摘 要 发动机在公路运输过程中会经受各种环境因素的影响，如振动与冲击，而发动机的环境适应性和结构完整性成为其质量考核的重要指标。项目主要针对跑车试验研制了一套发动机公路运输试验参数监测系统，通过该系统，实现了车辆“黑匣子”、集成监测系统、试验人员管控功能的三合一公路运输试验平台。可以实时显示汽车工况，对重要参数进行有效监控，对超限情况进行报警等。试验的系统集成可以将各个分离的设备、功能和信息等集成到一个相互关联、统一协调的系统中，使资源及数据集中、高效、便利的管理。而对试验人员管控功能，提高了发动机试验的管理能力，实现了及时的通讯，提高了试验效率。
关键词 发动机；公路运输；监测；黑匣子
中图分类号U41 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）84-0137-03
1研究的目的和必要性
1.1 背景
发动机在公路运输过程中会经受各种环境因素的影响，如振动与冲击，而发动机的环境适应性和结构完整性成为其质量考核的重要指标。针对跑车试验研究发动机公路运输试验参数监测系统，该系统包括：发动机参数采集模块、车辆综合信息采集模块、数据处理分析及存储模块。目前的发动机公路运输试验采用的是比较传统和落后的方法。车辆综合信息数据采集参数均为人工记录，监测设备没有实现集成化，没有相应的安全存储设备。同时，监测项目较少，对运输过程的数据采集、检测不够可靠。同时，试验完毕后的数据处理过程更为烦琐，需要进行大量的、复杂的计算，已经成为试验人员很头疼事情，造成了工作效率较低。
通过该系统，实现了车辆“黑匣子”、集成监测系统、试验人员管控功能的三合一公路运输试验平台，解决了相关的技术难题。最早利用黑匣子的是飞机，它可以存储、记录各种数据信息，为事后故障分析提供了方便。而现在，随着科学技术的提高，危险、精密、贵重设备的安全运输要求越来越高，汽车黑匣子也随之应运而生。它可以实时显示汽车工况，对重要参数进行有效监控，对超限情况进行报警等。可有效防范和化解车辆及产品事故的发生。而且对试验人员管控功能，提高了发动机试验的管理能力，实现了及时的通讯，提高了试验效率。
1.2 研究的必要性
以往定型的大型发动机均进行过进行公路运输试验，实际测试条件远未满足《固体火箭发动机公路运输试验方法》和《产品公路运输模拟试验方法》的规范要求，如：并未进行全过程的检测，只是监测运输过程中某个时间点的参数，这样试验得到的结果具有片面性。并且，试验过程很烦琐，数据采集精度较低，距离实现发动机公路运输试验的自动化差距还很大，人力、物力、财力资源消耗巨大。
发动机公路运输试验参数监测系统的研制，为军工试验安全准确的记录，预警以及解决故障发生原因和处理提供了科学、权威的依据，如：可对发动机试验进行连续较长时间的全程记录，记录应变、加速度、振动等参数。同时可对车辆进行行驶速度、车辆所处的地理位置、电器系统、制动系统状况以及发动机系统的温度、油压等参数进行记录。
软件记录的信息可以通过车载的GSM或CDMA芯片通过通信网络发送给后台运行终端，从而可以实时监控车辆的运行信息，有助于第一时间获得现场的故障信息，方便情景再现，降低人力成本，为试验的科研生产、日常维护以及对于及时查找突发性事故的原因，减少车辆故障，保障实验的可靠性，提供有效的测试手段。对深入研究发动机的完善设计、技术分析、决策依据具有重要的实际作用及意义。
发动机公路运输试验参数监测系统，提高了试验的安全性及可靠性，规范了试验的程序及人员，减少了数据的损失。未来我院进行的大型发动机均有进行公路运输试验的要求，试验获得的数据将为这些发动机的结构强度、性能可靠性提供重要的依据。
2研究目标及内容
2.1 研究目标
