面向規模示范運營的新能源汽車遠程監控系統設計*

張新豐，沈 勇，宋 謌，徐東升

(同濟大學汽車學院，上海 201804)

前言

新能源汽車遠程監控系統對新能源汽車的研發、改進、測試、示范運營和產業化具有重要意義，比如可以取零部件運行參數，分析汽車性能;對零部件和動力總成可靠性耐久性進行分析;通過道路測試，評估車輛設計的合理性，改進新能源汽車設計;通過遠程故障數據及時發現車輛故障、減少安全隱患;還可為公眾展示新能源汽車現有研究成果，跟蹤示范運營效果，推廣新能源汽車應用。我國要求新能源汽車生產企業對不同發展時期全部或部分(20%)的新能源汽車進行監控［1］。

文獻［2］中開發了基于GPRS的新能源汽車遠程監控系統;文獻［3］中開發了基于GPRS和Internet的無線遠程監控系統，為電動汽車的示范運營提供了有效的管理手段;還有德國ETAS公司開發的汽車遠程監控記錄儀［4］。

隨著國家對新能源汽車支持力度的加大，新能源汽車數目急劇增多，累計運行時間越來越長，使系統記錄的數據量越來越多;同時由于各種不同型號、配置的新能源汽車的不斷開發，遠程監控系統的功能須不斷增加、修改和調整，現有的物流監控系統、公交車監控調度系統、出租車調度系統［5－6］等，雖然支持較大規模的車輛運營，但無法滿足大量實時運行狀態數據記錄的功能，因此無法跟蹤示范運營效果和對新能源汽車的零部件性能做出評估。

針對規模示范運營所面臨的大量實時運營參數的監控要求、車輛管理和示范運營展示的問題，本文中提出一種基于MVC(model-view-controller)模式的遠程監控系統設計方法，使該監控系統不但解決了上述問題，而且在功能上具有良好的擴展性和獨立性，監控系統整體具有較好的維護性和穩定性。

1 遠程監控系統總體構架

遠程監控系統包括車載遠程通信控制單元(tele communication unit，TCU)和監控中心兩部分，TCU包括兩個方向的通信接口:一個連接車載總線，對車輛的數據進行實時采集;另一個連接無線通信網絡，將車載數據發送到監控中心。新能源汽車遠程監控系統框架結構如圖1所示。

由圖可見，車載端的無線數據接入采用通用分組無線業務系統(general packet radio system，GPRS)，GPRS是第2.5代(2.5G)無線通信技術，理論上具有171.2kb/s的上行速率和20kb/s的下行速率，并且覆蓋面積廣，在城市及大部分郊區都可實現數據傳送，資費比較低廉，因此適合于車載不間斷聯網數據傳送［7－8］。網絡層協議基于TCP協議，應用層數據打包在TCP協議上，使通信服務器和TCU可以直接通過互聯網進行數據交換［9］。

監控中心采用分布式體系結構，由獨立的通信服務器、數據庫服務器和應用服務器組成，它們之間采用局域網連接。通信服務器接收來自TCU的數據，并根據應用層協議加以解析并放入數據庫服務器，同時從數據庫服務器讀取需要發送的數據，根據應用層協議打包發送到TCU;數據庫服務器保存新能源汽車的當前的實時數據和歷史數據;應用服務器則根據不同的監控功能，為監控人員提供圖形化的監控管理的交互界面。應用服務器是其中功能結構最復雜、維護成本最高的部分。由于運營的新能源車輛增多，各種不同型號和配置的新能源汽車的不斷開發，遠程監控系統的監控功能須不斷增加、修改和調整，應用服務器功能需要不斷更新和升級。

目前在應用服務器模式方面，有客戶端/服務器(client/server，C/S)模式和基于Web的瀏覽器/服務器(browser/server，B/S)模式兩種。選擇應用服務器的模式時須考慮以下問題。

(1)用戶環境 由于新能源汽車遠程監控系統的用戶包括運營管理人員、設計維護人員、資助單位和全國各地的汽車廠商，并隨著參與運營車輛的增多，使參與新能源車輛管理、運營、使用和維護的人員也不斷增多，用戶分布很廣，要求便于使用。

(2)系統與維護 B/S模式是一個更為開放的系統，具有較多的外部資源支持。

(3)系統升級和維護 對C/S模式來說，一旦系統升級，客戶必須改變相應的客戶端軟件。

(4)系統性能 C/S模式在性能上有優勢，比如實時性和反應靈敏性等。

(5)維護費用 開發一個C/S模式的應用服務器，須有更多的工程師來開發和維護，成本較高。

文獻［10］中指出，基于Web的瀏覽器/服務器結構在遠程監控方面具有更好的前景，經過綜合考慮選擇B/S模式作為應用服務器的服務模式。

2 基于MVC的監控服務系統設計

監控服務系統程序分布在通信、數據和應用服務器上，分別實現監控數據的接收與轉發、存儲管理和監控服務。

2.1 基于MVC模式的系統程序構架

MVC是一個設計模式，它使應用程序的輸入、處理和輸出強制性分開，使用MVC應用程序被分成3個核心部件:模型、視圖和控制器［11－12］。基于MVC模式的監控系統應用程序構架如圖2所示。

