黃文青，陳凌珊

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院）

0 引言

隨著汽車行業(yè)向“電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化”方向的不斷發(fā)展，汽車的技術(shù)含量在得到大幅提升的同時(shí)，對(duì)于安全可靠運(yùn)行的要求也在提高[1]。但在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，由于車輛受到的干擾越來(lái)越多，行駛工況越來(lái)越復(fù)雜，能否實(shí)時(shí)有效地監(jiān)控并獲取車輛狀態(tài)信息就很重要[2]。此外，如果能將這些信息進(jìn)行有序存儲(chǔ)與管理，不僅能為車輛的售后服務(wù)與維護(hù)工作提供便利，也能為整車與零部件的設(shè)計(jì)制造、智能化研究提供更多的數(shù)據(jù)積累[3]。為此，早在2009 年工信部就頒布了關(guān)于汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控的初期法規(guī)[4]，后來(lái)又制定了GB/T 32960-2016 《電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程服務(wù)與管理系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》等更細(xì)致的標(biāo)準(zhǔn)與要求[5]。在此背景下，本文以城市客車為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)用于車輛與外界的通訊和數(shù)據(jù)管理，以滿足相關(guān)部門對(duì)于新能源車輛的監(jiān)控和評(píng)價(jià)維護(hù)要求[6]。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

本文中設(shè)計(jì)的城市客車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式的系統(tǒng)架構(gòu)，主要由車載終端、智能云平臺(tái)和應(yīng)用集三大部分組成，具體內(nèi)容如圖1 所示。車載終端通過(guò)CAN 總線從各控制器獲取內(nèi)部數(shù)據(jù)和故障信息，同時(shí)從各零部件的數(shù)據(jù)獲取客車的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息（主要是位置信息和行駛車速），再利用GPRS 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)上傳至智能云平臺(tái)。此外，車載終端也接收從云平臺(tái)下發(fā)的DBC 與指令，從而完成與云平臺(tái)的通信。智能云平臺(tái)由數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)集群、數(shù)據(jù)分析集群和數(shù)據(jù)接入解析集群構(gòu)成。其中，數(shù)據(jù)服務(wù)通過(guò)分布式Restful 數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用集的信息交互，并提供相應(yīng)的服務(wù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)集群由Elastic Search 集群、分布式文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)集群組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)客車行程數(shù)據(jù)、故障報(bào)警等實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)與快速訪問(wèn)；數(shù)據(jù)分析集群由實(shí)時(shí)計(jì)算引擎Spark Steaming、離線計(jì)算引擎Spark SQL 和分布式消息隊(duì)列組成，可以支持大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、離線可視化分析，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)接入解析集群中的報(bào)文解析結(jié)果；數(shù)據(jù)接入解析集群主要是報(bào)文接收器和報(bào)文解析器，兩部分之間可完成路由轉(zhuǎn)發(fā)、負(fù)載均衡和自動(dòng)失敗重試等過(guò)程。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 功能方案

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要用于城市客車的數(shù)據(jù)監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理，故而設(shè)計(jì)有車輛監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷、數(shù)據(jù)管理與分析、試驗(yàn)管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理六大功能模塊，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)功能方案Fig.2 System function scheme

（1）車輛信息監(jiān)控。系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取車輛數(shù)據(jù)以及定位信息，用戶可以查詢每輛客車在任何時(shí)間段內(nèi)的行駛軌跡與使用情況。當(dāng)有故障報(bào)警時(shí)，云平臺(tái)和用戶端能同時(shí)發(fā)出提醒。

（2）遠(yuǎn)程刷寫與診斷。當(dāng)客車出現(xiàn)電控相關(guān)故障時(shí)，用戶可以通過(guò)系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取J1939 故障代碼，并進(jìn)行遠(yuǎn)程故障診斷。此外，系統(tǒng)也支持UDS（Unified Diagnostic Services，統(tǒng)一診斷服務(wù)）協(xié)議，可進(jìn)行ECU 遠(yuǎn)程刷寫、故障查詢、控制、版本查詢等相關(guān)操作。

（3）數(shù)據(jù)管理與分析。系統(tǒng)可以將客車的總線信號(hào)、GPS 定位、司機(jī)的駕駛操作等信息進(jìn)行采集和存儲(chǔ)。對(duì)于本地的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，用戶可以對(duì)其進(jìn)行查詢、導(dǎo)入、下載和分析等操作，數(shù)據(jù)格式也能兼容Vehicle Spy 3，CANoe 等主流總線診斷工具。除了本地存儲(chǔ)外，系統(tǒng)還可以將這些信息無(wú)線傳輸至后臺(tái)，存儲(chǔ)在后臺(tái)服務(wù)器中。

