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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Testverfahren, und insbesondere Verfahren zum Bereitstellen von Messpunkten, mit denen ein zu testendes technisches System getestet werden kann. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren zum Bereitstellen von Messpunkten innerhalb von Systemgrenzen.
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Stand der Technik
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Beim Vermessen eines technischen Systems mit Messpunkten ist es notwendig, die Messpunkte entsprechend so anzulegen, dass möglichst viele Kombinationen von Werten von Eingangsgrößen in verschiedenen Anregungsmodi, d.h. Kombinationen von Gradienten der Eingangsgrößen, vermessen werden, so dass man eine raum- und dynamikfüllende Belegung des Eingangsdatenraums mit Messpunkten erhält. Die während der Vermessung zu den Messpunkten erhaltenen Werte der Ausgangsgröße können als Trainingsdaten zur Erstellung eines datenbasierten nicht-parametrischen Funktionsmodells dienen.
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Für das zu modellierende technische System, z.B. einen Otto-Motor, ist es besonders wichtig, dass die physikalischen Beschränkungen des technischen Systems bei der Vermessung, beispielsweise auf einem Motorprüfstand, nicht verletzt werden, um eine Beschädigung des technischen Systems zu vermeiden. Dabei überwacht die Messtechnik während der Vermessung das technische Sys- tem dahingehend, dass systemgefährdende Kombinationen von Werten der Eingangsgrößen vor einer Beschädigung der Einheit erkannt werden.
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Allgemein sind Ansätze, die eine Vorabgenerierung aller Messpunkte für die Vermessung vorsehen, nachteilig, da diese nicht zuverlässig unerwartet auftretende systemkritische Betriebszustände vermeiden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Vermessen eines technischen Systems mit einer Menge von Messpunkten gemäß Anspruch 1 sowie die entsprechende Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch vorgesehen.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen vorgesehen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Vermessen eines technischen Systems für die Erstellung eines Systemmodells des technischen Systems vorgesehen, wobei das Vermessen mit einer Anzahl von Messpunkten durchgeführt wird, um jeweils einen Wert mindestens einer Ausgangsgröße zu erhalten. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- – Auswählen eines Messpunkts aus einer Menge von Messpunkten;
- – Bestimmen einer Konfidenzgröße für den ausgewählten Messpunkt anhand eines Klassifikationsmodells, wobei die Konfidenzgröße eine modellierte Zulässigkeit eines Betriebspunktes angibt, der sich durch das Betreiben des technischen Systems an dem Messpunkt ergibt;
- – Durchführen eines Vermessens des technischen Systems an dem ausgewählten Messpunkt abhängig von der Konfidenzgröße; und
- – Aktualisieren des Klassifikationsmodells mit einer Angabe, ob der durch die Vermessung des ausgewählten Messpunkts eingestellte Betriebspunkt des technischen Systems zulässig ist.
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Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, aus einer bereitgestellten Menge an Messpunkten, Messpunkte zur Vermessung eines technischen Systems so auszuwählen, dass die Anzahl von Messvorgängen an potenziell systemgefähr- denden Messpunkten in der Menge der Messpunkte bei einer Vermessung des technischen Systems minimiert wird. Dazu ist gemäß dem obigen Verfahren vorgesehen, dass die Auswahl des jeweils nächsten zu vermessenden Messpunkts abhängig von einer Konfidenzgröße erfolgt. Die Konfidenzgröße wird entsprechend einem Klassifikationsmodell als eine Modellvorhersage oder als eine Prognose ermittelt und gibt eine Sicherheit des Anlegens des entsprechenden Messpunkts an das technische System oder eine Zulässigkeit des sich durch den Messpunkt einstellenden Betriebspunkts des technischen Systems an. Dadurch kann bei Feststellen, dass bei Anlegen des Messpunkts für eine tatsächliche Vermessung sich ein nicht zulässiger Messpunkt ergibt, ein Klassifikationsmodell sukzessive präzisiert werden. Das Klassifikationsmodell kann für weitere Messpunkte eine Konfidenzgröße angeben, abhängig von der weitere Messpunkte aus der Menge an Messpunkten von der Vermessung ausgeschlossen werden, so dass die Sicherheit des Vermessens des technischen Systems insofern erhöht wird, dass die Anzahl der Messvorgänge bei unzulässigen Messpunkten reduziert wird. Somit kann eine Gefährdung des technischen Systems durch die Vermessung minimiert bzw. ausgeschlossen werden.
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Weiterhin können die Messpunkte aus der Menge von Messpunkten entsprechend eines aufsteigenden Abstandes zu einem vorgegebenen Anfangsmesspunkt ausgewählt werden.
