張新豐 楊殿閣 連小珉
(1.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心,上海201804;2.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100084)
隨著汽車功能的增多,特別是電子電器的增加,汽車與人的交互模式,變得越來越復(fù)雜,人車交互設(shè)計(jì)也逐步受到重視.2009年,以汽車人機(jī)交互為主題的第一屆國際會議在德國埃森召開[1],表明汽車人機(jī)交互的研究已逐漸成為一個(gè)新興課題.
多模式交互或多通道交互技術(shù)主要是指利用圖形、語音、手勢及智能體輸入等方法,實(shí)現(xiàn)人與系統(tǒng)的交互[2].多模式交互最初主要應(yīng)用在計(jì)算機(jī)[3]、手持移動終端[4],服務(wù)機(jī)器人[5]等領(lǐng)域.近年來,在汽車人機(jī)界面上也逐漸應(yīng)用多模式交互與多模式操控.20世紀(jì)90年代以后,車載微機(jī)及遠(yuǎn)程信息服務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用,使得汽車與人的交互界面發(fā)生巨大的變化[6],觸摸屏、車載語音提示和語音操控等技術(shù)已開始應(yīng)用[7-8].
目前對汽車多模式交互的研究主要集中在人車界面的開發(fā)研究[9],比如車載顯示技術(shù),語音識別與合成技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)等等,而對于實(shí)現(xiàn)多模式操控的電器系統(tǒng)構(gòu)架及協(xié)調(diào)控制方法的研究相對較少.文中首先根據(jù)多模式交互操作對汽車電器系統(tǒng)的需求,對兩種車身電器系統(tǒng)構(gòu)架進(jìn)行了優(yōu)劣對比,然后提出了針對多模式操控的中央?yún)f(xié)調(diào)控制方法,最后開發(fā)了原型樣車,證明了智能化全分布式系統(tǒng)架構(gòu)及中央?yún)f(xié)調(diào)機(jī)制對于多模式操控的設(shè)計(jì)具有極大的優(yōu)勢.
面向多模式操控的車身電器控制系統(tǒng)需要滿足如下要求:(1)必須能夠從多個(gè)人機(jī)交互通道接收駕駛員控制指令,比如車載微機(jī)、開關(guān)按鈕(往往在儀表板或方向柱上)、裝有麥克風(fēng)的語音處理模塊等;(2)根據(jù)多個(gè)通道的指令信號及電器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,該協(xié)調(diào)控制功能不僅要處理有時(shí)可能沖突的指令信號(比如在某個(gè)車燈開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)下,駕駛員使用語音通道發(fā)出了打開指令),而且要完成一些原本由電氣系統(tǒng)機(jī)械及電路完成的隱含邏輯關(guān)系(比如在遠(yuǎn)近光燈打開之前,行車燈必須先打開的邏輯).
20世紀(jì)90年代后期,由于車載總線技術(shù)的不斷推廣和應(yīng)用[10-11],汽車車身電子電器系統(tǒng)中開始普遍采用基于CAN總線的模塊化分布式控制系統(tǒng),這種系統(tǒng)構(gòu)架的概念結(jié)構(gòu)如圖1所示.
圖1 模塊化分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Modulated distributed control system architecture
獨(dú)立于電器的電子控制單元模塊(ECU)集成了總線接口、信號調(diào)理及驅(qū)動電路,采用導(dǎo)線控制局域內(nèi)若干電器,ECU之間則采用總線(比如CAN總線)進(jìn)行信息交換.在這種系統(tǒng)中,可以使用ECU實(shí)現(xiàn)駕駛員指令的多通道輸入,整車協(xié)調(diào)控制功能分布在各個(gè)ECU模塊中完成,因此各個(gè)ECU功能對等、級別平行,相互之間具有很高的依賴關(guān)系.
