基于多元自感知的車輛智能服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計

楊博 陳新 袁建輝 張建生 孫兵曉

摘 要：針對車輛日常使用、維護等需要，基于多元自感知融合技術(shù)，設(shè)計了一種車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。本系統(tǒng)具備三大功能：多元自感知，即綜合運用OBDII、聲音采集、輪胎監(jiān)測、3D監(jiān)測、組合定位等技術(shù)，實時監(jiān)測車輛機電狀態(tài)、位姿等信息；V2X通信，即通過DSRC、蜂窩網(wǎng)等無線互聯(lián)技術(shù)，實現(xiàn)車-車、車-云等的實時通信與交互；智能服務(wù)，即通過對自感知數(shù)據(jù)的融合和處理，并結(jié)合V2X通信產(chǎn)生智能輔助駕駛、遠(yuǎn)程監(jiān)控等多種應(yīng)用。文中具體闡述了關(guān)鍵技術(shù)和實現(xiàn)方法，并采用模塊化設(shè)計思想，使其具有功能豐富、集成度高、可實現(xiàn)性強的特點。

關(guān)鍵詞：車聯(lián)網(wǎng)；遠(yuǎn)程監(jiān)控；模塊化；集成

中圖分類號：TP24 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）07-00-04

0 引 言

車輛是當(dāng)今社會不可或缺的交通工具，與日俱增的車輛也帶來了日益突出的道路擁堵、事故多發(fā)、能源浪費、空氣污染等問題。隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)（Internet of Vehicles，IoV）技術(shù)應(yīng)運而生，它綜合應(yīng)用智慧傳感、通信網(wǎng)絡(luò)、嵌入式等技術(shù)，對車況和道路交通信息進行全面感知和處理，實現(xiàn)人與車、車與云、車與車等多維交互，使車輛和交通管理愈發(fā)智能，車聯(lián)網(wǎng)成為解決上述問題的有效途徑[1]。在車聯(lián)網(wǎng)時代，車輛被賦予了新的DNA，破除了信息孤島的弊端，車輛的移動互聯(lián)使之具備智能多樣的社交和安全功能[2]。人們對汽車的要求已不再局限于可靠性與操控性，對行車安全和車況的關(guān)注不斷加強，渴望在行車中通過便攜的智能終端設(shè)備（手機、平板電腦等）隨時隨地實時監(jiān)測車輛狀況，并享受各種智能化服務(wù)；而車輛管理部門也希望對所屬車輛進行遠(yuǎn)程管控、指揮調(diào)度，并為駕駛者提供必要的信息支持。

本文遵循“管-云-端”的車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)[3]，設(shè)計了基于多元自感知的車輛智能服務(wù)系統(tǒng)，它通過車載傳感器網(wǎng)絡(luò)智能感知汽車自身狀態(tài)，對感知數(shù)據(jù)進行多維融合、分析計算與綜合呈現(xiàn)，最終為駕駛者提供多樣化的智能服務(wù)。在實現(xiàn)同樣功能的條件下，相比使用機器視覺、微波雷達等外部感知技術(shù)，本系統(tǒng)具有原理簡單、易于實現(xiàn)、成本低廉等優(yōu)勢，并可通過V2X交互實現(xiàn)功能的拓展。

1 功能分析

著眼于對車輛自身狀態(tài)的全面感知，讓車輛變得更加安全、便捷和智能，經(jīng)過深入調(diào)研，認(rèn)為系統(tǒng)應(yīng)具備多元自感知、V2X交互、智能服務(wù)的功能。

