基于CAN總線的車(chē)輛數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

【摘" 要】為了提高車(chē)輛數(shù)據(jù)分析的效率與可靠性，文章設(shè)計(jì)一種基于CAN總線的車(chē)輛數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)功能，包括系統(tǒng)配置、報(bào)文解析、數(shù)據(jù)分析、自動(dòng)報(bào)告和數(shù)據(jù)上云等。同時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的可行性進(jìn)行充分的驗(yàn)證，確保系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的有效性和穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】CAN總線；數(shù)據(jù)分析；駕駛行為分析；數(shù)據(jù)上云

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.6" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（2025）03-0010-04

Vehicle Data Analysis System Based on CAN Bus

【Abstract】In order to improve the efficiency and reliability of vehicle data analysis，a vehicle data analysis system based on CAN bus is designed in this paper. The system can realize many functions，including system configuration，message parsing，data analysis，automatic reporting and data cloud. At the same time，the feasibility of the system is fully verified by experiments to ensure the effectiveness and stability of the system in practical application.

【Key words】CAN bus；data analysis；driving behavior analysis；data cloud

隨著智能交通和新能源汽車(chē)的快速發(fā)展，車(chē)輛數(shù)據(jù)分析對(duì)提升車(chē)輛性能、優(yōu)化能耗和增強(qiáng)駕駛安全性愈發(fā)重要。傳統(tǒng)方法是將實(shí)車(chē)CAN報(bào)文數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)CSV格式后用Excel分析并人工編報(bào)告，步驟繁瑣、管理難、效率低且可靠性差。本文設(shè)計(jì)基于CAN總線的車(chē)輛數(shù)據(jù)自動(dòng)化分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)解析、加載配置文件、數(shù)據(jù)分析自動(dòng)化、自動(dòng)報(bào)告生成和數(shù)據(jù)上云功能，增強(qiáng)數(shù)據(jù)分析可靠性，提升用戶體驗(yàn)，推動(dòng)車(chē)輛性能和駕駛安全性提升。

1" 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

1.1" 系統(tǒng)的架構(gòu)和功能

綜合考慮系統(tǒng)功能性和實(shí)用性需求，構(gòu)建了整體結(jié)構(gòu)方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)分析軟件和云管理平臺(tái)兩大部分組成。數(shù)據(jù)分析軟件主要實(shí)現(xiàn)DBC解析、報(bào)文解析、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)分析、自動(dòng)報(bào)告及數(shù)據(jù)上云等功能。軟件依據(jù)導(dǎo)入的CAN報(bào)文和DBC文件進(jìn)行匹配解析，按配置好的分析參數(shù)開(kāi)展數(shù)據(jù)分析，分析完成后生成自動(dòng)報(bào)告。當(dāng)需將分析報(bào)告和原始數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)管理時(shí)，可通過(guò)數(shù)據(jù)上云功能實(shí)現(xiàn)。云管理平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、文件存儲(chǔ)和Web前端等功能的開(kāi)發(fā)。當(dāng)云平臺(tái)服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)文件后，提取關(guān)鍵分析結(jié)果存儲(chǔ)到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，將原始文件和分析報(bào)告存儲(chǔ)到文件存儲(chǔ)庫(kù)中，在Web前端中進(jìn)行關(guān)鍵信息顯示和用戶交互。

1.2" 數(shù)據(jù)解析功能的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)解析功能中，采用DBC文件作為CAN數(shù)據(jù)解析的基礎(chǔ)文件，該文件包含了詳細(xì)的CAN報(bào)文及信號(hào)描述解析信息，是解析幀數(shù)據(jù)的關(guān)鍵所在。在數(shù)據(jù)分析軟件中，預(yù)先配置了多套適用于不同車(chē)型的DBC文件。操作人員導(dǎo)入BLF格式的CAN數(shù)據(jù)后，軟件將使用Python-can庫(kù)讀取所導(dǎo)入的BLF文件，并把讀取到的CAN數(shù)據(jù)幀存儲(chǔ)在列表之中。隨后，利用Canmatrix庫(kù)加載相應(yīng)車(chē)型的DBC文件。對(duì)于存儲(chǔ)在列表中的每一個(gè)數(shù)據(jù)幀，會(huì)依據(jù)其幀ID在DBC文件中進(jìn)行解析匹配操作。一旦成功匹配，便會(huì)對(duì)該數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解碼處理，從中提取信號(hào)名稱(chēng)和信號(hào)值，并記錄數(shù)據(jù)幀的相對(duì)時(shí)間戳。在提取信號(hào)數(shù)據(jù)之后，會(huì)將信號(hào)名稱(chēng)、時(shí)間戳以及信號(hào)值等信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)。當(dāng)數(shù)據(jù)成功解析后，會(huì)對(duì)其開(kāi)展清洗操作。數(shù)據(jù)清洗操作涵蓋了過(guò)濾無(wú)效數(shù)據(jù)、平滑數(shù)據(jù)波動(dòng)以及修正明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)點(diǎn)等方面，經(jīng)過(guò)清洗的數(shù)據(jù)將更具可靠性，更適合后續(xù)的分析和處理。數(shù)據(jù)分析功能的主要邏輯如圖2所示。這種基于DBC文件的CAN報(bào)文解析方法，避免了傳統(tǒng)固定解析方法在處理不同車(chē)型數(shù)據(jù)時(shí)頻繁修改代碼的問(wèn)題。該方法能夠高效且準(zhǔn)確地處理不同車(chē)型的CAN數(shù)據(jù)，顯著提高了系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性。

