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附录A 译文
轮胎压力监测的创新决策方法
Oche Alexander Egaji , Salem Chakhar , David Brown
（文章信息：文章历史：2018年5月11日收到 2018年8月11日修订 2019 年1月17日接受于2019年1月24日在线）
关键词：轮胎压力 监测系统 决策规则
摘要
轮胎是车辆上最重要的安全组件之一。忽视或未能正确设置轮胎压力可能会导致事故，并可能影响车辆的燃油效率和轮胎寿命。因此，需要一种可以有效地监视轮胎状况的轮胎压力监视系统（TPMS）。当前基于阈值的TPMS的特征在于大量的误报。这主要是由于：（i）轮胎压力与温度之间的非静态和动态关系；（ii）用于数据收集的压力/温度传感器的测量误差。在本文中，我们提出了一种基于决策规则的创新轮胎监控方法。这种方法依赖于基于优势的粗糙集方法（DRSA），这是一种众所周知的多准则分类和偏好学习方法。DRSA将决策表作为输入，并生成ifthen决策规则的集合作为输出。通过固定其中一个参数，然后根据另一个参数生成决策规则，可以解决由动压/温度关系引起的问题。错误警报的问题通过固定参数规模的离散化解决。基于这些解决方案，我们设计了两种分析级别：面向压力的分析和面向温度的分析。提议的方法已在英格兰南部运营的重要旅行公司中得到验证和实施。实际测试表明，所提出的方法改进了当前系统，并大大减少了误报。
copy;2019 Elsevier Ltd.保留所有权利。
1介绍
尽管轮胎是车辆上最重要的安全组件之一，但它们经常被忽略。但是，轮胎的状况对于车辆安全至关重要。根据皇家汽车俱乐部（Royal Automobile Club，2016）的数据，超过300万驾车者从未检查轮胎压力或一般轮胎状况，造成生命危险。英国皇家汽车俱乐部（ Royal Automobile Club）（2016）的研究显示，英国道路上八分之一的车辆至少有一辆非法轮胎。汽车协会将其描述为令人震惊的疏忽程度。TyreSafe与英国公路协会合作，对超过340,000个轮胎进行了调查，这些轮胎在英格兰，北爱尔兰，苏格兰和威尔士的819个零售点进行了更换。他们的调查表明，在英国，更换轮胎时非法轮胎的平均比例超过27％。这表示目前，英国道路上的3500万辆汽车和轻型商用车中有四分之一是用非法轮胎驾驶的。轮胎充气不足或过度充气等危险轮胎状况是 造成人员伤亡事故的最大原因。大约6％的致命高速公路事故是充气不足轮胎突然失效的结果（Royal Automobile Club，2016）。更重要的是，较小的轮胎变形量（17％）可使燃油消耗增加2％，并使轮胎的使用寿命减少25％。欧盟每年浪费2000万吨燃料，产生200万吨二氧化碳，并在预期寿命到期前浪费2亿个轮胎（Marton， Fodor，Enisz和Nagy，2014年）。轮胎安全根本不是选择，而是必须 的。这促使人们需要一种胎压监测系统（TPMS）， 该系统使用传感器监控轮胎内部状况，并在温度或压力超过设定的阈 值时向用户发出警报。
本文提出了一种基于决策规则的创新轮胎监控方法，该方法基于从英国西南客车运营商之一收集的数据。这种方法依赖于基于优势的粗糙集方法（DRSA）已知的多准则分类和偏好学习方法（ Greco， Matarazzo和Słowinacute; ski ， 2001 ； 2002 ； Słowinacute; Ski ， Greco 和Matarazzo ， 2002 ； 2012）。DRSA将决策表作为输入，然后生成if-then决策规则的集合。DRSA具有强大的特征，使其在现实世界的决策问题中具有吸引力（Chakhar，Ishizaka，Labib和Saad，2016年）。DRSA的主要特征之一是使用学习集作为输入，以激发和概括决策者的偏好，从而最大程 度地减少了决策者的认知工作量。尽管将学习集用作输入已在多种多 准则分类方法中进行了调整，但与其他多准则分类方法相比，DRSA的主要优点是其简单性和易于理解的优势，而其他方法没有这样简单明了的解释。
胎压与轮胎之间的非静态/动态关系
