基于車聯(lián)網(wǎng)的行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

彭 璐（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于車聯(lián)網(wǎng)的行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

彭 璐
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

為了獲取和分析汽車行駛過(guò)程中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含車載遠(yuǎn)程控制終端、3G通訊網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)平臺(tái)和遠(yuǎn)程分析應(yīng)用網(wǎng)站。車載終端將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上報(bào)至服務(wù)平臺(tái)，通過(guò)服務(wù)平臺(tái)的處理和分析，最終通過(guò)遠(yuǎn)程分析應(yīng)用網(wǎng)站呈現(xiàn)給用戶。應(yīng)用于某車型的用戶駕駛行為評(píng)價(jià)的結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)行車數(shù)據(jù)的采集、處理、記錄、駕駛行為分析等功能。

車聯(lián)網(wǎng)；數(shù)據(jù)分析；遠(yuǎn)程控制；服務(wù)平臺(tái)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.12.007

CLC NO.: U463.6Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2015)12-18-04

引言

在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，了解實(shí)際用戶的加速、換擋習(xí)慣、常用車速、常用檔位，能夠更好地進(jìn)行車輛動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)、優(yōu)化換擋規(guī)律，并為車輛熱管理、轉(zhuǎn)鼓熱平衡試驗(yàn)等提供數(shù)據(jù)支持；獲得行車過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際常用工況點(diǎn)、識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)油耗、排放關(guān)鍵點(diǎn)，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒開發(fā)及標(biāo)定；了解特殊環(huán)境地區(qū)用戶的駕駛習(xí)慣，如高海波、高溫、低溫地區(qū)，有利于車輛核心部件的性能優(yōu)化。此外通過(guò)對(duì)用戶駕駛習(xí)慣的分析和評(píng)價(jià)，也能夠主動(dòng)與用戶進(jìn)行交互，改善不良駕駛習(xí)慣，引導(dǎo)用戶更加安全、節(jié)能、環(huán)保地駕駛汽車。

然而傳統(tǒng)的汽車技術(shù)在車輛路試過(guò)程中或出售給用戶后，汽車研發(fā)人員便與車輛失去關(guān)聯(lián)，因而無(wú)法獲得上述車輛實(shí)際行駛過(guò)程中的運(yùn)行數(shù)據(jù)。車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是利用裝載在車輛上的終端設(shè)備獲取車輛的行駛屬性和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息，通過(guò)衛(wèi)星定位技術(shù)獲取車輛行駛位置等參數(shù)，通過(guò) 3G等無(wú)線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息傳輸和共享，通過(guò)各類傳感器獲取車輛內(nèi)、車輛間、車輛與道路間等交通基礎(chǔ)設(shè)施的使用狀況，最后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛運(yùn)行的監(jiān)控，并提供各種交通綜合服務(wù)。車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)包括無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、衛(wèi)星定位技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等多種智能化技術(shù)[1]。

本文建立了一套基于車聯(lián)網(wǎng)的行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)行車數(shù)據(jù)的采集、記錄、駕駛習(xí)慣分析、工況分析等功能。

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)整體架構(gòu)參考物聯(lián)網(wǎng)的三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[2]，如圖1所示，包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

圖1　行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

感知層的作用是信息感知，由車載遠(yuǎn)程控制終端（以下簡(jiǎn)稱車載終端）組成。

網(wǎng)絡(luò)層的作用是數(shù)據(jù)傳遞，實(shí)現(xiàn)感知層數(shù)據(jù)的匯聚，并向應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支撐，包括3G通信網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)平臺(tái)。

應(yīng)用層的作用是為用戶提供服務(wù)，包括遠(yuǎn)程分析應(yīng)用網(wǎng)站。

車載終端負(fù)責(zé)完成行車數(shù)據(jù)的采集和上報(bào)，3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)保證了車載終端與服務(wù)平臺(tái)的有效通信。服務(wù)平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)行車數(shù)據(jù)的采集和記錄。汽車設(shè)計(jì)人員等各類用戶可以通過(guò) Internet網(wǎng)絡(luò)在不同的客戶端登錄遠(yuǎn)程分析應(yīng)用網(wǎng)站，訪問(wèn)和讀取服務(wù)平臺(tái)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行所需的分析處理。

