugen erhalten werden, die während eines Validierungsprogramms im Feld unterwegs sind und daher die nötigen Daten aufzeichnen und zur Verfügung stellen können. Neben den Verläufen an sich sind als Trainingsdaten dann auch Informationen darüber nötig, ob bei diesen Verläufen jeweils eine Druckanomalie vorliegt. Diese Informationen können dabei anhand von regelbasierten Funktionen (also nicht auf künstlicher Intelligenz basierend) oder manuell bestimmt werden.The use of such a machine learning algorithm is possible because it can be trained using a large number of comparison curves with pressures. Such training data can be obtained, for example, from vehicles that are in the field during a validation program and can therefore record and provide the necessary data. In addition to the curves themselves, information is then also required as training data as to whether there is a pressure anomaly in each of these curves. This information can be determined using rule-based functions (i.e. not based on artificial intelligence) or manually.
Damit ist es möglich, besonders gut und schnell zu erkennen, ob bzw. wenn z.B. eine Luftblase im Fluid erkannt wird. Eine solche auf künstlicher Intelligenz bzw. einem Maschinenlernalgorithmus beruhende Erkennung von Luft bzw. Luftblasen im Fluid kann insbesondere auch solche Lufteintritte bzw. Luftblasen erkennen, die z.B. mit herkömmlichen Methoden gar nicht als Luftblasen erkannt worden wären, weil z.B. eine typische, hierfür verwendete regelbasierte Funktion nicht erfüllt würde. Wie sich gezeigt hat, lassen sich damit aber nicht nur Luftblasen bzw. Lufteintritte im Fluid erkennen, sondern allgemein Druckanomalien, die ggf. gar keine Luftblasen sind bzw. nicht auf solche zurückgehen, aber dennoch Abweichungen von den normalen Betriebsbedingungen zeigen.This makes it possible to identify particularly well and quickly whether or when, for example, an air bubble is detected in the fluid. Such a detection of air or air bubbles in the fluid, based on artificial intelligence or a machine learning algorithm, can in particular also detect such air inlets or air bubbles which, for example, would not have been detected as air bubbles with conventional methods because, for example, a typical rule-based function used for this purpose would not be fulfilled. As has been shown, not only can air bubbles or air ingress in the fluid be detected, but pressure anomalies in general, which may not be air bubbles at all or are not due to such bubbles, but nevertheless show deviations from normal operating conditions.
Dieser letzte Punkt zeigt auch, dass diese auf künstlicher Intelligenz beruhende Funktion zur Luftblasenerkennung auch als Druckanomalie-Erkennung verwendet werden kann und die Luftblasen nur eine der potenziellen Anomalien ist. Wenn diese Erkennungsfunktion in einem Steuergerät (z.B. ECU oder DCU) eingebettet ist, kann zur Behebung einer erkannten Druckanomalie eine Betriebsgröße wie z.B. der Tastgrad der Fördereinheit, also der Pumpenarbeitszyklus, angepasst werden, wie schon erwähnt. Somit geht der Druck, nachdem die Luft aus dem System entfernt oder entwichen ist, schneller und ohne Druckspitze auf den Sollwert zurück.This last point also shows that this artificial intelligence based air bubble detection feature can also be used as a pressure anomaly detection and the air bubbles is just one of the potential anomalies. If this detection function is embedded in a control unit (e.g. ECU or DCU), an operating variable such as the duty cycle of the delivery unit, i.e. the pump duty cycle, can be adjusted to correct a detected pressure anomaly, as already mentioned. Thus, after the air is removed or vented from the system, the pressure will return to the set point more quickly and without a pressure spike.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät, insbesondere ein Motorsteuergerät, eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.A computing unit according to the invention, e.g. a control unit, in particular an engine control unit, of a motor vehicle is set up, in particular in terms of programming, to carry out a method according to the invention.
Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Schließlich ist ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm wie oben beschrieben. Geeignete Speichermedien bzw. Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich. Ein solcher Download kann dabei drahtgebunden bzw. kabelgebunden oder drahtlos (z.B. über ein WLAN-Netz, eine 3G-, 4G-, 5G- oder 6G-Verbindung, etc.) erfolgen.The implementation of a method according to the invention in the form of a computer program or computer program product with program code for carrying out all method steps is advantageous because this causes particularly low costs, especially if an executing control device is also used for other tasks and is therefore available anyway. Finally, a machine-readable storage medium is provided with a computer program stored thereon as described above. Suitable storage media or data carriers for providing the computer program are, in particular, magnetic, optical and electrical storage devices such as hard drives, flash memories, EEPROMs, DVDs, etc. It is also possible to download a program via computer networks (Internet, intranet, etc.). Such a download can be wired or wired or wireless (e.g. via a WLAN network, a 3G, 4G, 5G or 6G connection, etc.).
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the attached drawing.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.The invention is illustrated schematically in the drawing using exemplary embodiments and is described below with reference to the drawings.
Figurenlistecharacter list
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1 zeigt schematisch ein Fluidversorgungssystem, bei dem ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.1 shows schematically a fluid supply system in which a method according to the invention can be carried out. -
2 zeigt schematisch einen Verlauf eines Drucks in einem Fluidversorgungssystem bei Lufteintritt ohne Verwendung der Erfindung.2 shows a diagram of a pressure curve in a fluid supply system when air enters without using the invention. -
3 zeigt schematisch einen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.3 shows schematically a sequence of a method according to the invention in a preferred embodiment. -
4 zeigt schematisch einen Verlauf eines Drucks in einem Fluidversorgungssystem bei Lufteintritt ohne Verwendung der Erfindung und mit Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform.4 shows a diagram of a pressure curve in a fluid supply system when air enters without using the invention and using a method according to the invention in a preferred embodiment. -
5 zeigt schematisch Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.5 shows a schematic sequence of a method according to the invention in a further preferred embodiment.
Ausführungsform(en) der Erfindungembodiment(s) of the invention
In
Weiterhin ist ein Drucksensor 142 (dieser kann auch in die Pumpe integriert sein) vorgesehen, der dazu eingerichtet ist, einen Druck zumindest in der Druckleitung 132 - und damit im Fluid - zu messen. Im Fluidtank 120 sind beispielhaft auch ein Temperatursensor 123 und Füllstandssensor 124 vorgesehen. Eine Recheneinheit 150, beispielsweise in Form eines Abgasnachbehandlungssteuergeräts oder eines Motorsteuergeräts, ist mit dem Drucksensor 142 verbunden und erhält Informationen über den Druck in der Druckleitung 122. Die Recheneinheit 150 ist auch mit dem Temperatursensor 123 und dem Füllstandssensor 124 verbunden. Außerdem ist die Recheneinheit 150 mit der Pumpe 130 und dem Dosierventil 140 verbunden um das SCR-Versorgungssystem 100 zu steuern oder zu betreiben.Furthermore, a pressure sensor 142 (this can also be integrated into the pump) is provided, which is set up to measure a pressure at least in the
Außerdem umfasst das SCR-Versorgungssystem 100 beispielsweise eine Rücklaufleitung 160, über die das Fluid in den Fluidtank120 zurückgeführt werden kann. In dieser Rücklaufleitung 160 ist beispielsweise eine Blende oder Drossel 161 angeordnet, die bietet einen lokalen Strömungswiderstand. Es ist jedoch zu beachten, dass bei einer Pumpe mit aktiv gesteuerten Ventilen auch auf einen solchen Rücklauf verzichtet werden kann.In addition, the