1.3" 數(shù)據(jù)分析功能的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)分析內(nèi)容分為5大板塊：車(chē)速相關(guān)分析、工況能耗分析、電機(jī)工況分析、駕駛行為分析和策略分析。

1）車(chē)速相關(guān)分析板塊包括里程、平均車(chē)速、車(chē)速標(biāo)準(zhǔn)差、運(yùn)行平均車(chē)速等。主要通過(guò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算法進(jìn)行分析，對(duì)車(chē)速數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算，獲取所需的指標(biāo)數(shù)據(jù)。

2）工況能耗分析板塊包括整車(chē)各部件的百公里能耗，以及等速條件下的能耗分析，主要通過(guò)積分計(jì)算法進(jìn)行分析。等速能耗分析中，使用最近鄰查找法進(jìn)行相同時(shí)刻的數(shù)據(jù)定位。

3）電機(jī)工況分析板塊包括驅(qū)動(dòng)回饋效率、電機(jī)工況點(diǎn)分布等。主要通過(guò)電機(jī)的電耗和機(jī)械能耗的比值來(lái)計(jì)算驅(qū)動(dòng)效率和回饋效率，同時(shí)，根據(jù)電機(jī)效率MAP圖和扭矩轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，繪制電機(jī)工況點(diǎn)分布圖。

4）駕駛行為分析板塊包括加減速比例、加速度標(biāo)準(zhǔn)差、相對(duì)正加速度、油門(mén)制動(dòng)踏板開(kāi)發(fā)及變化率的分布等，主要通過(guò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算法和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

5）策略分析板塊包括上升下降扭矩斜率、滑行扭矩等，主要通過(guò)扭矩特性反向推演實(shí)車(chē)策略。

1.3.1" 等速能耗分析邏輯

在等速能耗分析方法中，需要篩選出處于指定速度范圍和加速度范圍之內(nèi)的車(chē)速、電壓以及電流等數(shù)據(jù)點(diǎn)。然而，由于實(shí)車(chē)報(bào)文的周期并不一致，因此需要對(duì)相同時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行定位，以便用于能耗計(jì)算。在本文中，主要采用的方法是最近鄰查找法。下文將通過(guò)實(shí)例來(lái)詳細(xì)介紹最近鄰查找法的主要邏輯，其實(shí)例邏輯圖見(jiàn)圖3。

該實(shí)例中需要找到車(chē)速為40km/h時(shí)刻的電流值，主要步驟為：①確定車(chē)速40km/h的時(shí)間49.9751s和序號(hào)10；②查找電流數(shù)據(jù)中序號(hào)為10的時(shí)間56.2432s；③判斷56.2432s大于49.9751s，電流數(shù)據(jù)向前查找，反之向后查找；④確定時(shí)間50.23s與49.9751s最接近，定位車(chē)速40km/h時(shí)刻的電流為-7.8A。當(dāng)電流電壓數(shù)據(jù)點(diǎn)定位成功后，計(jì)算時(shí)間間隔內(nèi)的電壓和電流乘積并累加以得到總能耗值，最終，通過(guò)等速行駛的里程計(jì)算百公里能耗。

1.3.2" 電機(jī)工況分析邏輯

電機(jī)工況分析旨在評(píng)估電機(jī)在不同工況下的能效表現(xiàn)，主要涵蓋電機(jī)驅(qū)動(dòng)回饋效率計(jì)算、電機(jī)工況點(diǎn)分布圖繪制等功能。在此，著重介紹電機(jī)工況點(diǎn)分布圖的繪制方法。