圖2　動(dòng)態(tài)行車數(shù)據(jù)分析業(yè)務(wù)流程圖

行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的整體業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。首先車載遠(yuǎn)程控制終端判斷車輛起動(dòng)后，通過(guò)整車 CAN總線及各類傳感器，采集所需的動(dòng)態(tài)行車數(shù)據(jù)，然后將平臺(tái)分析所需要的信息解析處理后，置于通訊協(xié)議報(bào)文中，上傳至服務(wù)平臺(tái)。平臺(tái)接收信息并根據(jù)數(shù)據(jù)分析模型輸出分析結(jié)果。最終的分析結(jié)果通過(guò)遠(yuǎn)程分析應(yīng)用網(wǎng)站呈現(xiàn)給用戶。

2、行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1車載遠(yuǎn)程控制終端設(shè)計(jì)

車載終端作為整個(gè)系統(tǒng)的前端模塊，為了保證數(shù)據(jù)采集上報(bào)的實(shí)時(shí)、有效和可靠，車載終端采用雙處理器架構(gòu)（ARM 和MCU）、內(nèi)置3G通信模塊、GPS定位模塊，其硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖3。

圖3　車載終端硬件結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)系統(tǒng)的整體需求，所需要采集的行車數(shù)據(jù)，主要包括車速、轉(zhuǎn)速、油耗、油門位置、離合位置、GPS定位數(shù)據(jù)等。其中車速、轉(zhuǎn)速、油耗、油門位置、離合位置等車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線讀取。車載終端同時(shí)支持兩路CAN總線，可同時(shí)作為低速CAN（車身CAN）和高速CAN（動(dòng)力CAN）網(wǎng)絡(luò)上的終端節(jié)點(diǎn)。GPS定位數(shù)據(jù)通過(guò)車載終端的GPS定位模塊測(cè)算得到。此外數(shù)據(jù)記錄中，還應(yīng)該包含產(chǎn)生每條記錄的絕對(duì)時(shí)間信息，包括具體的日期和時(shí)間，該信息也由車載終端的GPS定期模塊測(cè)算校準(zhǔn)得到。上述信息經(jīng)過(guò)打包后，通過(guò)其內(nèi)部的3G通訊模塊實(shí)現(xiàn)基于Internet的網(wǎng)絡(luò)互連，將信息傳遞到服務(wù)平臺(tái)。

由于本系統(tǒng)采集的是車輛行駛狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，因此車載終端啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集的觸發(fā)條件是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不為零。在車輛熄火后，車載終端處于休眠狀態(tài)，整體功耗較低。當(dāng)車輛起動(dòng)后，車載終端被喚醒，從而保證系統(tǒng)在車輛運(yùn)行期間處于實(shí)時(shí)工作狀態(tài)[3]。此外，為了保證終端的可靠運(yùn)行，車載終端支持自檢功能，即當(dāng)車載終端上電，會(huì)根據(jù)當(dāng)前車輛狀態(tài)實(shí)時(shí)進(jìn)行自檢，自檢內(nèi)容包括：EEROM內(nèi)部讀寫檢測(cè)，WAN模塊檢測(cè)，GPS模塊檢測(cè)，CAN總線通信檢測(cè)，連接器檢測(cè)等。一旦檢測(cè)到故障發(fā)生，車載終端根據(jù)診斷規(guī)范要求記錄相關(guān)的故障碼信息，并向服務(wù)平臺(tái)發(fā)出報(bào)警。

2.2數(shù)據(jù)采集及上報(bào)

一般而言，對(duì)于整車 CAN總線上的動(dòng)態(tài)行車數(shù)據(jù)，特別是動(dòng)力系統(tǒng)數(shù)據(jù)（發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱）發(fā)送周期非常短，一般都為10ms。而對(duì)于行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)而言，單次的精確地個(gè)體數(shù)據(jù)并不是關(guān)注的重點(diǎn)，而是需要收集海量的樣本數(shù)據(jù)，因而車載終端的數(shù)據(jù)采集頻率不需要設(shè)定的太高。根據(jù)本系統(tǒng)的分析需求，車載終端的數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)定在2Hz可以滿足要求，并且該頻率支持后期調(diào)整。即根據(jù)需求的變化，通過(guò)服務(wù)平臺(tái)重新配置數(shù)據(jù)采集頻率。

