楊新樺，劉寶健，張 亮，黃 玲

(1.重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室， 重慶 400054；2.上汽依維柯紅巖商用車有限公司， 重慶 401122；3.上海勢航網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，上海 201700)

隨著車輛電子技術(shù)的不斷發(fā)展和演進，與汽車相關(guān)的電子產(chǎn)品不斷增加，汽車電子開發(fā)企業(yè)需要快速響應(yīng)市場需求，不斷改進產(chǎn)品設(shè)計和更新產(chǎn)品功能，以適應(yīng)終端客戶各方面的需求。另外，隨著電商平臺的迅速發(fā)展，市場對于物流的需求也在迅速膨脹，物流企業(yè)獲得極大的發(fā)展機遇。高速物流車的需求也迅速增加。

對于商用車來說，駕駛員的操作水平、操作風(fēng)格在很大程度上影響車輛最終的燃油經(jīng)濟性和行駛的安全性。這對于運輸企業(yè)來說，是決定企業(yè)成本和風(fēng)險的重要因素。因此，駕駛水平評價系統(tǒng)(driving skill evaluation)成為整車企業(yè)和車輛使用企業(yè)，特別是大批量使用商用車的物流企業(yè)特別關(guān)注的新技術(shù)。結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，物流企業(yè)不僅可以精確控制車輛，還能準(zhǔn)確評價車輛的駕駛者的駕駛情況，從而對駕駛員給出正確的評價；而駕駛員也可以通過該系統(tǒng)進一步改進駕駛習(xí)慣，提高駕駛水平。

歐洲在駕駛水平評價系統(tǒng)的開發(fā)方面多年前就已經(jīng)開展并推出了產(chǎn)品。奔馳公司2000年就推出了名為FleetBoard的車隊管理系統(tǒng)，其能夠提供包括駕駛風(fēng)格、難度等級、旅程記錄和遠程診斷等功能，并宣稱能夠幫助車輛降低能耗10%以上。IVECO在其商用車上推出了安裝有DSE系統(tǒng)的產(chǎn)品，能夠?qū)︸{駛員操作的經(jīng)濟性、擋位操作、制動水平和車速控制進行評價。

在駕駛員駕駛水平的評價基礎(chǔ)理論和方法的研究方面，國外多年以前就開展了大量的相關(guān)工作。2003年D.Vangi和A.Virga為了在公共汽車上實現(xiàn)節(jié)能與提高駕駛質(zhì)量，研究了一種用于訓(xùn)練駕駛員提高駕駛質(zhì)量的工具[1]。2010年Vincenzo Manzoni等給出了一種通過在車輛上安裝慣性測量裝置用于評價駕駛員的駕駛風(fēng)格的方法[3]。2011年美國加州大學(xué)的D.A.Johnson和M.M.Trivedi使用了智能手機上的傳感器和動態(tài)時間規(guī)劃方法用于駕駛員駕駛風(fēng)格評價[4]。2012年，Ahmad Aljaafreh等給出了一種基于模糊邏輯推理系統(tǒng)的駕駛員駕駛風(fēng)格評價方法，這種方法通過兩軸加速度傳感器提供車輛加速度信號[5]。南非的Gys Albertus Marthinus Meiring和Hermanus Carel Myburgh于2015年使用機器學(xué)習(xí)和人工智能算法對駕駛員行為進行判別。研究結(jié)果表明：如果能夠降低模型的復(fù)雜度，模糊推理系統(tǒng)、隱馬爾科夫模型和支持向量機具備很好的作為駕駛員行為判別的工具的潛力[6]。

國內(nèi)學(xué)者對于駕駛員駕駛水平評價的研究較少。2007年天津大學(xué)的劉軒等研究了車輛相對正加速度、加速踏板行程分布和換擋切換速度分布3個因素對行車油耗的影響，認(rèn)為可以用這個因素作為評價駕駛員油耗的評價指標(biāo)[7]。2015年北京工業(yè)大學(xué)的趙曉華等研究了出租車駕駛員在城市快速路基本路段不同工況、服務(wù)水平下駕駛行為對出租車油耗的影響[8]。

本文利用控制系統(tǒng)快速原型(RCP)技術(shù)，使用Matlab/Simulink搭建了駕駛員評價算法的模型，使用RTW工具將其轉(zhuǎn)化為C代碼，并編譯為評價系統(tǒng)核心算法庫文件，通過在其他開發(fā)環(huán)境中調(diào)用該庫，使其他程序能夠非常容易地使用該模塊功能，實現(xiàn)駕駛員評價系統(tǒng)的快速開發(fā)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