隨著集成電路和電子控制技術(shù)的發(fā)展,智能功率器件在20世紀(jì)80年代末90年代初被開發(fā)出來[12],一些智能功率器件開始逐步在汽車上使用[13].近些年,集成控制電路且具有總線接口的汽車智能電器開始逐步在汽車上出現(xiàn),這種智能電器具有數(shù)字信號的狀態(tài)輸出或可以通過數(shù)字信號加以控制,并具有對自身的診斷、保護(hù)功能[14].基于智能電器的全分布式控制系統(tǒng),其概念結(jié)構(gòu)如圖2所示.
圖2 智能化全分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Intelligent completely-distributed system architecture
這種系統(tǒng)主要由汽車智能電器構(gòu)成,以標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)骨干網(wǎng)/局域網(wǎng)二級層次化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架.在這種系統(tǒng)中,不存在如圖1所示的獨(dú)立于電器的電子單元控制模塊(在發(fā)展趨勢上,所有的電器都可擁有自己專用的控制單元,并在物理空間上集成于其內(nèi)部),而整車協(xié)調(diào)邏輯控制都在中央?yún)f(xié)調(diào)器(CCCU)中完成:它接收來自多通道控制指令和所有智能電器的狀態(tài)信號,并根據(jù)整車控制邏輯生成控制指令,控制指令從CCCU發(fā)出,并經(jīng)過總線(可能還需要通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)關(guān))傳遞到智能電器.
與模塊化分布式控制系統(tǒng)構(gòu)架相比,可以發(fā)現(xiàn),在系統(tǒng)可配置性方面,智能化全分布式系統(tǒng)中的各個(gè)智能電器在協(xié)調(diào)控制關(guān)系上完全獨(dú)立,新增或刪減其中的部分電器,只需要修改CCCU中的控制邏輯而無需其他的額外改動,比如在模塊化分布式控制系統(tǒng)中,3#電器發(fā)出的指令控制1#-5#電器,那么當(dāng)該指令的控制邏輯需要修改時(shí),ECU1-ECU5均需要修改;而在智能化全分布式系統(tǒng)中,同樣的配置變化,只需要修改CCCU代碼即可.智能化全分布式系統(tǒng)的可配置性提高了,因此多模式操控也可成為一種配置而系統(tǒng)構(gòu)架可保持相對穩(wěn)定.
在可靠性方面,模塊化分布式控制系統(tǒng)由于各個(gè)ECU之間具有控制信息上的高度依賴性,單個(gè)ECU邏輯錯(cuò)誤可以導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓;而全電子汽車中單個(gè)智能電器的故障不會導(dǎo)致其他電器非正常工作(因?yàn)殡娖髦g邏輯上獨(dú)立);CCCU的故障則會直接導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰,因此必須采用其他方法保證系統(tǒng)的可靠性.
在經(jīng)濟(jì)性和成本方面,智能化全分布式系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)在硬件上完全可以做到標(biāo)準(zhǔn)化(因?yàn)樗c具體的電器無關(guān)),CCCU也是不帶任何信號調(diào)理及驅(qū)動、只有總線接口的數(shù)字處理單元,可以批量生產(chǎn),各個(gè)電器集成控制電路所需額外增加的成本與線束簡化減少的成本的綜合,使得全分布式系統(tǒng)與模塊化分布式控制系統(tǒng)成本的差異主要取決于單片機(jī)與銅材價(jià)格[15],即當(dāng)銅材價(jià)格升高時(shí),全分布式系統(tǒng)能體現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢.
根據(jù)上述分析,智能化全分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)汽車多模式操控方面更有優(yōu)勢,也是未來汽車電子電器系統(tǒng)的發(fā)展趨勢.
為了完成多操控指令及原有內(nèi)含邏輯關(guān)系的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì),首先定義了關(guān)聯(lián)子系統(tǒng),定義需要協(xié)調(diào)的控制指令和狀態(tài)信息;再利用數(shù)理邏輯和布爾代數(shù)形式給出協(xié)調(diào)控制表達(dá)式.
