彭 璐（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于車聯(lián)網(wǎng)的行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

彭 璐
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

為了獲取和分析汽車行駛過程中的動態(tài)數(shù)據(jù)，設計和實現(xiàn)了一種行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含車載遠程控制終端、3G通訊網(wǎng)絡、服務平臺和遠程分析應用網(wǎng)站。車載終端將采集的數(shù)據(jù)通過3G無線網(wǎng)絡上報至服務平臺，通過服務平臺的處理和分析，最終通過遠程分析應用網(wǎng)站呈現(xiàn)給用戶。應用于某車型的用戶駕駛行為評價的結果表明，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對行車數(shù)據(jù)的采集、處理、記錄、駕駛行為分析等功能。

車聯(lián)網(wǎng)；數(shù)據(jù)分析；遠程控制；服務平臺

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.12.007

CLC NO.: U463.6Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2015)12-18-04

引言

在汽車產(chǎn)品設計過程中，了解實際用戶的加速、換擋習慣、常用車速、常用檔位，能夠更好地進行車輛動力系統(tǒng)匹配設計、優(yōu)化換擋規(guī)律，并為車輛熱管理、轉鼓熱平衡試驗等提供數(shù)據(jù)支持；獲得行車過程中發(fā)動機實際常用工況點、識別發(fā)動機油耗、排放關鍵點，有利于發(fā)動機燃燒開發(fā)及標定；了解特殊環(huán)境地區(qū)用戶的駕駛習慣，如高海波、高溫、低溫地區(qū)，有利于車輛核心部件的性能優(yōu)化。此外通過對用戶駕駛習慣的分析和評價，也能夠主動與用戶進行交互，改善不良駕駛習慣，引導用戶更加安全、節(jié)能、環(huán)保地駕駛汽車。

然而傳統(tǒng)的汽車技術在車輛路試過程中或出售給用戶后，汽車研發(fā)人員便與車輛失去關聯(lián)，因而無法獲得上述車輛實際行駛過程中的運行數(shù)據(jù)。車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是利用裝載在車輛上的終端設備獲取車輛的行駛屬性和系統(tǒng)運行狀態(tài)信息，通過衛(wèi)星定位技術獲取車輛行駛位置等參數(shù)，通過 3G等無線傳輸技術實現(xiàn)信息傳輸和共享，通過各類傳感器獲取車輛內、車輛間、車輛與道路間等交通基礎設施的使用狀況，最后通過互聯(lián)網(wǎng)信息平臺，實現(xiàn)對車輛運行的監(jiān)控，并提供各種交通綜合服務。車聯(lián)網(wǎng)技術包括無線網(wǎng)絡通信技術、衛(wèi)星定位技術、傳感器技術、計算機技術、數(shù)據(jù)處理技術等多種智能化技術[1]。

本文建立了一套基于車聯(lián)網(wǎng)的行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了對行車數(shù)據(jù)的采集、記錄、駕駛習慣分析、工況分析等功能。

1、系統(tǒng)結構及原理

行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)整體架構參考物聯(lián)網(wǎng)的三層結構設計[2]，如圖1所示，包括感知層、網(wǎng)絡層和應用層。

圖1　行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)結構

感知層的作用是信息感知，由車載遠程控制終端（以下簡稱車載終端）組成。

網(wǎng)絡層的作用是數(shù)據(jù)傳遞，實現(xiàn)感知層數(shù)據(jù)的匯聚，并向應用層提供數(shù)據(jù)支撐，包括3G通信網(wǎng)絡和服務平臺。

應用層的作用是為用戶提供服務，包括遠程分析應用網(wǎng)站。

車載終端負責完成行車數(shù)據(jù)的采集和上報，3G無線網(wǎng)絡保證了車載終端與服務平臺的有效通信。服務平臺負責對接收到的數(shù)據(jù)進行解析和存儲，實現(xiàn)行車數(shù)據(jù)的采集和記錄。汽車設計人員等各類用戶可以通過 Internet網(wǎng)絡在不同的客戶端登錄遠程分析應用網(wǎng)站，訪問和讀取服務平臺中存儲的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行所需的分析處理。

圖2　動態(tài)行車數(shù)據(jù)分析業(yè)務流程圖

行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的整體業(yè)務實現(xiàn)流程如圖2所示。首先車載遠程控制終端判斷車輛起動后，通過整車 CAN總線及各類傳感器，采集所需的動態(tài)行車數(shù)據(jù)，然后將平臺分析所需要的信息解析處理后，置于通訊協(xié)議報文中，上傳至服務平臺。平臺接收信息并根據(jù)數(shù)據(jù)分析模型輸出分析結果。最終的分析結果通過遠程分析應用網(wǎng)站呈現(xiàn)給用戶。

2、行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設計實現(xiàn)

2.1車載遠程控制終端設計

車載終端作為整個系統(tǒng)的前端模塊，為了保證數(shù)據(jù)采集上報的實時、有效和可靠，車載終端采用雙處理器架構（ARM 和MCU）、內置3G通信模塊、GPS定位模塊，其硬件結構框圖見圖3。

