智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)感知系統(tǒng)電磁兼容分析

張吉宇

（柳州汽車(chē)檢測(cè)有限公司，廣西 柳州 545000）

0 引言

由于汽車(chē)需要在不同的電磁輻射源中工作，相應(yīng)電控系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)題也在不斷增加。尤其是對(duì)于智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)，利用5G技術(shù)建立車(chē)聯(lián)網(wǎng)云端，與智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)建立智能化的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)，將汽車(chē)的駕駛體驗(yàn)提升到一個(gè)新的高度，但是也暴露出電子產(chǎn)品的諸多缺點(diǎn)，在電磁干擾環(huán)境下智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的感知系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)判斷失誤的問(wèn)題，這對(duì)于嚴(yán)重依賴(lài)電控系統(tǒng)工作的智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)來(lái)說(shuō)是非常危險(xiǎn)的。汽車(chē)電磁兼容的穩(wěn)定性一直是學(xué)術(shù)界和汽車(chē)制造業(yè)關(guān)注的研究課題，因?yàn)樗苯雨P(guān)系到汽車(chē)的安全運(yùn)行以及消費(fèi)者對(duì)這類(lèi)產(chǎn)品的信賴(lài)程度[1]。

電磁兼容技術(shù)大致經(jīng)歷了以下三個(gè)階段：解決問(wèn)題、標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范以及系統(tǒng)工程。其中，系統(tǒng)工程的方法是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行全面性管理，從而提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，具有較高的工程利用價(jià)值。但這些傳統(tǒng)的分析方法都是以電路計(jì)算和發(fā)射響應(yīng)模型分析為基礎(chǔ)的，這就需要準(zhǔn)確地了解系統(tǒng)中各個(gè)元件的詳細(xì)數(shù)學(xué)模型。利用這類(lèi)方法解決汽車(chē)的電磁兼容問(wèn)題是很難反映汽車(chē)電子系統(tǒng)的電磁動(dòng)態(tài)特性的，這些方法在研究汽車(chē)電磁兼容問(wèn)題時(shí)只考慮到局部變化缺乏對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行理論化分析，所以分析結(jié)果不具有實(shí)際價(jià)值。如何對(duì)汽車(chē)復(fù)雜的電控系統(tǒng)進(jìn)行有效的理論分析和預(yù)測(cè)，是分析汽車(chē)電磁兼容的關(guān)鍵所在[2]。

1 智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)問(wèn)題分析

1.1 物聯(lián)網(wǎng)存在問(wèn)題

從物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展之初到現(xiàn)在，我們見(jiàn)證了物聯(lián)網(wǎng)對(duì)汽車(chē)制造業(yè)的顛覆性改變，最值得注意的是智能通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)與通信技術(shù)已經(jīng)成為人類(lèi)生產(chǎn)生活中的重要角色，雖然由于全I(xiàn)P蜂窩系統(tǒng)的存在，人類(lèi)的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)已變得無(wú)處不在，但是開(kāi)發(fā)先進(jìn)的信息技術(shù)仍然具有極大的挑戰(zhàn)性，對(duì)于應(yīng)用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的車(chē)聯(lián)網(wǎng)具有以下缺點(diǎn)：車(chē)輛密度可能會(huì)隨著時(shí)間（非高峰時(shí)段）和位置（主要街道和次要街道）而急劇變化，并且由于移動(dòng)或室內(nèi)/地下停車(chē)場(chǎng)，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)遭受?chē)?yán)重的干擾[3]。數(shù)據(jù)傳遞和路徑規(guī)劃以及其它與位置相關(guān)的數(shù)據(jù)信息具有極低的延遲容忍能力，而其它信息娛樂(lè)應(yīng)用程序則具有一定的延遲容忍能力。智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)采用存在干擾的通信網(wǎng)絡(luò)很難保證汽車(chē)具有良好的環(huán)境感知使用體驗(yàn)。智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)可以依靠V2V通信、V2I通信或兩者兼而有之。現(xiàn)有的V2V和V2I通信研究主要集中在安全消息廣播或信息娛樂(lè)服務(wù)上，與信息娛樂(lè)服務(wù)相比，智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)狀態(tài)更新的延遲、可靠性和可用性要求更為嚴(yán)格，而這些數(shù)據(jù)信息可能需要傳播更長(zhǎng)的距離，而不是僅僅向相鄰車(chē)輛廣播。然而，由于動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、時(shí)變通信信道以及異構(gòu)的V2V和V2I通信技術(shù)，高移動(dòng)性車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)的建立是極具挑戰(zhàn)性的[4]。