開發(fā)的駕駛員評價系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。點劃線框內(nèi)為駕駛員評價系統(tǒng)，其中的虛線框內(nèi)為系統(tǒng)的核心算法程序，由Matlab/Simulink開發(fā)完成，外圍程序由C程序完成。系統(tǒng)所需信息通過車輛CAN總線獲取，部分?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)過濾波和數(shù)據(jù)融合后供工況識別模塊使用。系統(tǒng)按照工況識別的結(jié)果，進行相應(yīng)的駕駛員行為評價。比如，停車怠速時，不進行經(jīng)濟性，制動，擋位等評價，僅記錄怠速時間。

圖1 駕駛員評價系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

使用Matlab/Simulink開發(fā)核心算法的優(yōu)勢在于，可以使用很多現(xiàn)成的模塊，開發(fā)者只需要關(guān)注評價算法，而不需要花費更多的時間去研究算法細節(jié)的調(diào)試和實現(xiàn)。

2 工況識別與評價算法

工況識別和行為評價模塊是評價系統(tǒng)核心算法的核心內(nèi)容。工況識別使用了Stateflow作為建模工具，所搭建的模型主要包括停車怠速操作工況判斷和行車時的操作判斷兩個部分。停車怠速需要檢查駕駛員是否有錯誤操作，如長時間怠速、是否空檔加油等。行車工況判斷包括制動工況識別、換擋過程工況識別、發(fā)動機工況識別3個部分。制動工況識別包括是否緊急制動、是否加油后立即制動、是否使用了輔助制動、制動次數(shù)統(tǒng)計等工況的判斷。換擋過程的工況識別包括換擋時間是否過長、各擋時間統(tǒng)計、換擋次數(shù)統(tǒng)計、擋位選擇是否合適等。對于有雙副箱的變速器還需要判斷各個擋位之間的切換是否正確。發(fā)動機工況識別主要是統(tǒng)計發(fā)動機在經(jīng)濟轉(zhuǎn)速區(qū)運轉(zhuǎn)的時間，超速報警等功能。相應(yīng)工況識別后，就可以觸發(fā)相對應(yīng)的評分模塊進行操作的評分了。

評價算法包括燃油經(jīng)濟性評價、制動水平評價、擋位評價與車速控制評價。對于評價算法而言，需要根據(jù)具體對象，按照相關(guān)理論進行制定，并無一定規(guī)范。

2.1 燃油經(jīng)濟性評價方法

燃油經(jīng)濟性的評價主要按照駕駛員合理選檔和控制車速使得發(fā)動機經(jīng)常處于經(jīng)濟轉(zhuǎn)速范圍。因此，制定了如圖2所示的打分表格。該表格采用了發(fā)動機速度測試數(shù)據(jù)，按照燃油消耗率的大小進行主觀評分。油耗越高的工況點評分越低，并用顏色進行區(qū)分。在Simulink模型中使用Look_up Table模塊插值計算。

圖2 經(jīng)濟性評分表

按照當(dāng)前發(fā)動機負(fù)荷和轉(zhuǎn)速即可通過查表的方法得到當(dāng)前發(fā)動機經(jīng)濟性的得分。圖中綠色表示經(jīng)濟性好，顏色越深，得分越低。

2.2 制動水平評價方法

駕駛員制動水平的評價主要采用統(tǒng)計的方法獲得大量制動減速度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，然后采用隸屬函數(shù)進行打分，制動減速度越小得分越高。評分使用的隸屬函數(shù)可以參考發(fā)明專利[9]中給出的隸屬函數(shù)。本文采用專家打分法，將打分結(jié)果擬合為高斯隸屬函數(shù)。這種方法主觀性較強，但是不需要太多的測試數(shù)據(jù)。圖3是制動評分隸屬函數(shù)。此外，對于松開油門立即制動的情況進行扣分。

圖3 制動評分隸屬函數(shù)

2.3 車速控制水平評價方法

車速控制水平評價方法的制動與制動水平評價方法類似，同樣采用大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計出的隸屬函數(shù)進行打分。車輛加速度越小，得分越高。

3 算法驗證與代碼生成

算法模型搭建好之后，需要進行算法驗證。本文使用VECTOR公司的CANOE數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)隨車采集CAN數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過SAE J1939協(xié)議篩選出所需要的信號，作為模型的輸入。模型采用離散系統(tǒng)求解器，每0.1 s讀取一次數(shù)據(jù)，該頻率與CAN數(shù)據(jù)采樣頻率一致。這樣在Matlab仿真環(huán)境中就得到了與實際行車狀況一致的環(huán)境，模型仿真結(jié)果真實可靠，省去了大量實車測試調(diào)試過程。

