DE19817864A1

DE19817864A1 - Verfahren zum Auswerten eines Signalverlaufs

Info

Publication number: DE19817864A1
Application number: DE1998117864
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Danz; Harald Deiss; Wolf-Dieter Gruhle; Friedemann Jauch; Peter Sigg
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1998-04-22
Filing date: 1998-04-22
Publication date: 1998-10-15

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswerten eines Signalverlaufs durch einen Signalmustervergleich.

Bei Steuersystemen, Regelsystemen, Überwachungssyste men und ähnlichen physikalischen Systemen, werden Eingangs signale über eine Übertragungskette zu einem Ausgang ge leitet, wobei sie häufig in Abhängigkeit von Einflußparame tern durch vorgegebene Verfahren zu Ausgangssignalen verar beitet werden. Während des Betriebs solcher Systeme treten durch Änderung der äußeren Einflüsse sowie durch Verschleiß oder durch sonstige Störgrößen, aber auch durch gezielt eingeleitete Umgestaltung der Systemkonfiguration Verände rungen im Übertragungsverhalten auf. Ist das Übertragungs verhalten der Übertragungsstrecke bekannt, läßt sich eine solche Systemänderung anhand eines charakteristischen Ver haltens eines Eingangssignals zu einem Ausgangssignal er kennen und anzeigen.

Ebenso kann bei einem Übertragungsverhalten, das von Störgrößen nicht beeinflußt wird, von dem Verlauf des Aus gangssignals auf Zustände am Systemeingang geschlossen wer den.

Zur Systemanalyse existieren eine Reihe von Identifi kationsverfahren. Allerdings benötigen diese einen relativ großen Speicherplatz und viel Rechenzeit. Sie sind daher sehr aufwendig und für den Einsatz bei Steuer- und Rege lungsaufgaben im Kraftfahrzeugbereich, z. B. bei der Dia gnose, einer elektronischen Gaspedalsteuerung, einer Fahr werksregelung, einer elektronischen Lenkhilfe und einer Getriebesteuerung, weniger geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere für die Bedürfnisse im Kraftfahrzeug ein Verfahren zum Aus werten eines Signalverlaufs durch einen Signalmusterver gleich zu schaffen, das einen relativ geringen Speicher platz und wenig Rechenzeit benötigt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei einem Großteil von Anwendungen sind die charakte ristischen Signalverläufe für bestimmte Systemzustände aus Versuchen und der Praxis bekannt. In diesen Fällen genügt es, das Ausgangssignal nach diesen Signalmustern zu unter suchen, um Systemänderungen oder Veränderungen der äußeren Einflüsse zu erkennen, ohne im Einzelnen das Übertragungs verhalten zu analysieren. So kann eine Vielzahl unter schiedlicher Betriebssituationen erkannt werden, auf die dann frühzeitig reagiert werden kann.

Nach der Erfindung wird am Ende einer Übertragungsket te oder am Ende eines Abschnitts der Verlauf eines Signals über die Dauer eines oder mehrerer Meßfenster analysiert. Dabei können die Meßfenster zu einem beliebigen Zeitpunkt gestartet werden. Ferner kann das zu messende Signal außer halb des zu vergleichenden Mustersignal-Anteils in einem sogenannten Vorspann beliebige Werte annehmen. Dennoch be nötigt das Verfahren keinerlei Normbedingungen neben dem Randkriterium, daß die Änderung im Systemzustand eine cha rakteristische Änderung im Verlauf des Signals am Ausgang bewirken muß.

Um Speicher- und Rechnerkapazität einzusparen, wird erfindungsgemäß das Ergebnis der Signalanalyse zu einem diskreten Meßkennwert verdichtet und mit einem Referenz kennwert verglichen, der in gleicher Weise gewonnen wird und einem Referenzsignal entspricht.

Als Meßkennwert eignet sich eine sogenannte Amplitu dendichte oder ein entsprechender Flächenschwerpunkt der Häufigkeitsverteilung über Amplitudenklassen. Hierfür teilt man die Größe einer Amplitude in Amplitudenklassen ein und ermittelt die Häufigkeit, mit der das Signal innerhalb ei nes Meßfensters in einer Amplitudenklasse gemessen wird. Die Anzahl der Meßwerte in den einzelnen Amplitudenklassen, bezogen auf die Gesamtzahl von Meßwerten innerhalb eines Meßfensters, bilden die Amplitudenwerte der Dichtefunktion.

