基于UDS協(xié)議的汽車事件數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的數(shù)據(jù)提取和分析

劉全周，孫德明，李占旗，高峰，辛迪宇

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300384)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2018年9月我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量約為2.35億輛，僅次于美國(guó)，并且仍在快速增長(zhǎng)，隨之而來(lái)的是不斷增加的交通事故。如何準(zhǔn)確判定事故原因并進(jìn)行事故責(zé)任認(rèn)定是交管部門長(zhǎng)期面臨的一個(gè)問(wèn)題[1]。常規(guī)情況下通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘查包括車輛痕跡、碰撞位置和環(huán)境狀況等信息來(lái)分析鑒定，隨著高清攝像技術(shù)的發(fā)展，多角度的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控錄像也成為了交通事故分析的重要證據(jù)，但仍有很大的局限性。特別是以后越來(lái)越多的車輛都會(huì)配置輔助駕駛功能，車輛的自主參與度越來(lái)越大，在事故發(fā)生時(shí)還要鑒定車輛本身的因素。獲知事故發(fā)生的準(zhǔn)確時(shí)間和事故過(guò)程中的車況信息對(duì)準(zhǔn)確判定事故原因有巨大的作用[2-4]。

汽車事件數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)(Event Data Recorder，EDR)是安裝在車輛上，可以自動(dòng)判定事故發(fā)生時(shí)間，并將相關(guān)時(shí)段的車輛信息記錄、存儲(chǔ)供后期提取的車載裝置，也被成為汽車的“黑匣子”。美國(guó)是最早進(jìn)行EDR研究與推廣的國(guó)家，并已于2006年發(fā)布了強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范49 CFR Part 563[5]，該規(guī)范定義了數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和讀取規(guī)則。我國(guó)也已開展了EDR標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，并于2018年6月20日發(fā)布了強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《汽車事件數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)》(征求意見(jiàn)稿)，該標(biāo)準(zhǔn)正式實(shí)施后，我國(guó)市場(chǎng)M1類機(jī)動(dòng)車安裝的EDR產(chǎn)品均需遵守該標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已有部分集成了該功能的ECU，但對(duì)EDR數(shù)據(jù)提取的研究卻很少。最常見(jiàn)的商用碰撞數(shù)據(jù)提取工具是博世生產(chǎn)的CDR，可對(duì)部分車型的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行讀取。因此，本文作者設(shè)計(jì)了一種基于UDS協(xié)議的EDR數(shù)據(jù)提取和分析方法，并開發(fā)了上位機(jī)提取軟件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)適配的EDR的數(shù)據(jù)提取和分析。

1 EDR的原理

1.1 EDR工作原理

汽車EDR同飛機(jī)的“黑匣子”一個(gè)很大的區(qū)別是EDR僅在事故發(fā)生時(shí)存儲(chǔ)下事件發(fā)生前和事件發(fā)生后一段時(shí)間的車輛信息，通常這段時(shí)間非常短暫。因此EDR需要具備一個(gè)必要的功能：準(zhǔn)確地判斷事件發(fā)生的時(shí)刻。判斷碰撞事件發(fā)生的一個(gè)最直觀的方式是通過(guò)檢測(cè)車輛速度的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)車輛的縱向或橫向加速度達(dá)到相應(yīng)的閾值時(shí)可認(rèn)為相應(yīng)類型的碰撞事件發(fā)生。因此，目前已具備EDR功能的車輛大都將EDR模塊集成在帶加速度傳感器的氣囊控制器(SDM)中。常用的確定碰撞事件的發(fā)生有兩種方法：

(1)根據(jù)車輛不同方向上速度變化值來(lái)判斷，當(dāng)加速度超過(guò)對(duì)應(yīng)閾值后觸發(fā)數(shù)據(jù)記錄功能，該方法下的事件記錄可以是非鎖定數(shù)據(jù)和鎖定數(shù)據(jù)，鎖定數(shù)據(jù)不可以被覆蓋；