1.2 智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)環(huán)境感知系統(tǒng)

環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、精準(zhǔn)定位、線控執(zhí)行是智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的四大核心技術(shù)，環(huán)境感知系統(tǒng)的作用就是讓汽車(chē)擁有自己的眼睛，判斷汽車(chē)所處的環(huán)境位置并進(jìn)行合理化處理。環(huán)境感知系統(tǒng)主要是對(duì)行人、周?chē)?chē)輛、行駛路面、交通信號(hào)燈、路牌等標(biāo)志性物體進(jìn)行簡(jiǎn)單識(shí)別，現(xiàn)在已經(jīng)有很多電子控制系統(tǒng)運(yùn)用了環(huán)境感知技術(shù)，這些系統(tǒng)主要用于提高汽車(chē)的主動(dòng)安全性，降低出現(xiàn)交通安全事故的風(fēng)險(xiǎn)[1]。

環(huán)境感知系統(tǒng)可以借助多種途徑進(jìn)行環(huán)境識(shí)別，最典型的的就是汽車(chē)攝像頭以及汽車(chē)?yán)走_(dá)，下面簡(jiǎn)要介紹幾種常用的環(huán)境感知設(shè)備，首先是毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)，這兩種設(shè)備常用于獲取汽車(chē)車(chē)前和車(chē)后的距離數(shù)據(jù)，其中激光雷達(dá)具有極高的測(cè)量精度，但是對(duì)于光照環(huán)境變化的感知效果較差，而毫米波雷達(dá)具有極強(qiáng)的抗干擾能力，但是對(duì)行人的距離感知效果較差。其次是超聲波傳感器和視覺(jué)傳感器，超聲波傳感器可以用于短距離物體的感知而且抗干擾能力較強(qiáng)，但是如果感知物體較大就無(wú)法精確探測(cè)了；視覺(jué)傳感器可以采集汽車(chē)周?chē)亩S或三維圖像信息，而且對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力較強(qiáng)，但是容易受到光照影響。

從上面的介紹中可以看出：雖然現(xiàn)有的環(huán)境感知設(shè)備可以在一定程度上優(yōu)化駕駛的舒適度，但都存在或多或少的缺點(diǎn)，而且智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)集成了大量的電子系統(tǒng)，系統(tǒng)與系統(tǒng)，系統(tǒng)與環(huán)境之間都存在有電磁干擾的現(xiàn)象，所以如何提升汽車(chē)電子器件的電磁兼容能力對(duì)于智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的發(fā)展是非常重要的。

2 電磁兼容分析

2.1 協(xié)同理論

協(xié)同理論是德國(guó)學(xué)者哈肯創(chuàng)立的一門(mén)綜合性交叉學(xué)科，它是關(guān)于自組織現(xiàn)象出現(xiàn)的條件和規(guī)則，在由相似的特征子系統(tǒng)構(gòu)成的系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)之間的相互作用可能導(dǎo)致有序和結(jié)構(gòu)化，系統(tǒng)的熵增會(huì)導(dǎo)致無(wú)序和混亂，當(dāng)兩種運(yùn)動(dòng)均衡匹配時(shí)，系統(tǒng)才能達(dá)到平衡，否則就會(huì)出現(xiàn)臨界變化。協(xié)同理論就是研究包含隨機(jī)變量的非線性動(dòng)力系統(tǒng)的規(guī)律，哈肯在協(xié)同理論中描述了臨界點(diǎn)附近的行為，提出了伺服原理和序參量原理[2]。