（4）試驗(yàn)管理。系統(tǒng)支持包括試驗(yàn)科目、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)進(jìn)度、試驗(yàn)人員等信息的管理，主要用于解決客車各類試驗(yàn)數(shù)據(jù)的管理問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中管理、分類索引、快速查找、數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)安全等功能。

（5）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理。系統(tǒng)為用戶提供了車輛信息、終端信息、ECU 信息、SIM 卡信息、試驗(yàn)場(chǎng)地信息等的管理功能，支持對(duì)這些信息的增加、刪除、修改、查詢等操作。

（6）系統(tǒng)管理。系統(tǒng)為用戶提供了操作權(quán)限的集中管理功能。操作權(quán)限的集中管理包括定義操作者角色、設(shè)定系統(tǒng)用戶和設(shè)置功能權(quán)限。這一方面可以保障系統(tǒng)的使用安全性，另一方面也可以對(duì)系統(tǒng)各個(gè)子模塊的操作進(jìn)行協(xié)調(diào)，保證其各負(fù)其責(zé)、相關(guān)流程進(jìn)行順暢。

2.2 智能信息管理

為了便于對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)智能管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)由3D 屏幕顯示系統(tǒng)、場(chǎng)地管理系統(tǒng)、試驗(yàn)管理系統(tǒng)、試驗(yàn)預(yù)約系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)和終端6部分組成，能從監(jiān)控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)中獲取車輛與駕駛員信息、場(chǎng)地情況、駕駛員評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)、測(cè)試車輛數(shù)據(jù)、測(cè)試進(jìn)度數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程刷寫控制接口、試驗(yàn)預(yù)約確認(rèn)和試驗(yàn)進(jìn)度數(shù)據(jù)等信息，從而實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的通訊和對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的有效管理，具體內(nèi)容如圖3 所示。

圖3 信息管理系統(tǒng)功能框架Fig.3 Functional framework of information management system

3 系統(tǒng)安全性能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)比較注重?cái)?shù)據(jù)傳輸與處理過(guò)程中的信息安全，其對(duì)于安全性能的設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)在終端接入安全、平臺(tái)安全和數(shù)據(jù)訪問(wèn)安全3 個(gè)方面，如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)Fig.4 Design of system security performance

（1）終端接入安全。終端通過(guò)4G 網(wǎng)絡(luò)與平臺(tái)進(jìn)行通信，報(bào)文可采用RSA加密方式進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)傳輸安全性得到了保證。所有終端在連接平臺(tái)時(shí)會(huì)進(jìn)行鑒權(quán)操作，此時(shí)會(huì)對(duì)終端信息進(jìn)行校驗(yàn)，只允許在庫(kù)的終端進(jìn)行接入。

（2）平臺(tái)安全。平臺(tái)在外網(wǎng)接入端設(shè)置有防火墻，數(shù)據(jù)傳輸整個(gè)鏈路過(guò)程中的所有組件全部開(kāi)啟了Kerberos 安全認(rèn)證。

（3）數(shù)據(jù)管理與分析。數(shù)據(jù)在Hadoop 集群及各類大數(shù)據(jù)組件(如Zookeeper/Kafka/Hbase/Hive/HDFS 等)中全部開(kāi)啟了Sentry 授權(quán)服務(wù)和LDAP 目錄訪問(wèn)權(quán)限，所有操作均進(jìn)行日志審計(jì)，保證了數(shù)據(jù)的安全性。

4 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的硬件主要由T-BOX，V-BOX，S-BOX 三者組成，其中T-BOX 與V-BOX 之間通過(guò)Ethernet相連接，T-BOX 與S-BOX 通過(guò)CAN 總線項(xiàng)連接，其硬件框架如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)硬件框架Fig.5 System hardware framework

T-BOX 采用4G 通信方式，通過(guò)EC20 通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸；有10 路CAN 總線接口，2 路GPIO 通用接口，CPU 內(nèi)置六軸向加速度傳感器。MCU 選用SPC5768，支持外接開(kāi)關(guān)量、模擬量數(shù)據(jù)采集設(shè)備。CPU 支持SD 存儲(chǔ)卡存儲(chǔ)。通過(guò)Ethernet 連接V-BOX 進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)采集與上傳；支持遠(yuǎn)程固件升級(jí)。支持原始CAN 報(bào)文及解析后的參數(shù)兩種存儲(chǔ)方式。具有遠(yuǎn)程故障診斷功能，支持SAE J1939，UDS，OBD 等診斷協(xié)議。