繪制電機(jī)工況點(diǎn)分布圖所需的主要數(shù)據(jù)包括電機(jī)效率MAP文件以及從報(bào)文中解析出的電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)點(diǎn)。首先，在讀取電機(jī)效率MAP文件后，會(huì)把其中的電機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩和效率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的列表。之后，將這些數(shù)據(jù)繪制成等高線圖，利用不同顏色和標(biāo)簽來(lái)展現(xiàn)效率的變化情況。接著，把從報(bào)文中解析出的電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制成散點(diǎn)圖，清晰標(biāo)記電機(jī)的工作狀態(tài)。最后，將散點(diǎn)圖疊加在效率等高線圖之上，能夠直觀地呈現(xiàn)電機(jī)的工況點(diǎn)分布情況，為電機(jī)性能優(yōu)化和能耗管理提供了至關(guān)重要的參考數(shù)據(jù)。

1.4" 數(shù)據(jù)上云功能的實(shí)現(xiàn)

在數(shù)據(jù)分析完成后，數(shù)據(jù)上云功能將原始數(shù)據(jù)和分析報(bào)告等上傳云平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理與歸檔。數(shù)據(jù)上云功能主要由客戶端、服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、文件存儲(chǔ)和Web前端組成，各部分的框架圖如圖4所示。

1.4.1" 客戶端實(shí)現(xiàn)

當(dāng)數(shù)據(jù)分析完成后，點(diǎn)擊客戶端上的數(shù)據(jù)上云功能按鍵，軟件會(huì)首先驗(yàn)證待上傳文件的路徑是否完整。隨后，會(huì)從分析報(bào)告文件中提取信息的必需項(xiàng)，例如車(chē)型名稱(chēng)、測(cè)試項(xiàng)目、日期等，并對(duì)其有效性進(jìn)行驗(yàn)證。若這些信息無(wú)效，系統(tǒng)將提示用戶重新填寫(xiě)相應(yīng)信息。在驗(yàn)證通過(guò)后，客戶端會(huì)彈出數(shù)據(jù)上云操作界面，用戶需在此填寫(xiě)用戶名和密碼。經(jīng)過(guò)服務(wù)器的認(rèn)證后，方可進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳操作。當(dāng)服務(wù)器接收到客戶端上傳的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)依據(jù)關(guān)鍵信息查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中是否已存在同名文件。若不存在，將反饋上傳成功；若存在，則反饋文件已存在。當(dāng)客戶端收到文件已存在的信息時(shí)，操作人員可根據(jù)自身需求，選擇強(qiáng)制上傳并覆蓋已有數(shù)據(jù)文件。

1.4.2" 服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)

服務(wù)器端使用Flask框架進(jìn)行搭建，其主要職責(zé)在于處理客戶端所提交的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，并且會(huì)將解析后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中。在數(shù)據(jù)上傳階段，客戶端上傳的文件會(huì)先被存儲(chǔ)在MinIO文件存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)。之后，服務(wù)器會(huì)對(duì)這些文件進(jìn)行解析操作，并將解析所得的數(shù)據(jù)項(xiàng)存儲(chǔ)到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，以此保障數(shù)據(jù)的高效管理與持久化存儲(chǔ)。此外，服務(wù)器還承擔(dān)著處理Web前端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求的任務(wù)。當(dāng)用戶通過(guò)Web界面來(lái)查詢車(chē)輛能耗數(shù)據(jù)時(shí)，可設(shè)置車(chē)型、分析項(xiàng)目和時(shí)間段等查詢條件。服務(wù)器會(huì)依據(jù)這些條件，從數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并將檢索結(jié)果反饋給前端。用戶還可以選擇將查詢結(jié)果導(dǎo)出為Excel文件，方便后續(xù)的進(jìn)一步分析和記錄操作。通過(guò)對(duì)Flask框架的應(yīng)用，服務(wù)器端達(dá)成了高效的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)目標(biāo)，確保了數(shù)據(jù)的安全性與可訪問(wèn)性，同時(shí)也為用戶提供了便捷的查詢和導(dǎo)出功能，滿足了用戶多樣化的數(shù)據(jù)處理需求。

1.4.3" Web前端實(shí)現(xiàn)