Die Recheneinheit 150 ist dazu eingerichtet, relevante Daten, wie beispielsweise Daten, die von Sensoren für Temperatur, Druck und Stickoxidgehalt (z.B. Sensor 177) im Abgas empfangen wurden, zu verwenden, um das SCR-Versorgungssystem 100 zu betreiben und insbesondere die Pumpe 130 und das Dosierventil 140 anzusteuern um die Harnstoff-Wasser-Lösung 121 (Fluid) in das Abgassystem 170 vor einem SCR-Katalysator 174 zuzuführen.The
In
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Druckanomalien anhand des Druckverlaufs unter Verwendung eines Maschinenlernalgorithmus, z.B. ein CNN, erkannt. Für Trainingsdaten zum Trainieren eines solchen Maschinenlernalgorithmus sollten Verläufe mit Drücken verwendet werden, bei denen bekannt ist, dass dort Luftblasen bzw. Luft im Fluid (oder allgemein: Druckanomalien) vorhanden sind; dies kann z.B. mit herkömmlichen, regelbasierten Funktionen bestimmt werden. Insbesondere können dabei Verläufe verwendet werden, bei denen sicher Luftblasen auftreten, sowie - ggf. zum Vergleich - Verläufe bei denen - zumindest gemäß herkömmliche Bestimmung - keine Luftblasen auftreten. Zudem sollten bei den Verläufen die Zeitpunkte des Auftretens der Luftblasen bekannt sein.According to a preferred embodiment of the invention, pressure anomalies are detected based on the pressure history using a machine learning algorithm, e.g., a CNN. For training data for training such a machine learning algorithm, curves with pressures should be used where it is known that there are air bubbles or air in the fluid (or generally: pressure anomalies); this can be determined, for example, with conventional, rule-based functions. In particular, curves can be used in which air bubbles definitely occur, as well as—possibly for comparison—courses in which—at least according to conventional determination—no air bubbles occur. In addition, the times at which the air bubbles appeared should be known for the curves.
Für die Druckanomalieerkennung werden zweckmäßigerweise Druckwertverläufe (sog. Zeitfenster) betrachtet. Diese Fenster können entweder überlappen (d.h. mehrere Druckwerte sind Teil unterschiedlicher Verläufe) oder nicht überlappen. Als Länge für solche Zeitfenster haben sich mehrere Sekunden als brauchbar erwiesen, z.B. im Bereich von 10 bis 100 s. Ein geeignetes Zeitfenster kann beispielsweise eine Länge zwischen 30 und 35s, z.B. 32 s haben. Besonders gute Lernergebnisse konnten erzielt werden, wenn ein Druckabfall ungefähr in etwa mittig in einem Zeitfenster mit einer Länge von 32 s liegt. Zeitfenster ohne Druckanomalie zeigen entsprechend keinen Druckabfall. Die Werte für die Länge des Zeitfensters können z.B. auch in Abhängigkeit von einer (typischen) Luftmenge und einer Durchflussmenge innerhalb des Fluidversorgungssystems angepasst werden.Pressure value curves (so-called time windows) are expediently considered for the pressure anomaly detection. These windows can either overlap (ie multiple pressure values are part of different histories) or non-overlap. A length of several seconds has proven useful for such time windows, for example in the range from 10 to 100 s. A suitable time window can have a length of between 30 and 35 s, for example 32 s. Particularly good learning results could be achieved when a pressure drop is approximately in the middle of a time window with a length of 32 s. Time windows without pressure anomalies accordingly show no pressure drop. The values for the length of the time window can, for example, also be adjusted as a function of a (typical) amount of air and a flow rate within the fluid supply system.
Andere Parameter oder Merkmale wie Werte der Betriebsgröße der Fördereinheit (z.B. Pumpenarbeitszyklus bzw. Tastgrad) sowie Nadelbewegung des Dosiermoduls können ebenfalls berücksichtigt werden, um das Modell zu verbessern; es wird allerdings meist ein Kompromiss zwischen der Komplexität des Modells, seiner Größe auf der Recheneinheit und dem Mehrwert für die Vorhersagbarkeit zu finden sein.Other parameters or characteristics such as values of the operating quantity of the delivery unit (e.g. pump duty cycle or duty cycle) as well as needle movement of the dosing module can also be taken into account to improve the model; however, there will usually be a compromise between the complexity of the model, its size on the computing unit and the added value for predictability.
