CN105658937A - 用于监测传感器的运行的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于监测传感器的运行的方法。该方法包括对传感器的运行进行表征的步骤，这通过以下步骤进行：i)存储多个数据值，每个数据值均对应于传感器输出信号，其中，在一定的时间段内执行此步骤，使得所述数据值分布在可能的数据值的范围内，ii)在所述可能的数据值的范围内定义多个离散区间；以及iii)计算所述数据值在每个区间内的频率，由此，形成传感器表示。该方法还包括以下步骤：接收至少一个基准传感器表示；以及，将所述传感器表示与所述至少一个基准传感器表示进行比较。

Description

用于监测传感器的运行的方法
技术领域
本发明涉及一种用于监测传感器的运行的方法和***。而且，本发明还涉及一种通过将测量值与基准值进行比较来诊断故障***的方法和***。
背景技术
现代的车辆通常配备有多个用于监测车辆内的不同部件的实际状况的***。这种车辆部件可表示车辆内的相对复杂的组件，例如整个内燃机或制动***，或者它们也可表示相对简单的元件，例如单独的传感器或致动器。每个部件都有助于车辆的整体性能，并且希望获取与这种部件的实际运行相对应的数据，以便检测故障并预测维修。
为了监测车辆部件的实际状况，需要确定与特定车辆部件的实际运行相关的参数值。通过将所确定的参数值与基准值进行比较，能够评估实际状况并确定该车辆部件是否在正常运行。
在WO2008/140381中，描述了一种用于诊断车辆中的故障部件的方法。在该文献中，使用了描述不同部件的状态的部件相关信号来确定它们之间的显著关系。通过比较不同部件之间的兼容关系来进行“该关系是否显著”的判定。在检测到显著关系的情况下，在多个部件之间比较该显著关系，或者随着时间的推移而对单个部件进行比较，并使用它作为基础以便能够获得“是否需要向某个单独的部件提供维护和/或维修”的判定。
在某些情况下，例如像正由车辆传感器监测的单个调节部件，这样的特定***可能仅与单个部件相关信号有关，即传感器信号。因此，不必确定不同的部件相关信号之间的显著关系。而是，通过将信号参数与基准值进行比较，单个部件相关信号就可给出表示车辆部件的实际状况的信息。如果实际的信号参数偏离于基准值，则可检测出故障。然而，对于上述车辆***，检测传感器本身的故障可能很困难。典型的传感器误差包括漂移和劣化的阶跃响应(stepresponse)，并且，如果开始出现这些误差中的任一种，则不再能够精确地检测车辆部件的故障。
因此，对于改进的用于监测车辆传感器的运行的方法以及改进的用于确定车辆***的状况的方法，存在着需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的、用于确定传感器是否正常运行的方法和***。
根据第一方面，通过根据权利要求1所述的方法实现了上述目的。该方法包括对传感器的运行进行表征的步骤，这通过以下步骤进行：i)存储多个数据值，每个数据值均对应于传感器输出信号，其中，在一定的时间段内执行此步骤，使得所述数据值分布在可能的数据值范围内，ii)在所述可能的数据值的范围内定义多个离散区间；以及iii)计算所述数据值在每个区间内的频率，由此，形成传感器表示。此外，该方法还包括以下步骤：接收至少一个基准传感器表示；以及，将所述传感器表示与所述至少一个基准传感器表示进行比较。
在优选实施例中，该***传感器是车辆的NOx传感器。优选针对NOx传感器实现上述方法，这是由于以下事实：i)NOx传感器是用于确定后处理***的状态的关键部件，其故障可能导致增加的环境危害，以及ii)NOx传感器具有有限数量的故障模式，因此，本文提出的方法能够以非常有效的方式快速检测出故障。
可针对与所述传感器连接的***的多个不同运行模式来执行所述存储多个数据值的步骤。由于数据值将最可能是不同的(这取决于不同的运行模式)，所述传感器表示将因此具有改进的统计学意义。
所述基准传感器表示可包括基准数据值在离散基准区间内的频率，所述离散基准区间对应于所述传感器表示的离散区间。因此，将能够以简单有效的方式将所述传感器表示与所述基准表示进行比较。