Die Amplitudendichte ist eine diskrete Funktion, die für jede Amplitudenklasse einen Wert aufweist, dessen Höhe die Wahrscheinlichkeit wiedergibt, mit der eine Amplituden klasse im Meßfenster vom Signal erfaßt ist. Die Häufig keitsverteilung wird in eine skalare Vergleichsgröße umge setzt, indem der Flächenschwerpunkt einer fiktiven Hüllflä che über die Häufigkeitsverteilung ermittelt wird. Der Flä chenschwerpunkt FS ist

FS = Σ(h_i.k_i)/Σh_i

wobei h_i die diskreten Werte der den Amplitudenklassen ent sprechenden Häufigkeitsverteilung ist und k_i die Amplitu denklasse.

Somit ist die Vielzahl von Meßwerten entsprechend dem gemessen Signalverlauf zu einem einzigen charakteristischen Meßkennwert verdichtet worden, der nun für den eigentlichen Vergleich mit einem Referenzkennwert herangezogen wird, der einem Referenzsignal entspricht und im gleichen Format ab gelegt ist.

In dem speziellen Fall mit einer normierten Häufig keitsverteilung entspricht der Meßkennwert, der Flächen schwerpunkt, dem Mittelwert über das Meßsignal innerhalb eines Meßfensters. Die Häufigkeitsverteilung bewirkt, daß eventuelle Toleranzen oder Störungen im Meßsignal ausgefil tert werden.

In der Praxis ist dem gesuchten Signalmuster ein soge nannter Vorspann aus beliebigen Meßwerten vorgelagert. Durch die nicht vorhersehbare Zeitdauer des Vorspanns er geben sich Verschiebungen, so daß das Meßfenster häufig nur einen Teil des gesuchten Signalmusters erfaßt. Werden weni ger als 50% des Signalmusters erfaßt, kann es beim Ver gleich des Meßkennwerts mit dem Referenzkennwert nicht er kannt werden. Zwar ist eine Aussage möglich, wenn mehr als 50% des gesuchten Signalmusters erfaßt werden, aber für eine sichere Erkennung sind weit mehr als 50% erforder lich.

Ferner ist der Wertebereich des Meßsignals im Vorspann nicht vorhersehbar oder kalkulierbar, was die Fehleranfäl ligkeit zusätzlich verstärkt und wodurch es zu Fehlinter pretationen kommen kann.

Um dennoch eine statistisch sichere Auswertung vorneh men zu können, wird nach einer Ausgestaltung der Erfindung das Meßfenster taktmäßig über das Signal verschoben, wobei die Taktzeit einem Bruchteil, vorzugsweise der Hälfte, des Meßfensters entspricht. Somit überschneiden sich zwei auf einanderfolgende Meßfenster. Da sich die Meßfenster quasi in kleinen Stufen über das Signal schieben, wird innerhalb aufeinanderfolgender Auswertezyklen das Signalmuster, falls vorhanden, mit einem Prozentsatz erfaßt, der eine sichere Auswertung zuläßt.

Dies kann noch dadurch verbessert werden, daß sobald ein erstes Teilsignal erkannt wird, eine zweite Funktion aktiviert wird, die überprüft, ob einer der folgenden Meß kennwerte mit dem ersten erkannten Meßkennwert überein stimmt und ob der übernächste Meßkennwert mit einem zweiten erkannten Meßkennwert übereinstimmt. Wird der Meßkennwert mehrfach erkannt, kann man davon ausgehen, daß er richtig erkannt wurde, so daß die daraus abzuleitenden Maßnahmen eingeleitet werden können.

Zweckmäßigerweise werden die erkannten Meßkennwerte in Tabellen gespeichert und fortlaufend als Referenzkennwerte herangezogen, solange die Funktion aktiv ist.

Die Funktion wird zurückgesetzt, wenn in mehr als zwei aufeinanderfolgenden Auswertezyklen der jeweils vorher lie gende Meßkennwert erkannt wird, also das Signalmuster si cher erkannt wurde, oder mehrere Male der aktuell gemessene Auswertezyklus weder dem aktuellen Referenzkennwert noch dem vorhergehenden zugeordnet werden kann, d. h. es ist kein bekanntes Signalmuster erkannt worden.