所謂關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)是指在控制協(xié)調(diào)意義上的一個(gè)電器集合.圍繞需要協(xié)調(diào)的控制指令,定義關(guān)聯(lián)子系統(tǒng):
其中:xe為需要協(xié)調(diào)的一個(gè)控制指令;DX為指令xe的控制電器集,即接收該指令并作出控制響應(yīng)的電器;DY為指令xe的關(guān)聯(lián)電器集,即與該指令值改變有關(guān)聯(lián)的電器,比如開關(guān)等;Ie為協(xié)調(diào)信息集,協(xié)調(diào)信息來自關(guān)聯(lián)電器集中的電器,用于協(xié)調(diào)運(yùn)算并得到最終指令值;Λe為協(xié)調(diào)關(guān)系,即協(xié)調(diào)控制邏輯.
由上述描述可知,關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)只存在與邏輯意義中,并為分析電器之間的控制邏輯提供了一種手段.
利用符號化的數(shù)理邏輯描述方法,并根據(jù)實(shí)際電器的控制邏輯關(guān)系,可將協(xié)調(diào)信息集中的信號轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嬅}:
式(2)中,邏輯命題ci對應(yīng)于協(xié)調(diào)信息ii.事實(shí)上,這種變換在計(jì)算機(jī)上很容易實(shí)現(xiàn),只需要通過關(guān)系運(yùn)算符(即>,<,=,!=,等)將協(xié)調(diào)信息變量與預(yù)定義的狀態(tài)進(jìn)行比較即可.
為描述協(xié)調(diào)控制規(guī)則,將式(1)中的協(xié)調(diào)關(guān)系Λe定義為
其中Λ(B)稱為協(xié)調(diào)控制函數(shù),B為由式(2)中所有邏輯命題構(gòu)成的布爾代數(shù)表達(dá)式,即由協(xié)調(diào)控制邏輯定義的邏輯命題.由于控制指令xe為多值函數(shù),因此必須對協(xié)調(diào)控制函數(shù)進(jìn)行定義才能有效,對協(xié)調(diào)控制函數(shù)的定義為
式中,m、n分別為控制指令的值,F(xiàn)、T分別為邏輯假和邏輯真,當(dāng)條件為真時(shí),函數(shù)Λnm(B)取所定義的n值,當(dāng)條件為假時(shí),取m值.
對于發(fā)動機(jī)啟動協(xié)調(diào)控制,其關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)ψst定義如下:
DY={啟動鑰匙,引擎蓋接近開關(guān),發(fā)動機(jī)ECU狀態(tài),發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器,冷卻液傳感器,維修啟動開關(guān),維修停機(jī)開關(guān),檔位};
DX={起動機(jī),發(fā)動機(jī)ECU}.
協(xié)調(diào)關(guān)系式包括如下邏輯命題:
c1表示駕駛員點(diǎn)火指令(來自啟動鑰匙、指紋或語音指令);
c2表示檔位處于空檔;
c3表示發(fā)動機(jī)ECU就緒;
c4表示發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為0;
c5表示冷卻液低于某一溫度值(如90℃);
c6表示發(fā)動機(jī)艙關(guān)閉;
c7表示維修停機(jī)開關(guān)按下;
c8表示維修啟動開關(guān)按下.
那么啟動控制指令xe可描述為
從安全高于智能、節(jié)能高于智能的思路出發(fā),制定了智能電器系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制邏輯運(yùn)算的3條基本原則:
(1)安全優(yōu)先原則 安全優(yōu)先原則以行車安全、用電安全等為基本出發(fā)點(diǎn),指導(dǎo)協(xié)調(diào)控制邏輯設(shè)計(jì).在駕駛員錯(cuò)誤的操作、暴力的操作下,智能電器系統(tǒng)以安全優(yōu)先原則保證系統(tǒng)工作安全.
(2)操作優(yōu)先原則 操作優(yōu)先原則要求電子協(xié)調(diào)器盡量按駕駛員的操作執(zhí)行.在滿足安全優(yōu)先原則的前提下,體現(xiàn)智能化特點(diǎn).
(3)最小影響原則 最小影響原則要求電子協(xié)調(diào)控制對智能電器系統(tǒng)的協(xié)調(diào)影響降低到最小,在實(shí)現(xiàn)滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件的前提下,盡可能少改變智能電器狀態(tài).