研发公路运输试验参数监测系统，考核发动机在给定公路运输距离和特定的运输环境条件下的适应能力。通过集成化的设计，监测并记录发动机运输车辆的综合信息，包括行车速度、加速度、温度、湿度、蓄电池电量、刹车、左右转弯、起动、爬坡、车辆载重等参数，以及在各种不同等级路面的行驶信息。实时监测发动机试验的各种参数，分析发动机在不同状态下的性能和可靠性，提供准确而又全面的试验数据，保障发动机的环境适应性和结构完整性。同对，对数据存储的安全性、保密性进行研究。
2.2 主要研究内容
1）实时进行发动机应变、振动、温度、湿度等参数的监测；
2）实时监测车辆的综合信息，如车辆行车速度、加速度、蓄电池电量、刹车、起动、爬坡等参数，验证车辆的载重量是否符合《固体火箭发动机公路运输试验方法》要求，车辆内的温度及湿度是否满足发动机的要求并及时调整，检查车辆是否超速、驾驶员状态是否不良等；
3）安全存储设备在断电、强烈振动甚至爆炸等突发恶劣环境情况下，保证数据的安全性，可用于事后分析；
4）自动生成及时、规范的公路运输试验数据报告。发动机公路运输试验报告内容包括：试验基本信息（日期、路况路线、人员、天气、计划等），发动机信息（型号、名称、参数等），设备及仪器信息（种类、软硬件等），试验要求（各类技术要求等），试验流程信息（试前、试中、试后等），试验检测结果（各类试验项目的数据、分析、结论等试验路线、环境温度、湿度条件），声像信息（照片、声像资料等），备注信息（临时记录、突发或异常情况、故障等）。
3整体技术方案
3.1 总体技术方案说明
发动机公路运输试验参数监测系统分为三大模块，发动机参数采集模块、车辆综合信息采集模块、数据存储及处理分析模块。系统整体结构（主要部分）如图1所示。
1）发动机参数采集模块：主要是采集发动机的振动、加速度、应变、温湿度等参数，对发动机的试验参数进行实时监控，确保发动机的安全性和试验数据准确性及可靠性；
2）车辆综合信息采集模块：主要是采集发动机运输车辆的信息，包括速度、行驶时间、行驶路程、载重量、蓄电池电量、GPS定位、车辆状态、司机状态等。如果车速超过发动机试验规定的速度可及时报警，提醒驾驶员迅速减速。判读发动机质量是否在车载重量的50%～70%之间，或者是否符合试验的任务书。车厢的温度及湿度是否满足发动机的试验要求，如果不在范围内应做出自动调整。记录车辆的状态，检测发动机在各种环境下的试验参数，为试后的数据处理和分析提供重要依据；
3）数据存储及处理分析模块：安全存储试验数据，在断电、强烈振动甚至爆炸等突发恶劣环境情况下，保证数据的安全性，可用于事后分析。数据处理分析主要是根据采集到的大量试验数据进行分析处理。即根据不同等级公路上发动机参数以及各种车辆行驶状态下的发动机参数，进行比对分析，得到合理准确的试验数据，以检验发动机的环境适应性和结构完整性。自动及时的根据各种不同型号试验任务书的要求生成规范的公路运输试验数据报告，完满的完成试验任务。
图1 发动机公路运输试验参数监测系统整体结构
3.2 子系统技术方案说明
3.2.1发动机监测功能
1）温度参数；
2）湿度参数；
3）被监测发动机的加速度 ；
4）被监测发动机的倾斜度；
5）被监测发动机的速度；
6）被监测发动机的振动；
7）被监测发动机的应变。
系统使用一台嵌入式主板作为平台，配备有不间断电源，并且配置了不间断电源的电池的监测系统，可以实时给出电池的预计寿命，可靠解决了电池在需要时可以真正后备的问题。
系统的测试数据实时存在设备的CF卡上，存盘数据是二进制码，便于保存并且不好修改，只能用专门的程序去读，有效解决了篡改数据的问题。
设备具备一定的抗冲击性能，可以在一定能够的冲击条件下保持自己的测试性能。
发动机监测设备结构，如图2所示。
图2 发动机监测设备结构
发动机监测设备各部分功能描述