Zur Sicherheit wird vorgeschlagen, daß vor dem endgül tigen Rücksetzen der Funktion zunächst ein Funktionsteil aktiviert wird, das überprüft, ob der aktuelle Meßkennwert eventuell an einer anderen Stelle als an der aktuell über prüften in die Referenztabelle einzuordnen ist. Von mehre ren möglichen Tabellenwerten wird derjenige ausgewählt, der dem aktuellen Meßkennwert am nächsten liegt. Der aktuelle Meßkennwert wird auf den neu gefundenen Tabellenwert ge setzt, wobei nun über die normale Funktion überprüft wird, ob die nachfolgenden Auswertezyklen dem gesuchten Signal verlauf entsprechen.

Es ist zweckmäßig, daß der zusätzliche Funktionsteil nur einmal aktiviert wird und nach erfolgloser Überprüfung die Funktion insgesamt zurückgesetzt wird.

Standardmäßig beginnt die Funktion in dem Zustand, daß kein Signalmuster erkannt ist. Um bei Meßsignalen, bei de nen nur ein geringer Vorspann zu erwarten ist, den Vorgang zu beschleunigen, ist es zweckmäßig, daß der Startwert des Funktionsausgangs auf den Zustand 1 gesetzt wird, der aus sagt, daß ein Signal erkannt wurde. Sollten in einem sol chen Fall Signale mit einem größeren Vorspann auftreten, wird die Funktion jedoch gemäß ihrer Rücksetzlogik nach einer gewissen Zeit wieder auf den Zustand "Signal nicht erkannt" gleich 0 fallen, wodurch wieder ähnliche Verhält nisse entstehen wie im Standardfall.

Häufig treten gesuchte Mustersignale nur im Zusammen hang mit charakteristischen Randkriterien auf. In solchen Fällen kann das Verfahren dadurch verbessert werden, daß es erst gestartet wird, wenn die Zusatzbedingungen erfüllt sind, z. B. wird die Auswertung erst aktiviert, wenn das Meßsignal innerhalb eines spezifischen Amplitudenbereichs liegt.

Anstelle des Flächenschwerpunkts als skalare Ver gleichskenngröße sind auch andere Größen einsetzbar, z. B. ein Korrelationskoeffizient.

Weitere Vorteile und Einzelheiten werden anhand der Zeichnung im folgenden beschrieben. In der Beschreibung und in den Ansprüchen sind zahlreiche Merkmale im Zusammenhang dargestellt und beschrieben. Der Fachmann wird die kombi nierten Merkmale zweckmäßigerweise im Sinne der zu lösenden Aufgaben auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Er findung dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Übersicht zum Verfahren,

Fig. 2 die Ermittlung der Häufigkeitsverteilung,

Fig. 3 eine Häufigkeitsverteilung zur Ermittlung eines Flächenschwerpunkts,

Fig. 4 die Synchronisation eines Meßfensters mit einem Signalmuster und

Fig. 5 eine Gesamtstruktur der Software.

In Fig. 1 ist in einem ersten Schritt I der Verlauf eines Signals 1 in einem Meßfenster 2 dargestellt, wobei die Amplitude des Signals 1 über der Zeit t aufgetragen ist. Die einzelnen Meßpunkte , die im Abstand einer Ab tastzeit dT in Richtung der Abszisse versetzt liegen, sind mit 3 bezeichnet. Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, hat das Meßfenster 2 die Dauer T gleich der Anzahl i der Meßpunk te 3 multipliziert mit der Abtastzeit dT.

Ferner sind die Amplitudenwerte in Amplitudenklassen K eingeteilt. Es können beliebig viele Amplitudenklassen ge wählt werden. Für die Erläuterung des Ausführungsbeispiels wurden sechs gewählt. Wie Fig. 2 zeigt, fallen in die ein zelnen Amplitudenklassen null bis sechs während der Dauer T des Meßfensters 2 unterschiedlich viele Meßpunkte 3.

In einem zweiten Schritt II wird die Anzahl der Meß werte 3 den Amplitudenklassen null bis sechs zugeordnet, so daß sich eine Häufigkeitsverteilung H über den Amplituden klassen K ergibt. Dabei gilt

H = Anzahl der Meßwerte/Amplitudenklassen : Anzahl der Meßwerte/Meßfenster.

Das Meßfenster 2 enthält zehn Meßwerte 3, von denen ein Meßwert 3 auf die Klasse null, zwei auf die Klasse eins, ein Meßwert 3 jeweils auf die Klassen zwei und drei, drei Meßwerte 3 auf die Klasse vier und jeweils ein Meß wert 3 auf die Klassen fünf und sechs entfallen. Daraus ergibt sich für die Klassen null, zwei, drei, fünf und sechs eine Häufigkeit von 0,1, für die Klasse eins eine Häufigkeit von 0,2 und für die Klasse vier eine Häufigkeit von 0,3. Die Häufigkeitswerte der einzelnen Klassen sind mit h₀-h₆ bezeichnet.