中央?yún)f(xié)調(diào)器是完成車身電器系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制最關(guān)鍵的電器,對系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要.因此采用雙協(xié)調(diào)器進(jìn)行在線冗余備份和相互監(jiān)控提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性和可靠性是必要的,同時(shí)由于中央?yún)f(xié)調(diào)器是一個(gè)只有總線接口的數(shù)字信號處理單元,且如果能將這相互監(jiān)控的協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)得完全一致(軟硬件完全一致),那么可以通過批量生產(chǎn)大大降低其成本,不會給系統(tǒng)增加太多的額外支出.
中央?yún)f(xié)調(diào)器可以工作在3個(gè)模式(備份模式、單機(jī)工作模式及正常模式)下.中央?yún)f(xié)調(diào)器通過內(nèi)部仲裁過程和偵聽總線上的控制指令流,自動判斷需要進(jìn)入到哪種模式,中央?yún)f(xié)調(diào)器工作過程如圖3所示.
圖3 中央?yún)f(xié)調(diào)器的工作過程Fig.3 Operation process of central coordinator
中央?yún)f(xié)調(diào)器的工作模式轉(zhuǎn)換過程可以用一個(gè)狀態(tài)機(jī)來描述,轉(zhuǎn)換條件C1-C7如下所述:
C1表示偵聽到其他CCCU發(fā)出的控制指令;
C2表示無法偵聽到控制指令超時(shí)3個(gè)周期;
C3表示失去仲裁;
C4表示贏得仲裁;
C5表示沒有收到來自其他CCCU的仲裁競爭;
C6表示收到來自其他CCCU備份信號;
C7表示無法偵聽到備份信號超過3個(gè)周期.
在仲裁過程中,每個(gè)CCCU都發(fā)送仲裁幀.仲裁幀的ID可以使用非正常通信以外的ID,比如以CAN2.b規(guī)定的擴(kuò)展幀ID格式,在29位的ID中,前8位以0xFF填充,隨后的21位以隨機(jī)數(shù)結(jié)束.仲裁過程如圖4所示.
圖4 仲裁過程Fig.4 Arbitration process
在出現(xiàn)如4(a)所示的情況下,CCCU在發(fā)送完畢第3幀仲裁幀后的固定時(shí)間內(nèi)收到不少于3幀來自其他節(jié)點(diǎn)的仲裁幀,進(jìn)行仲裁,即將接收到的ID按順序比較,如果有多于兩次的其他CCCU的仲裁幀ID比自己發(fā)送的要大,那么它就失去仲裁進(jìn)入備份模式,否則進(jìn)入正常模式;在出現(xiàn)如4(b)所示的情況下,即發(fā)送3幀仲裁幀后的固定時(shí)間內(nèi),偵聽到少于3個(gè)來自其他CCCU的仲裁幀,則重復(fù)發(fā)送上述仲裁幀若干次,若一直無法幀聽到多于3幀的其他節(jié)點(diǎn)仲裁幀,則進(jìn)入單機(jī)模式,否則按圖4(a)所示的情況處理.
協(xié)調(diào)器在備份模式下接收駕駛員指令和電器的狀態(tài)信息,執(zhí)行協(xié)調(diào)控制邏輯但并不發(fā)送控制指令流;正常模式下則發(fā)送控制指令流,單機(jī)模式下還要發(fā)送故障信號以提醒駕駛員進(jìn)行維修.
采用基于指令流偵聽、冗余備份及仲裁的失效安全工作機(jī)制不僅提高了系統(tǒng)可靠性和容錯(cuò)能力,同時(shí)系統(tǒng)中始終存在且只存在一個(gè)CCCU用于整車協(xié)調(diào)控制,其他的CCCU處于“隱匿”狀態(tài),保證了智能電器無需處理額外指令或信息;另外,系統(tǒng)中的多個(gè)中央?yún)f(xié)調(diào)器不存在主從關(guān)系,保證了CCCU軟硬件完全一致.
