智能網聯汽車感知系統電磁兼容分析

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，相應電控系統的電磁兼容問題也在不斷增加。尤其是對于智能網聯汽車，利用5G技術建立車聯網云端，與智能網聯汽車建立智能化的汽車網絡，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品的諸多缺點，在電磁干擾環境下智能網聯汽車的感知系統就會出現判斷失誤的問題，這對于嚴重依賴電控系統工作的智能網聯汽車來說是非常危險的。汽車電磁兼容的穩定性一直是學術界和汽車制造業關注的研究課題，因為它直接關系到汽車的安全運行以及消費者對這類產品的信賴程度[1]。

電磁兼容技術大致經歷了以下三個階段：解決問題、標準化規范以及系統工程。其中，系統工程的方法是在系統設計過程中進行全面性管理，從而提高了系統運行的可靠性，具有較高的工程利用價值。但這些傳統的分析方法都是以電路計算和發射響應模型分析為基礎的，這就需要準確地了解系統中各個元件的詳細數學模型。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的電磁動態特性的，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整體進行理論化分析，所以分析結果不具有實際價值。如何對汽車復雜的電控系統進行有效的理論分析和預測，是分析汽車電磁兼容的關鍵所在[2]。

1 智能網聯汽車問題分析

1.1 物聯網存在問題

從物聯網發展之初到現在，我們見證了物聯網對汽車制造業的顛覆性改變，最值得注意的是智能通信網絡的實現，數據與通信技術已經成為人類生產生活中的重要角色，雖然由于全IP蜂窩系統的存在，人類的互聯網服務已變得無處不在，但是開發先進的信息技術仍然具有極大的挑戰性，對于應用于智能網聯汽車的車聯網具有以下缺點：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/地下停車場，無線通信網絡可能會遭受嚴重的干擾[3]。數據傳遞和路徑規劃以及其它與位置相關的數據信息具有極低的延遲容忍能力，而其它信息娛樂應用程序則具有一定的延遲容忍能力。智能網聯汽車采用存在干擾的通信網絡很難保證汽車具有良好的環境感知使用體驗。智能網聯汽車可以依靠V2V通信、V2I通信或兩者兼而有之。現有的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上，與信息娛樂服務相比，智能網聯汽車狀態更新的延遲、可靠性和可用性要求更為嚴格，而這些數據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，由于動態拓撲結構、時變通信信道以及異構的V2V和V2I通信技術，高移動性車輛網絡的建立是極具挑戰性的[4]。

1.2 智能網聯汽車環境感知系統

環境感知、路徑規劃、精準定位、線控執行是智能網聯汽車的四大核心技術，環境感知系統的作用就是讓汽車擁有自己的眼睛，判斷汽車所處的環境位置并進行合理化處理。環境感知系統主要是對行人、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，現在已經有很多電子控制系統運用了環境感知技術，這些系統主要用于提高汽車的主動安全性，降低出現交通安全事故的風險[1]。

環境感知系統可以借助多種途徑進行環境識別，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境感知設備，首先是毫米波雷達和激光雷達，這兩種設備常用于獲取汽車車前和車后的距離數據，其中激光雷達具有極高的測量精度，但是對于光照環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，而且對數據的處理能力較強，但是容易受到光照影響。

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

2 電磁兼容分析

2.1 協同理論

協同理論是德國學者哈肯創立的一門綜合性交叉學科，它是關于自組織現象出現的條件和規則，在由相似的特征子系統構成的系統中，各子系統之間的相互作用可能導致有序和結構化，系統的熵增會導致無序和混亂，當兩種運動均衡匹配時，系統才能達到平衡，否則就會出現臨界變化。協同理論就是研究包含隨機變量的非線性動力系統的規律，哈肯在協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]。

對于一個由數量龐大的子系統組成的復雜系統，其演化方程中包含的變量數目非常大，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是協同理論的一個重要研究課題。由此開發了一種基本的伺服原理，其核心是近似絕熱原理。根據這兩個臨界階段的協同理論，得出了當系統處于臨界狀態時，兩個子系統的臨界阻尼行為是不存在的。慢參數的數量不多，但它們正驅動著其他快速參數的運動。系統運行的最終狀態由它們決定。近似絕熱原理是指當系統處于臨界階段時系統快速有序地成形，外界對系統的影響可以忽略不計，但在系統內部如果忽略快速衰減參數的變化方程可以大大簡化，然后產生只包含慢參數序參量方程的方程組。這種方法減少了變量的數目，使方程易于求解。

協同理論的序參量原理是指在未進入臨界階段的舊結構下，序參量為0，但在臨界相發生時，序參量不是空值。協同學中的序參量具有三個特征共同點：①宏觀上描述系統整體行為；②微觀上子系統集體運動的協同效應；③控制子系統行為，主導系統演化過程。

2.2 電磁兼容的三個關鍵要素

任何電磁干擾過程都需要三個要素：干擾源、耦合路徑、敏感設備。因此，對于智能網聯汽車感知系統的電磁干擾，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，當發生電磁干擾時，滿足干擾源與耦合路徑的函數乘積大于等于敏感設備函數。但對于汽車復雜的電子系統，各子系統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。

汽車電控系統的復雜性是由可實現功能決定的，同時汽車所處的電磁環境也是非常復雜的，隨著半導體技術的發展越來越多的集成芯片應用于汽車電磁環境中，使得汽車電磁環境變得更加復雜。汽車所處的電磁環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域，通過CAN總線相互聯系；②汽車電子系統作為一個動態系統，具有時間和諧性的特點；③汽車電子系統經常受到不同的干擾，如雷雨天氣的干擾、負荷突變、誤操作等這些可能會導致交通安全事故；④汽車電子系統中會出現大量高集成度的高頻芯片，它將成為一個融合數字和仿真設備的復雜系統。正是由于汽車電子系統具有如此復雜的特性，所以無法用簡單的數學模型來描述和分析其電磁兼容問題[5]。

2.3 基于協同理論的電磁兼容分析

從以上的描述可以明顯地看出，汽車電子系統的電磁兼容問題是對系統發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定問題。以下從麥克斯韋方程組出發，利用協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的連續函數，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的連續函數。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為求解時諧電磁場。設F（r，t）為角頻率為A的時諧電磁場，則函數F可用復形形式表示，并且函數F是一個復向量：

汽車電磁兼容問題實際上是對汽車空間中電磁波能量轉換的研究。根據協同理論，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的電磁兼容性。S是慢參數，u是快速參數。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，是電磁兼容分析中三個關鍵元素的變形。可以將系統演化方程寫成如下形式：

公式（3）為汽車電子系統的序參量演化方程，其中，S為主要序參量，α、β是指定算法下的最佳參數。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穩定，則該總標志區的電磁兼容特性是相容的；反之，如果S改變，該總標志區的電磁兼容特性也隨之改變。因此，如果S已知，我們可以得到相應區域的電磁兼容定量分析，并根據方程（1）和（3）的計算相關電磁學參數。

3 結論

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

與傳統的系統工程電磁兼容分析相比，該方法不僅消除了質量變量的數量，使方程組易于求解，而且能深刻地反映汽車復雜電控子系統協同產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的行為，這些行為促使整個汽車復雜電子系統的狀態趨于有序，從而達到汽車電磁兼容分析與設計的目的。