何長(zhǎng)偉 楊殿閣 張濤 連小珉

（清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

車聯(lián)網(wǎng)中車載網(wǎng)絡(luò)負(fù)載與線束優(yōu)化＊

何長(zhǎng)偉 楊殿閣 張濤 連小珉

（清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

基于車載分布式智能網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，運(yùn)用獨(dú)立協(xié)調(diào)機(jī)制，使用狀態(tài)協(xié)調(diào)表協(xié)調(diào)汽車電器狀態(tài)，建立了完整的車載分布式獨(dú)立協(xié)調(diào)智能網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)一步推導(dǎo)出車載網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的約束規(guī)劃條件，運(yùn)用回溯法求取最優(yōu)負(fù)載?；谧顑?yōu)化控制建立了車載網(wǎng)絡(luò)線束的目標(biāo)函數(shù)與約束方程，運(yùn)用變分法推導(dǎo)出了線束優(yōu)化的極值條件。通過(guò)車載網(wǎng)絡(luò)樣車改造，設(shè)計(jì)實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 前言

汽車電器相互之間存在一定的制約關(guān)系，整車線束多而復(fù)雜，車載網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為汽車電器之間的信息交互、協(xié)調(diào)工作提供了基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)、外學(xué)者紛紛展開(kāi)車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究，如天津大學(xué)開(kāi)發(fā)了基于CAN總線的車身智能控制系統(tǒng)[1]，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)車內(nèi)控制系統(tǒng)的信息共享與實(shí)時(shí)控制，但未對(duì)全車大部分電器進(jìn)行統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)；清華大學(xué)的連小珉等提出了一種大客車全分布式車載智能網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)化的車載不變線束，有效解決了車內(nèi)電器的協(xié)調(diào)工作問(wèn)題[2]；2012年，清華大學(xué)的楊殿閣等建立了一套基于轎車電器系統(tǒng)的智能網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了汽車電器的狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷[3]，但會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率較高、成本較大，而且轎車車內(nèi)空間較小不利于布線，網(wǎng)絡(luò)通信能力較差；同年，Dong-Hyun le等人在車載網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上建立了網(wǎng)絡(luò)最大安全概率模型，推導(dǎo)出一種最佳安全的車載網(wǎng)絡(luò)分配架構(gòu)[4]，但是由于未考慮到布線需求，導(dǎo)致車內(nèi)線束布局復(fù)雜。目前，車載網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式、區(qū)域集中式和分布式3種方式的發(fā)展，特別是基于中央?yún)f(xié)調(diào)及雙中央?yún)f(xié)調(diào)[5]分布式車載網(wǎng)絡(luò)的形成，實(shí)現(xiàn)了汽車電器的網(wǎng)絡(luò)控制。本文基于分布式車載網(wǎng)絡(luò)，建立了一種獨(dú)立協(xié)調(diào)的車內(nèi)網(wǎng)，以避免中央?yún)f(xié)調(diào)失效情況下的電器協(xié)調(diào)工作能力缺失。

2 獨(dú)立協(xié)調(diào)車載分布式網(wǎng)絡(luò)

2.1 獨(dú)立協(xié)調(diào)車載分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，車載網(wǎng)絡(luò)S分為n個(gè)子網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是子網(wǎng)絡(luò)中的智能控制器，子網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)智能控制器ci和ji個(gè)電器eik（k=1,2，···，ji）組成:

通過(guò)區(qū)域加裝智能控制器實(shí)時(shí)采集電器的狀態(tài)信息，通過(guò)總線傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息共享。同時(shí)，各個(gè)子網(wǎng)絡(luò)接收來(lái)自其他子網(wǎng)絡(luò)的電器狀態(tài)信息，對(duì)本網(wǎng)絡(luò)的電器進(jìn)行邏輯協(xié)調(diào)。

2.2 車載網(wǎng)絡(luò)電器狀態(tài)協(xié)調(diào)

智能控制器作為局域網(wǎng)的中央處理單元，需要從網(wǎng)絡(luò)中獲取所需要的信息，根據(jù)獲取信息對(duì)本局域網(wǎng)電器狀態(tài)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，將本局域網(wǎng)的電器狀態(tài)信息周期性發(fā)送至車載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行共享，稱為獨(dú)立協(xié)調(diào)機(jī)制。智能控制器的狀態(tài)協(xié)調(diào)過(guò)程可以如圖2所示。

按照遞增順序排列狀態(tài)條件與電器狀態(tài)關(guān)系如表1所列，其中φ為空集。從表1可以得到表明電器e在滿足狀態(tài)條件C下處在ei狀態(tài)?？刂破黝A(yù)先保存狀態(tài)協(xié)調(diào)表并根據(jù)總線上獲取的信息實(shí)時(shí)檢查狀態(tài)條件，根據(jù)狀態(tài)協(xié)調(diào)表對(duì)電器狀態(tài)進(jìn)行協(xié)調(diào)。

