劉有志

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

我國目前已是汽車生產(chǎn)和消費大國，隨著全球經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源問題日益受到世界各國關(guān)注。我國并不是石油大國，儲量和開采量有限，大量石油依賴進口，并且需求量仍在日益增加，因此，汽車節(jié)能降耗愈來愈被重視起來。

尋找適合的替代能源，研發(fā)新能源汽車是減緩傳統(tǒng)能源消耗的有效辦法之一。但新能源汽車的發(fā)展需要先進技術(shù)的長時間發(fā)展與累積，目前汽車市場仍以傳統(tǒng)車輛為主導(dǎo)。因此，在當(dāng)前形勢下，對傳統(tǒng)車量進行節(jié)能降耗無疑顯得更加重要。

影響車輛油耗的因素主要有六個方面，包括：

（1）車輛風(fēng)阻系數(shù)

（2）車輛自重

（3）發(fā)動機技術(shù)

（4）變速箱技術(shù)

（5）車輛輪胎選取

（6）駕駛習(xí)慣

前五點因素與汽車技術(shù)緊密相關(guān)，國內(nèi)外諸多汽車領(lǐng)域的專家們已做了大量工作，并取得了顯著成效。相對而言，駕駛習(xí)慣是駕駛員直接產(chǎn)生的，更加主觀一些，具有較強的差異性，無法實現(xiàn)統(tǒng)一操作。隨著技術(shù)發(fā)展，可以利用汽車電子技術(shù)，對駕駛員的車輛操控行為進行干預(yù)，幫助駕駛員養(yǎng)成利于節(jié)能降耗的優(yōu)良駕駛習(xí)慣。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外針對駕駛行為的研究起步較早，對影響機動車事故和節(jié)能降耗的駕駛行為有比較成熟的理論和實際應(yīng)用。在理論上，他們擁有龐大的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，通過共享這些信息，相關(guān)研究機構(gòu)對事故駕駛行為和節(jié)能降耗有比較深入的研究。

目前已投入市場的基于駕駛行為的節(jié)能降耗技術(shù)有：

（1）Fiat 的Eco-Drive 系統(tǒng)；

（2）Honda 的Eco Assist（節(jié)能駕駛輔助系統(tǒng)）；

（3）SCANIA 的駕駛員輔助系統(tǒng)。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

國內(nèi)目前限于基礎(chǔ)設(shè)施水平和經(jīng)濟實力，在該領(lǐng)域的研究與發(fā)達國家有很大差距。國內(nèi)多數(shù)汽車廠家目前更多地還專注于整車的設(shè)計與開發(fā)，沒有深入開展這方面的研究，而大多數(shù)研究機構(gòu)又沒有基礎(chǔ)實驗設(shè)備和大型數(shù)據(jù)采集整合系統(tǒng)，很難實現(xiàn)駕駛行為產(chǎn)業(yè)鏈的研究。目前國內(nèi)有些企業(yè)擁有駕駛行為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，他們往往從實際利益出發(fā)，進行局部、小范圍數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)，基本沒有能力實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，也沒有實力進行理論研究。而大部分高校和科研機構(gòu)，只是對部分駕駛行為進行理論和算法上的研究，很難有實力將研究成果應(yīng)用于實際。

2 系統(tǒng)開發(fā)方案

2.1 系統(tǒng)方案概要

旨在開發(fā)一種基于駕駛行為的智能化綠色節(jié)油輔助系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)嵌優(yōu)良駕駛習(xí)慣數(shù)據(jù)庫，實時判斷駕駛員當(dāng)前操作行為與數(shù)據(jù)庫的吻合程度，通過車載儀表等人機交互接口，提示駕駛員當(dāng)前操作行為，以及車輛的油耗狀態(tài)優(yōu)良與否，是否應(yīng)采取適當(dāng)措施、操作，降低車輛油耗，幫助駕駛員養(yǎng)成優(yōu)良駕駛習(xí)慣。

2.2 系統(tǒng)開發(fā)方案

如前所述，根據(jù)駕駛行為開發(fā)的車輛節(jié)能輔助系統(tǒng)，國外已具備了較強的技術(shù)儲備，相關(guān)產(chǎn)品已上市應(yīng)用，并取得了不錯的節(jié)能降耗效果；而國內(nèi)對該系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)與技術(shù)儲備還較薄弱，正處于起步階段。

為了使該系統(tǒng)開發(fā)的順利進行，系統(tǒng)功能完善，性能優(yōu)良、可靠，應(yīng)參考國外相關(guān)系統(tǒng)構(gòu)成，進行對標分析，從而完善所開發(fā)的基于駕駛行為的智能化綠色節(jié)油輔助系統(tǒng)。

系統(tǒng)的功能框圖如圖1 所示：

圖1 系統(tǒng)功能框圖

3 系統(tǒng)開發(fā)計劃

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)

駕駛行為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是實現(xiàn)駕駛行為采集物理媒介和手段，項目組通過開發(fā)一套硬件和嵌入式軟件來實現(xiàn)此功能。其整體功能框圖如圖2：