由于温度以及传感器的测量误差，同时使用温度和压力值的DRSA的应用将导致大量不连贯和相互矛盾的决策规则。此外，使用当前基于阈值的方法可能会导致错误警报。作者提出的解决这些问题的解决方案 包括：（i）固定一个参数并根据另一个参数生成决策规则；（ii） 固定参数规模的离散化。这两种解决方案解决了与轮胎压力和温度之 间的非静态/动态关系相关的问题，从而防止了误报。基于这些解决 方案，我们设计了两种类型的分析级别：（i）面向压力的分析；（ii）面向温度的分析。这些分析级别的原则是将固定参数值离散化为一组有序范围，然后为每个围构建一个决策表，然后使用DRSA推 断决策规则。生成的决策规则需要通过添加与固定参数相关的隐式条件（压力导向分析中的温度或温度导向分析中的压力）进行验证和完 善。提议的方法已经过验证和实施。在一个在英格兰南部运营的重要旅行公司内。我们的实际测试表明， 所提出的方法大大改善了轮胎监控系统，并大大减少了误报。
本文的其余部分安排如下。第2部分介绍了TPMS，并讨论了设计和实现TPMS的主要方法。第三部分详细介绍了基于决策规则的TPMS建议方法。第4节对系统实施和验证进行了评论。第5节介绍了案例研究。第6节提供了比较研究，并验证了使用大型数据集的分析方法。第7节总结了论文。
图 1. 轮胎充气压力的影响。
2 轮胎维护和轮胎压力监测系统的现有方法
本节介绍了轮胎保养的概念，并介绍了由于轮胎充气不正确而引起的各种磨损（第2.1节）。它还说明了TPMS，它可以分为两类，即：直接TPMS（dTPMS）和间接TPMS（iTPMS）（第2.2节）。最后，讨论了当前方法的主要缺点（第2.3节）。
2.1轮胎保养
确保轮胎以正确的压力充气是至关重要的，因为轮胎中的压缩空气有助于支撑轮胎。车辆的重量及其负载。如第1节所述，它也会影响车辆的燃油效率。所需轮胎压力通常在车辆类型，轮胎制造和/或所承载的负载之间变化。建议定期检查轮胎压力是否与制造商推荐的压力相匹配，以确保车辆的正确负载曲线。由于负载的变化，这对于商用车至关重要。建议的轮胎充气压力通常基于车辆规格和轮胎壁。正确或不正确的充气压力对轮胎磨损/胎面花纹的影响如图1所示。可以看出，当轮胎充气不足时，轮胎的两侧倾向于磨损更多，而当轮胎充气时，轮胎的中心磨损则更大。充气过度。这些不均匀的磨损方式对驾驶员构成风险，包括：减少道路牵引力，增加停车时间，增加轮胎爆胎的风险（在某些情况下可能是致命的），并可能导致警察罚款。 这些问题增加了对能够实时监控轮胎状况的TPMS的需求。
2.2胎压监测系统
TPMS是一种电子系统，旨在监视充气轮胎内部的气压。TPMS将轮胎温度和压力读数报告给驾驶员或中央控制单元。这可以通过仪表，象形图显示器或简单的低压警告灯来完成。TPMS有两种类型： dTPMS和iTPMS。TPMS是在汽车级工厂提供的，也可以作为售后解决方案提供。TPMS的使用可以减少由轮胎引起的道路交通事故的可能性，并且可以提高燃料效率并减少由于过度充气或充气不足引起的轮胎磨损。
2.2.1.间接胎压监测系统
iTPMS依赖于防抱死制动系统使用的车轮速度传感器。这些传感器测量每个车轮的转速，然后通过车载计算机系统将其与自身以及其他车辆运行数据（例如速度）进行比较。第一代iTPMS的前提是，与正确充气的轮胎相比，充气不足的轮胎的直径较小（因此，角速度较高）。但是，当轮胎充气不足时，此方法将失败。第二代iTPMS通过 使用单个车轮的频谱分析解决了同时检测的问题。这可以使用高级信号处理技术来实现。频谱分析基于这样的原理，即轮胎/车轮组件的 某些本征形式和频率对充气压力高度敏感。这些振荡可以是通过车轮速度信号的高级信号处理进行监控（Premarsha，2016年）。 在Na，Shin，Lee和Lim（2016）中讨论了iTPMS的示例（另请参见Na，Shin，Lee和Lim（2017））。但是，当购买其他轮胎，轮胎磨损不均匀或在正确充气或轮胎旋转后未重置系统时，这种轮胎监视方法 可能变得不准确且不可靠。因此，必须直接测量轮胎压力，以确保驾 驶员/驾驶员接收到可靠的信息。
2.2.2直接胎压监测系统
dTPMS在每个车轮上使用压力/温度传感器，无论内部还是外部。传感器测量单个车轮的轮胎压力/温度，并将此信息发送给驾驶员和/ 或数据收集点。该设备可以同时检测一个或多个轮胎，从而可以检测任何形式的充气不足。这是目前使用最广泛的方法，因为它解决了使用iTMPS所面临的一些问题，并且可以同时检测轮胎充气不足/过度充气。dTPMS有五种类型，它们可以直接测量重型车辆的轮胎压力/温度， 它们是：轮辋支架（轮胎外壳内），轮胎补丁（安装在轮胎外壳内的轮胎），内气门杆（轮胎内）包络线），流通液（轮胎外侧）和气门嘴杆座（轮胎外侧（Premarsha，2016年）。本文使用了边缘安装dTPMS方法。该系统由传感器，唯一识别码芯片，天线，显示单元，收发器（拖车箱）和车辆识别码组成。