以一輛國產(chǎn)旅游大巴為樣車,針對內(nèi)部雨刮器、前換氣扇、后換氣扇、散熱器、洗滌器、除霜器、小燈、遠(yuǎn)光燈、近光燈、前霧燈、后霧燈、司機(jī)頂燈、前門、后門、通道燈、起動機(jī)、空氣彈簧、緩速器等18個(gè)可操作電器,采用智能化全分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對整車車身電器系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì).
文中開發(fā)的原型樣車使用的多模式操控將語音操控、觸摸屏操控及傳統(tǒng)的按鈕開關(guān)操控相結(jié)合,多模式操控人/車操縱界面如5所示.
圖5 多模式操控環(huán)境Fig.5 Multi-mode manipulation environment
考慮到駕駛員視線及右手操作的舒適性,將中央計(jì)算機(jī)鑲嵌在儀表臺右下側(cè),由于大客車駕駛室寬大,駕駛員與麥克風(fēng)傳聲器之間距離不宜太大,因此將麥克風(fēng)安裝在駕駛員座椅靠近駕駛員左側(cè)頭部.
利用液晶顯示器和觸摸屏開發(fā)了基于車載微機(jī)的電器操控界面,采用顏色和字體來指示當(dāng)前電器的狀態(tài).
利用中央?yún)f(xié)調(diào)器完成整車7類主要的電子協(xié)調(diào)機(jī)制:多模式操控協(xié)調(diào)、供電協(xié)調(diào)、起動熄火協(xié)調(diào)、制動系統(tǒng)協(xié)調(diào)、車門協(xié)調(diào)、雨刮指令協(xié)調(diào)、車外燈光協(xié)調(diào)等.
語音操控、觸摸操控和按鈕操控3種模式之間需要進(jìn)行合理的切換,切換設(shè)計(jì)如圖6所示.
圖6 操控模式轉(zhuǎn)換控制Fig.6 Manipulation mode shift control
按鈕操控模式為默認(rèn)的操控模式,模式之間的轉(zhuǎn)換必須有條件地進(jìn)行觸發(fā),圖中C1-C6分別為模式的切換條件:C1表示在觸摸操控模式下,通過觸摸屏設(shè)置進(jìn)入語音控制模式;C2表示使用語音關(guān)閉指令退出語音控制模式,進(jìn)入觸摸操控模式;C3表示關(guān)閉微機(jī)電源、退出主程序或者通過主程序設(shè)置為按鈕操控模式,使得觸摸操控失效,進(jìn)入按鈕操控模式;C4表示打開微機(jī)并通過主程序界面設(shè)置為觸摸操控,進(jìn)入觸摸屏操控模式;C5表示打開微機(jī)并通過主程序界面設(shè)置為語音操控,進(jìn)入觸摸屏操控模式;C6表示關(guān)閉微機(jī)電源、退出主程序或者通過主程序設(shè)置為按鈕操控模式,使得觸摸操控失效,進(jìn)入按鈕操控模式.
在原型樣車完成后,對多模式操控進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試和主觀評價(jià).結(jié)果表明:(1)基于智能化分布式控制系統(tǒng)的多模式操控完全可行;(2)采用雙協(xié)調(diào)器的失效安全機(jī)制下,在拿到一個(gè)中央?yún)f(xié)調(diào)器后系統(tǒng)仍能正常工作,插上后系統(tǒng)繼續(xù)工作,故障提示解除.
(1)多模式操控能極大地改善汽車駕駛的舒適性,是未來汽車發(fā)展的趨勢.智能化全分布式控制系統(tǒng)相對于模塊化分布式系統(tǒng)具有更多的優(yōu)勢.
(2)關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)分析方法能有效地實(shí)現(xiàn)操控指令與原有邏輯的整合協(xié)調(diào)分析;使用數(shù)理邏輯和布爾代數(shù)方法能有效地描述整車協(xié)調(diào)控制邏輯.
(3)基于指令流偵聽、冗余備份及仲裁的失效安全工作機(jī)制不僅提高了系統(tǒng)可靠性和容錯(cuò)能力,同時(shí)保證了CCCU軟硬件完全一致.
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