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

主要研究內(nèi)容有：

（1）駕駛行為采集對象：通過分析駕駛員操縱車輛動作和產(chǎn)生狀態(tài)，根據(jù)對這些狀態(tài)的分類、實驗，摸索其狀態(tài)特征，然后根據(jù)各自特性，設(shè)計硬件拾起電路，軟件采集周期、頻率等滿足信息采集要求。

（2）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和儲存：駕駛行為數(shù)據(jù)種類比較多，數(shù)據(jù)量比較大，而且要求掉電時能保存數(shù)據(jù)。目前，保守估計車輛狀態(tài)信息十幾種，其中有開關(guān)量、脈沖量、模擬量等。系統(tǒng)需要設(shè)計一種合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和儲存方法來完成這些信息的有效儲存和快捷數(shù)據(jù)交換方法，系統(tǒng)有鐵電存儲、DATAFLASH 存儲，以及本地IC 卡存儲。

（3）USB 數(shù)據(jù)交換：本系統(tǒng)采集信息多，數(shù)據(jù)量大，將采用一種數(shù)據(jù)交換協(xié)議實現(xiàn)采集系統(tǒng)和管理軟件的數(shù)據(jù)交換，目前，擬訂采用USB 協(xié)議交換數(shù)據(jù)。

（4）GPRS 技術(shù)：駕駛行為信息采集系統(tǒng)為了適應(yīng)可能的車輛道路實驗，設(shè)計預(yù)留GPRS 功能，GPRS 是GSM Phase 2+階段引入的一種基于分組的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，它能夠?qū)崿F(xiàn)從空中接口到外部網(wǎng)絡(luò)之間的分組數(shù)據(jù)傳輸，GPRS 可以接入基于TCP/IP 的外部網(wǎng)絡(luò)和X.25 網(wǎng)絡(luò)。

（5）電源：汽車上的電子設(shè)備越來越多，使車內(nèi)的電磁環(huán)境日益復(fù)雜。在這比較復(fù)雜的環(huán)境中，電源性能的好壞直接影響到電子設(shè)備的可靠性。本系統(tǒng)下位機系統(tǒng)復(fù)雜，功能強大，功能模塊多，電源管理難度高。電源設(shè)計必須滿足系統(tǒng)反接、過壓、電壓適應(yīng)性、抗汽車電子點火、靜電放電等功能。

圖3 電源模塊功能框圖

（6）MCU 模塊：本系統(tǒng)下位機需要融合車輛信息采集和駕駛員圖像采集、可擴展GPS/GPRS 功能，要用一個MCU 模塊管理和操作所有功能，MCU 模塊資源要求比較多，硬件設(shè)計復(fù)雜，需要選擇資源比較豐富合適的MCU。

圖4 底層驅(qū)動生產(chǎn)示意圖

（7）硬件看門狗：系統(tǒng)下位機從可靠性和產(chǎn)品角度考慮，必須設(shè)計具有硬件看門狗、低功耗并存功能，但硬件看門狗和低功耗設(shè)計并存有一定難度，因此需要設(shè)計可靠的硬件電路。

圖5 看門狗模塊電路

3.2 實車數(shù)據(jù)采集

該系統(tǒng)需要有大量的實車試驗數(shù)據(jù)支持，構(gòu)建相應(yīng)的優(yōu)良駕駛行為數(shù)據(jù)庫，從而利用適當(dāng)評價算法，獲得對應(yīng)參數(shù)處于優(yōu)良駕駛狀態(tài)的動態(tài)范圍。

由于駕駛行為屬于主觀范疇，應(yīng)聘請具有豐富經(jīng)驗的、使車輛處于較低燃油消耗水平的駕駛員，進行實車操作；并且構(gòu)建較大樣本空間，使所采集數(shù)據(jù)具有可信性和可用性。

另外，應(yīng)根據(jù)不同路況條件，制定相應(yīng)的采集方案。車輛在城市路況、市郊路況、山區(qū)路況等條件，車輛燃油消耗量會有很大差別，因此，應(yīng)根據(jù)需求，制定不同的采集方案，進行相應(yīng)參數(shù)采集，構(gòu)建多工況數(shù)據(jù)庫。

3.3 優(yōu)良駕駛行為數(shù)據(jù)庫構(gòu)建與數(shù)據(jù)評價算法開發(fā)

3.3.1 駕駛員調(diào)研問卷及駕駛行為原始數(shù)據(jù)庫設(shè)計

該部分內(nèi)容主要用于構(gòu)建原始數(shù)據(jù)模型，獲取相應(yīng)駕駛員信息和行為數(shù)據(jù)。

首先，在駕駛員初次登陸時，需設(shè)計相關(guān)問卷，對用戶的基本情況進行調(diào)查和記錄，從而確定準確的駕駛員基本信息，用于后續(xù)分析和分類。

問卷的內(nèi)容可能涉及如下方面：

（1）人口統(tǒng)計學(xué)信息（年齡、性別）；

（2）駕駛信息（駕照類型、駕齡、駕駛頻度、百公里平均油耗等）。

其次，需設(shè)計駕駛行為原始數(shù)據(jù)庫，用于存儲和管理來自各種車身傳感器的駕駛行為原始數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：