2.3现有的一些方法
当前的TPMS系统基于压力，并且它们是阈值系统，最终用户在其 中设置警报的最小和最大压力。然而，轮胎的温度和压力关系不是静态的，因为内部温度随压力而变化。这可能会导致误报，因为轮胎内部温度的每日变化可能会很大，尤其是在炎热的气候下。这可能导致 压力超过设定的阈值，从而触发错误的故障警报。当务之急是在一 温度下动态确定合适的压力，以避免误报并发现轮胎早期缺陷。这可 以通过适当的取决于温度和压力的决策算法来解决。Vishnoi，Rani，Singhal，Singh和Shinghal（2015）提出了无线TPMS电子系统，该系统测量轮胎的内部温度/压力，然后通过射 频（RF）遥控器将该数据发送到车载系统。本文关注于没有数据分析 的简化TPMS系统设计的硬件要求。Hasan，Arif和Pervez（2011）介 绍了一种在车辆中实施TPMS的方法。这些作者提出了一种仅依靠汽车 充气轮胎内部气压的系统。每当轮胎压力超过最大或最小安全压力水 平或突然变化时，都会生成警告。轮胎压力的下限和上限或突变的安全范围可以由用户修改。Karhe和Patil（2016）的论文重点研究了使 用ATmega16微控制器基于Android的TPMS系统的设计和开发。来自传感器的轮胎温度和压力测量值显示在液晶显示器（LCD）显示屏上，并且可以通过蓝牙将其发送到Android手机。无需额外处理温度和压力测量。Garcia-Pozuelo，Olatunbosun，Yunta，Yang和Diaz（2017） im-补充了一种基于应变的新颖方法，可使用模糊逻辑估算轮胎状况，例 如充气压力，垂直负载或滚动速度。Coppo ， Pepe ， Roveri 和Carcaterra（2017）开发了多感测装置，可使用滚动轮胎上的光学传感器通过实验测量轮胎应变。Kubba和Jiang（2014）对TPMS技术和潜在的节能解决方案进行了压缩 研究。该研究的重点是比较各种类型的压力传感器，它们的测量精度 和功耗。
Svensson，Thelin，Byttner和Fan（2017）使用有监督的机器学习方法设计和开发了iTPMS。该系统无需检测额外的物理传感器或特定于车辆的参数，即可检测车队中不同类型车辆的错误轮胎压力和螺 纹深度。实验结果表明，所开发系统的准确率达到90.54％。其工作的局限性在于使用了2.2.1节中概述的iTPM。更进一步地，他们的混淆矩阵显示，错误贴标签的10.93％为假阴性，而89.9％为错误阳性。 这意味着更多有故障的轮胎被错误分类为好轮胎，这可能是灾难性的。重要的是，将这种误报减少到最低限度。李，田，祖和杨（2010）的作者提出了一个模糊综合评估模型，用于确定轮胎安全状态并将其分为五个安全级别，即：非常安全，安全，基本安全，危险，非常危险。模糊模型由五个输入 变量组成，分别是：轮胎温度，压力，车速，轮胎负载和轮胎磨损。 他们使用了“层次分析法”（Saaty，1980）来计算所有输入参数的相对权重。这些重量然后用于识别轮胎的安全状态。
2.4小结
在此讨论的基础上，我们可以发现一些表征现有方法的缺点：当前基于阈值的TPMS的特征在于大量的误报。这主要是由（i） 轮胎温度和压力之间的动态关系（这是TPMS的主要输入参数）；（ii）用于数据收集的传感器的测量误差。另外，现有的大多数研究都集中在TPMS硬件的技术方面，而很少关注决策方面。除了李等人的建议。（2010年），上述研究均未涉及使用多准则 分析进行轮胎压力监测。先前的大多数系统都将重点放在单个参 数（通常是压力）以及设定的阈值上。结果，现有方法无法处理压力和温度变量及其偏好方向之间的动态关系。传统机器学习方法的使用不足以考虑表征轮胎健康状况的序数关系。
3拟议方法
本部分的目的是为TPMS提供基于规则的决策方法。这种方法依赖于DRSA，它是一种众所周知的多准则分类和偏好学习方法。第3.1节 提供了DRSA的
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