新能源車輛遠程監控系統優化設計

張瑜 車曉波 王勇 于良杰

關鍵詞： 車載信息; 功能集成; 智能交通; 云存儲; 大數據; 模糊關聯

中圖分類號： TN02?34; U469.72 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）03?0096?05

Abstract： The remote management terminal system of new energy vehicle remote monitoring optimization design system adopts the vehicle?mounted information functional integration method to improve the state of networked intelligent transportation system. The innovative cloud storage service method is used in data cloud storage system of cloud information service platform. The multi?source geographic information processing and fusion method is used in map access service system to form the dynamic vehicle information processing and fusion system. The cloud computing synchronization method， big data fuzzy association mining method， cluster technology and parallel computing method are employed in vehicle monitoring planning system to fully release the deep value of vehicle data. According to the national standards for new energy vehicles， the mobile vehicle?mounted terminal is interacted with cloud information service center to study the key technology and mass data of new energy vehicles， and realize the real?time monitoring and intelligent analysis of demonstration operation of new energy vehicles. The test results show this system can provide the effective data support for the construction of new energy vehicles related industry， and lay a foundation for the comprehensive promotion and resource integration of new energy vehicles in the future.

Keywords： vehicle?mounted information; function integration; intelligent transport; cloud storage; big data; fuzzy correlation

0 ?引 ?言

新能源車輛遠程監控系統[1]方便運營中心對車輛運行狀況進行分析，從而安全可靠地開展新能源車輛的示范運行考核，對新能源汽車的順利推廣、安全管理以及深入地優化改進具有重要的指導意義。汽車工業發達的美國、日本、德國等先后推出了遠程監控的產品或服務。2010年美國福特公司研發了一套新能源汽車遠程監控系統[2]，該系統可以對電動電池組的工作狀況進行實時監控和采集，隨后被應用于福特公司生產的Transit Connect和Focus純電動汽車上。國內高校、企業等對電動汽車的遠程監控方法進行了研究，并取得了很大的進展。2004年北京交通大學等單位開發且試運行了公交電動汽車智能管理系統[3];天津大學設計完成了用于電動汽車遠程監控的管理系統并成功試運營;2010年江蘇電力公司設計研發遠程監控系統[4]，實現對電動汽車、充（換）電站的遠程監控;安凱汽車公司開發完成遠程監控系統的終端，將采集的大客車各項參數無線傳輸至遠程數據庫。

目前，我國已經推向市場的新能源車輛遠程監控系統的功能主要停留在信息收發、錯誤提醒和故障報警等方面[5]，對電動汽車動力系統的數據流的深入處理、電池能源系統性能檢測和工作狀態等方面的研究較少，不能為整車控制系統的優化、可靠性和安全性等方面的改進提供有效的技術指導。基于以上分析，為增強對遠程數據的二次處理能力，本文對新能源車輛遠程監控系統研究與設計展開探究，設計并開發一套新能源車輛遠程監控優化系統。該系統實現車輛與智能交通技術的無縫結合，利用計算機、現代移動通信、大數據模糊關聯挖掘、全球衛星定位、智能交通地理信息系統等技術，與云端信息服務中心相互配合，通過在新能源車輛上安裝移動車載終端，將車輛運行參數通過云端信息服務平臺上報給公共平臺，實現數據逐層匯集、逐級匯報、多重安全管理。

1 ?系統總體設計

新能源車輛遠程監控系統由車載終端和云端信息服務平臺構成。服務中心對車輛的車況進行云端大數據分析處理，通過遠程分析實時數據，為車輛改進、交通管理、責任認定等提供創新性方法。新能源車輛遠程監控系統通信服務模型由信息采集層、信息傳輸層、云端信息服務平臺和應用系統組成，如圖1所示。

采集層通過無線通信模塊將來自新能源車載終端的電池狀態、電機控制器狀態、整車狀態等數據[6]及狀態數據的變化信息上傳到數據中心的通信服務系統，同時接收來自監控服務系統的控制命令并采取相應的動作。信息傳輸層通過公共無線通信網絡（如GPRS/CDMA等）和Internet網絡進行車載終端與云端信息服務平臺的數據通信，其是車載終端與數據中心的通信服務系統以及應用服務系統進行數據通信的通道。