1.1 多元自感知

系統(tǒng)能夠?qū)崟r全面感知車輛自身的狀態(tài)。

（1）實時感知車輛本體實時狀態(tài)，包括車輛本身的速度、里程、胎壓等狀態(tài)，以及車輛電控系統(tǒng)、機械系統(tǒng)各種參數(shù)。

（2）實時感知特殊載荷實時狀態(tài)，即車載專用儀器、設(shè)備的運行、故障等狀態(tài)。

（3）實時感知位姿信息。全時記錄車輛的位置、航向等，生成和記錄行車軌跡，并分段顯示，進行遠(yuǎn)程實時跟蹤等。

1.2 V2X交互

系統(tǒng)具備多維交互功能，利用網(wǎng)絡(luò)獲取各種信息。

（1）V2I（Vehicle-to-Internet，車-云）：車輛能夠隨時隨地接入互聯(lián)網(wǎng)，享受云端豐富資源。

（2）V2V（Vehicle-to-Vehicle，車-車）：實現(xiàn)車與車之間交互各自狀態(tài)、位置、緊急安全信息等。

（3）V2P （Vehicle-to-Person，車-人）：先進的人機工程設(shè)計，豐富的人機交互界面，以及通過個人手持終端與車輛的智能互聯(lián)。

1.3 智能服務(wù)

基于多元自感知與無線互聯(lián)實現(xiàn)豐富應(yīng)用。

（1）故障維修：保養(yǎng)提醒，故障診斷評估，維修點引導(dǎo)，現(xiàn)場及遠(yuǎn)程輔助維修等。

（2）自主引導(dǎo)：油量短缺時自主尋找加油站，需停車時自主尋找停車位等。

（3）輔助駕駛：超速提醒，疲勞駕駛提醒，交通狀況提醒等。

（4）安全預(yù)警：實時測量周邊車輛距離，以防止發(fā)生碰撞事故，獲取緊急安全信息。

（5）智能防盜：非法動用車輛告警，定位跟蹤。

（6）緊急救援：發(fā)生碰撞等交通事故自動報警，與交通部門、保險公司、4S店等對接。

2 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計了一種基于“管-云-端”結(jié)構(gòu)的車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)[4]，整體架構(gòu)如圖1所示。

2.1 管系統(tǒng)

“管系統(tǒng)”是車輛信息采集、處理、存儲、顯示與通信的平臺?？蓪崟r感知電控系統(tǒng)、機械本體、輪胎、位姿、特殊載荷等狀態(tài)信息。對感知數(shù)據(jù)進行綜合分析和計算，為駕駛者提供車況顯示、報警提醒、故障診斷、本地或遠(yuǎn)程輔助維修、導(dǎo)航定位、加油或停車導(dǎo)引等智能化服務(wù)，并通過連接泛在網(wǎng)絡(luò)進行功能拓展，能與云平臺進行信息交互、資源完善、應(yīng)用更新等。

2.2 云系統(tǒng)

“云系統(tǒng)”是綜合數(shù)據(jù)管理與服務(wù)中心，可實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)的全面互聯(lián)互通，匯聚并管理車輛、智能終端等信息。

2.3 端系統(tǒng)

“端系統(tǒng)”是智能移動終端或PC客戶端，用戶可通過App實時監(jiān)控車輛，或發(fā)起各種服務(wù)請求?？梢赃B接車載終端共享信息，也可接入互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程發(fā)送操作指令到“云”平臺，并從云平臺獲取相應(yīng)信息展現(xiàn)給用戶，用戶通過智能移動終端App實現(xiàn)對車輛的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控，或接受車輛管理等服務(wù)。PC客戶端面向企業(yè)等機構(gòu)或個人，實現(xiàn)對車輛的遠(yuǎn)程管控與調(diào)度。

3 關(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)方法

3.1 智能感知模塊

該模塊全面感知自身信息，具備黑匣子的功能[5]，同時為智能服務(wù)提供信息基礎(chǔ)。

3.1.1 電控系統(tǒng)狀態(tài)感知

電控系統(tǒng)狀態(tài)可基于OBD技術(shù)實現(xiàn)，OBDII監(jiān)測模塊可選用成熟產(chǎn)品，如ELM327。該模塊支持所有OBD-II協(xié)議（ISO15765-4（CAN）、ISO14230-4（KWP2000）等），可讀取引擎每分轉(zhuǎn)數(shù)、冷卻液溫度、車速、短期燃料情況、長期燃料情況等數(shù)據(jù)，以及故障代碼（擁有超過3 000個通用代碼定義）、清除錯誤碼并滅MIL等。電控系統(tǒng)狀態(tài)感知與應(yīng)用流程圖如圖2所示。