将所述传感器表示与所述基准传感器表示进行比较的步骤还可包括对所述表示进行归一化的步骤，从而进一步便于所述表示之间的比较。
在一个实施例中，将所述传感器表示与所述基准传感器表示进行比较的步骤还可包括：计算表示所述传感器表示和所述基准传感器表示之间的差异的函数，并根据预定的分类方案来分类所述函数。因此，对传感器的监测可产生单个分类，由此，特定的分类可与给出传感器运行的清楚指示的稳健性信息(robustinformation)相关联。
该分类方案可包括多个基准类别，其中，每个基准类别均与传感器的具体操作相关联。例如，这允许所述基准类别包括与正常运行的传感器相对应的一个类别以及与非正常运行的传感器相对应的至少一个类别。因此，能够以简单的方式确定出故障的传感器。
所述基准类别还可包括：与在正常运行的***中正常运行的传感器相对应的一个类别，以及与在非正常运行的***中正常运行的传感器相对应的至少一个类别。因此，该方法允许对***的监测，由此，所述传感器表示不仅可表明传感器的实际状态，而且可表明相关的***的实际状态。如果该***是可能存在数个不同故障类型的复杂***，则可以扩展所述基准表示的范围(bundle)以便还覆盖该***的不同故障类型。因此，所述传感器表示可用于识别最类似的基准表示，并确定与识别出的基准表示相关的实际故障类型。
在优选的实施例中，该***是车辆的排气后处理***。因此，监测NOx传感器的运行不仅可以提供与传感器自身的实际状态相关的有用信息，而且可以提供与尿素喷射***的运行状态相关的有用信息，而不必在尿素喷射***上进行任何直接测量。
表示所述传感器表示和所述基准传感器表示之间的差异的函数可以是标量，由此，能够通过设定该标量的具体区间来提供改进的且非常稳健的分类。
在一个实施例中，该方法可以重复多次以产生一组函数，并且该方法还包括以下步骤：评估所述一组函数，以预测传感器的故障。因此，能够使用该方法来分析传感器和/或相关***的随着时间变化的行为，以便预测将来的行为。因而，能够确定将来需要维修或维护的具体时间，从而降低该***意外停机的风险。
所述基准传感器表示可以是用于所述传感器的先前的传感器表示。因而，该方法可以连续地存储数据值，从而，先前存储的数据值可形成基准表示。
在其它实施例中，所述基准传感器表示可对应于用于一个或多个其它传感器的一个或数个传感器表示。这些其它传感器可形成不同***的一部分，例如不同的车辆，并且在优选实施例中，根据从一群车辆中获取的数据值来创建所述基准表示。
根据第二方面，通过根据权利要求15所述的传感器***实现了上述目的。该传感器***包括用于监测传感器的运行的控制器，所述控制器包括第一存储器，第一存储器被配置成存储所述传感器运行的表示，所述传感器表示包括分布在可能的数据值的范围内的多个数据值，每个数据值均对应于传感器输出信号，并且其中，所述表示带有与所述数据值在多个离散区间内的频率分布相关的信息。该控制器还包括：第二存储器，该第二存储器被配置成存储至少一个基准传感器表示；以及比较单元，该比较单元被配置成将所述传感器表示与所述至少一个基准传感器表示进行比较。
该传感器***还可包括通信单元，该通信单元被配置成：从所述第一存储器和所述第二存储器接收所述传感器表示和所述基准传感器表示；并将所述传感器表示和所述基准传感器表示发送到所述比较单元。
所述第一存储器可布置在车辆上，而所述第二存储器和所述比较单元可不布置在车辆上。
附图说明
下文中，将参照附图来描述本发明，其中：
图1是车辆的后处理***的示意性视图；
图2a是示出了用于正常运行的传感器的NOx浓度的曲线图；
图2b是示出了根据一个实施例的传感器表示(sensorrepresentation)的直方图；
图3a是示出了用于非正常运行的传感器的NOx浓度的曲线图；
图3b是示出了根据图3a所示的曲线图运行的传感器的传感器表示(sensorrepresentation)的直方图；
图4a是示出了另一个用于非正常运行的传感器的NOx浓度的曲线图；