對(duì)于一個(gè)由數(shù)量龐大的子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，其演化方程中包含的變量數(shù)目非常大，不可能對(duì)這些方程進(jìn)行處理。因此如何簡(jiǎn)化這些演化方程，用低維方程近似地描述原系統(tǒng)是協(xié)同理論的一個(gè)重要研究課題。由此開(kāi)發(fā)了一種基本的伺服原理，其核心是近似絕熱原理。根據(jù)這兩個(gè)臨界階段的協(xié)同理論，得出了當(dāng)系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)子系統(tǒng)的臨界阻尼行為是不存在的。慢參數(shù)的數(shù)量不多，但它們正驅(qū)動(dòng)著其他快速參數(shù)的運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)運(yùn)行的最終狀態(tài)由它們決定。近似絕熱原理是指當(dāng)系統(tǒng)處于臨界階段時(shí)系統(tǒng)快速有序地成形，外界對(duì)系統(tǒng)的影響可以忽略不計(jì)，但在系統(tǒng)內(nèi)部如果忽略快速衰減參數(shù)的變化方程可以大大簡(jiǎn)化，然后產(chǎn)生只包含慢參數(shù)序參量方程的方程組。這種方法減少了變量的數(shù)目，使方程易于求解。

協(xié)同理論的序參量原理是指在未進(jìn)入臨界階段的舊結(jié)構(gòu)下，序參量為0，但在臨界相發(fā)生時(shí)，序參量不是空值。協(xié)同學(xué)中的序參量具有三個(gè)特征共同點(diǎn)：①宏觀上描述系統(tǒng)整體行為；②微觀上子系統(tǒng)集體運(yùn)動(dòng)的協(xié)同效應(yīng)；③控制子系統(tǒng)行為，主導(dǎo)系統(tǒng)演化過(guò)程。

2.2 電磁兼容的三個(gè)關(guān)鍵要素

任何電磁干擾過(guò)程都需要三個(gè)要素：干擾源、耦合路徑、敏感設(shè)備。因此，對(duì)于智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)感知系統(tǒng)的電磁干擾，電磁兼容的三個(gè)要素可以用S（t，f，r，θ），C（t，f，r，θ），R（t，f，r，θ）這三個(gè)函數(shù)來(lái)表示，其中時(shí)間變量為t、頻率變量為f、空間變量為r、方位變量為θ，當(dāng)發(fā)生電磁干擾時(shí)，滿足干擾源與耦合路徑的函數(shù)乘積大于等于敏感設(shè)備函數(shù)。但對(duì)于汽車(chē)復(fù)雜的電子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間會(huì)成為潛在的干擾源。因此，簡(jiǎn)單地用三個(gè)要素來(lái)解釋汽車(chē)電磁兼容問(wèn)題的工程量是十分巨大的。

汽車(chē)電控系統(tǒng)的復(fù)雜性是由可實(shí)現(xiàn)功能決定的，同時(shí)汽車(chē)所處的電磁環(huán)境也是非常復(fù)雜的，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越多的集成芯片應(yīng)用于汽車(chē)電磁環(huán)境中，使得汽車(chē)電磁環(huán)境變得更加復(fù)雜。汽車(chē)所處的電磁環(huán)境具有以下四個(gè)特點(diǎn)：①汽車(chē)是由大量不同種類(lèi)的零部件組成，這些零部件分布在車(chē)身的各個(gè)區(qū)域，通過(guò)CAN總線相互聯(lián)系；②汽車(chē)電子系統(tǒng)作為一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，具有時(shí)間和諧性的特點(diǎn)；③汽車(chē)電子系統(tǒng)經(jīng)常受到不同的干擾，如雷雨天氣的干擾、負(fù)荷突變、誤操作等這些可能會(huì)導(dǎo)致交通安全事故；④汽車(chē)電子系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)大量高集成度的高頻芯片，它將成為一個(gè)融合數(shù)字和仿真設(shè)備的復(fù)雜系統(tǒng)。正是由于汽車(chē)電子系統(tǒng)具有如此復(fù)雜的特性，所以無(wú)法用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述和分析其電磁兼容問(wèn)題[5]。

