新能源智慧網(wǎng)聯(lián)城市客車電器設(shè)計(jì)方案

楊 赫， 羅高華， 劉孝艷， 李 瀟， 談琳琳

(北京北方華德尼奧普蘭客車股份有限公司， 北京 100072)

目前市場上的新能源智慧城市客車雖然基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化[1]，但是并沒有將全車信息完整地互聯(lián)互通，使得各個部分?jǐn)?shù)據(jù)的應(yīng)用范圍受到了限制，沒有充分發(fā)揮應(yīng)有的作用[2]。本文結(jié)合相關(guān)車輛設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和客戶需求，綜合考慮電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，論述從數(shù)據(jù)信息采集到信息互通、圖像監(jiān)控、平臺監(jiān)控各個方面智慧城市客車需要滿足的基本要求[3]。舉例介紹危險(xiǎn)氣體監(jiān)測、駕駛員疲勞駕駛監(jiān)測和剎車蹄片等設(shè)備和系統(tǒng)的閉環(huán)控制應(yīng)用，形成整車一體化控制方案。結(jié)合遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺和城市客車調(diào)度平臺以及數(shù)據(jù)分析，介紹智慧城市客車在數(shù)據(jù)分析方面的應(yīng)用[4]。

1 整車感知數(shù)字化

1.1 數(shù)據(jù)采集

車輛通過使用車載設(shè)備集成的霍爾傳感器(電流、電壓)、壓力傳感器(氣壓、胎壓)、光敏傳感器(光強(qiáng))、氣敏傳感器(CO、SO2)、熱敏傳感器(溫度)、紅外傳感器(圖像)等[5]，采集車輛各部分信息數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)主要分為車輛動力信息、車輛狀態(tài)信息、內(nèi)外設(shè)狀態(tài)信息3部分，為智慧城市客車各部分功能實(shí)現(xiàn)提供了信息基礎(chǔ)。

1.1.1 車輛動力信息

1) 電池狀態(tài)信息，包含電芯溫度、單體電壓、SOC、SOH、絕緣電阻、能量回饋電流、總電壓、總電流、繼電器吸合狀態(tài)等信息。

2) 電機(jī)狀態(tài)信息，包含轉(zhuǎn)速、電機(jī)溫度、扭矩、母線電壓、母線電流、電機(jī)控制器溫度等。

3) 其他動力設(shè)備信息，包含制動開度、轉(zhuǎn)向、油門開度、油泵、氣泵、DCDC、擋位、車速等信息。

1.1.2 車輛狀態(tài)信息

1) 模塊采集信息，包含小功率(≤240 W)輸出狀態(tài)、液位、氣壓等傳感器信息。

2) 配電箱狀態(tài)信息，包含多功率(≤1 200 W)輸出、保險(xiǎn)和大功率繼電器狀態(tài)。

3) 其他功能設(shè)備信息，包含空調(diào)、高壓除霜器、電加溫鍋、散熱器、集中潤滑、超聲波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等設(shè)備信息。

1.1.3 內(nèi)外設(shè)狀態(tài)信息

1) 安全狀態(tài)監(jiān)控，包含危險(xiǎn)氣體檢測、高溫報(bào)警、煙霧報(bào)警、剎車蹄片、胎壓、胎溫、車門狀態(tài)等。

2) 監(jiān)控顯示信息，包含360°環(huán)視系統(tǒng)、電子后視鏡、車內(nèi)監(jiān)控、抬頭顯示系統(tǒng)、中控屏、儀表、路牌等。

3) 駕駛員狀態(tài)監(jiān)控信息，包含陀螺儀、駕駛員酒精檢測、疲勞駕駛監(jiān)測、ADAS相關(guān)輔助駕駛設(shè)備數(shù)據(jù)。

1.2 信息互通

采用多路CAN總線設(shè)計(jì)，通過網(wǎng)關(guān)、整車控制器和儀表等CAN節(jié)點(diǎn)連接，實(shí)現(xiàn)車輛信息互聯(lián)互通，為智慧城市客車提供了信息交互基礎(chǔ)[6]，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1) CAN1：通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)動力相關(guān)信息給終端，能夠通過遠(yuǎn)程信息化監(jiān)控平臺實(shí)時監(jiān)控車輛狀態(tài)信息。

2) CAN2：通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)車輛外設(shè)信息，下發(fā)調(diào)度指令，能夠通過遠(yuǎn)程運(yùn)管平臺獲取車輛駕駛員操作、車輛運(yùn)行狀態(tài)等信息。

3) CAN3：從車輛左側(cè)前部電器艙經(jīng)過車輛頂部，到車輛后部電器艙。并聯(lián)路牌、電視、車內(nèi)廣告屏、前后雷達(dá)主機(jī)、360°環(huán)視系統(tǒng)、煙霧報(bào)警等設(shè)備。其他CAN線上的信息通過網(wǎng)關(guān)廣播至CAN3，并將外設(shè)信息提取發(fā)送。

