新能源車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

張瑜 車曉波 王勇 于良杰

關(guān)鍵詞： 車載信息; 功能集成; 智能交通; 云存儲; 大數(shù)據(jù); 模糊關(guān)聯(lián)

中圖分類號： TN02?34; U469.72 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）03?0096?05

Abstract： The remote management terminal system of new energy vehicle remote monitoring optimization design system adopts the vehicle?mounted information functional integration method to improve the state of networked intelligent transportation system. The innovative cloud storage service method is used in data cloud storage system of cloud information service platform. The multi?source geographic information processing and fusion method is used in map access service system to form the dynamic vehicle information processing and fusion system. The cloud computing synchronization method， big data fuzzy association mining method， cluster technology and parallel computing method are employed in vehicle monitoring planning system to fully release the deep value of vehicle data. According to the national standards for new energy vehicles， the mobile vehicle?mounted terminal is interacted with cloud information service center to study the key technology and mass data of new energy vehicles， and realize the real?time monitoring and intelligent analysis of demonstration operation of new energy vehicles. The test results show this system can provide the effective data support for the construction of new energy vehicles related industry， and lay a foundation for the comprehensive promotion and resource integration of new energy vehicles in the future.

Keywords： vehicle?mounted information; function integration; intelligent transport; cloud storage; big data; fuzzy correlation

0 ?引 ?言

新能源車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[1]方便運營中心對車輛運行狀況進(jìn)行分析，從而安全可靠地開展新能源車輛的示范運行考核，對新能源汽車的順利推廣、安全管理以及深入地優(yōu)化改進(jìn)具有重要的指導(dǎo)意義。汽車工業(yè)發(fā)達(dá)的美國、日本、德國等先后推出了遠(yuǎn)程監(jiān)控的產(chǎn)品或服務(wù)。2010年美國福特公司研發(fā)了一套新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[2]，該系統(tǒng)可以對電動電池組的工作狀況進(jìn)行實時監(jiān)控和采集，隨后被應(yīng)用于福特公司生產(chǎn)的Transit Connect和Focus純電動汽車上。國內(nèi)高校、企業(yè)等對電動汽車的遠(yuǎn)程監(jiān)控方法進(jìn)行了研究，并取得了很大的進(jìn)展。2004年北京交通大學(xué)等單位開發(fā)且試運行了公交電動汽車智能管理系統(tǒng)[3];天津大學(xué)設(shè)計完成了用于電動汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控的管理系統(tǒng)并成功試運營;2010年江蘇電力公司設(shè)計研發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[4]，實現(xiàn)對電動汽車、充（換）電站的遠(yuǎn)程監(jiān)控;安凱汽車公司開發(fā)完成遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的終端，將采集的大客車各項參數(shù)無線傳輸至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫。

目前，我國已經(jīng)推向市場的新能源車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的功能主要停留在信息收發(fā)、錯誤提醒和故障報警等方面[5]，對電動汽車動力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流的深入處理、電池能源系統(tǒng)性能檢測和工作狀態(tài)等方面的研究較少，不能為整車控制系統(tǒng)的優(yōu)化、可靠性和安全性等方面的改進(jìn)提供有效的技術(shù)指導(dǎo)?；谝陨戏治?，為增強對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的二次處理能力，本文對新能源車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計展開探究，設(shè)計并開發(fā)一套新能源車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控優(yōu)化系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)車輛與智能交通技術(shù)的無縫結(jié)合，利用計算機、現(xiàn)代移動通信、大數(shù)據(jù)模糊關(guān)聯(lián)挖掘、全球衛(wèi)星定位、智能交通地理信息系統(tǒng)等技術(shù)，與云端信息服務(wù)中心相互配合，通過在新能源車輛上安裝移動車載終端，將車輛運行參數(shù)通過云端信息服務(wù)平臺上報給公共平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)逐層匯集、逐級匯報、多重安全管理。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計

新能源車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由車載終端和云端信息服務(wù)平臺構(gòu)成。服務(wù)中心對車輛的車況進(jìn)行云端大數(shù)據(jù)分析處理，通過遠(yuǎn)程分析實時數(shù)據(jù)，為車輛改進(jìn)、交通管理、責(zé)任認(rèn)定等提供創(chuàng)新性方法。新能源車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通信服務(wù)模型由信息采集層、信息傳輸層、云端信息服務(wù)平臺和應(yīng)用系統(tǒng)組成，如圖1所示。