模型驗證完畢后，將輸入與輸出信號提取出來，重新定義輸入與輸出變量的端口，就得到了用于代碼轉(zhuǎn)換的模型。

代碼生成時，需要指定求解器類型，步長，這里選擇定步長，離散求解器，步長0.1。然后根據(jù)MCU類型選擇硬件配置，選擇正確的設(shè)備供應(yīng)商和類型。采用NXP公司的LPC4337芯片作為硬件。然后在RTW菜單中設(shè)置代碼轉(zhuǎn)換的目標(biāo)文件和類型，點擊生成代碼即可。生成的文件包括main.c、DSE.c在內(nèi)的多個C文件，以及多個.h的頭文件。使用KEIL將這些文件包含到工程項目中，進行編譯，就可以得到庫文件。編譯時，可能會有報錯，一般是缺少一些頭文件。按提示，在MATLAB的Simulink目錄下可找到這些頭文件。

4 外圍程序與系統(tǒng)集成

將庫文件和頭文件提供給開發(fā)硬件電子設(shè)備的廠商，根據(jù)頭文件約定的輸入、輸出變量及調(diào)用函數(shù)，嵌入式軟件工程師從硬件驅(qū)動層的整車J1939解析庫中整理出模型需要的CAN實時數(shù)據(jù)，賦值到庫文件的輸入接口變量，并保持?jǐn)?shù)據(jù)定時刷新，同時在芯片定時器中以0.1 s周期循環(huán)調(diào)用模型的step函數(shù)，即可從模型輸出變量中實時得到DSE評價系統(tǒng)的相關(guān)結(jié)果，這些數(shù)值又被存儲模塊、顯示模塊、通訊交互模塊所調(diào)用，分別應(yīng)用到歷史數(shù)據(jù)存儲、實時DSE顯示及后臺大數(shù)據(jù)分析通訊功能。整個系統(tǒng)構(gòu)架如圖4所示。

圖4 駕駛水平評價系統(tǒng)構(gòu)架

所生成的程序可以嵌入商用車行車記錄儀中，隨車即可實現(xiàn)實時評價與數(shù)據(jù)記錄。該記錄儀已經(jīng)裝備上汽紅巖試驗測試用車，在固定路線中進行數(shù)據(jù)采集和程序測試，結(jié)果可用于進一步分析和修正評價算法。測試路線為往返重慶與雙橋的國道、高速和山區(qū)高速。表1是部分測試評分最終得分。

表1 實車測試結(jié)果

測試過程中若發(fā)現(xiàn)核心算法有bug，通過修改模型，重新生成代碼，然后編譯即可，不需要算法開發(fā)人員編寫任何C代碼。這樣使得核心算法開發(fā)人員與底層C程序的開發(fā)剝離，極大地方便了系統(tǒng)的開發(fā)，實現(xiàn)了核心算法與外圍程序的協(xié)同開發(fā)，縮短了開發(fā)周期。通常商用車企業(yè)不生產(chǎn)電子產(chǎn)品硬件系統(tǒng)，由于核心算法在商用車生產(chǎn)企業(yè)端，而底層開發(fā)在供應(yīng)商處，這種開發(fā)模式極大地保護了核心技術(shù)開發(fā)企業(yè)的技術(shù)和利益。

5 結(jié)束語

駕駛員駕駛水平評價系統(tǒng)已經(jīng)開始被國內(nèi)各個商用車公司關(guān)注，是商用車車聯(lián)網(wǎng)未來技術(shù)發(fā)展的一個方向。該系統(tǒng)的開發(fā)需要大量的實車數(shù)據(jù)作為支撐，同時需要經(jīng)驗豐富的從事車輛工程相關(guān)專業(yè)工作的專業(yè)知識，還需要從事軟硬件系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)人員的支持，是多個學(xué)科的交叉衍生的產(chǎn)品。本文介紹了一種基于快速控制系統(tǒng)原型技術(shù)的駕駛員評價系統(tǒng)的開發(fā)過程。該技術(shù)極大地縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期，讓從事駕駛員駕駛水平評價系統(tǒng)的開發(fā)人員能夠集中關(guān)注于評價算法的研究，而不必關(guān)心代碼的實現(xiàn)問題，同時也方便了核心算法與外圍程序開發(fā)人員的協(xié)同工作，大大縮短了開發(fā)周期和成本。