城市客車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

黃文青，陳凌珊

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

0 引言

隨著汽車行業(yè)向“電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化”方向的不斷發(fā)展，汽車的技術(shù)含量在得到大幅提升的同時，對于安全可靠運行的要求也在提高[1]。但在現(xiàn)實環(huán)境中，由于車輛受到的干擾越來越多，行駛工況越來越復(fù)雜，能否實時有效地監(jiān)控并獲取車輛狀態(tài)信息就很重要[2]。此外，如果能將這些信息進(jìn)行有序存儲與管理，不僅能為車輛的售后服務(wù)與維護(hù)工作提供便利，也能為整車與零部件的設(shè)計制造、智能化研究提供更多的數(shù)據(jù)積累[3]。為此，早在2009 年工信部就頒布了關(guān)于汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控的初期法規(guī)[4]，后來又制定了GB/T 32960-2016 《電動汽車遠(yuǎn)程服務(wù)與管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》等更細(xì)致的標(biāo)準(zhǔn)與要求[5]。在此背景下，本文以城市客車為研究對象，設(shè)計了一種遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)用于車輛與外界的通訊和數(shù)據(jù)管理，以滿足相關(guān)部門對于新能源車輛的監(jiān)控和評價維護(hù)要求[6]。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

本文中設(shè)計的城市客車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式的系統(tǒng)架構(gòu)，主要由車載終端、智能云平臺和應(yīng)用集三大部分組成，具體內(nèi)容如圖1 所示。車載終端通過CAN 總線從各控制器獲取內(nèi)部數(shù)據(jù)和故障信息，同時從各零部件的數(shù)據(jù)獲取客車的實時運行信息（主要是位置信息和行駛車速），再利用GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)上傳至智能云平臺。此外，車載終端也接收從云平臺下發(fā)的DBC 與指令，從而完成與云平臺的通信。智能云平臺由數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲集群、數(shù)據(jù)分析集群和數(shù)據(jù)接入解析集群構(gòu)成。其中，數(shù)據(jù)服務(wù)通過分布式Restful 數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)與應(yīng)用集的信息交互，并提供相應(yīng)的服務(wù)；數(shù)據(jù)存儲集群由Elastic Search 集群、分布式文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫集群組成，實現(xiàn)對客車行程數(shù)據(jù)、故障報警等實時/歷史數(shù)據(jù)文件的存儲與快速訪問；數(shù)據(jù)分析集群由實時計算引擎Spark Steaming、離線計算引擎Spark SQL 和分布式消息隊列組成，可以支持大數(shù)據(jù)實時、離線可視化分析，并存儲數(shù)據(jù)接入解析集群中的報文解析結(jié)果；數(shù)據(jù)接入解析集群主要是報文接收器和報文解析器，兩部分之間可完成路由轉(zhuǎn)發(fā)、負(fù)載均衡和自動失敗重試等過程。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 功能方案

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要用于城市客車的數(shù)據(jù)監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理，故而設(shè)計有車輛監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷、數(shù)據(jù)管理與分析、試驗管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理六大功能模塊，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)功能方案Fig.2 System function scheme

（1）車輛信息監(jiān)控。系統(tǒng)實時獲取車輛數(shù)據(jù)以及定位信息，用戶可以查詢每輛客車在任何時間段內(nèi)的行駛軌跡與使用情況。當(dāng)有故障報警時，云平臺和用戶端能同時發(fā)出提醒。

（2）遠(yuǎn)程刷寫與診斷。當(dāng)客車出現(xiàn)電控相關(guān)故障時，用戶可以通過系統(tǒng)實時獲取J1939 故障代碼，并進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷。此外，系統(tǒng)也支持UDS（Unified Diagnostic Services，統(tǒng)一診斷服務(wù)）協(xié)議，可進(jìn)行ECU 遠(yuǎn)程刷寫、故障查詢、控制、版本查詢等相關(guān)操作。

（3）數(shù)據(jù)管理與分析。系統(tǒng)可以將客車的總線信號、GPS 定位、司機(jī)的駕駛操作等信息進(jìn)行采集和存儲。對于本地的存儲數(shù)據(jù)，用戶可以對其進(jìn)行查詢、導(dǎo)入、下載和分析等操作，數(shù)據(jù)格式也能兼容Vehicle Spy 3，CANoe 等主流總線診斷工具。除了本地存儲外，系統(tǒng)還可以將這些信息無線傳輸至后臺，存儲在后臺服務(wù)器中。