2 ?遠程管理車載終端設計

新能源車輛遠程管理終端系統是基于嵌入式設備技術、GPS全球衛星定位技術、GPRS全球移動數據通信技術與智能控制技術于一體的智能車輛遠程管理終端。通過車載信息功能集成，提升新能源車輛智能化水平，完善網絡化的新能源車輛狀態體系。

1） 實時采集數據并本地獨立部署，靈活配置總線協議和采集策略，采集行駛車輛過程中的關鍵數據，為產品改進升級、個性化提供真實可靠的參考數據。

2） 從CAN總線獲取電池管理系統BMS的電池實時數據和電機的實時數據及整車數據等，通過GPRS發送到遠程服務系統，或存儲到本地的存儲設備中，為電池系統的故障分析提供一個可靠的數據途徑。通過將汽車CAN總線技術和無線通信技術結合，進行車輛使用過程中產生的故障記錄、維修記錄、行駛記錄等關鍵數據的存儲和分析，提供車輛異常情況。

3） 車輛定位、軌跡追蹤，實現智能化車輛管理服務。利用智能交通地理信息技術，通過GPS衛星定位技術和無線移動互聯技術結合，提供實時全國地圖定位系統，車輛軌跡追蹤回放服務。

2.1 ?工作模式

車載終端工作環境與3種工作模式如圖2所示，車載終端實時采集電池狀態、電機控制器狀態、整車狀態、行車狀態等信息及狀態信息的變化，定時向遠程的云端信息服務平臺上報實時車輛的運行信息。終端主要完成定時采集數據并實時發送、實時數據的本地存儲、遠程查詢、遠程在線軟件升級、故障提示與報警、校驗上行和下行數據及其運行自檢等功能。

2.2 ?硬件設計

車載終端具備兩個方向的通信接口：一個車載CAN總線接口[7?8]，實時采集來自車輛的數據信息;另一個無線通信網絡接口，發送車載數據到云端服務平臺。硬件框圖如圖3所示。車載終端的通信速率滿足車載監控系統協議要求，網絡層基于TCP協議，應用層數據打包在TCP協議上，使車載終端和通信服務系統可以直接通過互聯網進行數據交換。

如圖3所示，對于車輛終端狀態數據，車載CAN網絡采用高速CAN協議進行通信傳輸，通信速率一般為250 Kb/s或500 Kb/s;GPS Receiver與MCU采用UART連接，采用NMEA0183協議進行輸出;SD card與MCU采用SPI總線連接實現高速讀寫;EVDO模塊與MCU采用標準RS?232?C連接，分別制作PCB;蜂鳴器采用PWM驅動方式，根據故障等級輸出不同頻率的聲音;TFT LCD和Button采用GPIO與MCU連接;其他的模塊，MCU具有相應的專用接口與之連接。

2.3 ?軟件設計

終端應用程序軟件架構如圖4所示，對車載終端軟件逐層抽象，按照抽象設計、接口與實現分離的理念進行建立。為了保證車輛數據的實時性和對資源的充分利用，引入μC/OS?Ⅱ實時內核進行車載終端軟件設計。μC/OS?Ⅱ是一種基于優先級、搶占式多任務調度實時內核系統，提供如信號量、郵箱、消息隊列等多種任務通信與同步機制，且經過少量修改，可使其滿足OSEK/VDX OS標準，使應用程序的設計過程大為簡化。

車載終端軟件設計分為三層：Basic Software Layer，Interface Layer，Application Layer。

Basic Software Layer：提供訪問終端硬件底層的接口，包括μBoot、μC/OS?Ⅱ實時內核、IAP程序、MCU及外圍器件驅動程序。

Interface Layer：為Application Layer實時任務提供運行環境，將Basic Software Layer提供的各種API封裝成統一的API。