4) CAN4：從車輛左側(cè)前部電器艙經(jīng)過車輛前部，到車輛前部右側(cè)電器艙。并聯(lián)儀表CAN4接口、胎壓報(bào)警、中控屏、集中潤滑、危險(xiǎn)氣體檢測、行車記錄儀、疲勞駕駛、道路偏移等控制器在車輛前部的設(shè)備。

5) CAN5：從車輛左側(cè)前部電器艙經(jīng)過車底，到車輛后部電器艙。并聯(lián)儀表CAN5接口、整車控制器、無線數(shù)據(jù)終端、EPS、EPB、BMS、空調(diào)等圍繞整車控制器需要信息互通的動力相關(guān)設(shè)備。

6) 儀表內(nèi)CAN：儀表和儀表模塊互通，實(shí)現(xiàn)開關(guān)信號控制。

7) EBS-整車控制器(內(nèi)CAN1)：電子制動分配系統(tǒng)EBS和整車控制器直接通訊，實(shí)現(xiàn)制動控制。

8) 電機(jī)控制器-整車控制器(內(nèi)CAN2)：電機(jī)控制器、擋位器和整車控制器直接通訊。

9) 煙霧報(bào)警控制器-煙霧報(bào)警傳感器內(nèi)部CAN：傳感器和煙霧報(bào)警控制器內(nèi)部信息交換，然后煙霧報(bào)警控制器通過CAN3和整車通訊。

10) 充電弓控制模塊-BMS內(nèi)部CAN：充電弓控制模塊和BMS直接進(jìn)行內(nèi)部信息交換，然后通過CAN4和整車通訊。

11) BMS-動力電池內(nèi)部CAN：BMS和全車動力電池直接進(jìn)行信息交換，然后BMS通過CAN5和整車通訊。

1.3 圖像采集

通過19路攝像頭對車輛和周圍環(huán)境全方位影像進(jìn)行采集，為智慧城市客車遠(yuǎn)程指令的下發(fā)和危機(jī)預(yù)警提供圖片和影像基礎(chǔ)[7]。

1.3.1 車內(nèi)影像采集

1) 監(jiān)控一體機(jī)：影像采集區(qū)域?yàn)榍伴T、駕駛員、前方路況、中門、車廂前部、車廂后部、車頂。能夠提供車廂內(nèi)駕駛區(qū)、乘客區(qū)和車頂充電弓的視頻圖像。

2) 客流分析儀：影像采集區(qū)域?yàn)榍伴T上客區(qū)、中門上客區(qū)。雙目攝像頭采集乘客上下車影像，判斷人員進(jìn)出，提供車輛內(nèi)部乘客人數(shù)統(tǒng)計(jì)。

1.3.2 其他區(qū)域影像采集

1) 電子后視鏡：影像采集區(qū)域?yàn)檐囃庾髠?cè)盲區(qū)、車外右側(cè)盲區(qū)、左側(cè)后方、右側(cè)后方。能夠提供視野盲區(qū)的影像，尤其在雨天或者光線不好的環(huán)境中，能夠?yàn)轳{駛員提供清晰的盲區(qū)視野，避免事故。

2) 360°環(huán)視系統(tǒng)：影像采集區(qū)域?yàn)檐囕v前方、車輛后方、車輛左側(cè)、車輛右側(cè)。在提供各個方位獨(dú)立影像的同時，還可以提供拼接圖像，實(shí)現(xiàn)視覺俯視效果，方便駕駛員觀察周圍環(huán)境。

3) LDWS：影像采集區(qū)域?yàn)榍胺铰窙r。在高速狀態(tài)下提供前方防撞預(yù)警和緊急情況下的車輛制動，同時當(dāng)車輛偏離車道線后也能第一時間報(bào)警，避免事故發(fā)生[8]。

4) 疲勞駕駛系統(tǒng)：采集駕駛員影像。設(shè)備提供駕駛員面部圖像，抓拍駕駛員打瞌睡，打電話等行為。

車輛運(yùn)行，當(dāng)快要發(fā)生事故時，會觸發(fā)報(bào)警，相關(guān)位置的視頻會立刻開始上傳或者進(jìn)行圖片抓拍，可以通過平臺查看車輛視頻信息，避免事故發(fā)生后必須找到城市客車黑匣子后才能還原事故真相。

1.4 監(jiān)控調(diào)度

采用車載4G網(wǎng)絡(luò)終端和遠(yuǎn)程城市客車調(diào)度平臺互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)車輛信息實(shí)時上傳，后臺下發(fā)指令，進(jìn)行車輛運(yùn)營調(diào)度和車內(nèi)外人員和環(huán)境狀態(tài)監(jiān)控，為智慧城市客車提供網(wǎng)路基礎(chǔ)[9]。主要設(shè)備通過4種通訊線路連接，如圖2所示。