(2)當(dāng)氣囊被點(diǎn)爆后，觸發(fā)EDR模塊的數(shù)據(jù)記錄功能，這種情況下的事件記錄數(shù)據(jù)一定是被鎖定的。

在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)上，EDR功能可以如上述集成在其他控制器，也可以由單獨(dú)的ECU來(lái)實(shí)現(xiàn)，獨(dú)立的EDR控制器也需額外配置加速度傳感器，兩種情況下EDR結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 兩種常用EDR結(jié)構(gòu)示意

所有的事件數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)在非易失存儲(chǔ)器如EEROM中，且通常要可存儲(chǔ)多個(gè)事件數(shù)據(jù)，文中數(shù)據(jù)提取工具所對(duì)應(yīng)的EDR為獨(dú)立的EDR控制器。

1.2 EDR數(shù)據(jù)記錄

當(dāng)事件記錄被觸發(fā)后，EDR記錄下的車輛信息有3個(gè)來(lái)源：傳感器信號(hào)、CAN總線上的車輛信息以及ECU內(nèi)部計(jì)算的數(shù)據(jù)。

根據(jù)車輛的配置情況可將采集的數(shù)據(jù)分為兩類，第一類是配備EDR的車輛必須記錄的數(shù)據(jù)稱為A級(jí)元素，A級(jí)元素主要為影響行車的基本信號(hào)如車速、加速踏板、制動(dòng)踏板等(表1)；第二類是在車輛同時(shí)配置有相關(guān)裝置或相關(guān)功能時(shí)應(yīng)采集的信號(hào)，稱為B級(jí)元素，B級(jí)元素增加了車輛的一些輔助功能對(duì)應(yīng)的信號(hào)如牽引力控制系統(tǒng)(TCS)狀態(tài)信號(hào)、自適應(yīng)巡航系統(tǒng)(ACC)狀態(tài)信號(hào)、自動(dòng)緊急制動(dòng)系統(tǒng)(AEB)狀態(tài)信號(hào)等。

表1 A級(jí)元素(部分)示例

2 基于UDS的數(shù)據(jù)提取和分析方法

2.1 數(shù)據(jù)提取方式

碰撞事件觸發(fā)數(shù)據(jù)記錄后，所有數(shù)據(jù)可以以特定方式存儲(chǔ)在EDR存儲(chǔ)器內(nèi)，當(dāng)用戶需要數(shù)據(jù)時(shí)，使用匹配的數(shù)據(jù)提取工具提取出來(lái)即可。CAN總線是當(dāng)前車輛最常用的節(jié)點(diǎn)間通信方式，通過(guò)CAN總線讀取EDR內(nèi)數(shù)據(jù)相對(duì)更合理和方便。

統(tǒng)一診斷服務(wù)(UDS)提供了一個(gè)診斷服務(wù)的基本框架，便于用戶靈活開發(fā)和使用，目前大部分車輛都支持這種診斷服務(wù)[6-8]。UDS協(xié)議中的“通過(guò)ID讀數(shù)據(jù)”即0x22服務(wù)非常適合用于數(shù)據(jù)流讀取，因此EDR中的數(shù)據(jù)讀取完全可以通過(guò)基于UDS的0x22服務(wù)實(shí)現(xiàn)，此時(shí)EDR數(shù)據(jù)提取工具(Data Extraction Tool，DET)類似一個(gè)診斷儀。本文作者即采用了基于0x22服務(wù)來(lái)讀取EDR數(shù)據(jù)這種方法，在同EDR建立通信并完成身份驗(yàn)證后，通過(guò)CAN總線將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)流的形式提取出來(lái)。