（4）試驗管理。系統(tǒng)支持包括試驗科目、試驗數(shù)據(jù)、試驗進(jìn)度、試驗人員等信息的管理，主要用于解決客車各類試驗數(shù)據(jù)的管理問題，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中管理、分類索引、快速查找、數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)安全等功能。

（5）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理。系統(tǒng)為用戶提供了車輛信息、終端信息、ECU 信息、SIM 卡信息、試驗場地信息等的管理功能，支持對這些信息的增加、刪除、修改、查詢等操作。

（6）系統(tǒng)管理。系統(tǒng)為用戶提供了操作權(quán)限的集中管理功能。操作權(quán)限的集中管理包括定義操作者角色、設(shè)定系統(tǒng)用戶和設(shè)置功能權(quán)限。這一方面可以保障系統(tǒng)的使用安全性，另一方面也可以對系統(tǒng)各個子模塊的操作進(jìn)行協(xié)調(diào)，保證其各負(fù)其責(zé)、相關(guān)流程進(jìn)行順暢。

2.2 智能信息管理

為了便于對遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，本文設(shè)計了一個智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由3D 屏幕顯示系統(tǒng)、場地管理系統(tǒng)、試驗管理系統(tǒng)、試驗預(yù)約系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)和終端6部分組成，能從監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)中獲取車輛與駕駛員信息、場地情況、駕駛員評價數(shù)據(jù)、測試車輛數(shù)據(jù)、測試進(jìn)度數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程刷寫控制接口、試驗預(yù)約確認(rèn)和試驗進(jìn)度數(shù)據(jù)等信息，從而實現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的通訊和對監(jiān)控數(shù)據(jù)的有效管理，具體內(nèi)容如圖3 所示。

圖3 信息管理系統(tǒng)功能框架Fig.3 Functional framework of information management system

3 系統(tǒng)安全性能設(shè)計

本系統(tǒng)比較注重數(shù)據(jù)傳輸與處理過程中的信息安全，其對于安全性能的設(shè)計主要表現(xiàn)在終端接入安全、平臺安全和數(shù)據(jù)訪問安全3 個方面，如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)安全設(shè)計Fig.4 Design of system security performance

（1）終端接入安全。終端通過4G 網(wǎng)絡(luò)與平臺進(jìn)行通信，報文可采用RSA加密方式進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)傳輸安全性得到了保證。所有終端在連接平臺時會進(jìn)行鑒權(quán)操作，此時會對終端信息進(jìn)行校驗，只允許在庫的終端進(jìn)行接入。

（2）平臺安全。平臺在外網(wǎng)接入端設(shè)置有防火墻，數(shù)據(jù)傳輸整個鏈路過程中的所有組件全部開啟了Kerberos 安全認(rèn)證。

（3）數(shù)據(jù)管理與分析。數(shù)據(jù)在Hadoop 集群及各類大數(shù)據(jù)組件(如Zookeeper/Kafka/Hbase/Hive/HDFS 等)中全部開啟了Sentry 授權(quán)服務(wù)和LDAP 目錄訪問權(quán)限，所有操作均進(jìn)行日志審計，保證了數(shù)據(jù)的安全性。

4 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

本系統(tǒng)的硬件主要由T-BOX，V-BOX，S-BOX 三者組成，其中T-BOX 與V-BOX 之間通過Ethernet相連接，T-BOX 與S-BOX 通過CAN 總線項連接，其硬件框架如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)硬件框架Fig.5 System hardware framework

T-BOX 采用4G 通信方式，通過EC20 通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸；有10 路CAN 總線接口，2 路GPIO 通用接口，CPU 內(nèi)置六軸向加速度傳感器。MCU 選用SPC5768，支持外接開關(guān)量、模擬量數(shù)據(jù)采集設(shè)備。CPU 支持SD 存儲卡存儲。通過Ethernet 連接V-BOX 進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)采集與上傳；支持遠(yuǎn)程固件升級。支持原始CAN 報文及解析后的參數(shù)兩種存儲方式。具有遠(yuǎn)程故障診斷功能，支持SAE J1939，UDS，OBD 等診斷協(xié)議。