Für das Training kann eine regelbasierte Funktion zum Erzeugen der gewünschten Ausgabedaten des Maschinenlernalgorithmus, d.h. der gewünschten Ausgabeinformation, ob ein Verlauf eine Druckanomalie zeigt oder nicht, verwendet werden.For the training, a rule-based function can be used to generate the desired output data of the machine learning algorithm, i.e. the desired output information whether a trace shows a pressure anomaly or not.
Eine beispielhafte regelbasierte Funktion zur Erkennung einer Luftblase kann z.B. wie folgt definiert werden:
- - der Druck im Fluid bzw.im Fluidversorgungssystem steigt über 10 bar,
- - das Fluidversorgungssystem dosiert länger als 15s (um Verwechslungen mit Druckstabilisierung nach dem Druckaufbau zu vermeiden),
- - der Tastgrad der Pumpe liegt über 65%, und
- - das Maximum des Tastgrads der Nadelbewegung des Dosiermoduls liegt unter 50%.
- - the pressure in the fluid or in the fluid supply system rises above 10 bar,
- - the fluid supply system doses longer than 15s (to avoid confusion with pressure stabilization after pressure build-up),
- - the duty cycle of the pump is over 65%, and
- - the maximum duty cycle of the needle movement of the dosing module is below 50%.
Klassische Maschinenlern-Modelle wie Entscheidungsbäume erreichen eine Genauigkeit von z.B. 85%; allerdings kann hierbei das Problem einer zeitlichen Abhängigkeit auftreten. Dies bedeutet, dass im betrachteten Zeitfenster die Luftblase überall auftreten kann, was zu unterschiedlichen Druckprofilen führt. Wenn beispielsweise in den Trainingsdaten am Ende des Fensters nie eine Luftblase auftritt, wird dies in der Realität möglicherweise nicht erkannt.Classic machine learning models such as decision trees achieve an accuracy of e.g. 85%; however, the problem of a time dependency can occur here. This means that the air bubble can appear anywhere in the considered time window, which leads to different pressure profiles. For example, if an air bubble never appears at the end of the window in the training data, it may not be detected in reality.
Um dieser Abhängigkeit zu begegnen und auch zu berücksichtigen, dass die Druckanomalien oder Druckänderungen sehr dynamisch sein können, kommt der Einsatz von sog. „Convolutional Neural Networks“ (CNN) in Betracht. Diese Deep-Learning-Architektur ist in der Lage, die zeitliche und räumliche Abhängigkeit durch sog. automatische Merkmalsextraktion zu handhaben.In order to counteract this dependency and also to take into account that the pressure anomalies or pressure changes can be very dynamic, the use of so-called "convolutional neural networks" (CNN) can be considered. This deep learning architecture is able to handle the temporal and spatial dependency through so-called automatic feature extraction.
CNNs sind an sich in der Regel derart konzipiert, dass sie Bilder verarbeiten, die als mehrdimensionale Matrizen angesehen werden können. Im vorliegenden Fall ist der Druckverlauf eine Zeitreihe, die eindimensional ist. Es hat sich gezeigt, dass es besser ist, solche eindimensionalen Vektoren in Matrizen zu transformieren. Dazu kann z.B. eine Technik namens „Grammian Angular Field“ verwendet werden. Dies umfasst z.B. das Normalisieren der Daten (einer Zeitreihe) in den Bereich [-1; +1], das Finden von Polarkoordinaten der normalisierten Daten und dann das Berechnen der Matrix anhand der Polarkoordinaten.As such, CNNs are typically designed to process images that can be viewed as multidimensional matrices. In the present case, the pressure profile is a one-dimensional time series. It has been shown that it is better to transform such one-dimensional vectors into matrices. For example, a technique called “Grammian Angular Field” can be used for this. This includes, for example, normalizing the data (a time series) to the range [-1; +1], finding polar coordinates of the normalized data, and then computing the matrix using the polar coordinates.