Web前端主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)展示以及用戶交互，其通過(guò)使用ECharts庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，涵蓋了關(guān)鍵信息展示、詳細(xì)數(shù)據(jù)展示、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)導(dǎo)出和權(quán)限管理等多項(xiàng)功能。在主界面上，會(huì)展示車(chē)輛能耗分析的關(guān)鍵信息，諸如車(chē)型、測(cè)試項(xiàng)目以及百公里能耗等，用戶可通過(guò)查詢功能，依據(jù)車(chē)型、測(cè)試項(xiàng)目和時(shí)間段等條件篩選數(shù)據(jù)。而在詳情頁(yè)，則會(huì)展示測(cè)試?yán)锍?、各部件的能耗等信息，并利用能耗占比餅圖和車(chē)速-時(shí)間路譜圖等可視化圖表，將數(shù)據(jù)以直觀的形式呈現(xiàn)出來(lái)。用戶還具備將查詢結(jié)果導(dǎo)出為Excel文件的能力，方便其開(kāi)展進(jìn)一步的分析和記錄工作，為用戶提供便捷、高效的數(shù)據(jù)查看和操作體驗(yàn)。

2" 試驗(yàn)驗(yàn)證

數(shù)據(jù)分析軟件界面如圖5所示，主要包括界面功能選擇區(qū)、配置選擇區(qū)、日志顯示區(qū)等。

2.1" 數(shù)據(jù)分析功能驗(yàn)證

2.1.1" 工況能耗分析

在由駕駛員進(jìn)行道路等速試驗(yàn)的過(guò)程中，因駕駛員操作或跑道受限等因素，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)車(chē)速不達(dá)標(biāo)的情況。在進(jìn)行等速能耗分析時(shí)，需要將這些不達(dá)標(biāo)的數(shù)據(jù)予以剔除。軟件提供了數(shù)據(jù)分析參數(shù)配置功能，該功能允許用戶對(duì)等速車(chē)速、車(chē)速誤差范圍、加速度誤差范圍等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，其參數(shù)配置界面如圖6所示。

導(dǎo)入通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)采集的CAN報(bào)文，并在完成參數(shù)配置之后，自動(dòng)分析所得到的結(jié)果。

2.1.2" 電機(jī)工況分析

在電機(jī)工況分析中，最為重要的分析項(xiàng)目是繪制電機(jī)工況點(diǎn)分布。通過(guò)對(duì)電機(jī)工況點(diǎn)分布進(jìn)行分析，能夠評(píng)估駕駛員在不同條件下的操作是否能讓車(chē)輛運(yùn)行在電機(jī)的高效區(qū)域。此分析對(duì)于優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)和車(chē)輛標(biāo)定有著至關(guān)重要的作用，它為相關(guān)工作提供了數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)，有助于提高電機(jī)性能和車(chē)輛的整體效率。電機(jī)工況點(diǎn)分布如圖7所示。

2.2" 數(shù)據(jù)上云功能驗(yàn)證

2.2.1" 客戶端上傳驗(yàn)證

數(shù)據(jù)分析完成后，操作人員可以將分析源數(shù)據(jù)和報(bào)告上傳至云平臺(tái)進(jìn)行管理，進(jìn)入數(shù)據(jù)上傳界面后彈出如圖8所示的界面圖，在輸入用戶名和密碼并登陸成功后，可以點(diǎn)擊數(shù)據(jù)上傳按鍵，將文件打包上傳，上傳成功后有成功提示。

2.2.2" Web端功能驗(yàn)證

在接收到客戶端上傳的數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)等的存儲(chǔ)處理，Web前端能夠調(diào)用相應(yīng)內(nèi)容，并將其顯示在網(wǎng)頁(yè)上。其顯示主要分為兩級(jí)，即匯總頁(yè)和詳情頁(yè)。匯總頁(yè)將篩選條件下的所有試驗(yàn)項(xiàng)目的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總展示。當(dāng)點(diǎn)擊電機(jī)的某一項(xiàng)后進(jìn)入詳情頁(yè)。詳情頁(yè)展示詳細(xì)信息，部分關(guān)鍵內(nèi)容會(huì)通過(guò)餅圖、曲線等形式予以展示。

3" 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前車(chē)輛數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域存在效率低、算法不統(tǒng)一、誤差大以及缺乏平臺(tái)管理等問(wèn)題。本文提出一種綜合性的車(chē)輛數(shù)據(jù)分析解決方案，利用DBC文件解析CAN報(bào)文，實(shí)現(xiàn)5大分析板塊并自動(dòng)生成報(bào)告，有效克服了傳統(tǒng)分析方法的諸多弊端。同時(shí)，通過(guò)客戶端、服務(wù)器和Web前端協(xié)同工作，達(dá)成數(shù)據(jù)上云與文件管理功能。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)所有功能均能滿足實(shí)際應(yīng)用需求，為車(chē)輛數(shù)據(jù)分析提供了高效、可靠的新途徑。

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