2.3 基于協(xié)同理論的電磁兼容分析

從以上的描述可以明顯地看出，汽車(chē)電子系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)題是對(duì)系統(tǒng)發(fā)生臨界變化時(shí)的行為的考慮，因此宏觀上可以看作是一種接近臨界階段時(shí)的穩(wěn)定問(wèn)題。以下從麥克斯韋方程組出發(fā)，利用協(xié)同理論中的伺服原理和序參量原理進(jìn)行論證。在麥克斯韋方程中，有E、D、H和B四個(gè)物理變量來(lái)描述電磁場(chǎng)的特性。它們分別代表電場(chǎng)強(qiáng)度、電通量密度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁通量密度。一般來(lái)說(shuō)，這些物理變量是位置矢量r和時(shí)間t的連續(xù)函數(shù)，電磁場(chǎng)源的電流密度J和電荷密度的平方也是位置矢量r和時(shí)間t的連續(xù)函數(shù)。在上述情況下，麥克斯韋方程組的微分形式如下：

這是電磁場(chǎng)的能量原理。根據(jù)傅里葉變換，任意一個(gè)隨時(shí)間變化的電磁場(chǎng)一般都可以看作是不同時(shí)諧電磁場(chǎng)的總和，因此任何電磁場(chǎng)的求解實(shí)際上都可以歸結(jié)為求解時(shí)諧電磁場(chǎng)。設(shè)F（r，t）為角頻率為A的時(shí)諧電磁場(chǎng)，則函數(shù)F可用復(fù)形形式表示，并且函數(shù)F是一個(gè)復(fù)向量：

汽車(chē)電磁兼容問(wèn)題實(shí)際上是對(duì)汽車(chē)空間中電磁波能量轉(zhuǎn)換的研究。根據(jù)協(xié)同理論，選取能流密度矢量作為主要序參量，依次引用三個(gè)項(xiàng)參數(shù)原理。為了方便計(jì)算和理解，這里可以只使用兩種變量（S，u）來(lái)計(jì)算汽車(chē)電子系統(tǒng)的電磁兼容性。S是慢參數(shù)，u是快速參數(shù)。它們是位置向量r、時(shí)間向量t、頻率向量f和方位向量θ的函數(shù)，是電磁兼容分析中三個(gè)關(guān)鍵元素的變形?？梢詫⑾到y(tǒng)演化方程寫(xiě)成如下形式：

公式（3）為汽車(chē)電子系統(tǒng)的序參量演化方程，其中，S為主要序參量，α、β是指定算法下的最佳參數(shù)。從公式中也可以看出，其它因素的行為也適用于汽車(chē)的主要序參量。實(shí)際上，能流密度矢量代表電磁波能量的功率電流強(qiáng)度，因此，如果S穩(wěn)定，則該總標(biāo)志區(qū)的電磁兼容特性是相容的；反之，如果S改變，該總標(biāo)志區(qū)的電磁兼容特性也隨之改變。因此，如果S已知，我們可以得到相應(yīng)區(qū)域的電磁兼容定量分析，并根據(jù)方程（1）和（3）的計(jì)算相關(guān)電磁學(xué)參數(shù)。

3 結(jié)論

對(duì)于包含多個(gè)子系統(tǒng)和傳感器的環(huán)境感知系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)與車(chē)聯(lián)網(wǎng)相連接，其基本電磁方程的變量數(shù)目大維度高，對(duì)于這樣的方程進(jìn)行求解幾乎是不可能的。因此根據(jù)協(xié)同理論和汽車(chē)電子系統(tǒng)的特點(diǎn)，利用麥克斯韋方程，得到汽車(chē)電子系統(tǒng)的階數(shù)演化方程，提出了汽車(chē)電控系統(tǒng)電磁兼容分析的新思路。

與傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程電磁兼容分析相比，該方法不僅消除了質(zhì)量變量的數(shù)量，使方程組易于求解，而且能深刻地反映汽車(chē)復(fù)雜電控子系統(tǒng)協(xié)同產(chǎn)生的電磁兼容序參量。電磁兼容分析的序參量控制著子系統(tǒng)的行為，這些行為促使整個(gè)汽車(chē)復(fù)雜電子系統(tǒng)的狀態(tài)趨于有序，從而達(dá)到汽車(chē)電磁兼容分析與設(shè)計(jì)的目的。