張新豐，沈 勇，宋 謌，徐東升

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804)

前言

新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)新能源汽車的研發(fā)、改進(jìn)、測(cè)試、示范運(yùn)營(yíng)和產(chǎn)業(yè)化具有重要意義，比如可以取零部件運(yùn)行參數(shù)，分析汽車性能;對(duì)零部件和動(dòng)力總成可靠性耐久性進(jìn)行分析;通過(guò)道路測(cè)試，評(píng)估車輛設(shè)計(jì)的合理性，改進(jìn)新能源汽車設(shè)計(jì);通過(guò)遠(yuǎn)程故障數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)車輛故障、減少安全隱患;還可為公眾展示新能源汽車現(xiàn)有研究成果，跟蹤示范運(yùn)營(yíng)效果，推廣新能源汽車應(yīng)用。我國(guó)要求新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)對(duì)不同發(fā)展時(shí)期全部或部分(20%)的新能源汽車進(jìn)行監(jiān)控［1］。

文獻(xiàn)［2］中開(kāi)發(fā)了基于GPRS的新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng);文獻(xiàn)［3］中開(kāi)發(fā)了基于GPRS和Internet的無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，為電動(dòng)汽車的示范運(yùn)營(yíng)提供了有效的管理手段;還有德國(guó)ETAS公司開(kāi)發(fā)的汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控記錄儀［4］。

隨著國(guó)家對(duì)新能源汽車支持力度的加大，新能源汽車數(shù)目急劇增多，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，使系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)量越來(lái)越多;同時(shí)由于各種不同型號(hào)、配置的新能源汽車的不斷開(kāi)發(fā)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的功能須不斷增加、修改和調(diào)整，現(xiàn)有的物流監(jiān)控系統(tǒng)、公交車監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)、出租車調(diào)度系統(tǒng)［5－6］等，雖然支持較大規(guī)模的車輛運(yùn)營(yíng)，但無(wú)法滿足大量實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄的功能，因此無(wú)法跟蹤示范運(yùn)營(yíng)效果和對(duì)新能源汽車的零部件性能做出評(píng)估。

針對(duì)規(guī)模示范運(yùn)營(yíng)所面臨的大量實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)參數(shù)的監(jiān)控要求、車輛管理和示范運(yùn)營(yíng)展示的問(wèn)題，本文中提出一種基于MVC(model-view-controller)模式的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，使該監(jiān)控系統(tǒng)不但解決了上述問(wèn)題，而且在功能上具有良好的擴(kuò)展性和獨(dú)立性，監(jiān)控系統(tǒng)整體具有較好的維護(hù)性和穩(wěn)定性。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體構(gòu)架

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)包括車載遠(yuǎn)程通信控制單元(tele communication unit，TCU)和監(jiān)控中心兩部分，TCU包括兩個(gè)方向的通信接口:一個(gè)連接車載總線，對(duì)車輛的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集;另一個(gè)連接無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，將車載數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖可見(jiàn)，車載端的無(wú)線數(shù)據(jù)接入采用通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)系統(tǒng)(general packet radio system，GPRS)，GPRS是第2.5代(2.5G)無(wú)線通信技術(shù)，理論上具有171.2kb/s的上行速率和20kb/s的下行速率，并且覆蓋面積廣，在城市及大部分郊區(qū)都可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，資費(fèi)比較低廉，因此適合于車載不間斷聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送［7－8］。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議基于TCP協(xié)議，應(yīng)用層數(shù)據(jù)打包在TCP協(xié)議上，使通信服務(wù)器和TCU可以直接通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換［9］。

監(jiān)控中心采用分布式體系結(jié)構(gòu)，由獨(dú)立的通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器組成，它們之間采用局域網(wǎng)連接。通信服務(wù)器接收來(lái)自TCU的數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用層協(xié)議加以解析并放入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，同時(shí)從數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器讀取需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，根據(jù)應(yīng)用層協(xié)議打包發(fā)送到TCU;數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器保存新能源汽車的當(dāng)前的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù);應(yīng)用服務(wù)器則根據(jù)不同的監(jiān)控功能，為監(jiān)控人員提供圖形化的監(jiān)控管理的交互界面。應(yīng)用服務(wù)器是其中功能結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、維護(hù)成本最高的部分。由于運(yùn)營(yíng)的新能源車輛增多，各種不同型號(hào)和配置的新能源汽車的不斷開(kāi)發(fā)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控功能須不斷增加、修改和調(diào)整，應(yīng)用服務(wù)器功能需要不斷更新和升級(jí)。

目前在應(yīng)用服務(wù)器模式方面，有客戶端/服務(wù)器(client/server，C/S)模式和基于Web的瀏覽器/服務(wù)器(browser/server，B/S)模式兩種。選擇應(yīng)用服務(wù)器的模式時(shí)須考慮以下問(wèn)題。