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Insbesondere kann der Anfangsmesspunkt abhängig von einem geometrischen Mittel der Wertebereiche mehrerer oder aller Eingangsgrößen der Messpunkte bestimmt werden oder als ein Messpunkt vorgegeben werden, an dem das technische System mit einem zulässigen Betriebspunkt betreibbar ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Klassifikationsmodell durch ein k-Nearest- Neighbor-Verfahren, ein Variable Kernel Density Estimation-Verfahren, ein SVM- Verfahren oder einen Gaußprozess-Klassifikationsalgorithmus erstellt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Klassifikationsmodell mit der Angabe, ob der durch den ausgewählten Messpunkt bestimmte Betriebspunkt zulässig ist, für jeden vermessenen Messpunkt aktualisiert werden.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, einen Messpunkt nur dann zu vermessen , wenn allen Punkten einer direkten Verbindungslinie zwischen einem vorgegebenen Anfangsmesspunkt und dem ausgewählten Messpunkt durch den Eingangsgrößenraum Konfidenzgrößen entsprechend des Klassifikationsmodells zugeordnet sind, die jeweils einen Grad der Zulässigkeit über einer vorgegebenen Schwellenzulässigkeit aufweisen.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Vermessen des technischen Systems an dem ausgewählten Messpunkt nur durchgeführt wird, wenn die Konfidenzgröße angibt, dass das Betreiben des technischen Systems an dem durch den Messpunkt bestimmten Betriebspunkt zulässig ist.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Auswählen der Messpunkte aus einer Menge von Messpunkten durchgeführt werden, indem die Messpunkte nach Arbeitspunkten des technischen Systems gruppiert werden, und für jeden der Arbeitspunkte die Messpunkte aus der Menge von Messpunkten entsprechend eines aufsteigenden Abstandes zu einem dem einen Arbeitspunkt zugeordneten Anfangsmesspunkt nacheinander ausgewählt werden. Auf diese Weise kann ein Springen zwischen Arbeitspunkten, die bei einem Verbrennungsmotor insbesondere durch dessen Drehzahl angegeben sein kann, vermieden werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere Recheneinheit, vorgesehen, die ausgebildet ist, um das obige Verfahren auszuführen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Darstellung eines Testsystems zum Vermessen eines technischen Systems;
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2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Vermessen eines technischen Systems mit ausgewählten Messpunkten;
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3 eine Darstellung einer Reihenfolge von Messpunkten für einen zweidimensionalen Eingangsraum.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Test- bzw. Prüfsystems 1, das zur Vermessung eines technischen Systems 2 ausgebildet ist. Ein technisches System 2 kann beispielsweise ein Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs oder ein Teilsystem davon sein. Eine Vermessungseinheit 3 steuert das technische System 2 mit einer Abfolge von Messpunkten X an, die zu bestimmten Betriebspunkten des technischen Systems 2 führen. Die Messpunkte X umfassen aber in der Regel eine Anzahl d von mehreren Eingangsgrößen, die in einem Eingangsgrößenvektor x ∊ Rd zusammengefasst sind und somit einen Messpunkt x bilden. Zudem gilt für jede der d Eingangsgrößen ein zulässiger Wertebereich. Weiterhin resultiert die Ansteuerung des technischen Systems 2 in einer oder mehreren Ausgangsgrößen y, die an den Messpunkten X gemessen werden.
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In der Regel werden zur vollständigen Vermessung des technischen Systems 2 die Messpunkte X über einen großen Bereich innerhalb der zulässigen Wertebereiche variiert, um so eine möglichst raumfüllende Belegung des Eingangsdatenraums durch die Messpunkte zu erreichen.
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Die Messpunkte bilden mit den entsprechend zugehörigen Werten der Ausgangsgröße Datenpunkte Di = (y, X) mit den Ausgängen zu den y ∊ Ri Eingangspunkten X ∊ Ri×d
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In 2 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Vermessen eines technischen Systems dargestellt.
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In Schritt S1 wird eine Menge von Messpunkten bereitgestellt, die den Eingangsdatenraum, der durch die zugelassenen Wertebereiche der Eingangsgrößen definiert sein kann, möglichst raumfüllend belegen.
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In Schritt S2 wird anschließend aus der bereitgestellten Menge von Messpunkten ein zulässiger Messpunkt als Anfangsmesspunkt ausgewählt oder ein Anfangsmesspunkt unabhängig von den bereitgestellten Messpunkten vorgegeben. Der Anfangspunkt kann manuell von einem Prüfstandsexperten vorgegeben werden oder rechnerisch aus der Menge an Messpunkten ermittelt werden. Beispielsweise kann derjenige Messpunkt als Anfangsmesspunkt ausgewählt werden, der den geringsten Abstand zu einer geometrischen Mitte des Eingangsdatenraums aufweist. Alternativ kann als Anfangsmesspunkt auch die geometrische Mitte des Eingangsdatenraums angegeben werden.