图4b是示出了根据图4a所示的曲线图运行的传感器的传感器表示(sensorrepresentation)的直方图；
图5是示出了根据一个实施例的、作为传感器表示与基准表示的比较结果的函数的图；并且
图6是根据一个实施例的方法的示意图。
具体实施方式
以图1开始，示意性地示出了传感器***1。在此实施例中，传感器***1形成具有内燃机10的车辆的一部分。在运行期间，内燃机10发出排气流，在排气流排到车辆外部的环境中之前，该排气流通过排气后处理***12、14输送。
提供该后处理***12、14以减少排气中的有毒物质的量，特别是NOx的浓度。为此，与选择性催化反应单元14串联地布置有微粒过滤器12。该微粒过滤器12和选择性催化反应单元14是本领域众所周知的(特别是关于柴油发动机)，因此将不再进一步详细描述。
为了将有害的NOx转化为氮气和水，使用了尿素喷射器16以在选择性催化反应单元14中提供气态还原剂。
后处理***12、14由NOx传感器18监测，该NOx传感器18串联布置在选择性催化反应单元14之后，但在排气尾管之前。
根据具体实施例，此NOx传感器连接到控制器20，该控制器20用于监测NOx传感器的运行以及后处理***12、14的运行。控制器20具有包括第一存储器24的测量单元22，该第一存储器24被配置成存储与由传感器18确定的实际值相对应的数据。因此，第一存储器24存储与一定时间段内的传感器输出相对应的一定量的数据。此外，测量单元22包括通信单元26，该通信单元26被配置成与基准单元28通信该第一存储器24的数据。
基准单元28包括相应的通信单元30，该通信单元30被配置成接收从测量单元22的通信单元26发送的数据。此外，基准单元28包括比较单元34和第二存储器32。
第二存储器32被配置成存储与用于传感器18的基准值相对应的数据。一旦通信单元30接收到实际的传感器值、或者例如由ECU从外部发出的命令时，比较单元34从通信单元30获取这些值并且经由通信单元30或直接从第二存储器32获取基准值。
比较单元34被配置成通过形成实际数据值的传感器表示和基准值的相应的基准表示(referencerepresentation)来将实际的传感器值与基准值进行比较。通过在数据值的范围内定义多个离散区间(discreteintervals)来创建所述传感器表示；然后计算所述数据值在每个区间内的频率。优选地，使用相同的离散区间并通过计算所述频率而使基准值分布在这些区间内来创建所述基准表示。
因此，比较单元34比较两个统计分布，从而产生定义所述传感器表示和所述基准表示之间的差异的函数或标量。
在优选实施例中，所述传感器表示和基准表示是直方图。在其它实施例中，所述传感器表示和基准表示是传感器值的其它概率分布，例如核密度估计或类似方式。
比较单元34被配置成输出表示所述传感器表示如何不同于所述基准表示的信号。这可通过各种方式来完成，例如使用EuclidianL2-距离方法、Hellinger距离法、Kullback-Leibler或Bhattacharyya距离法。所有这些比较算法都是本领域公知的，并且它们输出表示所述传感器表示和所述基准表示之间的差异的标量。
在一些实施例中，比较单元34还配置成在比较之前对所述传感器表示和所述基准表示进行归一化(normalize)。
比较单元34进一步被配置成将输出(即表示所述传感器表示和所述基准表示之间的差异的函数或值)发送回通信单元30，以进一步发送到***监测单元(未示出)，例如车辆的ECU。这可以直接进行或经由测量单元22的通信装置26来进行。
至此，控制器20被描述为包括测量单元22和基准单元28的两部分部件。整个控制器20(即该测量单元22以及基准单元28)可布置在车辆上，用于车辆运行期间的在线监测。在其它实施例中，测量单元22可布置在车辆上，而基准单元28可不布置在车辆上。因此，通信单元26、30可使用诸如WiFi的无线通信来通信。可通过各种方式配置该控制器20，这取决于特定的应用。例如，比较单元34可布置在测量单元22内，而不是在基准单元28内。