3.1.2 機械本體狀態(tài)感知

機械本體主要由發(fā)動機、變速箱、底盤以及車身等組成，其中發(fā)動機是車輛的心臟，40%以上的車輛故障源自發(fā)動機，所以目前對機械本體的感知主要通過采集發(fā)動機等核心部件的聲音，借助小波包分析、SVM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法實現(xiàn)故障識別[6]，發(fā)動機狀態(tài)感知與故障診斷流程如圖3所示。其中，聲音采集模塊可選用音頻CODEC芯片UDA1341實現(xiàn)。

3.1.3 輪胎狀態(tài)感知

輪胎的溫度、壓力可經(jīng)溫度和壓力傳感器采集后，通過無線發(fā)射模塊傳遞給車載終端得到。胎壓、胎溫采集模塊可采用成熟的成品模塊，這些模塊一般內(nèi)置加速度傳感器，當(dāng)檢測到車輛運動時自動喚醒。無線射頻收發(fā)可采用MICRF112/MICRF211發(fā)射/接收芯片[7]實現(xiàn)。而車輛載重可根據(jù)Hell公式得到：

M=2.265ZKpt0.585（B+d）B1.39/g （1）

式中，M為車輛載重（kg）；Z為輪胎行駛條件因數(shù)；K為輪胎類型因數(shù)；B為裝配輪輞后的充氣輪胎斷面寬度；d為輪輞直徑（m）；pt為輪胎內(nèi)壓（Pa）；g為重力加速度，通常取值9.8 N/kg。

但式（1）只是一個粗略的計算公式，對貨車而言，其需要較為精確的載重數(shù)值，因此要考慮輪胎變形等因素以對（1）式進行改進[8]，該方法具有不需要額外添加硬件的優(yōu)點。對于安裝板簧懸架的貨車，可采用粘貼式應(yīng)變傳感器進行載重監(jiān)測，以得到更加準(zhǔn)確和穩(wěn)定的結(jié)果。

3.1.4 位姿狀態(tài)感知

（1）基于GPS/DR的組合導(dǎo)航定位

目前，大量智能化服務(wù)都要基于位置實現(xiàn)，車聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品也不例外?，F(xiàn)有設(shè)備多單一使用GPS定位，雖然能滿足大部分需要，但無法滿足與安全有關(guān)的應(yīng)用，如車距測量與防碰撞需要更加精確的位置和航向數(shù)據(jù)，因此本文提出采用GPS/DR（里程計）的復(fù)合式定位技術(shù)，即使在暫時失去GPS信號情況下也能推算出自身位置，采用分散式濾波算法，可大大提高計算效率和容錯能力。該功能可通過選用OEM4-G2 GPS接收機和車輛自帶的里程計實現(xiàn)。

（2）3D監(jiān)測

采用三軸加速度傳感器采集振動或碰撞信號。該功能可由MMA7455加速度傳感器實現(xiàn)[9]。

3.1.5 其它狀態(tài)感知

其它狀態(tài)感知主要針對車輛特殊載荷感知，通常用于專用或特種車輛，如車載電站、車載基站等?？赏ㄟ^接入其總線（CAN等）的方式按照一定規(guī)則提取。

3.2 V2X通信模塊

車輛只有與外界廣泛的通信互聯(lián)，才能獲取更豐富的信息和服務(wù)。

（1）V2I通信：車輛連接互聯(lián)網(wǎng)最為有效、可靠的手段是3G/LTE技術(shù)；WAVE/DSRC是專門針對車輛的移動性而設(shè)計的車聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)；WiFi技術(shù)多在車輛靜態(tài)下接入互聯(lián)網(wǎng)[9]。