圖3　車載終端硬件結構框圖

根據(jù)系統(tǒng)的整體需求，所需要采集的行車數(shù)據(jù)，主要包括車速、轉速、油耗、油門位置、離合位置、GPS定位數(shù)據(jù)等。其中車速、轉速、油耗、油門位置、離合位置等車輛運行數(shù)據(jù)通過CAN總線讀取。車載終端同時支持兩路CAN總線，可同時作為低速CAN（車身CAN）和高速CAN（動力CAN）網(wǎng)絡上的終端節(jié)點。GPS定位數(shù)據(jù)通過車載終端的GPS定位模塊測算得到。此外數(shù)據(jù)記錄中，還應該包含產(chǎn)生每條記錄的絕對時間信息，包括具體的日期和時間，該信息也由車載終端的GPS定期模塊測算校準得到。上述信息經(jīng)過打包后，通過其內部的3G通訊模塊實現(xiàn)基于Internet的網(wǎng)絡互連，將信息傳遞到服務平臺。

由于本系統(tǒng)采集的是車輛行駛狀態(tài)下的動態(tài)數(shù)據(jù)，因此車載終端啟動數(shù)據(jù)采集的觸發(fā)條件是發(fā)動機轉速不為零。在車輛熄火后，車載終端處于休眠狀態(tài)，整體功耗較低。當車輛起動后，車載終端被喚醒，從而保證系統(tǒng)在車輛運行期間處于實時工作狀態(tài)[3]。此外，為了保證終端的可靠運行，車載終端支持自檢功能，即當車載終端上電，會根據(jù)當前車輛狀態(tài)實時進行自檢，自檢內容包括：EEROM內部讀寫檢測，WAN模塊檢測，GPS模塊檢測，CAN總線通信檢測，連接器檢測等。一旦檢測到故障發(fā)生，車載終端根據(jù)診斷規(guī)范要求記錄相關的故障碼信息，并向服務平臺發(fā)出報警。

2.2數(shù)據(jù)采集及上報

一般而言，對于整車 CAN總線上的動態(tài)行車數(shù)據(jù)，特別是動力系統(tǒng)數(shù)據(jù)（發(fā)動機、變速箱）發(fā)送周期非常短，一般都為10ms。而對于行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)而言，單次的精確地個體數(shù)據(jù)并不是關注的重點，而是需要收集海量的樣本數(shù)據(jù)，因而車載終端的數(shù)據(jù)采集頻率不需要設定的太高。根據(jù)本系統(tǒng)的分析需求，車載終端的數(shù)據(jù)采集頻率設定在2Hz可以滿足要求，并且該頻率支持后期調整。即根據(jù)需求的變化，通過服務平臺重新配置數(shù)據(jù)采集頻率。

基于本系統(tǒng)中車載終端本身的硬件存儲能力以及3G網(wǎng)絡的通信特點考慮，為了保證數(shù)據(jù)上報的可靠性和連續(xù)性，車載終端對所采集數(shù)據(jù)記錄進行組包的頻率為 0.2Hz，正常情況下數(shù)據(jù)上報的頻率也為 0.2Hz。由于車載終端與服務信心平臺采用TCP短連接機制，因此當通信網(wǎng)絡傳輸出現(xiàn)異常或車載終端執(zhí)行其他業(yè)務執(zhí)行時，允許數(shù)據(jù)上報暫停，此時車載終端需要存儲已經(jīng)采集但尚未完成上報的數(shù)據(jù)，待通信網(wǎng)絡恢復正?；蚱渌麡I(yè)務執(zhí)行完成后繼續(xù)上報，此時數(shù)據(jù)上報的頻率要高于 0.2Hz，待所有存儲的數(shù)據(jù)包全部上報完成后，上報頻率恢復為固定周期。

車載終端與服務平臺之間基于TCP/IP協(xié)議進行通訊，通訊報文中各字段的定義如表 1所示。每條通訊報文中包含GPS定位數(shù)據(jù)和行車數(shù)據(jù)采集起始絕對時間信息（日期+時間）以及動態(tài)行車數(shù)據(jù)。

其中Dispatcher Message為通訊報文的頭消息，主要包括消息對應的創(chuàng)建時間，所傳輸應用數(shù)據(jù)的應用分類，車輛VIN碼，車載終端的唯一設備號，車載終端的 IMSI號，Application Data（應用數(shù)據(jù)）的長度等信息。Vechicle Data為實際采集的行車數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)上報的頻率要低于數(shù)據(jù)采集頻率，因此一條數(shù)據(jù)報文中會包含10條行車數(shù)據(jù)記錄，并且每條行車數(shù)據(jù)記錄應當保證時間連續(xù)性。

2.3服務平臺設計

服務平臺作為整個行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的標準規(guī)范接口以及基礎服務平臺，其特點是基于SOA的方法，采用開放式框架，能夠有效實現(xiàn)面向不同服務應用的匯聚，并且便于靈活擴展新業(yè)務；采用標準化接口協(xié)議，便于不同類型的終端和服務的快速接入。行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)服務平臺總體架構設計如圖4所示，包括統(tǒng)一接入層、業(yè)務應用層和運營管理層。