Zur zusätzlichen Validierung kann ein Modell verwendet werden, um die Verläufe, die von der regelbasierten Funktion als ‚keine Luftblasen enthaltend‘ bestimmt wurden, erneut zu untersuchen. Die Verläufe können hierzu wiederum in (z.B. 32 s lange, nicht überlappende) Zeitfenster aufgeteilt und dem Modell übergeben werden. Durch Anwendung des Maschinenlernalgorithmus (CNN) können dann in bestimmten Verläufen Luftblasen bzw. Druckanomalien erkannt werden, die mit regelbasierten Funktion nicht erkannt wurden.For additional validation, a model can be used to re-examine the trajectories determined by the rule-based function to contain no air bubbles. For this purpose, the curves can in turn be divided into (e.g. 32 s long, non-overlapping) time windows and transferred to the model. By using the machine learning algorithm (CNN), air bubbles or pressure anomalies can then be detected in certain profiles that were not detected with rule-based functions.
Der Maschinenlernalgorithmus kann, wie schon erwähnt, besonders einfach in ein Steuergerät eingebettet werden. Dabei wird in der Regel ein Kompromiss zwischen der Größe (d.h. benötigter Speicherplatz) des Maschinenlernalgorithmus, dessen benötigter Rechenleistung (im Steuergerät) und der Leistung (z. B. Genauigkeit) der Erkennung der Druckanomalie zu finden sein.As already mentioned, the machine learning algorithm can be embedded in a control unit in a particularly simple manner. As a rule, a compromise has to be found between the size (i.e. required memory space) of the machine learning algorithm, its required computing power (in the control unit) and the performance (e.g. accuracy) of the detection of the pressure anomaly.
In
In
Wenn Luft in das System eindringt, sinkt der Druck und der Druckregler reagiert, indem der Tastgrad der Pumpe erhöht wird, um den Druckabfall zu kompensieren. Sobald die Luft aus der Pumpe bzw. aus dem System gespült ist, steigt der Druck aufgrund des hohen Tastgrads stark an und schwingt über, bevor er sich auf den Solldruck stabilisiert.As air enters the system, the pressure drops and the pressure regulator responds by increasing the pump duty cycle to compensate for the pressure drop. As soon as the air is purged from the pump or system, the pressure rises sharply due to the high duty cycle and overshoots before stabilizing at the set pressure.
In
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Der Maschinenlernalgorithmus erhält dabei (z.B. durchgehend), gemäß Schritt 502, Eingangsdaten 504, z.B. einen Verlauf des Drucks über eine bestimmte Zeitdauer, z.B. die jeweils letzten 32 s. Mit dem Maschinenlernalgorithmus kann, Schritt 506, eine Druckanomalie, z.B. eine Luftblase, erkannt werden, hier z.B. zum Zeitpunkt t1.According to step 502, the machine learning algorithm receives (e.g. continuously)
In einem bevorzugten Schritt 508 kann dann z.B. eine Information darüber ausgegeben werden.In a
Daraufhin kann, in Schritt 510, der Tastgrad auf einen festen Wert oder auf den Wert kurz vor dem Auftreten der Druckanomalie, wie er z.B. zum Zeitpunkt t<to verwendet wird, eingestellt bzw. darauf begrenzt werden. Der Druckabfall lässt sich dabei nicht komplett vermeiden, da er auf die Luft im System zurückzuführen ist, jedoch tritt nach der Druckanomalie keine Druckspitze mehr auf und das System stabilisiert sich viel schneller wieder auf Solldruck.Then, in
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Non-Patent Citations (1)
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Predelli, O., Jungblut, T. & Habekost, M. Entwicklungsstrategien für die Heavy-Duty-On-Board-Diagnose. ATZ Elektron 1, 24–27 (2006). https://doi.org/10.1007/BF03223826 |
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