（2）V2V通信：WAVE/DSRC是專門用于組建車輛自組織網(wǎng)絡(luò)的接入技術(shù)；RFID技術(shù)也被用于V2V通信中[10]。

（3）V2P交互：主要是指車輛與個人移動終端的通信，較為普及和經(jīng)濟有效的通信方式是藍牙技術(shù)，也可通過USB等有線方式互聯(lián)。

3.3 車載主控模塊

車載智能終端是基于ARM的嵌入式系統(tǒng)。硬件部分包括MCU、外置Flash、SDRAM和外圍時鐘電路等，可采用芯片的型號很多，如三星公司的S3C6410，該芯片性能高、功耗低、可擴展性強[6]。選用Android作為主控模塊的操作系統(tǒng)，Android具有開放性、方便開發(fā)的特點，可根據(jù)所需自由安裝各種軟件App。

3.4 智能服務(wù)設(shè)計

車載終端的軟件部分基于Android系統(tǒng)進行開發(fā)，包括數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器和應(yīng)用程序。嵌入式數(shù)據(jù)庫存儲車輛的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，可供隨時調(diào)閱。嵌入式服務(wù)器為自身、個人終端、其他車輛、云端訪問提供服務(wù)。智能服務(wù)應(yīng)用程序?qū)θ诤虾瓦\用感知到的各類狀態(tài)數(shù)據(jù)進行設(shè)計，除系統(tǒng)管理與設(shè)置等基本功能外，主要包括以下功能模塊：

（1）狀態(tài)監(jiān)測與數(shù)據(jù)存儲：自感知的信號經(jīng)過處理形成可用數(shù)據(jù)后，一方面實時顯示車況，如車速、瞬時油耗、水溫、油量等，并作為判定異常的依據(jù)；另一方面，實時存儲能夠統(tǒng)計分析和生成報表，供用戶調(diào)閱。

（2）故障診斷與自主引導(dǎo)：及時發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)數(shù)據(jù)，采用本地和遠(yuǎn)程相結(jié)合的方式，運用專家系統(tǒng)/神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)/模糊識別等方法進行故障診斷，給予維修指導(dǎo)，自動評估就近維修/4S服務(wù)站點并進行引導(dǎo)（也可根據(jù)駕乘人員輸入的指令提供所需導(dǎo)航），工作流程如圖4所示。

（3）智能安全駕駛協(xié)助：實時分析自感知數(shù)據(jù)的異常，如胎壓過高、超載、油耗過大等，及時提醒。由 GPS定位確定所屬路段（城市、郊區(qū)、彎道、上下坡等），分析應(yīng)有速度范圍，進行速度提示，結(jié)合轉(zhuǎn)速變化提醒加減油門和換擋等。根據(jù)駕駛時間和行駛穩(wěn)定性判斷是否為疲勞駕駛并提醒。根據(jù)GPS定位和V2V通信進行測距、防碰撞預(yù)警。通過V2X通信實時推送交通事故、擁堵、險情等信息，工作流程如圖5所示。

（4）防盜報警與緊急救援：停車期間，通過3D傳感器檢測異常振動判斷車輛是否被盜或遭襲，并及時通知車主；在被盜后也可通過GPS實時跟蹤車輛；行駛中，依據(jù)3D狀態(tài)、安全氣囊狀態(tài)判定碰撞事故或接受駕乘人員指令信息，在事故后第一時間通知家人、醫(yī)院、交管部門、4S店等，工作流程如圖6所示。

（5）資源更新與數(shù)據(jù)同步：與云系統(tǒng)、端系統(tǒng)保持?jǐn)?shù)據(jù)同步和及時資源更新；手持終端可以通過USB數(shù)據(jù)線或藍牙將手機桌面映射到智能終端等，以享受更多應(yīng)用。