V-Box 的MCU 選用Hi3520D，支持8 路視頻存儲，1 路音頻存儲。存儲方面，支持內(nèi)部固態(tài)SSD 存儲與SD 存儲卡存儲。支持網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)視頻文件上傳與本地觸發(fā)視頻上傳功能，能實時查看攝像頭視頻數(shù)據(jù)。通過Ethernet 連接T-BOX，支持實時配置終端參數(shù)；支持遠(yuǎn)程固件升級。

S-Box 的MCU 選 用S32K144，支 持8 路24位高精度數(shù)據(jù)采集，誤差控制在±0.2 V。支持CAN 總線將數(shù)據(jù)上傳至T-BOX，也可通過CAN總線進(jìn)行模塊功能配置。

5 系統(tǒng)功能應(yīng)用

本系統(tǒng)以某型純電動城市客車作為試驗車輛，主要驗證其在車輛監(jiān)控、故障診斷以及數(shù)據(jù)管理分析方面的應(yīng)用情況。

5.1 車輛監(jiān)控

5.1.1 車輛實時監(jiān)控

本系統(tǒng)支持車輛的實時定位、跟蹤定位及歷史軌跡回放，跟蹤及回放時的車輛運行軌跡可以直觀地顯示在監(jiān)控界面，便于用戶及時掌握車輛個運行情況，如圖6 所示。

圖6 車輛實時狀態(tài)監(jiān)控Fig.6 Real-time monitoring of vehicle status

5.1.2 車輛數(shù)據(jù)明細(xì)

本系統(tǒng)支持用戶對試驗車輛部件信息（BMS、VCU 等）、運行信息（車速、里程等）、故障信息等進(jìn)行統(tǒng)計分析，同時兼具查詢車輛歷史數(shù)據(jù)功能，為分析車輛狀態(tài)和某一時刻的運行狀況提供依據(jù)，如圖7 所示。

圖7 車輛部件信息采集Fig.7 Collection of vehicle parts information

此外，用戶也可以通過該系統(tǒng)查詢一段時間范圍內(nèi)的某輛車的主要零部件的相關(guān)性能參數(shù)值，如圖8 所示。

圖8 車輛數(shù)據(jù)查詢Fig.8 Inquiry of vehicle data

5.2 故障診斷

5.2.1 故障代碼庫

試驗車輛的遠(yuǎn)程監(jiān)控協(xié)議在本系統(tǒng)內(nèi)都會有固定的數(shù)據(jù)字典與其對應(yīng)，數(shù)據(jù)字典的內(nèi)容即為系統(tǒng)監(jiān)控界面顯示的車輛信息，每個數(shù)據(jù)字典的故障碼會上傳到系統(tǒng)代碼庫，車輛發(fā)生報警時會自動調(diào)用對應(yīng)數(shù)據(jù)字典的故障，如圖9所示。

圖9 故障代碼庫Fig.9 Fault code database

5.2.2 UDS 故障診斷

本系統(tǒng)支持UDS 診斷協(xié)議，可以查詢指定時間段內(nèi)試驗車輛的故障報警等級與內(nèi)容、報警的起止時間和發(fā)生故障時車輛的位置信息，如圖10 所示。

圖10 故障診斷與查詢Fig.10 Fault diagnosis and inquiry

5.2.2 ECU 遠(yuǎn)程刷寫與控制

本系統(tǒng)建立了用戶與試驗車輛之間的物理通信鏈接，為遠(yuǎn)程ECU 數(shù)據(jù)通信奠定了基礎(chǔ)。通過權(quán)限認(rèn)證和安全確認(rèn)，可以遠(yuǎn)程為試驗車輛ECU 進(jìn)行刷寫與控制操作，流程如圖11 所示。

圖11 ECU 遠(yuǎn)程刷寫流程Fig.11 Process of ECU remote flashing

6 結(jié)語

本文設(shè)計的城市客車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)城市工況下對客車的狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷與數(shù)據(jù)管理。另外，該系統(tǒng)擁有較大的數(shù)據(jù)容量和較強(qiáng)的信息安全性，不僅為城市客車的運營與監(jiān)管提供了便利，而且能為客車智能駕駛算法的設(shè)計與優(yōu)化提供一手?jǐn)?shù)據(jù)，具有良好的應(yīng)用前景。