V-Box 的MCU 選用Hi3520D，支持8 路視頻存儲(chǔ)，1 路音頻存儲(chǔ)。存儲(chǔ)方面，支持內(nèi)部固態(tài)SSD 存儲(chǔ)與SD 存儲(chǔ)卡存儲(chǔ)。支持網(wǎng)絡(luò)觸發(fā)視頻文件上傳與本地觸發(fā)視頻上傳功能，能實(shí)時(shí)查看攝像頭視頻數(shù)據(jù)。通過(guò)Ethernet 連接T-BOX，支持實(shí)時(shí)配置終端參數(shù)；支持遠(yuǎn)程固件升級(jí)。

S-Box 的MCU 選 用S32K144，支 持8 路24位高精度數(shù)據(jù)采集，誤差控制在±0.2 V。支持CAN 總線將數(shù)據(jù)上傳至T-BOX，也可通過(guò)CAN總線進(jìn)行模塊功能配置。

5 系統(tǒng)功能應(yīng)用

本系統(tǒng)以某型純電動(dòng)城市客車作為試驗(yàn)車輛，主要驗(yàn)證其在車輛監(jiān)控、故障診斷以及數(shù)據(jù)管理分析方面的應(yīng)用情況。

5.1 車輛監(jiān)控

5.1.1 車輛實(shí)時(shí)監(jiān)控

本系統(tǒng)支持車輛的實(shí)時(shí)定位、跟蹤定位及歷史軌跡回放，跟蹤及回放時(shí)的車輛運(yùn)行軌跡可以直觀地顯示在監(jiān)控界面，便于用戶及時(shí)掌握車輛個(gè)運(yùn)行情況，如圖6 所示。

圖6 車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控Fig.6 Real-time monitoring of vehicle status

5.1.2 車輛數(shù)據(jù)明細(xì)

本系統(tǒng)支持用戶對(duì)試驗(yàn)車輛部件信息（BMS、VCU 等）、運(yùn)行信息（車速、里程等）、故障信息等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)兼具查詢車輛歷史數(shù)據(jù)功能，為分析車輛狀態(tài)和某一時(shí)刻的運(yùn)行狀況提供依據(jù)，如圖7 所示。

圖7 車輛部件信息采集Fig.7 Collection of vehicle parts information

此外，用戶也可以通過(guò)該系統(tǒng)查詢一段時(shí)間范圍內(nèi)的某輛車的主要零部件的相關(guān)性能參數(shù)值，如圖8 所示。

圖8 車輛數(shù)據(jù)查詢Fig.8 Inquiry of vehicle data

5.2 故障診斷

5.2.1 故障代碼庫(kù)

試驗(yàn)車輛的遠(yuǎn)程監(jiān)控協(xié)議在本系統(tǒng)內(nèi)都會(huì)有固定的數(shù)據(jù)字典與其對(duì)應(yīng)，數(shù)據(jù)字典的內(nèi)容即為系統(tǒng)監(jiān)控界面顯示的車輛信息，每個(gè)數(shù)據(jù)字典的故障碼會(huì)上傳到系統(tǒng)代碼庫(kù)，車輛發(fā)生報(bào)警時(shí)會(huì)自動(dòng)調(diào)用對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)字典的故障，如圖9所示。

圖9 故障代碼庫(kù)Fig.9 Fault code database

5.2.2 UDS 故障診斷

本系統(tǒng)支持UDS 診斷協(xié)議，可以查詢指定時(shí)間段內(nèi)試驗(yàn)車輛的故障報(bào)警等級(jí)與內(nèi)容、報(bào)警的起止時(shí)間和發(fā)生故障時(shí)車輛的位置信息，如圖10 所示。

圖10 故障診斷與查詢Fig.10 Fault diagnosis and inquiry

5.2.2 ECU 遠(yuǎn)程刷寫與控制

本系統(tǒng)建立了用戶與試驗(yàn)車輛之間的物理通信鏈接，為遠(yuǎn)程ECU 數(shù)據(jù)通信奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)權(quán)限認(rèn)證和安全確認(rèn)，可以遠(yuǎn)程為試驗(yàn)車輛ECU 進(jìn)行刷寫與控制操作，流程如圖11 所示。

圖11 ECU 遠(yuǎn)程刷寫流程Fig.11 Process of ECU remote flashing

6 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的城市客車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)城市工況下對(duì)客車的狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷與數(shù)據(jù)管理。另外，該系統(tǒng)擁有較大的數(shù)據(jù)容量和較強(qiáng)的信息安全性，不僅為城市客車的運(yùn)營(yíng)與監(jiān)管提供了便利，而且能為客車智能駕駛算法的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供一手?jǐn)?shù)據(jù)，具有良好的應(yīng)用前景。