張吉宇

（柳州汽車檢測有限公司，廣西 柳州 545000）

0 引言

由于汽車需要在不同的電磁輻射源中工作，相應(yīng)電控系統(tǒng)的電磁兼容問題也在不斷增加。尤其是對于智能網(wǎng)聯(lián)汽車，利用5G技術(shù)建立車聯(lián)網(wǎng)云端，與智能網(wǎng)聯(lián)汽車建立智能化的汽車網(wǎng)絡(luò)，將汽車的駕駛體驗提升到一個新的高度，但是也暴露出電子產(chǎn)品的諸多缺點，在電磁干擾環(huán)境下智能網(wǎng)聯(lián)汽車的感知系統(tǒng)就會出現(xiàn)判斷失誤的問題，這對于嚴重依賴電控系統(tǒng)工作的智能網(wǎng)聯(lián)汽車來說是非常危險的。汽車電磁兼容的穩(wěn)定性一直是學(xué)術(shù)界和汽車制造業(yè)關(guān)注的研究課題，因為它直接關(guān)系到汽車的安全運行以及消費者對這類產(chǎn)品的信賴程度[1]。

電磁兼容技術(shù)大致經(jīng)歷了以下三個階段：解決問題、標準化規(guī)范以及系統(tǒng)工程。其中，系統(tǒng)工程的方法是在系統(tǒng)設(shè)計過程中進行全面性管理，從而提高了系統(tǒng)運行的可靠性，具有較高的工程利用價值。但這些傳統(tǒng)的分析方法都是以電路計算和發(fā)射響應(yīng)模型分析為基礎(chǔ)的，這就需要準確地了解系統(tǒng)中各個元件的詳細數(shù)學(xué)模型。利用這類方法解決汽車的電磁兼容問題是很難反映汽車電子系統(tǒng)的電磁動態(tài)特性的，這些方法在研究汽車電磁兼容問題時只考慮到局部變化缺乏對系統(tǒng)整體進行理論化分析，所以分析結(jié)果不具有實際價值。如何對汽車復(fù)雜的電控系統(tǒng)進行有效的理論分析和預(yù)測，是分析汽車電磁兼容的關(guān)鍵所在[2]。

1 智能網(wǎng)聯(lián)汽車問題分析

1.1 物聯(lián)網(wǎng)存在問題

從物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展之初到現(xiàn)在，我們見證了物聯(lián)網(wǎng)對汽車制造業(yè)的顛覆性改變，最值得注意的是智能通信網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)，數(shù)據(jù)與通信技術(shù)已經(jīng)成為人類生產(chǎn)生活中的重要角色，雖然由于全IP蜂窩系統(tǒng)的存在，人類的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)已變得無處不在，但是開發(fā)先進的信息技術(shù)仍然具有極大的挑戰(zhàn)性，對于應(yīng)用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車的車聯(lián)網(wǎng)具有以下缺點：車輛密度可能會隨著時間（非高峰時段）和位置（主要街道和次要街道）而急劇變化，并且由于移動或室內(nèi)/地下停車場，無線通信網(wǎng)絡(luò)可能會遭受嚴重的干擾[3]。數(shù)據(jù)傳遞和路徑規(guī)劃以及其它與位置相關(guān)的數(shù)據(jù)信息具有極低的延遲容忍能力，而其它信息娛樂應(yīng)用程序則具有一定的延遲容忍能力。智能網(wǎng)聯(lián)汽車采用存在干擾的通信網(wǎng)絡(luò)很難保證汽車具有良好的環(huán)境感知使用體驗。智能網(wǎng)聯(lián)汽車可以依靠V2V通信、V2I通信或兩者兼而有之。現(xiàn)有的V2V和V2I通信研究主要集中在安全消息廣播或信息娛樂服務(wù)上，與信息娛樂服務(wù)相比，智能網(wǎng)聯(lián)汽車狀態(tài)更新的延遲、可靠性和可用性要求更為嚴格，而這些數(shù)據(jù)信息可能需要傳播更長的距離，而不是僅僅向相鄰車輛廣播。然而，由于動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)、時變通信信道以及異構(gòu)的V2V和V2I通信技術(shù)，高移動性車輛網(wǎng)絡(luò)的建立是極具挑戰(zhàn)性的[4]。

1.2 智能網(wǎng)聯(lián)汽車環(huán)境感知系統(tǒng)

環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、精準定位、線控執(zhí)行是智能網(wǎng)聯(lián)汽車的四大核心技術(shù)，環(huán)境感知系統(tǒng)的作用就是讓汽車擁有自己的眼睛，判斷汽車所處的環(huán)境位置并進行合理化處理。環(huán)境感知系統(tǒng)主要是對行人、周圍車輛、行駛路面、交通信號燈、路牌等標志性物體進行簡單識別，現(xiàn)在已經(jīng)有很多電子控制系統(tǒng)運用了環(huán)境感知技術(shù)，這些系統(tǒng)主要用于提高汽車的主動安全性，降低出現(xiàn)交通安全事故的風(fēng)險[1]。