1）嵌入式主机：该部分与打印接口、显示接口、键盘鼠标接口组成人机界面，完成数据的回放、打印输出以及后续的数据处理。
2）UPS电源与电池在线监测系统
本部分用于给系统供配电，用于在电源出现故障时的后备供电，其中电池实时监测系统是本系统的关键，可以实时监测电池的内阻，预测电池的使用寿命，使电池能够在真正需要使用的时候可以代替电源供电，不会出现需要电池供电时电池失效的尴尬。
3）多通道并行采集器
本部分是系统中的关键部件，用FPGA完成，可以脱机将各类数据在无计算机参与的情况下主动存进板上的CF卡或者其他存储设备，因为没有计算机的干预，系统的实时性很好，可靠性很高。
4）数据存储设备
存储所有采集数据，确保在任何情况下的数据安全。
5）温度变换前端
温度变换前端用于需要扩充采集车内各部分温度时所用，一般8个通道，可以接受热电阻、热电偶等。
6）应变变换前端
应变变换前端是用于记录发动机变形的变换前端。
7）振动变换前端
振动变换前端是用于记录发动机振动的变换前端。
8）运输参数
运输参数包括实时温度、实时湿度、实时速度，以及三个方向的加速度，三个方向的倾斜度等参数，其中时间、速度通过GPS模块完成，其余的参数通过一片数字式智能芯片完成，精度很高，可靠性很好。
3.2.2试验数据分析处理
实时监测发动机试验的各种参数，分析不同路面等级及发动机在不同状态下的性能和可靠性，提供准确而又全面的试验数据，保障发动机的环境适应性和结构完整性。根据试验任务书的要求，生成规范、标准的试验报告。
对于异常定位坐标数据具备检查过滤功能，异常定位坐标数据不发送到中心。
3.2.3报警功能
车载终端须具备自动和人工报警功能，触发报警时，向中心上报报警信息，并能接收中心指令取消报警信息。
当中心依据车辆上传的车辆位置与状态信息或者安全监管需要，依据设定的条件触发报警时，向终端下发中心报警信息，车载终端应能支持由中心触发的报警的声、光、文字等提示功能。系统可根据使用情况的不同，扩展以下报警功能：
1）设备故障报警：当系统检测发生如下故障时：终端主电源欠压、终端主电源掉电、语音模块故障、车辆故障等等，系统触发报警；
2）车厢温度、湿度异常报警：车厢内温度值超出预设范围时报警，并发送温度异常报警信息到中心，并触发声光报警；
3）车厢加速度度异常报警：车厢内加速度值超出预设范围时报警，并发送加速度异常报警信息到中心，并触发声光报警。
4 结论
发动机公路运输试验参数监测系统实现了车辆“黑匣子”、集成监测系统、试验人员管控功能的三合一公路运输试验平台，解决了相关的技术难题。它可以实时显示汽车工况，对重要参数进行有效监控，对超限情况进行报警等。可有效防范和化解车辆及产品事故的发生。试验的系统集成可以将各个分离的设备、功能和信息等集成到一个相互关联、统一协调的系统中，使资源及数据集中、高效、便利的管理。而对试验人员管控功能，提高了发动机试验的管理能力，实现了及时的通讯，提高了试验效率。
参考文献
[1]王有元，等.固体火箭发动机设计[M].北京：国防工业出版社，1984.
[2]姚昌仁，等.火箭导弹发射动力学[M].北京：北京理工大学出版社，1996，8.
[3]叶天麒，等.航空结构有限元分析指南[M].北京：航空工业出版社，1996，12.
[4]沈伟，等.疲劳载荷对丁羟推进剂力学性能影响的实验研究[J].海军航空工程学院学报，1994.
[5]潘无名，杨明举，徐扬.随机振动系统构件应力谱密度的计算[J].西南交通大学学报，2003（1）.
[6]檀润华，陈鹰，路甬祥. 路面对汽车激励的时域模型建立及计算机仿真[J].中国公路学报，1998（3）.
[7]姚国年，张卫东，赵辉. 弹药公路运输随机振动特性分析[J].测控技术，2004（7）.