表1 狀態(tài)協(xié)調(diào)表

實(shí)際控制器工作時(shí)，控制器檢查當(dāng)前狀態(tài)條件，然后根據(jù)狀態(tài)協(xié)調(diào)表判斷電器應(yīng)處的狀態(tài)，進(jìn)而做出控制，使電器正常工作。

3 車載網(wǎng)絡(luò)負(fù)載優(yōu)化

一般而言，控制器控制電器的數(shù)量取決于I/O資源。考慮采用同種CPU控制器，控制器I/O包括I/O輸入輸出接口和AD轉(zhuǎn)化接口。設(shè)I/O輸入輸出接口數(shù)為N，AD轉(zhuǎn)化接口數(shù)為M。設(shè)總計(jì)有m個(gè)電器，每個(gè)電器需xi（i=1,2,…,m）個(gè)I/O輸入輸出接口和yi（i=1,2,…,m）個(gè)AD轉(zhuǎn)化接口，則車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載優(yōu)化問(wèn)題可以抽象為求約束規(guī)劃問(wèn)題:

這是一個(gè)非線性約束規(guī)劃問(wèn)題，目標(biāo)函數(shù)與約束變量之間不存在顯示表達(dá)式，因此不能用線性規(guī)劃算法求解。本文采用回溯算法求解最優(yōu)負(fù)載，算法如下:

a.初始化i=1，A1={1，2，...，i}。

b.條件判斷。若

j，以A1∪{i+1}替代A1。否則A1不變，A1尋找結(jié)束。開(kāi)始尋找A2={i+1}，重復(fù)以上步驟，對(duì)A2進(jìn)行條件判斷。={1，2，...，m}，輸出Ai（1≤i≤k），得到一組解。

d.令A(yù)1={1，2，...，i-1}，考慮A1∪{i+1}替代A1，重復(fù)條件判斷，得到新的A1，得到另一組解，所有的A1都重復(fù)這個(gè)過(guò)程，得到所有解。

e.針對(duì)每個(gè)解，比較k，取其中最小的k及Ai。

c.重復(fù)上述步驟，指導(dǎo)尋找到Ak，使得

4 車載網(wǎng)絡(luò)線束優(yōu)化

設(shè)第i個(gè)局域網(wǎng)的電器位置坐標(biāo)為rij=（xij，yij，zij），記汽車曲面為C，曲面方程為g（x，y，z）=0。

最優(yōu)控制目標(biāo)函數(shù)為:

L是各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間距離以及節(jié)點(diǎn)到該子網(wǎng)絡(luò)所有電器位置距離之和的總和。令考慮變分法，目標(biāo)泛函取極值滿足:

通過(guò)分析求解以上方程可以得到節(jié)點(diǎn)位置和線束布線的一般原則。

a.布線走向原則

式（5）中H描述線束的曲線方程，代表了線束的走向布置。H所滿足的方程是曲面上兩點(diǎn)的最短距離，即測(cè)地線方程，因此，為滿足線束優(yōu)化效果，車載網(wǎng)絡(luò)布線應(yīng)按照曲面測(cè)地線的走向布置。

b.電器成組原則

區(qū)域附近相距較近的電器成組構(gòu)成一個(gè)子網(wǎng)，使得節(jié)點(diǎn)的位置布置可以降低線束長(zhǎng)度。

c.節(jié)點(diǎn)位置原則

式（5）中xi（1≤i≤n）代表各個(gè)子網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置。費(fèi)馬點(diǎn)是到各個(gè)點(diǎn)距離和最短的點(diǎn)，再考慮到各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，式（5）中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)應(yīng)為子網(wǎng)絡(luò)電器凸包的費(fèi)馬點(diǎn)附近。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 負(fù)載優(yōu)化驗(yàn)證

針對(duì)一輛某國(guó)產(chǎn)品牌車型進(jìn)行車載網(wǎng)絡(luò)改造，運(yùn)用回溯算法求出了最優(yōu)負(fù)載數(shù)，采用了STM5288芯片。為了進(jìn)行線束布置，根據(jù)統(tǒng)計(jì)電器分類將車上電器分為車前、車中、車后3組，對(duì)每組進(jìn)行負(fù)載優(yōu)化。以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)前艙部分電器為例，N=26，M= 8，x=[4，4，1，1，1]，y=[4，4，1，1，1]，通過(guò)回溯算法求解可行解如下:

