专用汽车水力测试系统研究与运用
2023-07-30方克魁李存荣
方克魁 李存荣
摘要：专用车检测设备与基于B/S结构的网站相结合开发的专用水力检测系统，主要包括流量测试、压力测试、转速测试以及专用车运行参数检测模块。各个模块通过Modbus协议将数据传输到服务器中，使用Spring技术和Vue技术搭建系统，实现对整个系统的监测和可视化。该系统可对相关汽车水力测试方面的性能要求进行检测验证，针对企业和检验部门对产品相关要求的不同机理進行测试分析，进一步掌握产品的使用性能，提高企业产品质量，提升产品附加值等方面起到较好的促进作用。
关键词：专用汽车；水力测试；检验检测
中图分类号：U467.5 收稿日期：2023-02-10
DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.025
1 前言
本研究基于现有国家标准和行业标准［1-3］，结合专用汽车水力测试方面，旨在专用汽车领域水力测试方面有所突破，着重对消防汽车、绿化喷洒车、吸污车等水力部分进行检测，验证其性能和符合性，从而解决产品生产周期长、附加值低和技术性能差等问题。本研究详细论述了系统的硬件配置要求、数据库结构设计、软件功能分析等。该系统实现了对专用汽车水力测试的数据采集、报告、统计分析、报告生成等高度智能化，充分适应了消防单位对消防车水力特性的测试要求，具有广阔的应用前景。本次设计实现了对专用汽车水力性能进行参数如出水流量和压力、真空度、转速以及消防车功率输出装置的运行温度等采样，并可以根据设定的阈值范围进行警报，并生成相应的水力性能检测报告，满足园林、城建、应急救援等部门对于专用车水力性能的功能要求。
专用汽车水力性能测试装置是专门用来验证实验洒水车、绿化喷洒车、吸污车和消防车等一切以水为介质的功能性专用车，在大型抢险救援现场、日常作业中发挥着不同作用，作为管控重点的消防车，其产品质量直接关系人民生命和财产安全。国家在对新消防车生产和监督抽查时，加强了其水力系统性能的测试，包括消防泵的7 m吸深试验、消防泵连续运转试验、密封性及最大真空度试验、超负荷运转试验等，实时记录各个检测点的数据并存档打印。水泵控制在额定转速下，分别测量作业速度为5 km/h和20 km/h时水罐额定载水量的洒水距离，或在水泵出水口安装流量测量仪表，测量洒出的总水量和相应的洒水距离。
本水力性能测能装置在现场进行实际作业时，用于采集数据的各类传感器首先会把待测信号转换为4～20 mA的标准信号，再通过RS485接口将采集的数据传到串口服务器连接，通过TCP/IP协议将传感器的数据传输至上位机，再由其对现场传输过来的数据进行处理和分析，并进行储存。
2 系统设计方案及关键技术介绍
2.1 Modbus协议
MODICON首先推出的是作为一种标准通信协议被广泛运用的Modbus软通信协议，该协议已经成为不同系统之间的通信标准。目前，这种协议在RS232/RS485通信过程中应用得比较广泛。在实践中，最常见的用法是修改少量的协议，但把协议的格式附在软件手册中，或直接放到帮助中，这样用户就可以更方便地交流。
2.2 Spring框架
Spring框架是一个开源的Java/Java EE全功能堆栈的应用框架，它提供了一系列底层容器和基础设施并集成，致力于Java EE各层的解决方案，对一些难以使用的API提供了封装，是开发Java EE应用程序不可或缺的工具。该框架最初的目的是解决耦合问题，能够方便解耦，简化开发。Spring框架的核心技术包括依赖性注入、国际化、验证、事件、资源、数据绑定、类型转换、SpEL和AOP。除此之外，该框架还提供对网络框架、集成、数据访问、测试和语言的支持。
2.3 Vue框架