圖2 監(jiān)控調(diào)度顯示設(shè)備拓?fù)鋱D

1) 監(jiān)控調(diào)度主機(jī)通過4G網(wǎng)絡(luò)和調(diào)度平臺連接，即時下發(fā)車輛站牌信息。由車內(nèi)顯示屏、電視、路牌、站節(jié)牌、中控顯示終端等設(shè)備將線路和站點(diǎn)信息顯示給車內(nèi)乘客和駕駛員。

2) 監(jiān)控調(diào)度主機(jī)通過災(zāi)備記錄儀和監(jiān)控平臺連接，實(shí)時存儲和上傳車輛數(shù)據(jù)，同時當(dāng)觸發(fā)報(bào)警后上傳相關(guān)視頻。

2 整車控制智能化

在具有了信息采集基礎(chǔ)、信息交互基礎(chǔ)和視頻監(jiān)控基礎(chǔ)后，各部分信息傳遞和控制實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，可以最大限度地發(fā)揮車載智能設(shè)備的作用，能夠通過互聯(lián)實(shí)現(xiàn)單一設(shè)備不能完成的應(yīng)用場景[10]。

1) 依靠整車互通的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，可以將信息傳遞給需要的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)平臺，設(shè)備可以直接判斷狀態(tài)工作，也可以接收平臺發(fā)送的指令再進(jìn)行工作，動作后的狀態(tài)會反饋給設(shè)備或者平臺，使車輛各部分設(shè)備工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)可控。

以車輛危險(xiǎn)氣體檢測設(shè)備為例，將氣體傳感器-危險(xiǎn)氣體檢測控制器-中控屏-儀表-監(jiān)控終端-車門-整車控制器-遠(yuǎn)程監(jiān)管平臺等組成整套的危險(xiǎn)監(jiān)控預(yù)警和應(yīng)急網(wǎng)絡(luò)，為突發(fā)情況提供完整的監(jiān)管控制疏散方案，如圖3所示。

圖3 車危儀信息傳遞圖

當(dāng)危險(xiǎn)氣體濃度達(dá)到較高報(bào)警等級時，可以通過平臺下發(fā)指令或者車輛自動鎖車不能行駛，同時自動打開車門，語音提示疏散乘客。

2) 車輛組合燈光通過關(guān)聯(lián)一鍵啟動、儀表模塊和環(huán)境光傳感器實(shí)現(xiàn)燈光在特殊場景下自動工作。

以燈光迎賓和伴你回家功能為例。迎賓模式目的是在夜晚時，通過遠(yuǎn)距離操作車輛遙控器，實(shí)現(xiàn)車燈按照規(guī)定模式點(diǎn)亮，幫助駕駛員觀察車輛周圍環(huán)境，方便上車駕駛操作。伴你回家模式目的是在夜晚時，關(guān)閉鑰匙后，燈光根據(jù)駕駛員是否遠(yuǎn)離車輛點(diǎn)亮，為駕駛員檢查周圍環(huán)境和回家提供人性化便利。

3) 車輛充電弓通過CAN網(wǎng)絡(luò)和整車設(shè)備信息互通，可以調(diào)用一鍵啟動和客流統(tǒng)計(jì)采集的數(shù)據(jù)為自身服務(wù)。這樣使充電弓獲得了感知整車狀態(tài)的能力，并且進(jìn)行相應(yīng)控制。

以充電弓滿電自動下電功能為例，當(dāng)車輛到達(dá)充電位置后，開始升弓充電。駕駛員可以直接離開車輛，過程中可以無人值守。充滿電后，由電池發(fā)送滿電信號，充電弓發(fā)送升弓信號，同時一鍵啟動判斷駕駛員是否在附近，客流統(tǒng)計(jì)儀判斷車門附近是否有人。整車控制器收到各部分信號后，確定車上無人值守，且車輛滿電后，進(jìn)行下電操作，同時關(guān)閉車輛前后門，如圖4所示。這樣不需要專門值守進(jìn)行斷電操作,可以解放人力。

圖4 充電結(jié)束后自動斷電流程圖

3 結(jié)束語

在車輛信息采集和信息互通的基礎(chǔ)上，在5G通信和無人駕駛技術(shù)尚不能完全商業(yè)化的實(shí)際情況下，智慧客車的設(shè)計(jì)已經(jīng)能夠滿足人們出行和運(yùn)營監(jiān)管需求。并且隨著AR-HUD、激光投影設(shè)備、聲光雨量控制設(shè)備、矩陣大燈和激光大燈等車端設(shè)備的應(yīng)用和手機(jī)APP、站臺顯示等信息互通設(shè)備的普及，車輛的自動化和舒適性水平會越來越高[11-12]。