Verbindet man die Häufigkeitswerte h₀-h₆ mit einem Linienzug 4 (Fig. 3), so erhält man eine Fläche 5, deren Schwerpunkt FS als Kennwert verwendet wird. Der Flächen schwerpunkt FS wird rechnerisch ermittelt. Er ergibt sich aus der Gleichung

FS = Σ(K_i.h_i)/Σ(h_i).

Der Flächenschwerpunkt FS kann mit wenig Rechen- und Speicherkapazität ermittelt und weiter verarbeitet werden. Der Kennwert des gemessenen Signalverlaufs wird Meßkenn wert 6 und der Kennwert eines Referenzsignals 8 Referenz kennwert 7 genannt.

Der Referenzkennwert 7 wird in gleicher Weise wie der Meßkennwert 6 aus einem Referenzsignal 8 gewonnen und in einem Rechenmodul 9 mit dem Meßkennwert 6 verglichen. Wird aufgrund des Vergleichs ein gesuchtes Signalmuster erkannt, wird am Ausgang 10 ein Erkennungssignal ausgegeben.

Um ein Signalmuster sicher zu erkennen, ist es erfor derlich, daß das Meßfenster 2 das gesuchte Signalmuster zu weit mehr als 50% erfaßt. In Fig. 4 sind drei Möglichkei ten A-C dargestellt. Im Falle A wird weniger als 50% des Signalmusters erfaßt. Es ist also noch keine Aussage mög lich. Im Falle B wird zwar mehr als 50% des Signalmusters erfaßt und es ist eine Aussage möglich, jedoch ist die Aus sage nicht abgesichert. Für eine sichere Aussage ist ein Erfassungsbereich von weit mehr als 50% notwendig, wie es im Fall C dargestellt ist.

Um zu erreichen, daß das Meßfenster 2 unabhängig von der Länge eines Signalvorspanns 11 Signalmuster 12-15 erkennt, wird das Meßfenster 2 taktmäßig gestartet, wobei die Taktzeit einen Bruchteil der Dauer T des Meßfensters 2 beträgt. Das Meßfenster 2 im Fall A (Fig. 4) wird zum Zeit punkt t₀ gestartet. Der darauf folgende Auswertezyklus 12-15 im Fall B startet nach einer Zeitspanne von T/2, während der dann folgende Auswertezyklus 12-15 zum Zeitpunkt T/0 + T gestartet wird. Man sieht, daß das Meßfenster 2 quasi schrittweise über das gesuchte Signalmuster verschoben wird, so daß in aufeinanderfolgenden Auswertezyklen 12-15 der für eine sichere Erkennung notwendige Prozentsatz des Signalmusters erfaßt wird.

Ist das gesuchte Signalmuster von längerer Dauer, dann ist zweckmäßig, es durch mehrere aufeinanderfolgende Aus werteteilzyklen 12-15 mit einer Dauer T und entsprechen Meßkennwerten 6 und Referenzkennwerten 7 zu unterteilen und auszuwerten. Die Referenzkennwerte 7 der Teilauswertezy klen 12-13 werden zweckmäßigerweise in Referenztabellen abgelegt. Sobald ein erster Teil 12 des Signalmusters er kannt wird, wird eine Funktion aktiviert, die überprüft, ob eines der folgenden Meßfenster 2 mit dem ersten erkannten Meßkennwert 6 übereinstimmt, oder ob das übernächste Meß fenster 2 mit einem zweiten erkannten Meßkennwert 6 über einstimmt. Die Funktion wird zurückgesetzt, wenn das Si gnalmuster erfolgreich erkannt wurde, oder wenn eine siche re Aussage nicht möglich ist.

Bevor jedoch die Funktion zurück gesetzt wird, ist es zweckmäßig, zunächst noch einen Funktionsteil zu aktivie ren, der überprüft, ob der aktuelle Meßkennwert 6 eventuell an einer anderen Stelle als an der aktuell überprüften in die Referenztabelle einzuordnen ist. Dieser zusätzliche Funktionsteil wird nur einmal aktiviert. Verläuft die Über prüfung erfolglos, wird die gesamte Funktion zurückgesetzt.