Vue.JS是一个用于前端开发的JavaScript库，它是一个渐进式框架，只专注于视图管理层，可以更容易地与其他开源库集成。Vue框架如今非常受前端开发者的欢迎，主要有轻量级、组件化、路由等优势，使项目更简单、更灵活，减少DOM操作，节省了资源。
2.4 系统设计方案
专用汽车水力测试系统的现场数据通过多个传感器进行采集，传感器通过RS485接口将数据传到串口服务器，串口服务器通过串口与服务器连接，通过TCP/IP协议将传感器的数据传输到服务器中进行储存，同时服务器将数据传输到云端，个人用户客户端可以使用手机或电脑等工具通过网络对现场的数据进行查看，实现整个测试系统的可视化。此外还可以查询相关历史数据，以帮助企业对产品进行改进和优化。图1所示为系统的整体设计方案。
3 系统硬件设计
3.1 硬件架构
本测试系统的硬件设计主要分为四大模块：流量测试模块、压力测试模块、转速测试模块以及水力运行参数检测模块。四个模块对专用车的相关参数和重要的运行参数进行监控和测试。
a.流量测试模块。
流量测试模块主要是测试安装在设备工程上的水泵是否能够满足该工程的需要，由压力测试和流量测试设备（图3）决定。这两种设备也用于定期测试相关水泵的性能，因为随着时间的推移，由于电源的原因，或由于泵的叶轮磨损或堵塞的原因，泵的性能将无法满足水设备所需的压力和流量。
b.压力测试模块。
专用汽车的水压力测试模块也被称为压力测量装置或压力测试装置（图4）。根据《消防法》规定，消防车的泵组必须在消防泵房内配备流量和压力测试装置，消防泵压力测试装置的测量精度必须达到0.5级，最大范围为75%以上的最大消防泵设计压力值的165%。
c.转速测试模块。
车辆的传动系统负责将发动机产生的动力传输到车轮上。传动系统的常见故障，如轴的损坏、磨损、变形和不平衡，会直接导致车辆的噪音和振动，严重的会导致半轴损坏和飞轮箱变形。因此，车辆传动系统的扭矩系统的测量非常重要，它关系到车辆动力机械系统是否符合标准的重要指标。图5为转速测试示意图。
d.专用车运行参数检测模块。
专用车运行参数检测模块主要通过各类传感器监测消防车的各个参数。消防车一旦进行作业则表明可能发生了火灾，进行消防救援时保证各个工作参数可监视是十分重要的，一旦发生异常需要及时排查原因，以保证救援行动不受影响。
3.2 系统要求及传感器选型
a.流量测试模块的主要要求。
①高压管流量：PV16 1.1～21 L/S；②中压管流量：PV17 4.4～69.4 L/S；③低压管流量：PV18 16.7～277.8 L/S。
根据需求，本系统的流量测量选择电磁流量计，带向现场显示，所选择的电磁流量计应符合上述低压、中压、高压流量管道的等级要求，精度大于等于±1.0％，安装应保证前10后5的管径。
流量调节阀使用的是电动调节阀，所选择的节阀应符合上述低压、中压、高压流量管道的等级要求，精度大于等于±1.0％。调节阀除了压力等级和精度的要求之外，根据现场需求，还应具有信号反馈和遥控功能。
b.压力测试模块的主要要求。
①进水管（真空）压力：PV7 -0.1～0MPa；②中（高）压管压力：PV8 0～6.4MPa；③低压管压力：PV9 0～2.5 MPa。
根据需求，本系统的压力测试模块应该能够测量三个压力点，为满足系统要求，三个压力传感器应分别为量程-0.1～0 MPa真空压力传感器，0～6.4 MPa中（高）压力传感器，0～2.5 MPa的低压力传感器。为保证压力源稳定，压力测量应通过取压罐测量。根据系统要求，压力表设置在三个压力的测量点：-0.1～0 MPa进水管（真空）压力表，0～6.4 MPa中（高）压力表，0～10.0 MPa压力表。
c.转速测试模块的主要要求。