采集層通過無線通信模塊將來自新能源車載終端的電池狀態(tài)、電機控制器狀態(tài)、整車狀態(tài)等數(shù)據(jù)[6]及狀態(tài)數(shù)據(jù)的變化信息上傳到數(shù)據(jù)中心的通信服務(wù)系統(tǒng)，同時接收來自監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)的控制命令并采取相應(yīng)的動作。信息傳輸層通過公共無線通信網(wǎng)絡(luò)（如GPRS/CDMA等）和Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行車載終端與云端信息服務(wù)平臺的數(shù)據(jù)通信，其是車載終端與數(shù)據(jù)中心的通信服務(wù)系統(tǒng)以及應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的通道。

2 ?遠(yuǎn)程管理車載終端設(shè)計

新能源車輛遠(yuǎn)程管理終端系統(tǒng)是基于嵌入式設(shè)備技術(shù)、GPS全球衛(wèi)星定位技術(shù)、GPRS全球移動數(shù)據(jù)通信技術(shù)與智能控制技術(shù)于一體的智能車輛遠(yuǎn)程管理終端。通過車載信息功能集成，提升新能源車輛智能化水平，完善網(wǎng)絡(luò)化的新能源車輛狀態(tài)體系。

1） 實時采集數(shù)據(jù)并本地獨立部署，靈活配置總線協(xié)議和采集策略，采集行駛車輛過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為產(chǎn)品改進(jìn)升級、個性化提供真實可靠的參考數(shù)據(jù)。

2） 從CAN總線獲取電池管理系統(tǒng)BMS的電池實時數(shù)據(jù)和電機的實時數(shù)據(jù)及整車數(shù)據(jù)等，通過GPRS發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)，或存儲到本地的存儲設(shè)備中，為電池系統(tǒng)的故障分析提供一個可靠的數(shù)據(jù)途徑。通過將汽車CAN總線技術(shù)和無線通信技術(shù)結(jié)合，進(jìn)行車輛使用過程中產(chǎn)生的故障記錄、維修記錄、行駛記錄等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的存儲和分析，提供車輛異常情況。

3） 車輛定位、軌跡追蹤，實現(xiàn)智能化車輛管理服務(wù)。利用智能交通地理信息技術(shù)，通過GPS衛(wèi)星定位技術(shù)和無線移動互聯(lián)技術(shù)結(jié)合，提供實時全國地圖定位系統(tǒng)，車輛軌跡追蹤回放服務(wù)。

2.1 ?工作模式

車載終端工作環(huán)境與3種工作模式如圖2所示，車載終端實時采集電池狀態(tài)、電機控制器狀態(tài)、整車狀態(tài)、行車狀態(tài)等信息及狀態(tài)信息的變化，定時向遠(yuǎn)程的云端信息服務(wù)平臺上報實時車輛的運行信息。終端主要完成定時采集數(shù)據(jù)并實時發(fā)送、實時數(shù)據(jù)的本地存儲、遠(yuǎn)程查詢、遠(yuǎn)程在線軟件升級、故障提示與報警、校驗上行和下行數(shù)據(jù)及其運行自檢等功能。

2.2 ?硬件設(shè)計

車載終端具備兩個方向的通信接口：一個車載CAN總線接口[7?8]，實時采集來自車輛的數(shù)據(jù)信息;另一個無線通信網(wǎng)絡(luò)接口，發(fā)送車載數(shù)據(jù)到云端服務(wù)平臺。硬件框圖如圖3所示。車載終端的通信速率滿足車載監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)議要求，網(wǎng)絡(luò)層基于TCP協(xié)議，應(yīng)用層數(shù)據(jù)打包在TCP協(xié)議上，使車載終端和通信服務(wù)系統(tǒng)可以直接通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

如圖3所示，對于車輛終端狀態(tài)數(shù)據(jù)，車載CAN網(wǎng)絡(luò)采用高速CAN協(xié)議進(jìn)行通信傳輸，通信速率一般為250 Kb/s或500 Kb/s;GPS Receiver與MCU采用UART連接，采用NMEA0183協(xié)議進(jìn)行輸出;SD card與MCU采用SPI總線連接實現(xiàn)高速讀寫;EVDO模塊與MCU采用標(biāo)準(zhǔn)RS?232?C連接，分別制作PCB;蜂鳴器采用PWM驅(qū)動方式，根據(jù)故障等級輸出不同頻率的聲音;TFT LCD和Button采用GPIO與MCU連接;其他的模塊，MCU具有相應(yīng)的專用接口與之連接。