EDR的數(shù)據(jù)提取過(guò)程(圖2)主要可以分為以下幾個(gè)步驟：

(1)通信連接。DET同EDR在電氣上建立連接后，向EDR發(fā)送一條連接請(qǐng)求消息；

(2)EDR接收到DET的連接請(qǐng)求后會(huì)回復(fù)一條連接確認(rèn)消息；

(3)DET收到連接確認(rèn)后會(huì)向EDR發(fā)送車輛的VIN碼(該識(shí)別碼需用戶輸入)；

(4)EDR接收到VIN碼后做校驗(yàn)，若VIN碼正確，EDR會(huì)將存儲(chǔ)的事件目錄發(fā)送給DET；

(5)DET根據(jù)事件目錄選擇要提取的事件后，EDR即開始向數(shù)據(jù)提取工具發(fā)送事件數(shù)據(jù)。

圖2 數(shù)據(jù)提取工具同EDR交互流程示意

第(1)至(4)步是數(shù)據(jù)提取工具和EDR的前期交互，均是采用單幀報(bào)文發(fā)送的形式，第(5)步EDR向DET發(fā)送完整的事件數(shù)據(jù)時(shí)采用多幀發(fā)送，此時(shí)就需設(shè)計(jì)首幀、流控制幀、連續(xù)幀的發(fā)送。多幀發(fā)送時(shí)報(bào)文交互示意圖如圖3所示(基于11位功能尋址)。

圖3 數(shù)據(jù)提取中事件數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程示意

2.2 數(shù)據(jù)解析

按照上述數(shù)據(jù)提取流程，數(shù)據(jù)提取工具從EDR提取出的報(bào)文均為原始報(bào)文，若要查看和分析事件數(shù)據(jù)，必須對(duì)提取出的報(bào)文進(jìn)行解析以得到各個(gè)信號(hào)準(zhǔn)確的信息，所以對(duì)于EDR和數(shù)據(jù)提取工具要統(tǒng)一一種數(shù)據(jù)排列方式，才能準(zhǔn)確地解析報(bào)文信息。本文作者設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)提取方式是匹配對(duì)應(yīng)開發(fā)的EDR產(chǎn)品，在綜合考慮EDR存儲(chǔ)效率和數(shù)據(jù)解析便利性的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了事件數(shù)據(jù)發(fā)送格式。

EDR記錄的事件數(shù)據(jù)中的信號(hào)因不同的采樣頻率會(huì)有采集信號(hào)個(gè)數(shù)的差別，再加上信號(hào)長(zhǎng)度的差異，并不適合使用常用的數(shù)據(jù)庫(kù)的形式進(jìn)行解析。本文作者設(shè)計(jì)在上位機(jī)軟件中添加固定的數(shù)據(jù)解析模塊對(duì)提取出的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和顯示。

3 EDR數(shù)據(jù)提取工具的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

3.1 EDR數(shù)據(jù)提取工具接口模塊

EDR數(shù)據(jù)提取工具的通信接口模塊用來(lái)連接EDR和上位機(jī)，有兩個(gè)主要的作用：(1)將CAN總線上的數(shù)據(jù)和USB 總線數(shù)據(jù)相互轉(zhuǎn)換；(2)當(dāng)車輛因故障或其他原因無(wú)法為EDR提供供電電源或是當(dāng)EDR被從車輛上拆下時(shí)，可通過(guò)接口模塊向EDR供電，完成數(shù)據(jù)的提取。數(shù)據(jù)提取工具同EDR的整體連接如圖4所示。

數(shù)據(jù)提取工具通信接口模塊主體是使用單片機(jī)開發(fā)的協(xié)議轉(zhuǎn)換電路，該接口模塊滿足以下要求：

(1)接口模塊同EDR通過(guò)OBD-Ⅱ接口連接，支持CAN2.0B，同時(shí)兼容CAN2.0A規(guī)范，符合ISO11898-1/2/3要求；

(2)與上位機(jī)通過(guò)USB接口連接， USB接口符合USB3.0協(xié)議規(guī)范，兼容USB2.0和USB1.1；

(3)CAN通信速率范圍為10 kbps～1 Mbps，且數(shù)據(jù)接收速度大于8 000幀/s，發(fā)送速度小于1 000幀/s，在通信過(guò)程中能滿足不漏幀；

(4)接口模塊工作時(shí)可通過(guò)USB口供電，但若需要向EDR提供工作電源(僅限于EDR被拆下，并需要匹配的接口)，能通過(guò)OBD口提供12 V電壓。