传动轴转速：PV6 0～9 999 r/min。
根据需求，本系统转速传感器的参数规格选择如下：测量范围为0～9 999 r/min，配有稳定的三脚架和伸缩杆，横杆长度1.8 m以上。
d.消防车运行参数测试模块的主要要求。
①发动机水温：PV1 0～150.0℃；②发动机油温：PV2 0～150.0℃；③取力器油温：PV3 0～150.0℃；④取力器轴承温度：PV4 0～150.0℃；⑤变速箱油温：PV5 0～150.0℃；⑥传动轴转速：PV6 0～9 999 r/min。
在温度传感器选型方面，根据系统需求，为测量上述消防车运行参数测试模块的1～5项参数，需要温度传感器共5个，选择带高温磁性Pt100；另外再额外选Pt100的温度传感器3个，用来测量水井、水池、环境的温度［4］。
3.3 串口服务器
串口服务器是通过网络连接两个或多个串行设备的网络设备。在本系统中使用串口服务器将四个测试模块的传感器进行集成，将RS485接口传过来的数据转化为IP端口的数据，通过TCP/IP协议传输到服务器中进行显示和储存。
4 系统软件设计
4.1 数据库设计
数据库，顾名思义就是存放数据的仓库，目前现实工程中的数据库种类有很多，如MySQL、SQL Server、Oracle、Access等。相较于Access数据库对大数据量的支持不友好（一般Access数据库达到50M左右的时候性能会急剧下降），SQL server数据库属于中型数据库，满足大数据量的需要，且其界面简洁，操作简单，安全性较高，因此本项目存储数据上选择SQL server数据库。
4.1.1 数据库的概念结构设计
数据库的设计主要分为两个部分，分别为数据库的概念结构设计和逻辑结构设计，其中在进行概念结构设计时可以自动体现系统的需求。概念模型是对现实世界的真实反应，是各种数据模型的共同基础，能够转换为数据模型，其中最常用的概念模型是E-R图，图7是特殊作业的专用汽车作业过程中的E-R图。
以上面的E-R图为例，专用车作业时的参数包括车辆编号、车牌号、流量、压力、真空度、转速、温度等。类似地，还有用户的概念模型、专用车基本信息的概念模型、参数阈值的概念模型、历史数据的概念模型。
4.1.2 数据库的逻辑结构设计
在SQL server中，首先建立一个新的数据库，再创建新表，初步需要建立的表有用户信息表、专用车基本信息表、作业参数表、参数阈值表、历史数据表。
a.用户信息表。
用户信息表存储的是系统用户的基本信息，最重要的是用户名和密码，在用户登录该系统时会将用户输入的用户名和密码与数据库中存储的信息进行比对，如果信息符合规范且匹配成功则跳转至主界面。表1为用户信息表的表样。
其中“是否允许为空”值为no表示该属性在数据库中必须有值，“是否为主键”值为yes表示该属性有唯一性，即用户的编号是唯一识别的、不可重复的。下面各表中的相应值所表示的含义相同。
b.专用车基本信息表。
专用车基本信息表储存的是车辆的一系列基本信息，该表储存的属性值有很多，其中主要的属性有车辆编号（该表的主键）、车辆类型、车牌號以及车辆的注册时间，如表2所示。用户可以在系统里直观地查看这些属性并添加新的车辆信息。
c.专用车参数阈值表。
专用车参数阈值表主要储存的是各个车辆参数的警报数据值，包括上限值和下限值，如表3所示，根据该数据判断作业参数是否正常。
d.专用车作业参数表。
该表储存的是车辆在作业过程中的一系列参数最新数值，如表4所示，最终在系统中以图示化的方式呈现给系统用户。
e.历史数据表。
该表存储的是车辆作业的参数历史数据，相较于作业参数表展示给用户的最新的数据，该表最终在系统里是根据用户的选择展示相应的历史数据，需要重点记录的是每条数据的记录时间，如表5所示。
4.2 后端数据处理层