圖4　服務平臺系統(tǒng)架構

統(tǒng)一接入層包括統(tǒng)一接入網(wǎng)關和通用服務。這一層負責建立車載終端與服務平臺之間的通訊并維持通訊的穩(wěn)定，其核心功能包括終端承載協(xié)議實現(xiàn)、加密/解密、認證/鑒權、路由等。統(tǒng)一接入網(wǎng)關是整個服務平臺實現(xiàn)消息驅動的關鍵單元。由于行車數(shù)據(jù)涉及用戶的個人隱私和車輛的行駛安全，因此對安全性和保密性要求很高，統(tǒng)一接入網(wǎng)關根據(jù)校驗位判斷數(shù)據(jù)包的完整性，同時與車載終端傳輸?shù)膬热莶捎脤ΨQ加密算法，統(tǒng)一接入網(wǎng)關接收到消息后解密解碼后提供后續(xù)服務。

業(yè)務應用層包括核心服務以及服務集成管理，屬于系統(tǒng)的業(yè)務邏輯單元，負責提供諸如駕駛行為分析、工況分析等面向用戶的服務。這一層的核心功能包括：駕駛行為分析、工況分析、Web地圖服務、數(shù)據(jù)接口發(fā)布服務等，并支持動態(tài)擴展其他服務。其中Web地圖服務主要面向提供車輛位置地圖標注和軌跡管理功能。

運營管理層實現(xiàn)用戶權限管理、服務管理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)可視化、日志管理等功能，并存儲整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。整個服務平臺的數(shù)據(jù)分為業(yè)務數(shù)據(jù)，行車數(shù)據(jù)，日志數(shù)據(jù)。根據(jù)各類數(shù)據(jù)特點，運營管理層通過Oracle數(shù)據(jù)庫架構管理存儲大數(shù)據(jù)。

2.4遠程分析應用網(wǎng)站

遠程分析應用網(wǎng)站是一個基于WEB服務的網(wǎng)站，為用戶提供圖形化的交互界面，用戶可以設置可視化相關參數(shù)，將請求提交給服務平臺并接收服務平臺響應，以表格、網(wǎng)格、折線圖、柱狀圖、餅圖等多種形式將歷史數(shù)據(jù)和分析結果呈現(xiàn)給用戶[4]。

3、試驗驗證

將所開發(fā)的行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)應用在用戶駕駛習慣分析上。通過對用戶基礎行車數(shù)據(jù)的采集和分析，來評估用戶的駕駛習慣優(yōu)良情況，即出現(xiàn)不良駕駛行為的次數(shù)和位置，并通過圖表和地圖標注的形式進行呈現(xiàn)。

如表2所示，所需要采集的數(shù)據(jù)包括車速、發(fā)動機轉速、GPS位置信息、時間、加速度。

表2　駕駛習慣評價

最終通過遠程分析應用網(wǎng)站登錄，查看分析結果的顯示界面如圖5所示。

圖5　駕駛行為分析界面

4、結束語

本文設計開發(fā)了基于車聯(lián)網(wǎng)的行車數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)車載終端、軟硬件平臺運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了動態(tài)行車數(shù)據(jù)采集、處理、上報、存儲、分析和呈現(xiàn)等基本功能。通過在實車上的應用測試，驗證了該系統(tǒng)的可用性，從而為汽車設計研發(fā)以及用戶駕駛行為評價提供了有效的數(shù)據(jù)來源和分析方法。

[1] 何蔚.面向物聯(lián)網(wǎng)時代的車聯(lián)網(wǎng)研究與實踐[M].科學出版社,2013:4-5.

[2] 王立穎.基于車聯(lián)網(wǎng)的貨車安全監(jiān)控系統(tǒng)設計與分析[J].物流技術,2014,33(06):353-356.

[3] 胡艷青,閆斌,楊林.基于 CCP協(xié)議的混合動力公交車遠程優(yōu)化系統(tǒng)研究[J].汽車技術,2015(07):56-61.

[4] 耿盼盼,丁香乾,陶冶等. 一種通用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析平臺的設計與實現(xiàn)[J].計算機應用與軟件,2013,30(11):115-118.

Design and Implementation of Vehicle Traveling Data Analysis System Based on Internet of Vehicles

Peng Lu
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

In order to obtain and analyze the data while driving a car, a vehicle traveling data analysis system is designed and implemented, which consists of in-vehicle remote control terminal, 3G remote communication network, service platform and remote analysis application website, etc.. The in-vehicle terminal can upload data to the service platform trough remote communication network, and the platform can process the data in order to show users the analysis results through website. The system has been applied to evaluate a passenger car driving behavior. The test results show that the system can be applicable to implement the function of acquiring, processing, recording and analyzing of vehicle data.

Internet of vehicles; Data analysis; Remote control; Service platform

U463.6

A

1671-7988（2015）12-18-04

彭璐，工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司，研究方向為人機交互設計、車聯(lián)網(wǎng)。