1）方向盤：向右最大值為1.000，向左最小值為-1.000，中點時為0.000；

2）油門：最大值為1.000，最小值為0.000；

3）離合：最大值為1.000，最小值為0.000；

4）制動：最大值為1.0，最小值為0；

5）速度：當(dāng)前動力學(xué)模型速度（整數(shù)）；

6）轉(zhuǎn)速：當(dāng)前動力學(xué)模型轉(zhuǎn)速（整數(shù)）。

7）發(fā)動機外特性曲線；

8）檔位：按照當(dāng)前檔位顯示（1 檔、2 檔、3 檔、4 檔、5 檔、倒檔）；

3.3.2 駕駛行為數(shù)據(jù)預(yù)處理、建模和分析算法

（1）通過對優(yōu)秀駕駛員和普通駕駛員同路段駕駛行為的對比分析，人工標注可能導(dǎo)致高油耗的駕駛行為原始數(shù)據(jù)，例如超速、急加速、急減速、急剎車等；

（2）基于大量駕駛行為數(shù)據(jù)，抽取行為特征，建立行為模型；

根據(jù)實際駕駛中能夠獲得的數(shù)據(jù)，確定具體評價的駕駛行為特征及計算模型。以下給出幾個行為實例：

1）超速：需依據(jù)道路的上限速度、汽車的加速度和當(dāng)前速度加以識別；

2）非常規(guī)方向盤操作；

根據(jù)方向盤的數(shù)據(jù)流，判斷用戶是否有以下行為：生硬的轉(zhuǎn)向（頻繁改變）；快速而持續(xù)的轉(zhuǎn)向角度切換等。

3）非常規(guī)的剎車操作；

根據(jù)剎車的數(shù)據(jù)流，計算出剎車位置的變化速率（用導(dǎo)數(shù)表示）隨時間的變化，判斷用戶是否有急減速等導(dǎo)致高油耗行為。

圖6 算法框架

3.4 駕駛行為提示

通過駕駛行為數(shù)據(jù)庫、評價算法以及車輛實時數(shù)據(jù)，能夠判斷出駕駛員當(dāng)前的操作行為，是否使車輛處于較低油耗狀態(tài)，評價結(jié)果可由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)車身網(wǎng)絡(luò)進行發(fā)布，進而通過儀表盤提示、聲音提示等方法，與駕駛員進行人機交互。

采用儀表盤提示時，控制器從車身網(wǎng)絡(luò)獲得駕駛行為評價信息，驅(qū)動優(yōu)良駕駛行為指示燈顯示。若駕駛行為優(yōu)良，車輛油耗較低，綠色指示燈點亮；若駕駛行為使得車輛油耗升高，則紅色指示等點亮。

采用聲音提示時，可利用采集系統(tǒng)內(nèi)嵌的語音提示模塊，向駕駛員提供相應(yīng)的提醒。

圖7 評價提示界面

3.5 試驗驗證

系統(tǒng)開發(fā)完成后，應(yīng)根據(jù)駕駛員行為等級、路況條件，構(gòu)建驗證試驗矩陣，分別進行系統(tǒng)驗證試驗。

在不同的路況條件下，駕駛員操作行為均可分為較差、普通和優(yōu)良三類，具體評價依據(jù)可根據(jù)實車油耗等信息進行判斷。初步形成試驗矩陣如下表1 所示：

表1 驗證試驗矩陣

試驗矩陣中記錄了在各試驗條件下使用該輔助系統(tǒng)時，影響車輛燃油消耗的各參數(shù)信息，以及最終的燃油消耗結(jié)果。根據(jù)得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，對系統(tǒng)的可靠性、可用性進行評價。

表2 實車測試節(jié)油效果

根據(jù)多輪次標定后，最新版本數(shù)據(jù)測試綜合節(jié)油效果如表2。

4 總結(jié)

通過進行數(shù)據(jù)解析與需求分析，結(jié)合國外先進經(jīng)驗，確定所開發(fā)輔助系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)與系統(tǒng)功能框架；通過開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為系統(tǒng)的實現(xiàn)提供高精度、高效的數(shù)據(jù)采集工具，為駕駛行為數(shù)據(jù)庫構(gòu)建提供技術(shù)支持；通過實車數(shù)據(jù)采集，獲取大量實車數(shù)據(jù)，構(gòu)建駕駛行為數(shù)據(jù)庫；通過數(shù)據(jù)評價算法開發(fā)，確定車輛在燃油消耗較低狀態(tài)下，車輛各相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)特征與范圍，進而實時判斷駕駛員操作行為是否處于最優(yōu)；通過駕駛行為提示，與駕駛員進行人機交互，幫助駕駛糾正并養(yǎng)成良好的駕駛習(xí)慣。

該系統(tǒng)的成功開發(fā)與推廣，必將有助于車輛燃油消耗水平的降低，緩解車輛對傳統(tǒng)能源消耗與環(huán)境保護造成的巨大壓力。