2.3 ?軟件設(shè)計

終端應(yīng)用程序軟件架構(gòu)如圖4所示，對車載終端軟件逐層抽象，按照抽象設(shè)計、接口與實現(xiàn)分離的理念進(jìn)行建立。為了保證車輛數(shù)據(jù)的實時性和對資源的充分利用，引入μC/OS?Ⅱ?qū)崟r內(nèi)核進(jìn)行車載終端軟件設(shè)計。μC/OS?Ⅱ是一種基于優(yōu)先級、搶占式多任務(wù)調(diào)度實時內(nèi)核系統(tǒng)，提供如信號量、郵箱、消息隊列等多種任務(wù)通信與同步機制，且經(jīng)過少量修改，可使其滿足OSEK/VDX OS標(biāo)準(zhǔn)，使應(yīng)用程序的設(shè)計過程大為簡化。

車載終端軟件設(shè)計分為三層：Basic Software Layer，Interface Layer，Application Layer。

Basic Software Layer：提供訪問終端硬件底層的接口，包括μBoot、μC/OS?Ⅱ?qū)崟r內(nèi)核、IAP程序、MCU及外圍器件驅(qū)動程序。

Interface Layer：為Application Layer實時任務(wù)提供運行環(huán)境，將Basic Software Layer提供的各種API封裝成統(tǒng)一的API。

Application Layer：是實現(xiàn)終端行為及功能的核心程序，可劃分任務(wù)和確定優(yōu)先級，使其任務(wù)間通信和同步代價最小。

3 ?云端信息服務(wù)平臺

云端信息服務(wù)平臺是新能源車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的信息共享中心，由通信服務(wù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)系統(tǒng)和應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)組成。通信服務(wù)系統(tǒng)讀取來自車載終端的數(shù)據(jù)，是由Internet網(wǎng)絡(luò)上具有固定IP的計算機來實現(xiàn)的設(shè)計系統(tǒng)[9]，對不同廠商的子應(yīng)用層協(xié)議加以解析，將抽取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)入庫，同時在數(shù)據(jù)庫服務(wù)系統(tǒng)中讀取需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，根據(jù)應(yīng)用層協(xié)議打包發(fā)送到車載終端;數(shù)據(jù)庫服務(wù)系統(tǒng)存儲新能源車輛的實時信息和歷史信息;應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)為監(jiān)控人員提供形象化的監(jiān)控管理交互界面及數(shù)據(jù)分析功能。

3.1 ?功能設(shè)計

云端信息服務(wù)平臺主要提供新能源車輛運行過程中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲、分析、展示及定位、跟蹤監(jiān)控等業(yè)務(wù)功能，同時提供二次開發(fā)API接口，為其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)和云服務(wù)支持[10]。云端信息服務(wù)平臺功能圖如圖5所示。

3.1.1 ?數(shù)據(jù)云存儲系統(tǒng)

解決如何將電子地圖、動態(tài)車輛信息、車輛狀態(tài)、監(jiān)控信息、車輛軌跡、終端、用戶等眾多來源的數(shù)據(jù)與服務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲、集成，為用戶提供高效、綜合服務(wù)的問題。為此研發(fā)統(tǒng)一數(shù)據(jù)建模、元數(shù)據(jù)模型管理及驅(qū)動等技術(shù)。通過對這些關(guān)鍵技術(shù)的研究，有效解決數(shù)據(jù)集成問題，并通過創(chuàng)新的云存儲服務(wù)方式提高用戶的服務(wù)體驗，為車輛信息服務(wù)業(yè)務(wù)的開展掃清技術(shù)障礙。

3.1.2 ?地圖存取服務(wù)系統(tǒng)

建立一個完整的集電子地圖和運行車輛信息采集、處理、發(fā)布服務(wù)功能于一體的系統(tǒng)，與云平臺進(jìn)行動態(tài)車輛信息雙向互動，為云平臺提供電子地圖和動態(tài)車輛信息服務(wù)，并將云平臺動態(tài)信息反饋運算產(chǎn)生更新的地圖和運行車輛信息。