基于本系統(tǒng)中車載終端本身的硬件存儲(chǔ)能力以及3G網(wǎng)絡(luò)的通信特點(diǎn)考慮，為了保證數(shù)據(jù)上報(bào)的可靠性和連續(xù)性，車載終端對(duì)所采集數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行組包的頻率為 0.2Hz，正常情況下數(shù)據(jù)上報(bào)的頻率也為 0.2Hz。由于車載終端與服務(wù)信心平臺(tái)采用TCP短連接機(jī)制，因此當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸出現(xiàn)異常或車載終端執(zhí)行其他業(yè)務(wù)執(zhí)行時(shí)，允許數(shù)據(jù)上報(bào)暫停，此時(shí)車載終端需要存儲(chǔ)已經(jīng)采集但尚未完成上報(bào)的數(shù)據(jù)，待通信網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常或其他業(yè)務(wù)執(zhí)行完成后繼續(xù)上報(bào)，此時(shí)數(shù)據(jù)上報(bào)的頻率要高于 0.2Hz，待所有存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包全部上報(bào)完成后，上報(bào)頻率恢復(fù)為固定周期。

車載終端與服務(wù)平臺(tái)之間基于TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊，通訊報(bào)文中各字段的定義如表 1所示。每條通訊報(bào)文中包含GPS定位數(shù)據(jù)和行車數(shù)據(jù)采集起始絕對(duì)時(shí)間信息（日期+時(shí)間）以及動(dòng)態(tài)行車數(shù)據(jù)。

其中Dispatcher Message為通訊報(bào)文的頭消息，主要包括消息對(duì)應(yīng)的創(chuàng)建時(shí)間，所傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)的應(yīng)用分類，車輛VIN碼，車載終端的唯一設(shè)備號(hào)，車載終端的 IMSI號(hào)，Application Data（應(yīng)用數(shù)據(jù)）的長(zhǎng)度等信息。Vechicle Data為實(shí)際采集的行車數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)上報(bào)的頻率要低于數(shù)據(jù)采集頻率，因此一條數(shù)據(jù)報(bào)文中會(huì)包含10條行車數(shù)據(jù)記錄，并且每條行車數(shù)據(jù)記錄應(yīng)當(dāng)保證時(shí)間連續(xù)性。

2.3服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

服務(wù)平臺(tái)作為整個(gè)行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范接口以及基礎(chǔ)服務(wù)平臺(tái)，其特點(diǎn)是基于SOA的方法，采用開放式框架，能夠有效實(shí)現(xiàn)面向不同服務(wù)應(yīng)用的匯聚，并且便于靈活擴(kuò)展新業(yè)務(wù)；采用標(biāo)準(zhǔn)化接口協(xié)議，便于不同類型的終端和服務(wù)的快速接入。行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)服務(wù)平臺(tái)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示，包括統(tǒng)一接入層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和運(yùn)營(yíng)管理層。

圖4　服務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

統(tǒng)一接入層包括統(tǒng)一接入網(wǎng)關(guān)和通用服務(wù)。這一層負(fù)責(zé)建立車載終端與服務(wù)平臺(tái)之間的通訊并維持通訊的穩(wěn)定，其核心功能包括終端承載協(xié)議實(shí)現(xiàn)、加密/解密、認(rèn)證/鑒權(quán)、路由等。統(tǒng)一接入網(wǎng)關(guān)是整個(gè)服務(wù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)消息驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵單元。由于行車數(shù)據(jù)涉及用戶的個(gè)人隱私和車輛的行駛安全，因此對(duì)安全性和保密性要求很高，統(tǒng)一接入網(wǎng)關(guān)根據(jù)校驗(yàn)位判斷數(shù)據(jù)包的完整性，同時(shí)與車載終端傳輸?shù)膬?nèi)容采用對(duì)稱加密算法，統(tǒng)一接入網(wǎng)關(guān)接收到消息后解密解碼后提供后續(xù)服務(wù)。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層包括核心服務(wù)以及服務(wù)集成管理，屬于系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯單元，負(fù)責(zé)提供諸如駕駛行為分析、工況分析等面向用戶的服務(wù)。這一層的核心功能包括：駕駛行為分析、工況分析、Web地圖服務(wù)、數(shù)據(jù)接口發(fā)布服務(wù)等，并支持動(dòng)態(tài)擴(kuò)展其他服務(wù)。其中Web地圖服務(wù)主要面向提供車輛位置地圖標(biāo)注和軌跡管理功能。