車輛信息模型用于封裝與被監控車輛相關的數據，包括車輛管理、登記、使用和運行時的各種數據。由于車輛類型不同，比如純電動汽車沒有燃料電池和氫燃料管理系統的相關參數，而混合動力又具有內燃機的許多參數等，模型的使用應便于車輛監控數據的獨立管理;視圖用于表達模型中的數據和接收用戶交互，監控系統的應用程序面向新能源汽車的車主和設計、開發、質量管理、售后維修等人員;控制器用于響應用戶的請求，并決定調用哪個模型來進行處理，被調用的模型用業務邏輯來處理用戶的請求并返回數據，最后控制器以相應視圖的現實模型返回的數據，呈現給用戶。

2.2 車輛信息模型

利用關系模型可將車輛信息模型體系描述為

式中:E為與車輛相關的實體集的集合，稱為實體總集，R為實體集之間的關系集。

式中:ei為實體集，eik為實體集ei中的第k個實體，mi為實體個數。Rij為實體集ei和ej之間的關系:

基于關系模型的車輛信息模型體系見圖3。

圖3表明了與所有車輛相關的信息和信息組織方式:實體總集E包括用戶集、角色實體集、車主實體集、制造商集、車輛集、車型集、參數定義集、位置數據集、參數數據集、故障數據集、故障碼集和調度指令集12個實體集。實體集及其所代表的含義如表1所定義。

利用關系數據庫設計方法將車輛的信息模型轉化為基于關系表的關系數據庫，可實現車輛信息的模型化。

表1 實體集定義表

2.3 交互式視圖

視圖是功能的直接載體，使監控系統能提供各種不同的設計功能。利用視圖來表達模型中的數據，并接收用戶交互，實現監控系統的功能。從各個用戶的功能需求出發，得到如表2所述的視圖集。

表2 視圖集定義

其中虛擬儀表視圖用于實時顯示車輛運行時的各種數據;車輛定位視圖以數字地圖為背景，實時顯示被監控車輛的當前位置;故障查詢視圖用于查詢車輛的故障及故障處理方法;歷史數據查詢視圖分別以圖形方式和表格方式顯示車輛歷史數據;車輛管理、車型管理、用戶管理、參數管理和故障碼管理等視圖則以后臺管理方式，維護監控系統運行所需的配置和參數。視圖采用功能分區方法，使之具有一致性的外觀和功能類型，其外觀和功能分區見圖4。

視圖中有標題、導航條及菜單、主信息區、操作區和文本信息區。其中主信息區以圖形化或表格化方式顯示主要信息內容;操作區包含車輛檢索、瀏覽、功能選擇等操作;文本信息用于對主信息區進行補充說明。

3 監控系統實現及應用

采用GPS/BD雙系統導航模塊實現車輛的組合定位，利用GPRS無線數據傳輸模塊實現數據傳輸，并使用單片機設計了TCU，其原理框圖和控制器實物如圖5所示。

監控系統的數據庫服務器和通信服務器均采用惠普BL460C刀片服務器，Web服務器采用惠普BL280C刀片服務器，內部采用千兆以太網相連，并通過負載均衡器進行負載分配。

監控系統的應用程序采用B/S模式，利用Tom-Cat作為Web服務器，在J2EE開發平臺上使用Java語言開發了基于Servlet的視圖，如圖6所示。

累計有4種不同角色、10多個用戶被分配給不同的用戶，用于系統的訪問使用和運營維護。該系統于2010年5月投入運行，對來自6個國內汽車生產商的累計9個不同車型新能源汽車進行了監控。每個車型的車輛數和所監控的參數數如圖7所示。

上海世博會期間，該監控系統主要用于新能源汽車養護基地實時監控和示范運營展覽，利用該系統建立起來的示范運營保障和監控點分布見圖8。

圖中1～5分別為嘉定養護基地、西營路養護基地、濟陽路養護基地、世博園展覽點和同濟大學新能源工程中心監控點，各監控點均可通過網絡實時監控車輛運行狀態，為車輛的運營管理、快速故障發現和維修保養發揮了重要作用。

該系統還為示范運營的新能源汽車記錄了大量運營數據。截至世博會新能源汽車運營結束，平均每輛車每天新增5 000多條參數記錄，其平均每天運營時間按車型統計的結果如圖9所示。

在世博會5個月的示范運行期間，該系統能夠不間斷地提供監控，保障示范運營順利進行，累計記錄數據達45GB，這些數據可用于后續對新能源汽車的關鍵零部件性能的評估和分析。

4 結論

提出了一種面向規模示范運營的新能源汽車遠程監控系統設計方法，解決了大量汽車實時運營參數監控、車輛管理和示范運營展示的問題。基于MVC設計模式所設計的監控系統，使模型與視圖相對獨立，因此功能的擴展比較容易，可在視圖體系中擴展或裁剪視圖，在模型中增加或減少相關數據。因此提高了監控系統的靈活性和可配置性。實際使用證明，該設計方法是完全可行的。

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