为了在比较期间提供显著的精度，有利的是在所述传感器表示中包括特定量的数据。因此，所述传感器表示包括用于后处理***的许多不同模式的传感器数据。由于NOx浓度随着不同的驱动模式而变化，有利的是在长期过程中增加传感器数据，以便在足够长的时间段内为将分布在可能的数据值的整个范围内的数据值执行传感器数据的测量。在车辆应用中，传感器数据的测量可典型地涉及一周或数周的数据收集，从而将出现许多不同的驱动特性，也因此将出现许多不同的NOx浓度。
上述方法不仅可以用来确定后处理***12、14的实际状况，而且可用来确定传感器18的实际状况。
参照图2a，示出了特定时间段内的、在选择性催化反应之后的排气中的实际NOx浓度。正如图中可以看到的，该浓度接近零，但在两种情形期间增加了。这样的情形可代表特定的驾驶行为。从该图的左端开始，其中浓度接近于零的最初时段可代表正常驾驶。第一峰值可代表冷起动，由此，第二峰值可代表内燃机上的较高负荷。
当该NOx传感器正常运行时，测量到的传感器值等于或非常接近于实际的浓度。
当如上所述地在长期过程中进行采样时，图2b中示出了典型的传感器表示。大量的数据值位于最接近于零的框(bin)中，并且，由于较高浓度很少发生，较高浓度的频率快速降低。如果延长采样周期，将不存在统计分布的显著变化，因为这些不同频率之间的关系将相同。另一方面，如果缩短采样周期，存在将漏掉仅在极端状况下发生的某些浓度的风险，从而会稍微改变该直方图。
NOx传感器是一个关键部件，它可能容易发生损坏或故障，从而导致错误的浓度值。这是很不理想的，因为在这些情况下该传感器可能不再提供关于实际的NOx排放的准确信息。
已经发现：NOx传感器可能以两种不同的方式发生故障：漂移，或者响应较慢。
图3a中示意性地示出了漂移的传感器。这里，实际浓度被示出为与图2a所示的实线相同的实线。然而，由于该传感器已经损坏，其零水平(zerolevel)已经变化，从而导致代表较高浓度的数据值。因而，长期采样将产生图3b所示的传感器表示。由于所述零水平已经变化，整个直方图已向右移动。
图4a中示意性地示出了变慢的传感器。这里，实际浓度被示出为与图2a和3a所示的实线相同的实线。然而，由于该传感器已经损坏，其响应较慢，从而导致代表着在快速变化期间不再与实际浓度对应的浓度的数据值。因而，长期采样将产生图4b所示的传感器表示。由于传感器变慢，该直方图已被截断，并且不再包括位于与较高NOx浓度相对应的框中的任何值。
因此，通过将所述传感器表示与基准表示(像图2b中所示的与正常运行的传感器相对应的基准表示)进行比较，将能够实际确定该传感器是否正常运行。在进一步的实施例中，还能够实际确定该传感器正以何种方式非正常地运行。为此目的，所述基准表示实际上可以是两个不同的基准表示，每个用于一种故障模式，即，一个基准表示用于变慢的传感器，另一个基准表示则用于漂移的传感器。通过将所述传感器表示与漂移的传感器的基准表示进行比较以及将所述传感器表示与变慢的传感器的基准表示进行比较，能够确定最佳的匹配，从而表明该传感器的故障类型。
现在转到图5，该图描述了随时间变化的比较输出。Y轴表示所述传感器表示和所述基准表示之间的差异，而X轴表示时间。通过在运行期间执行该方法，能够预测传感器的维修。这是由于传感器很少在特定的时间点变得损坏，而是连续地退化。正如图5中可以看到的，比较结果在开始时接近于零水平，这意味着所述比较单元已经实现比较算法，由于该比较算法，完美的匹配对应于零。在一段时间(这可对应于几百小时的行驶)之后，该传感器开始退化，因此，所述比较结果开始增加。该增加不是随着时间变化呈线性，而是加速进行，由此，该传感器最终远离其初始校准。通过设定对应于某一比较结果的预定阈值(对于该比较结果，认为传感器发生故障)，能够预测是否需要维修。此阈值由图5中的虚线表示。
现在转到图6，将讨论根据一个实施例的方法100。该方法包括对传感器的运行进行表征的第一步骤102，该传感器优选是车辆的后处理***中的NOx传感器。这是通过一系列独立的步骤进行的，它起始于步骤104，该步骤104存储多个数据值，每个数据值均对应于传感器输出信号。在指定的时间段内执行步骤104，使得这些数据值分布在可能的数据值的范围内。在随后的步骤106中，该方法100在所述可能的数据值的范围内定义多个离散区间，由此，方法100通过在步骤108中计算所述数据值在每个区间内的频率而继续进行。此时，所述传感器表示被形成为统计分布。