4.2.1 数据接收
计算机可以通过TCP协议与串口服务器通信，以获取连接到串口服务器的传感器的数据。这种通信方式可以实现远程数据采集和监控。
计算机首先需要知道串口服务器的IP地址和端口号，然后使用套接字编程，建立与串口服务器的TCP连接。一旦连接建立成功，计算机就可以向串口服务器发送命令，以获取传感器的数据。
串口服务器收到命令后，会将命令转发给连接到它的传感器；传感器根据命令执行相应操作，并将数据返回给串口服务器；串口服务器再将数据通过TCP连接发送回计算机；计算机把相应的数据放在数据库进行储存，并且提供给前端实现数据的可视化。
4.2.2 数据监控
系统在接受到传感器的数据后，将数据首先传输给前端页面，以实现对被测车辆的实时检测。此外还将数据传输给后台数据库进行储存，以达到对车辆历史的测量数据的存储，方便后续查看。
4.2.3 登录接口
用户点击网站首页，再填入登录表单后，会将表单的用户名和密码通过AJAX传输到后台系统。后台系统中会得到用户信息的JSON字符串，形如{“name”：”XXX”，”password”：”123456”}，然后去数据库的用户表中查找是否存在该用户名，如果不存在则返回错误信息给前端，如果存在用户名则比较密码是否正确，如果正确返回success给前端，否则返回fail，再由前端进行进一步处理（图8）。
4.2.4 数据可视化接口
前端通过传递车辆的编号，后端接收到车辆编号后，可以根据车辆的id在数据库可进行索引，查找出该辆车的的所有测量信息，通过JSON字符串的方式发送到前端，实现该车辆的数据可视化（图9）。
4.3 前端数据显示层
前端数据显示界面采用的当下较为流行的Vue2.0框架，配合ElementUI进行组件式开发，其中用到的技术有vuex、router、axios等。开发的模块主要包括登录界面、主界面、车辆管理、阈值设置、参数监控、历史数据等模块，不同的模块分别对应不同的组件。在进行开发之前需要先进行脚手架的配置。
与其他大型框架不同，Vue是一套用于构建用户界面的渐进式框架，可以自底向上逐层应用。Vue 的核心库只关注视图层，不仅易于上手，还便于与第三方库或既有项目整合。另外，当与现代化的工具链以及各种支持类库结合使用时，Vue 也完全能够为复杂的单页应用提供驱动。
ECharts是由百度开发的一款图表工具，是基于JavaScript的数据可视化图表库。相较于开发人员手动绘制相关图表，ECharts提供了直观、生动、可交互、可个性化定制的数据可视化图表，且方便使用。在本系统的开发过程中，对于车辆参数的实时显示部分采用了ECharts的折线图和柱状图进行数据的可视化。
4.3.1 登录界面
登录界面实现的功能是将用户输入的用户名和密码与数据库中存储的信息进行比对，如果信息符合规范且匹配成功则生成一个cookie储存在浏览器中（作用时限为一次会话，会话结束后cookie失效，需要用户重新登录，没有cookie则无法进入系统），并跳转至系统主界面。登录界面如图10所示。
4.3.2 系统主界面
系统的主界面主要分为三个区域，分别是侧边导航区、头部端区域和内容主体区域，不同区域分别对应不同的组件。由于本系统采用的是单页面开发，不同功能模块的跳转通过对各个模块进行路由绑定，在内容主题区域通过
内容主体区域左侧是以某一辆消防车为例，可以显示该辆车当前的各项数据，通过axios向后端发送数据请求可以拿到相应的参数信息，再通过定时器可以设定某一固定时间内发送一次axios请求，拿到最新的一次数据。右侧是各个车辆的数量以及显示当日的参数异常数量信息，方便用户尽快查看。界面如图11所示。
4.3.3 车辆管理界面