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Alternativ kann für eine oder mehrere der Eingangsgrößen ein Randwert oder ein sonstiger vorbestimmter Wert als Teil des Anfangsmesspunkts angenommen werden und die geometrische Mitte des übrigen Eingangsdatenraums, der durch die übrigen Eingangsgrößen bestimmt ist, bestimmt werden, um aus der geometrischen Mitte des übrigen Eingangsdatenraums und den vorbestimmten Werten der einen oder mehreren Eingangsgrößen den Anfangsmesspunkt zu ermitteln. Insbesondere kann dies bei einem Verbrennungsmotor als technisches System sinnvoll sein, wie beispielsweise bei der Nockenwellenstellung als Eingangsgröße oder dergleichen.
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In Schritt S3 wird nun die Menge an Messpunkten umsortiert, abhängig von dem zulässigen Anfangsmesspunkt. Ein Sortierkriterium kann dabei ein aufsteigender Abstand zum Anfangsmesspunkt SP sein. Beispielsweise ist in 3 im Falle eines 2D-Messpunktraums mit den Eingangsgrößen x1, x2 die Messreihenfolge von Messpunkten durch den aufsteigenden Abstand von dem Anfangsmesspunkt SP dargestellt.
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In Schritt S4 wird nun ein erster bzw. ein nächster Messpunkt aus der Menge an sortierten Messpunkten ausgewählt.
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Um einen schnellen sprunghaften Wechsel zwischen Arbeitspunkten zu vermeiden kann das Auswählen der Messpunkte aus der Menge von Messpunkten durchgeführt werden, indem die Messpunkte nach Arbeitspunkten des technischen Systems gruppiert werden, und für jeden der Arbeitspunkte die Messpunkte aus der Menge von Messpunkten entsprechend eines aufsteigenden Abstan- des zu einem dem einen Arbeitspunkt zugeordneten Anfangsmesspunkt nacheinander ausgewählt werden. Dadurch wird das technische System 2 erst mit den Messpunkten bei einem Arbeitspunkt vermessen und anschließend ein nächster Arbeitspunkt zur Vermessung ausgewählt. Beispielsweise kann bei einem Verbrennungsmotor als technisches System der Arbeitspunkt durch Last und Drehzahl vorgegeben sein.
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In Schritt S5 wird eine Konfidenzgröße für den betreffenden Messpunkt anhand eines Klassifikationsmodells bestimmt. Das Klassifikationsmodell liefert die Konfidenzgröße als eine Modellgröße für jeden Messpunkt als einen Grad der tatsächlichen oder prognostizierten Zulässigkeit des Anlegens des betreffenden Messpunkts an das technische System, das heißt die Konfidenzgröße gibt an, inwieweit (mit welcher Wahrscheinlichkeit) entsprechend dem Klassifikationsmodell zu erwarten ist oder prognostiziert werden kann, dass bei Anlegen des betreffenden Messpunkts an das technische System 2 eine zulässige bzw. erlaubte Systemantwort eintritt. Die Zulässigkeit des Messpunkts wird also dadurch bestimmt, dass die Systemantwort des technischen Systems vorbestimmte Bedingungen einhält, z.B. hinsichtlich einer Einstellbarkeit eines stationären Betriebspunkts (keine Oszillation), hinsichtlich von Wertegrenzen für Zustandsgrößen oder dergleichen.
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Um möglichst viele nicht-zulässige Messpunkte, d.h. als Modellvorhersage des Klassifikationsmodells als nicht-zulässig erkannte Messpunkte, zu verwerfen, wird in Schritt S6 mit Hilfe des Klassifikationsmodells, das sukzessive präzisiert wird, für den in Schritt S4 ausgewählten Messpunkt entschieden, ob die Messung tatsächlich durchgeführt werden soll. Dazu kann ein Schwellwertvergleich mit einem vorgegebenen Konfidenzschwellenwert durchgeführt werden, so dass das technische System an dem ausgewählten Messpunkt nur dann vermessen wird, wenn die Konfidenzgröße des ausgewählten Messpunkt einen Grad der Zulässigkeit über dem vorgegebenen Konfidenzschwellenwert angibt.
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Wird festgestellt, dass der benötigte Grad der Zulässigkeit des Messpunkt nicht erreicht wird (Alternative: Nein), so wird zu Schritt S4 zurückgesprungen und ein nächster Messpunkt aus der Menge der sortierten Messpunkte ausgewählt. An- derenfalls (Alternative: Ja), wird in Schritt S7 der Messpunkt verwendet und entsprechend an dem technischen System eingestellt.