该方法通过步骤110继续进行，在步骤110中，接收至少一个基准传感器表示，步骤110之后是步骤112，该步骤112将所述传感器表示与至少一个基准传感器表示进行比较。
在具体实施例中，步骤110还包括子步骤110a：通过整理基准数据值在离散基准区间内的频率来创建所述基准表示，其中，该离散基准区间对应于所述传感器表示的离散区间。应当注意，也可以以相反的顺序执行步骤110a和步骤106、108，以便用与已经创建的所述基准表示相同的区间来创建所述传感器表示。
步骤112a可在步骤112之前，在步骤112a中，在比较所述传感器表示和所述基准表示之前，对所述传感器表示和所述基准表示进行归一化(normalized)。
此外，将所述表示进行比较的步骤112可包括多个子步骤。可以执行步骤114，在步骤114中，计算表示所述传感器表示和所述基准传感器表示之间的差异的函数，例如标量；并且，可以执行进一步的步骤116，在步骤116中，根据预定的分类方案来分类该函数。
作为步骤116的结果，该分类方案可包括多个基准类别，其中，每个基准类别均与传感器的具体操作相关联。例如，所述基准类别包括：与正常运行的传感器相对应的一个类别，以及与非正常运行的传感器相对应的至少一个类别。所述基准类别还可包括：与在正常运行的***中正常运行的传感器相对应的一个类别，以及与在非正常运行的***中正常运行的传感器相对应的至少一个类别。
这提供了额外的优点，由此，通过监测传感器的运行，可实际提供相关的***的当前运行信息。例如，参照图1描述的第二存储器32可包括多个基准表示，其中，每个基准表示对于一个具体的传感器运行(即，正常运行、由于漂移而导致的非正常运行、或由于缓慢的响应而导致的非正常运行等)和一个具体的***运行(即，尿素喷射器16的正常运行、尿素喷射器16的非正常运行等)是有效的。所有的基准表示可具有明显的统计分布，由此，比较单元34可配置成将所述传感器表示与可用的基准表示中的每一个进行比较。从而，将能够识别出提供了与所述传感器表示的最佳匹配的基准表示，从而表明该传感器以及相关的***的最可能的运行。
上述方法100可重复多次，从而产生一组函数，例如标量，并且它还可包括步骤118，该步骤118评估所述一组函数，以预测该传感器的故障。在通过监测传感器的运行而对***进行监测的情况下，该方法还可包括步骤120，该步骤120评估所述的一组函数，以预测该***的故障。
虽然本说明书主要涉及用于监测车辆后处理***中的NOx传感器的运行的方法和***，但应当理解，该方法和***也可用于监测各种传感器以及与这些传感器相关的***的运行。
可以理解的是，在不脱离由所附权利要求限定的本发明范围的情况下，可以将前文所述的实施例相互组合。
在权利要求书中，术语“包含/包括”并不排除其它元件或步骤的存在。另外，虽然单独的特征可包括在不同的权利要求中，但这些可以被有利地组合，并且，被包括在不同的权利要求中并不意味着这些特征的组合是不可行和/或不是有利的。另外，单数的引用并不排除复数。术语“一”、“一个”等并不排除复数。

Claims (20)

1.一种用于监测传感器的运行的方法，包括以下步骤：
对传感器的运行进行表征，这通过以下步骤进行：
i)存储多个数据值，每个数据值均对应于传感器输出信号，其中，在一定的时间段内执行此步骤，使得所述数据值分布在可能的数据值的范围内，
ii)在所述可能的数据值的范围内定义多个离散区间，以及
iii)计算所述数据值在每个区间内的频率，由此，形成传感器表示；
接收至少一个基准传感器表示；以及