多源地理信息處理融合系統(tǒng)：開發(fā)多源地理信息數(shù)據(jù)的實時處理模塊，根據(jù)各數(shù)據(jù)源的處理結(jié)果，進(jìn)一步開發(fā)多源地理信息融合模塊、臨時性缺失信息填補模塊以及交通信息預(yù)測模塊，最終形成面向新能源車輛的高質(zhì)量電子地圖、動態(tài)車輛信息處理融合系統(tǒng)。

3.1.3 ?車輛監(jiān)控規(guī)劃系統(tǒng)

為新能源車輛用戶提供位置查詢、軌跡跟蹤、車輛監(jiān)控、終端控制等服務(wù)的開放式、可伸縮、靈活的云服務(wù)框架。主要采用以下方法來實現(xiàn)：

云計算同步技術(shù)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)同步更新。整個云平臺系統(tǒng)采用整體性融合式調(diào)優(yōu)。多層次整合優(yōu)化保障性能卓越，通過讀寫分離的系統(tǒng)架構(gòu)和非關(guān)系型數(shù)據(jù)模型，有效實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存儲、分析挖掘需求。

大數(shù)據(jù)模糊關(guān)聯(lián)挖掘技術(shù)，全面釋放新能源車輛數(shù)據(jù)的深層價值。結(jié)合計算機技術(shù)、現(xiàn)代移動通信、大數(shù)據(jù)模糊關(guān)聯(lián)挖掘、全球衛(wèi)星定位、智能交通地理信息系統(tǒng)等技術(shù)，與云端信息服務(wù)中心相互配合，全面釋放新能源車輛數(shù)據(jù)的深層價值。通過海量數(shù)據(jù)交換、整合、分析以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計、變量分析和海量數(shù)據(jù)探索等功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)逐層匯集、逐級匯報、多重安全管理。

采用集群技術(shù)，保障平臺的前瞻性、可用性和易用性。對于數(shù)據(jù)計算的準(zhǔn)確性就要依賴集群系統(tǒng)。通過高可靠的計算機集群系統(tǒng)，在保證高并發(fā)能力的前提下，結(jié)合無線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、多線程技術(shù)，支持大量并發(fā)業(yè)務(wù)請求、終端和服務(wù)端通信的長連接模式和復(fù)雜信息交互能力。

采用并行計算技術(shù)，保障云計算的高性能、高可用性。將任務(wù)進(jìn)行劃分形成若干子任務(wù)，各個子任務(wù)均由一個獨立的虛擬處理機來并行計算。這需要研發(fā)支持負(fù)載均衡的主從請求轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，以解決任務(wù)分解問題，結(jié)合集群形成云計算強大的并發(fā)計算能力。信息處理的完成通過云內(nèi)部的并行計算集群，信息處理的結(jié)果通過服務(wù)的形式返回給用戶。

3.2 ?優(yōu)化設(shè)計

云端信息服務(wù)平臺軟件宜采用三層結(jié)構(gòu)，包括系統(tǒng)平臺層、支撐服務(wù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層。平臺的軟件框圖如圖6所示。橫向不同的服務(wù)通過數(shù)據(jù)庫松耦合，為了方便系統(tǒng)應(yīng)用功能的擴(kuò)充，縱向業(yè)務(wù)應(yīng)用與相應(yīng)支撐服務(wù)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，添加新的服務(wù)信息功能不涉及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也不影響已有的業(yè)務(wù)應(yīng)用[11?12]。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層：每層的組件分別完成不同的功能，各層的組件相互連接構(gòu)成系統(tǒng)。系統(tǒng)的運作一般由上層組件調(diào)用同層或下層組件完成。業(yè)務(wù)應(yīng)用層邏輯架構(gòu)如圖7所示。

4 ?結(jié) ?語

本文對新能源車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的車載終端和云端信息服務(wù)中心的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計并開發(fā)了一套新能源車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)，并予以實現(xiàn)。目前本系統(tǒng)軟件已經(jīng)運行在由汽車電子技術(shù)重點實驗室自主研發(fā)的新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，多家運營公司和整車廠家的新能源汽車安裝了監(jiān)控車載終端，監(jiān)控管理平臺運行狀況良好，同時為語音、圖像監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計提供借鑒。

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