Application Layer：是實現終端行為及功能的核心程序，可劃分任務和確定優先級，使其任務間通信和同步代價最小。

3 ?云端信息服務平臺

云端信息服務平臺是新能源車輛遠程監控系統的信息共享中心，由通信服務系統、數據庫服務系統和應用服務系統組成。通信服務系統讀取來自車載終端的數據，是由Internet網絡上具有固定IP的計算機來實現的設計系統[9]，對不同廠商的子應用層協議加以解析，將抽取轉換后的數據入庫，同時在數據庫服務系統中讀取需要發送的數據，根據應用層協議打包發送到車載終端;數據庫服務系統存儲新能源車輛的實時信息和歷史信息;應用服務系統為監控人員提供形象化的監控管理交互界面及數據分析功能。

3.1 ?功能設計

云端信息服務平臺主要提供新能源車輛運行過程中的基礎數據、業務數據存儲、分析、展示及定位、跟蹤監控等業務功能，同時提供二次開發API接口，為其他業務系統提供數據和云服務支持[10]。云端信息服務平臺功能圖如圖5所示。

3.1.1 ?數據云存儲系統

解決如何將電子地圖、動態車輛信息、車輛狀態、監控信息、車輛軌跡、終端、用戶等眾多來源的數據與服務進行統一存儲、集成，為用戶提供高效、綜合服務的問題。為此研發統一數據建模、元數據模型管理及驅動等技術。通過對這些關鍵技術的研究，有效解決數據集成問題，并通過創新的云存儲服務方式提高用戶的服務體驗，為車輛信息服務業務的開展掃清技術障礙。

3.1.2 ?地圖存取服務系統

建立一個完整的集電子地圖和運行車輛信息采集、處理、發布服務功能于一體的系統，與云平臺進行動態車輛信息雙向互動，為云平臺提供電子地圖和動態車輛信息服務，并將云平臺動態信息反饋運算產生更新的地圖和運行車輛信息。

多源地理信息處理融合系統：開發多源地理信息數據的實時處理模塊，根據各數據源的處理結果，進一步開發多源地理信息融合模塊、臨時性缺失信息填補模塊以及交通信息預測模塊，最終形成面向新能源車輛的高質量電子地圖、動態車輛信息處理融合系統。

3.1.3 ?車輛監控規劃系統

為新能源車輛用戶提供位置查詢、軌跡跟蹤、車輛監控、終端控制等服務的開放式、可伸縮、靈活的云服務框架。主要采用以下方法來實現：

云計算同步技術，實現實時數據同步更新。整個云平臺系統采用整體性融合式調優。多層次整合優化保障性能卓越，通過讀寫分離的系統架構和非關系型數據模型，有效實現海量數據的存儲、分析挖掘需求。

大數據模糊關聯挖掘技術，全面釋放新能源車輛數據的深層價值。結合計算機技術、現代移動通信、大數據模糊關聯挖掘、全球衛星定位、智能交通地理信息系統等技術，與云端信息服務中心相互配合，全面釋放新能源車輛數據的深層價值。通過海量數據交換、整合、分析以及數據統計、變量分析和海量數據探索等功能，實現數據逐層匯集、逐級匯報、多重安全管理。

采用集群技術，保障平臺的前瞻性、可用性和易用性。對于數據計算的準確性就要依賴集群系統。通過高可靠的計算機集群系統，在保證高并發能力的前提下，結合無線互聯網技術、通信技術、多線程技術，支持大量并發業務請求、終端和服務端通信的長連接模式和復雜信息交互能力。

采用并行計算技術，保障云計算的高性能、高可用性。將任務進行劃分形成若干子任務，各個子任務均由一個獨立的虛擬處理機來并行計算。這需要研發支持負載均衡的主從請求轉發技術，以解決任務分解問題，結合集群形成云計算強大的并發計算能力。信息處理的完成通過云內部的并行計算集群，信息處理的結果通過服務的形式返回給用戶。

3.2 ?優化設計

云端信息服務平臺軟件宜采用三層結構，包括系統平臺層、支撐服務層、業務應用層。平臺的軟件框圖如圖6所示。橫向不同的服務通過數據庫松耦合，為了方便系統應用功能的擴充，縱向業務應用與相應支撐服務系統相關聯，添加新的服務信息功能不涉及系統結構也不影響已有的業務應用[11?12]。