将所述传感器表示与所述至少一个基准传感器表示进行比较。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述传感器是车辆的NOx传感器。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，针对与所述传感器连接的***的多个不同运行模式来执行所述存储多个数据值的步骤。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中，所述基准传感器表示包括基准数据值在离散基准区间内的频率，所述离散基准区间对应于所述传感器表示的所述离散区间。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，将所述传感器表示与所述基准传感器表示进行比较的步骤还包括对所述表示进行归一化的步骤。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，将所述传感器表示与所述基准传感器表示进行比较的步骤还包括：
计算表示所述传感器表示和所述基准传感器表示之间的差异的函数，以及
根据预定的分类方案来分类所述函数。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述分类方案包括多个基准类别，其中，每个基准类别均与所述传感器的具体操作相关联。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述基准类别包括：与正常运行的传感器相对应的一个类别，以及与非正常运行的传感器相对应的至少一个类别。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述基准类别还包括：与在正常运行的***中正常运行的传感器相对应的一个类别，以及与在非正常运行的***中正常运行的传感器相对应的至少一个类别。
10.根据权利要求2和9所述的方法，其中，所述***是车辆的排气后处理***。
11.根据权利要求6-10中的任一项所述的方法，其中，所述函数是标量。
12.根据权利要求6-11中的任一项所述的方法，其中，所述方法被重复多次以产生一组函数，并且还包括以下步骤：评估所述一组函数，以预测所述传感器的故障。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述基准传感器表示是用于所述传感器的先前的传感器表示。
14.根据权利要求1-12中的任一项所述的方法，其中，所述基准传感器表示对应于用于一个或多个其它传感器的一个或数个传感器表示。
15.一种计算机程序，包括程序代码，当所述程序在计算机上运行时，所述程序代码执行根据权利要求1-14中的任一项所述的步骤。
16.一种携带计算机程序的计算机可读介质，所述计算机程序包括程序代码，当所述程序产品在计算机上运行时，所述程序代码执行根据权利要求1-14中的任一项所述的步骤。
17.一种控制单元，所述控制单元用于控制对传感器运行的监测，所述控制单元被配置成执行根据权利要求1-14中的任一项所述的方法中的步骤。
18.一种传感器***，包括用于监测传感器(18)的运行的控制器(20)，所述控制器(20)包括：
第一存储器(24)，所述第一存储器(24)被配置成存储传感器运行的表示，所述传感器表示包括分布在可能的数据值的范围内的多个数据值，每个数据值均对应于传感器输出信号，并且其中，所述表示带有与所述数据值在多个离散区间内的频率分布相关的信息，
第二存储器(32)，所述第二存储器(32)被配置成存储至少一个基准传感器表示，以及
比较单元(34)，所述比较单元(34)被配置成将所述传感器表示与所述至少一个基准传感器表示进行比较。
19.根据权利要求18所述的传感器***，还包括通信单元(26，30)，所述通信单元(26，30)被配置成：从所述第一存储器(24)和所述第二存储器(32)接收所述传感器表示和所述基准传感器表示；并将所述传感器表示和所述基准传感器表示发送到所述比较单元(34)。
20.根据权利要求19所述的传感器***，其中，所述第一存储器(24)布置在车辆上，并且其中，所述第二存储器(32)和所述比较单元(34)不布置在车辆上。
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