環(huán)境感知系統(tǒng)可以借助多種途徑進行環(huán)境識別，最典型的的就是汽車攝像頭以及汽車雷達，下面簡要介紹幾種常用的環(huán)境感知設(shè)備，首先是毫米波雷達和激光雷達，這兩種設(shè)備常用于獲取汽車車前和車后的距離數(shù)據(jù)，其中激光雷達具有極高的測量精度，但是對于光照環(huán)境變化的感知效果較差，而毫米波雷達具有極強的抗干擾能力，但是對行人的距離感知效果較差。其次是超聲波傳感器和視覺傳感器，超聲波傳感器可以用于短距離物體的感知而且抗干擾能力較強，但是如果感知物體較大就無法精確探測了；視覺傳感器可以采集汽車周圍的二維或三維圖像信息，而且對數(shù)據(jù)的處理能力較強，但是容易受到光照影響。

從上面的介紹中可以看出：雖然現(xiàn)有的環(huán)境感知設(shè)備可以在一定程度上優(yōu)化駕駛的舒適度，但都存在或多或少的缺點，而且智能網(wǎng)聯(lián)汽車集成了大量的電子系統(tǒng)，系統(tǒng)與系統(tǒng)，系統(tǒng)與環(huán)境之間都存在有電磁干擾的現(xiàn)象，所以如何提升汽車電子器件的電磁兼容能力對于智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展是非常重要的。

2 電磁兼容分析

2.1 協(xié)同理論

協(xié)同理論是德國學(xué)者哈肯創(chuàng)立的一門綜合性交叉學(xué)科，它是關(guān)于自組織現(xiàn)象出現(xiàn)的條件和規(guī)則，在由相似的特征子系統(tǒng)構(gòu)成的系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)之間的相互作用可能導(dǎo)致有序和結(jié)構(gòu)化，系統(tǒng)的熵增會導(dǎo)致無序和混亂，當兩種運動均衡匹配時，系統(tǒng)才能達到平衡，否則就會出現(xiàn)臨界變化。協(xié)同理論就是研究包含隨機變量的非線性動力系統(tǒng)的規(guī)律，哈肯在協(xié)同理論中描述了臨界點附近的行為，提出了伺服原理和序參量原理[2]。

對于一個由數(shù)量龐大的子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，其演化方程中包含的變量數(shù)目非常大，不可能對這些方程進行處理。因此如何簡化這些演化方程，用低維方程近似地描述原系統(tǒng)是協(xié)同理論的一個重要研究課題。由此開發(fā)了一種基本的伺服原理，其核心是近似絕熱原理。根據(jù)這兩個臨界階段的協(xié)同理論，得出了當系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)時，兩個子系統(tǒng)的臨界阻尼行為是不存在的。慢參數(shù)的數(shù)量不多，但它們正驅(qū)動著其他快速參數(shù)的運動。系統(tǒng)運行的最終狀態(tài)由它們決定。近似絕熱原理是指當系統(tǒng)處于臨界階段時系統(tǒng)快速有序地成形，外界對系統(tǒng)的影響可以忽略不計，但在系統(tǒng)內(nèi)部如果忽略快速衰減參數(shù)的變化方程可以大大簡化，然后產(chǎn)生只包含慢參數(shù)序參量方程的方程組。這種方法減少了變量的數(shù)目，使方程易于求解。

協(xié)同理論的序參量原理是指在未進入臨界階段的舊結(jié)構(gòu)下，序參量為0，但在臨界相發(fā)生時，序參量不是空值。協(xié)同學(xué)中的序參量具有三個特征共同點：①宏觀上描述系統(tǒng)整體行為；②微觀上子系統(tǒng)集體運動的協(xié)同效應(yīng)；③控制子系統(tǒng)行為，主導(dǎo)系統(tǒng)演化過程。

2.2 電磁兼容的三個關(guān)鍵要素

任何電磁干擾過程都需要三個要素：干擾源、耦合路徑、敏感設(shè)備。因此，對于智能網(wǎng)聯(lián)汽車感知系統(tǒng)的電磁干擾，電磁兼容的三個要素可以用S（t，f，r，θ），C（t，f，r，θ），R（t，f，r，θ）這三個函數(shù)來表示，其中時間變量為t、頻率變量為f、空間變量為r、方位變量為θ，當發(fā)生電磁干擾時，滿足干擾源與耦合路徑的函數(shù)乘積大于等于敏感設(shè)備函數(shù)。但對于汽車復(fù)雜的電子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)之間會成為潛在的干擾源。因此，簡單地用三個要素來解釋汽車電磁兼容問題的工程量是十分巨大的。