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In Schritt S8 wird überprüft, ob die resultierende Ausgangsgröße in einem zulässigen oder unzulässigen Bereich liegt oder ob ein in sonstiger Weise feststellbares zulässiges oder unzulässiges Systemverhalten vorliegt.
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In Schritt S9 wird das Klassifikationsmodell basierend auf dem Ergebnis der Vermessung des betreffenden Messpunkts präzisiert bzw. aktualisiert.
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Mit anderen Worten kann anhand einer oder mehrerer resultierender Ausgangsgrößen oder Systemparameter nun die Zulässigkeit des Messpunktes ermittelt werden und die Information, ob der betreffende Messpunkt zulässig oder nicht zulässig ist, zum Präzisieren des Klassifikationsmodells verwendet werden.
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Als Klassifikationsalgorithmus zur Erstellung des Klassifikationsmodells können verschiedene Algorithmen aus dem Bereich des Machine Learning verwendet werden. Der Klassifikationsalgorithmus ist vorzugsweise so ausgewählt, dass er mit einer hohen Anzahl von Eingangsgrößen, insbesondere von mehr als fünf, bereits mit einer sehr geringen Anzahl von Messpunkten anwendbar ist. Ferner sollte der Klassifikationsalgorithmus nach einem Vermessen eines entsprechend nächsten ausgewählten Messpunkts innerhalb kurzer Zeit, d.h. mit geringem Rechenaufwand aktualisiert werden können. Ferner sollte der Klassifikator eine kontinuierliche Konfidenzgröße bereitstellen, die insbesondere einen Wertebereich zwischen 0 und 1 annehmen kann. Dabei können „0“ einen nicht zulässigen Messpunkt und „1“ einen zulässigen Messpunkt angeben.
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Mögliche Klassifizierungsalgorithmen können ein k-Nearest-Neighbor Verfahren, ein Variable Kernel Density Estimation-Verfahren, ein SVM-Verfahren (SVM: Support Vector Machines), ein Gaußprozess-Klassifikationsalgorithmen und dergleichen sein. Diese Klassifizierungsalgorithmen ermöglichen es, basierend auf einem Messpunkt und einer Angabe, ob das Anliegen des Messpunkt an das technische System zu einem zulässigen oder unzulässigen Systemzustand geführt hat, präzisiert zu werden.
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Anschließend wird zum Schritt S4 zurückgesprungen und ein nächster Messpunkt aus der Menge der sortierten Messpunkte ausgewählt.
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Um sicherzustellen, dass ein nächster ausgewählter Messpunkt in einem Zulässigkeitsbereich der Messpunkte liegt, kann in Schritt S6 zusätzlich vorgesehen sein, dass der nächste Messpunkt nur dann ausgewählt wird, wenn eine direkte Verbindung zwischen dem Anfangsmesspunkt und dem ausgewählten Messpunkt nicht durch einen Bereich von Messpunkten verläuft, die der Klassifikator als unzulässig bewerten würde. Dazu kann eine Verbindungslinie zwischen dem Anfangsmesspunkt SP und dem ausgewählten Messpunkt in Abschnitte unterteilt sein und entsprechende Konfidenzgrößen gemäß dem bestehenden Klassifikationsmodell entlang der Verbindungslinie bestimmt werden. Die so ermittelten Konfidenzgrößen werden entsprechend dem Konferenzschwellenwert bewertet. Wird dadurch für wenigstens eine der so ermittelten Konfidenzgrößen festgestellt, dass der Grad der Zulässigkeit nicht erreicht wird, so kann vorgesehen sein, den ausgewählten Messpunkt zu verwerfen. Mit anderen Worten kann ein Messpunkt nur dann vermessen werden, wenn allen Punkten einer direkten Verbindungslinie zwischen einem vorgegebenen Anfangsmesspunkt und dem ausgewählten Messpunkt durch den Eingangsgrößenraum Konfidenzgrößen entsprechend des Klassifikationsmodells zugeordnet sind, die jeweils einen Grad der Zulässigkeit über einer vorgegebenen Schwellenzulässigkeit aufweisen. Anschließend kann durch Rücksprung zu Schritt S4 der nächste Messpunkt ausgewählt werden.
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Bei einem Verbrennungsmotor als technisches System, das auf dem Prüfstand 1 vermessen werden soll, kann eine Zulässigkeit oder Nichtzulässigkeit eines Messpunkts durch die Betriebsfähigkeit des Verbrennungsmotors bestimmt sein. Weitere Kriterien können der Kraftstoffverbrauch, Schadstoffemissionen oder dergleichen sein. Der entsprechende Zulässigkeitsgrad muss jedenfalls durch Auswerten der durch eine Vermessung eines Messpunkts bestimmten Ausgangsgröße erhaltbar sein.