汽车轮胎爆胎预警门限设计

刘卡 龚佳慧 李鹏

摘 要：文章通过对现有的汽车轮胎爆胎预警系统进行研究分析，提出了基于3σ准则的爆胎预警门限算法和双层次报警决策策略相结合的预警门限设计。为了对预警门限设计进行验证，文章用两组数据分别代表压力和温度进行了模拟验证，证明了预警门限设计的可行性。

关键词：爆胎预警;预警门限;报警决策

中图分类号：U462.1  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）15-63-02

Abstract： This paper puts forward the design of Pressure-Sensor Based Tire Pressure Monitoring System by researching and analyzing those systems. Meanwhile， the puncture warning threshold based on 3σ criteria and the dual level alarm warning decision strategy is designed. Finally， this paper proves the feasibility of the design of warning threshold by simulation and verification which use two sets of data， one represents the pressure and the other represents the temperature.

Keywords： Puncture warning; Warning threshold; Alarm warning strategy

CLC NO.： U462.1  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）15-63-02

1 前言

隨车轮胎引起的交通事故逐渐增加，汽车轮胎爆胎预警系统（TPMS）技术正逐渐被汽车的设计制造所采用。国外对于TPMS的研究起步较早，20世纪70年代末欧洲的一些发达国家就开始对轮胎气压监控系统进行研究。而且因立法较早，TPMS技术较为成熟，市场占有率较高[1]。据中国汽车工业协会相关市场调查表明，国内轮胎爆胎预警系统的相关产品已有推出，如佛山的TOPCHEK轮胎气压监测系统、伟力通胎压报警器、南京泰晟科技轮胎监测系统等等[2]。但大多技术性能不甚完善或系统简易，产品也没有形成一定的规模，存在以下缺点：（1）系统工作寿命短;（2）系统在低温或高温环境下稳定性不够;（3）工作可靠性较差;（4）检测精度不够。

2 预警门限设计

轮胎爆胎预警门限的设置直接关系到系统的综合预警性能，在系统设计过程中，需要科学准确的设定预警门限，并进行最优决策的研究和处理，以提高预警的准确率。

现有的预警算法包括两种：

（1）按照将基准胎压的1.2倍的气压值作为“压力预警门限的上限值”，基准胎压的85%的气压值作为“压力预警门限的下限值”，将85℃作为“温度预警的门限值”，将检测的压力和温度值实时与门限值进行比较，并判断是否启动预警[3]。这种方法的缺点是：当车辆在颠簸的路面行驶时，会出现轮胎气压瞬时超过预警门限值而导致虚警;当车辆外部环境剧变，造成胎内气压短时间发生较大变化，则会被判断为轮胎出现故障。

（2）多传感器融合预警算法。轮胎检测模块检测获得轮胎压力和温度，利用理想气体定律将温度值转化为对应的压力值，实时显示并判断是否启动预警[4]。这种方法的缺点是如果出现轮胎漏气，则理想气体定律不成立带来系统判断出现差错。

2.1 3σ准则爆胎预警门限算法

汽车行驶时，当轮胎处于正常状态时，轮胎的气压、温度接近于正态分布。轮胎爆胎预警系统工作时会记录轮胎的压力、温度数据，取轮胎正常工作时的一段数据为样本，分别计算出温度的均值和标准差μT、σT，压力的均值和标准差μP、σp，则根据 3σ准则，（μP+3σp）为压力预警门限的上限值，（μP-3σp）为压力预警门限的下限值;将（μT +3σT）作为温度预警的门上限值，温度预警下限值为0。

2.2 双层次报警决策策略

为提高轮胎爆胎预警系统报警的正确率，并减小误报率，将报警决策分为两个层次：第一层次为双路信号报警决策，如果某一时刻测得的温度、压力数据都超出预警门限阈值，则立即进行报警;第二层次为单路信号报警决策，若单独的温度或压力信号连续三次超出预警门限阈值，即使另一信号正常，也进行报警，否则不报警。决策图如图1所示。

轮胎爆胎预警系统容易出现的失误主要有误报、漏报、报警不及时等[5]。误报警主要出现在轮胎遇到突发偶然情况时，比如路面凹凸引起轮胎气压突变，第二层次单路报警决策可以有效减少误报警;漏报警问题可以通过第一层次的双路信号报警决策来解决;针对报警不及时出现在轮胎真正出现故障的情况，采用双层次报警决策策略，两路都可以独立报警，因此会在轮胎出现故障时及时准确的进行预警。

3 预警门限算法验证

为了验证将3σ准则爆胎预警门限算法和双层次报警决策策略相结合的预警门限设计，使用分别代表压力和温度的两组样本数据进行验证。

两组样本数据是通过模拟轮胎运行时的状况由传感器测得的，分别有1920个样本点。用Matlab将两组数据转化为图像形式，压力样本如图2所示，在前1120个样本点保持正常，在X：1121开始出现明显异常;温度样本如图3所示，在前1121个样本点保持正常，在X：1122开始出现明显异常。

分别取压力、温度样本数据处于正常状态的前800个点进行计算，求出均值、方差，根据预警阈值，压力预警门限上限值为（μp+3σp）=9.5861，下限值为（μp -3σp）=9.1019;温度预警门限上限值为（μT +3σT）=94.9887。

根据预警门限设计进行报警实验。由图4可以看出：

第379个样本点时，压力值超出预警上限一次，但温度正常，根据单路信号报警决策，不报警;

第577个样本点时，压力值低于预警下限一次，但温度正常，根据单路信号报警决策，不报警;

第1121个样本点，压力值低于预警下限，且之后连续低于预警下限值，同时，在第1122个样本点，温度值超出预警门限值，且之后连续超出，根据双层次预警决策策略，在第1122个样本点进行预警。

上述预警结果与之前所观察的轮胎状态相符合，证明了预警门限设计的可行性和准确性。

4 结论

通过对现有爆胎预警算法的分析，设计的3σ准则爆胎预警门限算法和双层次报警决策策略相结合的轮胎爆胎预警方案，可以有效的提高预警正确率的同时，减小误报率。

参考文献

[1] 刘全有，赵福全，杨安志，等.TPMS的研究现状及发展趋势[J].农业装备与车辆工程2010（12）：3-5，10.

[2] 邓海燕.轮胎充气压力检测技术开发背景与最新动向[J].轮胎工业，2003，23 （2）：110-112 .

[3] 王吉忠，魏兆宏.轮胎气压自动监测和报警系统[M].汽车电器， 2002，4：56-58.

[4] 李敏，赵继印，陈兴文，杨亚宁.汽车轮胎爆胎预警系统综述.[J]大连民族学院学报，2011，13（05）：454-457+464.

[5] 孙宏伟.汽车轮胎爆胎预警系统的研制[D].吉林大学，2005.