因此最優(yōu)解k=2。同理，對(duì)車中及車后電器數(shù)量進(jìn)行回溯計(jì)算，結(jié)果如表2所列。

表2 各位置電器數(shù)量計(jì)算結(jié)果個(gè)

從表2可以看出，由于車后電器較少，只需1個(gè)控制器即可?？紤]到線束布置，經(jīng)過(guò)手工調(diào)整，實(shí)際車后網(wǎng)采用2個(gè)控制器。改造后的網(wǎng)絡(luò)分為8個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)8個(gè)智能控制器進(jìn)行控制，實(shí)車網(wǎng)絡(luò)布局如圖3所示。

5.2 車載網(wǎng)絡(luò)功能驗(yàn)證

設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)控制器與原車網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。試驗(yàn)改造8個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)，并驗(yàn)證了各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)都能正常工作。

5.3 線束優(yōu)化驗(yàn)證

改造線束采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)線束。由于采用統(tǒng)一的接插件和線束，因此接插件種類大大減少，由原來(lái)的18種減少到2種，減少比例為91.1%。原車大部分電器通過(guò)車身控制模塊（BCM）控制，而采用車載網(wǎng)絡(luò)智能化控制之后，電器線束只需要與其附近的控制器連接，可以大大減少線束長(zhǎng)度。以車后網(wǎng)改造電器為例，原車線束長(zhǎng)度為28m,改造后線束長(zhǎng)度為16.5m,線束長(zhǎng)度減少41.1%。

6 結(jié)束語(yǔ)

構(gòu)建車載分布式網(wǎng)絡(luò)，采用獨(dú)立協(xié)調(diào)機(jī)制，運(yùn)用狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)實(shí)現(xiàn)了各局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信和電器正常協(xié)調(diào)工作。運(yùn)用回溯法對(duì)車載網(wǎng)絡(luò)負(fù)載進(jìn)行了優(yōu)化，求出了最優(yōu)負(fù)載數(shù)，減少了車載網(wǎng)絡(luò)智能控制器的數(shù)量。最優(yōu)化控制描述了車載網(wǎng)絡(luò)線束的優(yōu)化條件，提出了變分法解決網(wǎng)絡(luò)線束優(yōu)化問(wèn)題，提出了線束布置的網(wǎng)絡(luò)布局一般原則，為進(jìn)一步減少車載網(wǎng)絡(luò)線束提供了理論基礎(chǔ)。試驗(yàn)結(jié)果表明，車載網(wǎng)絡(luò)線束經(jīng)過(guò)優(yōu)化比原車線束長(zhǎng)度減少顯著。

1郭利進(jìn),王化祥,龔進(jìn)峰.基于CAN總線的車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及其控制策略研究.汽車工程,2006,28（8）:774～778.

2張新豐,楊殿閣,連小珉.汽車電器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的全分布式設(shè)計(jì).同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,40（7）:118～118.

3范珊珊.轎車智能電器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和管理:[學(xué)位論文].北京:清華大學(xué)，2012.

4 Je D H, Choi Y H, Seo S W. A heuristic task allocation methodology for designing the secure in -vehicle network.Vehicular Communications, Sensing, and Computing（VCSC）, 2012 IEEE 1st International Workshop on. IEEE,2012: 25～30.

5顧錚珉,楊殿閣,陸良,等.中央?yún)f(xié)調(diào)器在汽車電器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用.第五屆中國(guó)智能交通年會(huì)暨第六屆國(guó)際節(jié)能與新能源汽車創(chuàng)新發(fā)展論壇優(yōu)秀論文集（下冊(cè)）,2009.

（責(zé)任編輯簾青）

修改稿收到日期為2014年8月1日。

Load and Wiring Harness Optimization of In-vehicle Network in Connected Vehicle

He Changwei,Yang Diange,Zhang Tao,Lian Xiaoming
（State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy Conservation,Tsinghua University）

Based on vehicle distributed intelligent network architecture and the use of LAN independent coordinating mechanism to coordinate the vehicle electrical state via the state function,we establish a complete vehicle distributed intelligent network with independent coordination.In the next step,we derive the constraint conditions of vehicle network load and obtain the optimal load by backtracking algorithm.Based on the optimal control,we establish the objective function and constraint equations of wiring harness of connected vehicle,then we use variational method to derive the extreme value condition of wiring harness optimization.Finally,we design an vehicle test to prove the effectiveness of the method through transforming a sample car with in-vehicle network.

Connected vehicle,In-vehicle network,Load optimization,Wiring harness optimization

車聯(lián)網(wǎng)車載網(wǎng)絡(luò)負(fù)載優(yōu)化線束優(yōu)化

U463.6

A

1000-3703（2014）09-0001-03

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃:863計(jì)劃項(xiàng)目（2012AA111901）資助。