圖4 EDR數(shù)據(jù)提取工具連接示意

3.2 EDR數(shù)據(jù)提取工具上位機(jī)

EDR數(shù)據(jù)提取工具上位機(jī)軟件是基于C#語(yǔ)言開發(fā)的，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)EDR數(shù)據(jù)的提取、顯示和生成報(bào)告等功能，主要功能框圖如圖5所示。

圖5 上位機(jī)功能框圖

數(shù)據(jù)提取部分可以完成和EDR的連接控制，交互流程如圖2所示。在點(diǎn)擊連接按鈕并得到連接完成的反饋后，輸入該EDR對(duì)應(yīng)的VIN碼并進(jìn)行提取操作后會(huì)自動(dòng)提取3個(gè)事件數(shù)據(jù)并以目錄的形式顯示。為了快速識(shí)別碰撞類型便于選擇對(duì)應(yīng)事件，在提取到數(shù)據(jù)后會(huì)自動(dòng)對(duì)3個(gè)事件的加速度信號(hào)的曲線進(jìn)行預(yù)覽。點(diǎn)擊某一事件名稱可以預(yù)覽該事件的軟硬件編號(hào)和記錄時(shí)間等關(guān)鍵信息，并且通過(guò)復(fù)選框可以選擇存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)事件的數(shù)據(jù)(圖6)。存儲(chǔ)下來(lái)的數(shù)據(jù)文件使用特有的加密方式進(jìn)行加密并且不可修改，只有同樣的軟件才可以打開該文件，確保數(shù)據(jù)的有效性和保密性。

事件數(shù)據(jù)的顯示和分析都由數(shù)據(jù)分析模塊完成，選擇某一存儲(chǔ)文件并打開后，同提取界面類似，會(huì)自動(dòng)加載3個(gè)事件數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)的加速度信號(hào)的曲線預(yù)覽。選擇想要顯示的事件名稱并點(diǎn)擊“分析”選項(xiàng)后會(huì)彈出數(shù)據(jù)分析窗口，在該窗口中可以在樹形報(bào)文分類中添加和刪除顯示的信號(hào)。所有被選中的信號(hào)都有獨(dú)立的縱軸，但使用同一時(shí)間軸(橫軸)。因不同信號(hào)采樣頻率有差別，對(duì)采樣頻率小的信號(hào)通過(guò)在采集點(diǎn)之間采取平滑過(guò)渡處理來(lái)確保各個(gè)信號(hào)的時(shí)間軸相同(圖7)。

圖6 數(shù)據(jù)提取界面

圖7 顯示分析模塊

生成報(bào)告模塊可以對(duì)選擇的事件自動(dòng)生成PDF格式的文檔，這樣的報(bào)告格式規(guī)范、效率高并且易于非專業(yè)人員閱讀。主要方式是將相應(yīng)的數(shù)據(jù)填充到固定的模板中，該報(bào)告涵蓋了某個(gè)碰撞事件中記錄的所有信息，并對(duì)不同的信號(hào)依據(jù)其特點(diǎn)以文字說(shuō)明、列表或曲線的形式體現(xiàn)。同時(shí)報(bào)告的內(nèi)容包括必須條目和可選條目。

另外，還為此數(shù)據(jù)提取軟件設(shè)計(jì)了固定顯示功能，可在未生成報(bào)告前快速查看對(duì)一些重要信息的整理和分析(圖8)。

圖8 固定顯示功能

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的基于UDS協(xié)議的汽車事件數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)數(shù)據(jù)提取方法主要是通過(guò)0x22服務(wù)來(lái)同EDR進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行存儲(chǔ)和解析。依此方法開發(fā)了數(shù)據(jù)提取工具，利用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)事件數(shù)據(jù)的提取、轉(zhuǎn)存、曲線顯示，并能自動(dòng)生成規(guī)范的報(bào)告文檔。此外，文中設(shè)計(jì)的提取工具是匹配特定的EDR使用的，當(dāng)EDR標(biāo)準(zhǔn)確定后可以做部分修改使之具有通用性。