(1)用戶環(huán)境 由于新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的用戶包括運(yùn)營(yíng)管理人員、設(shè)計(jì)維護(hù)人員、資助單位和全國(guó)各地的汽車廠商，并隨著參與運(yùn)營(yíng)車輛的增多，使參與新能源車輛管理、運(yùn)營(yíng)、使用和維護(hù)的人員也不斷增多，用戶分布很廣，要求便于使用。

(2)系統(tǒng)與維護(hù) B/S模式是一個(gè)更為開(kāi)放的系統(tǒng)，具有較多的外部資源支持。

(3)系統(tǒng)升級(jí)和維護(hù) 對(duì)C/S模式來(lái)說(shuō)，一旦系統(tǒng)升級(jí)，客戶必須改變相應(yīng)的客戶端軟件。

(4)系統(tǒng)性能 C/S模式在性能上有優(yōu)勢(shì)，比如實(shí)時(shí)性和反應(yīng)靈敏性等。

(5)維護(hù)費(fèi)用 開(kāi)發(fā)一個(gè)C/S模式的應(yīng)用服務(wù)器，須有更多的工程師來(lái)開(kāi)發(fā)和維護(hù)，成本較高。

文獻(xiàn)［10］中指出，基于Web的瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)程監(jiān)控方面具有更好的前景，經(jīng)過(guò)綜合考慮選擇B/S模式作為應(yīng)用服務(wù)器的服務(wù)模式。

2 基于MVC的監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)程序分布在通信、數(shù)據(jù)和應(yīng)用服務(wù)器上，分別實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的接收與轉(zhuǎn)發(fā)、存儲(chǔ)管理和監(jiān)控服務(wù)。

2.1 基于MVC模式的系統(tǒng)程序構(gòu)架

MVC是一個(gè)設(shè)計(jì)模式，它使應(yīng)用程序的輸入、處理和輸出強(qiáng)制性分開(kāi)，使用MVC應(yīng)用程序被分成3個(gè)核心部件:模型、視圖和控制器［11－12］?；贛VC模式的監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用程序構(gòu)架如圖2所示。

車輛信息模型用于封裝與被監(jiān)控車輛相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括車輛管理、登記、使用和運(yùn)行時(shí)的各種數(shù)據(jù)。由于車輛類型不同，比如純電動(dòng)汽車沒(méi)有燃料電池和氫燃料管理系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，而混合動(dòng)力又具有內(nèi)燃機(jī)的許多參數(shù)等，模型的使用應(yīng)便于車輛監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的獨(dú)立管理;視圖用于表達(dá)模型中的數(shù)據(jù)和接收用戶交互，監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用程序面向新能源汽車的車主和設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、質(zhì)量管理、售后維修等人員;控制器用于響應(yīng)用戶的請(qǐng)求，并決定調(diào)用哪個(gè)模型來(lái)進(jìn)行處理，被調(diào)用的模型用業(yè)務(wù)邏輯來(lái)處理用戶的請(qǐng)求并返回?cái)?shù)據(jù)，最后控制器以相應(yīng)視圖的現(xiàn)實(shí)模型返回的數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)給用戶。

2.2 車輛信息模型

利用關(guān)系模型可將車輛信息模型體系描述為

式中:E為與車輛相關(guān)的實(shí)體集的集合，稱為實(shí)體總集，R為實(shí)體集之間的關(guān)系集。

式中:ei為實(shí)體集，eik為實(shí)體集ei中的第k個(gè)實(shí)體，mi為實(shí)體個(gè)數(shù)。Rij為實(shí)體集ei和ej之間的關(guān)系:

基于關(guān)系模型的車輛信息模型體系見(jiàn)圖3。

圖3表明了與所有車輛相關(guān)的信息和信息組織方式:實(shí)體總集E包括用戶集、角色實(shí)體集、車主實(shí)體集、制造商集、車輛集、車型集、參數(shù)定義集、位置數(shù)據(jù)集、參數(shù)數(shù)據(jù)集、故障數(shù)據(jù)集、故障碼集和調(diào)度指令集12個(gè)實(shí)體集。實(shí)體集及其所代表的含義如表1所定義。

利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方法將車輛的信息模型轉(zhuǎn)化為基于關(guān)系表的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)車輛信息的模型化。

表1 實(shí)體集定義表

2.3 交互式視圖

視圖是功能的直接載體，使監(jiān)控系統(tǒng)能提供各種不同的設(shè)計(jì)功能。利用視圖來(lái)表達(dá)模型中的數(shù)據(jù)，并接收用戶交互，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的功能。從各個(gè)用戶的功能需求出發(fā)，得到如表2所述的視圖集。