Die Gesamtstruktur der Software nach Fig. 5 zeigt nach eine Ausführung, bei der nach dem Start des Auswertezy klus 12-15 zunächst ermittelt wird, ob Zusatzbedingungen vorliegen, die für das gesuchte Signalmuster charakteri stisch sind. Eine solche Zusatzbedingung kann z. B. die Amplitudenhöhe sein. Ist die Zusatzbedingung erfüllt, wird die Auswertung gestartet, indem zunächst die Amplituden dichte berechnet und dann ein Meßkennwert 6 gebildet wird, der im Vergleich mit einem Referenzkennwert 7 ausgewertet wird. Anschließend wird das Ergebnis erkannt oder nicht erkannt ausgegeben und der Auswertezyklus 12-15 beendet.

Bezugszeichenliste

1

Signal

2

Meßfenster

3

Meßpunkte

4

Linienzug

5

Fläche

6

Meßkennwert

7

Referenzkennwert

8

Referenzsignal

9

Rechnermodul

10

Ausgang

11

Signalvorspann

12

Auswerteteilzyklus

13

Auswerteteilzyklus

14

Auswerteteilzyklus

15

Auswerteteilzyklus

Claims

1. Verfahren zum Auswerten eines Signalverlaufs durch einen Signalmustervergleich, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- der Verlauf eines Signals wird am Ausgang einer Über tragungskette über die Dauer eines Meßfensters (2) analysiert,
- das Ergebnis wird zu einem diskreten Meßkennwert (6) verdichtet und
- mit einem Referenzkennwert (7) verglichen, der einem Referenzsignal (8) in einem gleichen Meßfenster (2) entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Größe einer Amplitude in Ampli tudenklassen eingeteilt ist, die Häufigkeit ermittelt wird, mit der das Signal (1) innerhalb des Meßfensters (2) in einer Amplitudenklasse gemessen wird, und der Flächen schwerpunkt der Häufigkeitsverteilung über den Amplituden klassen als Meßkennwert (6) bzw. Referenzkennwert (7) dient.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßfen ster (2) taktmäßig über das Signal (1) verschoben wird, wobei die Taktzeit einem Bruchteil, vorzugsweise der Hälf te, des Meßfensters (2) entspricht.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sobald ein erster Teilzyklus erkannt wird, eine Funktion aktiviert wird, die überprüft, ob einer der folgenden Meßkennwer te (6) mit dem ersten erkannten Meßkennwert (6) überein stimmt oder ob der übernächste Meßkennwert (6) mit dem zweiten erkannten Meßkennwert (6) übereinstimmt.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erkannten Meßkennwerte (6) in Tabellen gespeichert werden und fort laufend als Referenzkennwerte (7) herangezogen werden, so lange die Funktion aktiv ist.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion zurückgesetzt wird, wenn in mehr als zwei aufeinanderfol genden Auswertezyklen (12-15) der jeweils vorher liegende Meßkennwert (6) erkannt wird oder wenn ein oder mehrere Male der aktuelle Meßkennwert (6) weder dem aktuellen er kannten Meßkennwert (6) noch dem vorhergehend erkannten zugeordnet werden kann.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem end gültigen Rücksetzen der Funktion zunächst ein Funktions teil aktiviert wird, der überprüft, ob der aktuelle Meß kennwertwert (6) eventuell an einer anderen Stelle als an der aktuell überprüften in die Tabelle mit den erkannten Meßkennwerten (6) einzuordnen ist.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von mehreren möglichen Tabellenwerten derjenige ausgewählt wird, der dem aktuellen Referenzkennwert (7) am nächsten liegt, und der aktuelle Referenzkennwert (7) wird auf den neu gefundenen Tabellenwert gesetzt, wobei nun über die normale Funktion überprüft wird, ob die nachfolgenden Auswertezyklen (12-15) dem gesuchten Referenzkennwert (7) entsprechen.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzli che Funktionsteil nur einmal aktiviert wird und nach er folgloser Überprüfung die Funktion insgesamt zurückgesetzt wird.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Meßsigna len, bei denen nur ein geringer Vorspann zu erwarten ist, der Startwert des Funktionsausgangs auf eins gleich "Signal erkannt" gesetzt wird.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion erst gestartet wird, wenn entsprechende Zusatzbedingungen vorliegen, die für das gesuchte Signalmuster charakteri stisch sind.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als skalarer Meßkennwert (6) Korrelationskoeffizient gesetzt wird.