業務應用層：每層的組件分別完成不同的功能，各層的組件相互連接構成系統。系統的運作一般由上層組件調用同層或下層組件完成。業務應用層邏輯架構如圖7所示。

4 ?結 ?語

本文對新能源車輛遠程監控系統的車載終端和云端信息服務中心的關鍵技術進行研究，設計并開發了一套新能源車輛遠程監控優化設計系統，并予以實現。目前本系統軟件已經運行在由汽車電子技術重點實驗室自主研發的新能源汽車遠程監控系統中，多家運營公司和整車廠家的新能源汽車安裝了監控車載終端，監控管理平臺運行狀況良好，同時為語音、圖像監控系統設計提供借鑒。

參考文獻

[1] 彭劍，葉楓，辛兢澤.汽車遠程監控診斷系統的功能設計和應用研究[J].上海汽車，2011（3）：24?29.

PENG Jian， YE Feng， XIN Jingze. Functional design and application of automobile remote monitoring and diagnosis system [J]. Shanghai automobile， 2011（3）： 24?29.

[2] 沈陽.基于GPRS網絡電動汽車遠程監控系統設計的研究[D].上海：上海交通大學，2013.

SHEN Yang. Research on the design of remote monitoring system for electric vehicles based on GPRS network [D]. Shanghai： Shanghai Jiao Tong University， 2013.

[3] 張新豐，沈勇，宋蜀，等.面對規模示范運營的新能源汽車遠程監控系統設計[J].汽車工程，2012（5）：471?472.

ZHANG Xinfeng， SHEN Yong， SONG Shu， et al. Design of remote monitoring system for new energy vehicles facing large?scale demonstration operation [J]. Automobile engineering， 2012（5）： 471?472.

[4] MASJOSTHUSMANN C， KOHLER U， DECIUS N， et al. A vehicle energy management system for a battery electric vehicle [C]// 2012 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference. Seoul： IEEE， 2012： 339?344.

[5] LANCTOT R C. Telematics development prospect in China [J]. Automobile & parts， 2011（1）： 12?13.

[6] 童永，陳順東.純電動大客車遠程監控終端設計[J].安徽科技，2011（6）：44?46.

TONG Yong， CHEN Shundong. Design of remote monitoring terminal for pure electric bus [J]. Anhui science and technology， 2011（6）： 44?46.

[7] 徐敏銳.充換電站及電動汽車遠程監控系統研究與應用[J].江蘇電機工程，2011（5）：50?52.

XU Minrui. Research and application of remote monitoring system for charging and replacing power stations and electric vehicles [J]. Jiangsu electrical engineering， 2011（5）： 50?52.

[8] CAO Danyang， BAI Donghui. Design and implementation for SQL parser based on ANTLR [C]// 2010 International Confe?rence on Computer Engineering and Technology. Chengdu： IEEE， 2010： V4276?V4279.

[9] LI Chongxin. Transforming relational database into HBase： a case study [C]// Proceedings of 2010 IEEE International Confe?rence on Software Engineering and Service Sciences. Beijing： IEEE， 2010： 683?687.

[10] 黃世祥.新能源汽車遠程監控實時監控系統設計及研究[D].上海：上海交通大學，2014.

HUANG Shixiang. Design and research of remote monitoring and real?time monitoring system for new energy vehicles [D]. Shanghai： Shanghai Jiao Tong University， 2014.

[11] 王文揚，陳正，陳祥威.新能源汽車監控平臺軟件的設計[J].裝備制造技術，2014，12（3）：50?55.

WANG Wenyang， CHEN Zheng， CHEN Xiangwei. Software design of new energy vehicle monitoring platform [J]. Equipment manufacturing technology， 2014， 12（3）： 50?55.

[12] 周麗琛.用于電動汽車電池管理系統的遠程監控系統研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

ZHOU Lichen. Research on remote monitoring system for electric vehicle battery management system [D]. Harbin： Harbin University of Technology， 2013.