表2 視圖集定義

其中虛擬儀表視圖用于實(shí)時(shí)顯示車輛運(yùn)行時(shí)的各種數(shù)據(jù);車輛定位視圖以數(shù)字地圖為背景，實(shí)時(shí)顯示被監(jiān)控車輛的當(dāng)前位置;故障查詢視圖用于查詢車輛的故障及故障處理方法;歷史數(shù)據(jù)查詢視圖分別以圖形方式和表格方式顯示車輛歷史數(shù)據(jù);車輛管理、車型管理、用戶管理、參數(shù)管理和故障碼管理等視圖則以后臺(tái)管理方式，維護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行所需的配置和參數(shù)。視圖采用功能分區(qū)方法，使之具有一致性的外觀和功能類型，其外觀和功能分區(qū)見(jiàn)圖4。

視圖中有標(biāo)題、導(dǎo)航條及菜單、主信息區(qū)、操作區(qū)和文本信息區(qū)。其中主信息區(qū)以圖形化或表格化方式顯示主要信息內(nèi)容;操作區(qū)包含車輛檢索、瀏覽、功能選擇等操作;文本信息用于對(duì)主信息區(qū)進(jìn)行補(bǔ)充說(shuō)明。

3 監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

采用GPS/BD雙系統(tǒng)導(dǎo)航模塊實(shí)現(xiàn)車輛的組合定位，利用GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，并使用單片機(jī)設(shè)計(jì)了TCU，其原理框圖和控制器實(shí)物如圖5所示。

監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和通信服務(wù)器均采用惠普BL460C刀片服務(wù)器，Web服務(wù)器采用惠普BL280C刀片服務(wù)器，內(nèi)部采用千兆以太網(wǎng)相連，并通過(guò)負(fù)載均衡器進(jìn)行負(fù)載分配。

監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用程序采用B/S模式，利用Tom-Cat作為Web服務(wù)器，在J2EE開(kāi)發(fā)平臺(tái)上使用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了基于Servlet的視圖，如圖6所示。

累計(jì)有4種不同角色、10多個(gè)用戶被分配給不同的用戶，用于系統(tǒng)的訪問(wèn)使用和運(yùn)營(yíng)維護(hù)。該系統(tǒng)于2010年5月投入運(yùn)行，對(duì)來(lái)自6個(gè)國(guó)內(nèi)汽車生產(chǎn)商的累計(jì)9個(gè)不同車型新能源汽車進(jìn)行了監(jiān)控。每個(gè)車型的車輛數(shù)和所監(jiān)控的參數(shù)數(shù)如圖7所示。

上海世博會(huì)期間，該監(jiān)控系統(tǒng)主要用于新能源汽車養(yǎng)護(hù)基地實(shí)時(shí)監(jiān)控和示范運(yùn)營(yíng)展覽，利用該系統(tǒng)建立起來(lái)的示范運(yùn)營(yíng)保障和監(jiān)控點(diǎn)分布見(jiàn)圖8。

圖中1～5分別為嘉定養(yǎng)護(hù)基地、西營(yíng)路養(yǎng)護(hù)基地、濟(jì)陽(yáng)路養(yǎng)護(hù)基地、世博園展覽點(diǎn)和同濟(jì)大學(xué)新能源工程中心監(jiān)控點(diǎn)，各監(jiān)控點(diǎn)均可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛運(yùn)行狀態(tài)，為車輛的運(yùn)營(yíng)管理、快速故障發(fā)現(xiàn)和維修保養(yǎng)發(fā)揮了重要作用。

該系統(tǒng)還為示范運(yùn)營(yíng)的新能源汽車記錄了大量運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)。截至世博會(huì)新能源汽車運(yùn)營(yíng)結(jié)束，平均每輛車每天新增5 000多條參數(shù)記錄，其平均每天運(yùn)營(yíng)時(shí)間按車型統(tǒng)計(jì)的結(jié)果如圖9所示。

在世博會(huì)5個(gè)月的示范運(yùn)行期間，該系統(tǒng)能夠不間斷地提供監(jiān)控，保障示范運(yùn)營(yíng)順利進(jìn)行，累計(jì)記錄數(shù)據(jù)達(dá)45GB，這些數(shù)據(jù)可用于后續(xù)對(duì)新能源汽車的關(guān)鍵零部件性能的評(píng)估和分析。

4 結(jié)論

提出了一種面向規(guī)模示范運(yùn)營(yíng)的新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，解決了大量汽車實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)參數(shù)監(jiān)控、車輛管理和示范運(yùn)營(yíng)展示的問(wèn)題?；贛VC設(shè)計(jì)模式所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)，使模型與視圖相對(duì)獨(dú)立，因此功能的擴(kuò)展比較容易，可在視圖體系中擴(kuò)展或裁剪視圖，在模型中增加或減少相關(guān)數(shù)據(jù)。因此提高了監(jiān)控系統(tǒng)的靈活性和可配置性。實(shí)際使用證明，該設(shè)計(jì)方法是完全可行的。

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