運(yùn)營(yíng)管理層實(shí)現(xiàn)用戶權(quán)限管理、服務(wù)管理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)可視化、日志管理等功能，并存儲(chǔ)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。整個(gè)服務(wù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)分為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，行車數(shù)據(jù)，日志數(shù)據(jù)。根據(jù)各類數(shù)據(jù)特點(diǎn)，運(yùn)營(yíng)管理層通過(guò)Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)管理存儲(chǔ)大數(shù)據(jù)。

2.4遠(yuǎn)程分析應(yīng)用網(wǎng)站

遠(yuǎn)程分析應(yīng)用網(wǎng)站是一個(gè)基于WEB服務(wù)的網(wǎng)站，為用戶提供圖形化的交互界面，用戶可以設(shè)置可視化相關(guān)參數(shù)，將請(qǐng)求提交給服務(wù)平臺(tái)并接收服務(wù)平臺(tái)響應(yīng)，以表格、網(wǎng)格、折線圖、柱狀圖、餅圖等多種形式將歷史數(shù)據(jù)和分析結(jié)果呈現(xiàn)給用戶[4]。

3、試驗(yàn)驗(yàn)證

將所開發(fā)的行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)應(yīng)用在用戶駕駛習(xí)慣分析上。通過(guò)對(duì)用戶基礎(chǔ)行車數(shù)據(jù)的采集和分析，來(lái)評(píng)估用戶的駕駛習(xí)慣優(yōu)良情況，即出現(xiàn)不良駕駛行為的次數(shù)和位置，并通過(guò)圖表和地圖標(biāo)注的形式進(jìn)行呈現(xiàn)。

如表2所示，所需要采集的數(shù)據(jù)包括車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、GPS位置信息、時(shí)間、加速度。

表2　駕駛習(xí)慣評(píng)價(jià)

最終通過(guò)遠(yuǎn)程分析應(yīng)用網(wǎng)站登錄，查看分析結(jié)果的顯示界面如圖5所示。

圖5　駕駛行為分析界面

4、結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了基于車聯(lián)網(wǎng)的行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)車載終端、軟硬件平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)行車數(shù)據(jù)采集、處理、上報(bào)、存儲(chǔ)、分析和呈現(xiàn)等基本功能。通過(guò)在實(shí)車上的應(yīng)用測(cè)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可用性，從而為汽車設(shè)計(jì)研發(fā)以及用戶駕駛行為評(píng)價(jià)提供了有效的數(shù)據(jù)來(lái)源和分析方法。

[1] 何蔚.面向物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的車聯(lián)網(wǎng)研究與實(shí)踐[M].科學(xué)出版社,2013:4-5.

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Design and Implementation of Vehicle Traveling Data Analysis System Based on Internet of Vehicles

Peng Lu
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In order to obtain and analyze the data while driving a car, a vehicle traveling data analysis system is designed and implemented, which consists of in-vehicle remote control terminal, 3G remote communication network, service platform and remote analysis application website, etc.. The in-vehicle terminal can upload data to the service platform trough remote communication network, and the platform can process the data in order to show users the analysis results through website. The system has been applied to evaluate a passenger car driving behavior. The test results show that the system can be applicable to implement the function of acquiring, processing, recording and analyzing of vehicle data.

Internet of vehicles; Data analysis; Remote control; Service platform

U463.6

A

1671-7988（2015）12-18-04

彭璐，工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司，研究方向?yàn)槿藱C(jī)交互設(shè)計(jì)、車聯(lián)網(wǎng)。