汽車電控系統(tǒng)的復(fù)雜性是由可實現(xiàn)功能決定的，同時汽車所處的電磁環(huán)境也是非常復(fù)雜的，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展越來越多的集成芯片應(yīng)用于汽車電磁環(huán)境中，使得汽車電磁環(huán)境變得更加復(fù)雜。汽車所處的電磁環(huán)境具有以下四個特點：①汽車是由大量不同種類的零部件組成，這些零部件分布在車身的各個區(qū)域，通過CAN總線相互聯(lián)系；②汽車電子系統(tǒng)作為一個動態(tài)系統(tǒng)，具有時間和諧性的特點；③汽車電子系統(tǒng)經(jīng)常受到不同的干擾，如雷雨天氣的干擾、負荷突變、誤操作等這些可能會導(dǎo)致交通安全事故；④汽車電子系統(tǒng)中會出現(xiàn)大量高集成度的高頻芯片，它將成為一個融合數(shù)字和仿真設(shè)備的復(fù)雜系統(tǒng)。正是由于汽車電子系統(tǒng)具有如此復(fù)雜的特性，所以無法用簡單的數(shù)學(xué)模型來描述和分析其電磁兼容問題[5]。

2.3 基于協(xié)同理論的電磁兼容分析

從以上的描述可以明顯地看出，汽車電子系統(tǒng)的電磁兼容問題是對系統(tǒng)發(fā)生臨界變化時的行為的考慮，因此宏觀上可以看作是一種接近臨界階段時的穩(wěn)定問題。以下從麥克斯韋方程組出發(fā)，利用協(xié)同理論中的伺服原理和序參量原理進行論證。在麥克斯韋方程中，有E、D、H和B四個物理變量來描述電磁場的特性。它們分別代表電場強度、電通量密度、磁場強度、磁通量密度。一般來說，這些物理變量是位置矢量r和時間t的連續(xù)函數(shù)，電磁場源的電流密度J和電荷密度的平方也是位置矢量r和時間t的連續(xù)函數(shù)。在上述情況下，麥克斯韋方程組的微分形式如下：

這是電磁場的能量原理。根據(jù)傅里葉變換，任意一個隨時間變化的電磁場一般都可以看作是不同時諧電磁場的總和，因此任何電磁場的求解實際上都可以歸結(jié)為求解時諧電磁場。設(shè)F（r，t）為角頻率為A的時諧電磁場，則函數(shù)F可用復(fù)形形式表示，并且函數(shù)F是一個復(fù)向量：

汽車電磁兼容問題實際上是對汽車空間中電磁波能量轉(zhuǎn)換的研究。根據(jù)協(xié)同理論，選取能流密度矢量作為主要序參量，依次引用三個項參數(shù)原理。為了方便計算和理解，這里可以只使用兩種變量（S，u）來計算汽車電子系統(tǒng)的電磁兼容性。S是慢參數(shù)，u是快速參數(shù)。它們是位置向量r、時間向量t、頻率向量f和方位向量θ的函數(shù)，是電磁兼容分析中三個關(guān)鍵元素的變形?？梢詫⑾到y(tǒng)演化方程寫成如下形式：

公式（3）為汽車電子系統(tǒng)的序參量演化方程，其中，S為主要序參量，α、β是指定算法下的最佳參數(shù)。從公式中也可以看出，其它因素的行為也適用于汽車的主要序參量。實際上，能流密度矢量代表電磁波能量的功率電流強度，因此，如果S穩(wěn)定，則該總標志區(qū)的電磁兼容特性是相容的；反之，如果S改變，該總標志區(qū)的電磁兼容特性也隨之改變。因此，如果S已知，我們可以得到相應(yīng)區(qū)域的電磁兼容定量分析，并根據(jù)方程（1）和（3）的計算相關(guān)電磁學(xué)參數(shù)。

3 結(jié)論

對于包含多個子系統(tǒng)和傳感器的環(huán)境感知系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)與車聯(lián)網(wǎng)相連接，其基本電磁方程的變量數(shù)目大維度高，對于這樣的方程進行求解幾乎是不可能的。因此根據(jù)協(xié)同理論和汽車電子系統(tǒng)的特點，利用麥克斯韋方程，得到汽車電子系統(tǒng)的階數(shù)演化方程，提出了汽車電控系統(tǒng)電磁兼容分析的新思路。

與傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程電磁兼容分析相比，該方法不僅消除了質(zhì)量變量的數(shù)量，使方程組易于求解，而且能深刻地反映汽車復(fù)雜電控子系統(tǒng)協(xié)同產(chǎn)生的電磁兼容序參量。電磁兼容分析的序參量控制著子系統(tǒng)的行為，這些行為促使整個汽車復(fù)雜電子系統(tǒng)的狀態(tài)趨于有序，從而達到汽車電磁兼容分析與設(shè)計的目的。