车辆管理模块主要是对车辆进行信息管理，主要功能包括增加注册新的车辆、删除某一车辆信息、修改某一车辆信息、查询某一车辆信息等操作。除了对车辆进行增删改查的操作之外，还可以对所有车辆信息进行导出至Excel表格。车辆管理界面如图12所示。
4.3.4 警报设置界面
警报设置模块主要是设置不同车辆各个参数的工作阈值界限，包括上限值和下限值。当数据监测模块中的对应工作参数超过设置的阈值界限时，系统会记录下来，方便用户即使查看并在现实中做出相应处理。警报设置界面如图13所示。
4.3.5 数据监测界面
数据监测模块是对车辆进行所需的参数监测，该模块用到了Echarts可视化图表库。以消防车的流量为例，通过axios向后端发送数据请求拿到流量信息最新的若干条数据，之后可以对这些數据信息进行折线图、柱状图显示，同时也可以以文字形式显示，并下载保存相应数据图。数据监测模块如图14所示。
4.3.6 历史数据界面
历史数据模块是对各个车辆的各个参数进行历史记录，用户需要选择查询的车辆编号以及要查询的时间区间，之后点击查询记录，相应的触发事件通过axios向后端发送数据请求（携带请求信息包括查询的车辆编号以及时间区间），得到相应的历史数据显示在表格中，并可以导出相应数据［5-8］。历史数据模块如图15、图16所示。
5 结语
在产业政策及市场需求导向作用下，专用汽车行业产业规模、研发能力逐步迈上新台阶，智能化、专用化和轻量化的专用汽车新产品、新技术不断涌现，进一步推动了专用汽车产业转型升级，改善专用车水力性能测试装置及系统，涉及消防车测试设备、洒水车测试设备领域。通过流量测试模块、压力测试模块、转速测试模块以及消防车运行参数检测模块，检测场地上设置水池和水井，测试场地上搭建控制室，安装内部中控台和各种转速传感器和工作箱。工作箱的内部设置有压力变送器、压力表、温度传感器和投入式液位变送器。该专用车测试系统设置了转速传感器、压力变送器和压力表对水泵进行测试显示结果。温度传感器可对消防车测试时的发动机水温、发动机油温、取力器油温、取力器轴承温度、变速箱油温进行实时监控，这就完善了监控范围，增加了车辆测试部位，提高了测试结果。测试装置还可以通过对测试管路的远程控制调节，实时监测车辆泵送系统的流量、压力、真空度、转速以及消防车功率输出装置的運行温度等参数，为分析、评价专用汽车的水力性能及有关部件的可靠性提供了充足、详实的依据。此外，系统还通过搭建网络云平台使用户可以通过网络实时清楚地看到专用车的各项参数，并提供了历史数据的保存和备份，方便于企业对产品进行改善。
与现有的一些专用车水力检测系统相比，此系统的创新之处主要有以下几点：
a.便捷性：只需将测试装置中的各传感器、测试管路与消防车辆的被测部件或部位相联接，无须改造车辆的原有管路，即可实现消防车辆在各种运行工况下水力性能参数的测量。
b.自动化：使用测试装置时，各传感器测得的所有参数数值都能直接或通过二次仪表间接显示在控制柜上，操作人员可通过设定计算机软件控制终端，实现所有数据的自动记录。
c.可拓展：测试装置具有较强的可拓展性，利用现有的测试管路、测试仪表和测试方法，加以改造或增加配置一定的设备，可满足更多消防车产品在不同环境下的测试要求，如在野外测试远程供水消防车的流量数值、压力损失，对压缩空气泡沫系统的水、泡沫、空气的性能指标进行测试等。
该设计对于专用汽车水力测试系统进行了初步的再次开发，具有一定的现实功能，但仍有许多不足之处，如主要代码的复用率不高、响应时间较长、系统仅针对少数几种车型等。
参考文献：
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作者简介：
方克魁，男，1967年生，工程师，研究方向为产品质量检验、专用汽车车载装置测试。