此外，由于本系統(tǒng)具有V2X聯(lián)網(wǎng)通信功能，并基于安卓進行開發(fā)，可靈活支持多樣的社交和娛樂App，如音視頻通信、網(wǎng)絡(luò)電話、導(dǎo)航定位及相關(guān)服務(wù)等，可讓用戶暢享豐富的互聯(lián)網(wǎng)資源。

3.5 云端管控中心

“云系統(tǒng)”核心硬件包括計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)通信等設(shè)備。軟件采用模塊化分層設(shè)計，分為數(shù)據(jù)層（主要包括基礎(chǔ)管理、狀態(tài)數(shù)據(jù)、地理信息、健康評估等數(shù)據(jù)庫）、中間層、表示層。主要完成車輛數(shù)據(jù)采集、計算與存儲，進行網(wǎng)絡(luò)資源集成，并為車載終端和智能移動終端提供交通信息發(fā)布、遠(yuǎn)程監(jiān)控、維修協(xié)助、應(yīng)用更新、資源下載等綜合服務(wù)。監(jiān)控GUI程序可用C#編寫，數(shù)據(jù)庫采用Oracle11.0進行設(shè)計，并遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[11]。

3.6 個人智能終端

個人智能終端App主要基于Android移動操作系統(tǒng)開發(fā)，采用模塊化設(shè)計和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言，分為界面層、功能層和數(shù)據(jù)層。當(dāng)用戶在車上時可與車載終端直連，分享車載終端所有功能，智能移動終端還可作為車載終端功能的彌補，如車輛發(fā)生故障需就地檢修時，可利用智能移動終端的3G/4G無線通信功能與維修中心專家進行音視頻通信，有效協(xié)助用戶進行車輛維修。當(dāng)用戶不在車上且需要遠(yuǎn)程監(jiān)控時，客戶端遠(yuǎn)程發(fā)送操作指令到云服務(wù)平臺，并從云服務(wù)平臺遠(yuǎn)程獲取響應(yīng)信息展現(xiàn)給用戶，用戶通過手機App實現(xiàn)對車輛的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控及實時儀表盤查看，或者享受汽車4S店、車輛管理、車友互動等服務(wù)。

PC客戶端采用Windows操作系統(tǒng)，基于C/S架構(gòu)進行軟件設(shè)計，平臺開發(fā)軟件可采用上海寶信軟件股份有限公司研發(fā)的一體化監(jiān)控指揮平臺（iCentroView），它以“地理”信息綜合數(shù)據(jù)和電子地圖為基礎(chǔ)，在覆蓋范圍內(nèi)，利用各種檢測手段采集所有數(shù)據(jù)信息，并存入統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫內(nèi)。該平臺軟件可以有效集成車況綜合監(jiān)測和智能服務(wù)的各種功能[12]。

4 設(shè)計方案分析

本文設(shè)計了一套較為完整的車聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)方案，該方案主要考慮了如何基于車輛自身狀態(tài)的全面感知和通信互聯(lián)實現(xiàn)智能、多樣的服務(wù)，在實現(xiàn)同樣功能的條件下，該方案相比采用機器視覺、微波/毫米波雷達等外部感知技術(shù)，具有原理簡單、易于實現(xiàn)、成本低廉等優(yōu)點。此外，采用模塊化的設(shè)計思想，部分軟硬件模塊可以直接采購或定制（一些功能已得到實現(xiàn)驗證或應(yīng)用），從而大大提高了研發(fā)效率。隨著通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，制約車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的“鏈路”瓶頸正逐步被突破。更重要的是，汽車市場的繁榮加速驅(qū)動著IoV技術(shù)不斷創(chuàng)新變革，相信本文提出的設(shè)計思路將很快得到實現(xiàn)和普及。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種基于多元自感知的車輛智能服務(wù)系統(tǒng)，具有一定可行性和參考價值。雖然所用技術(shù)已相對成熟，但方案不等同于實際，在集成開發(fā)和測試中勢必會出現(xiàn)一些問題，下一步，筆者將在試驗中對方案進行驗證和改進。

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