面向规模示范运营的新能源汽车远程监控系统设计*

张新丰，沈 勇，宋 謌，徐东升

(同济大学汽车学院，上海 201804)

前言

新能源汽车远程监控系统对新能源汽车的研发、改进、测试、示范运营和产业化具有重要意义，比如可以取零部件运行参数，分析汽车性能;对零部件和动力总成可靠性耐久性进行分析;通过道路测试，评估车辆设计的合理性，改进新能源汽车设计;通过远程故障数据及时发现车辆故障、减少安全隐患;还可为公众展示新能源汽车现有研究成果，跟踪示范运营效果，推广新能源汽车应用。我国要求新能源汽车生产企业对不同发展时期全部或部分(20%)的新能源汽车进行监控［1］。

文献［2］中开发了基于GPRS的新能源汽车远程监控系统;文献［3］中开发了基于GPRS和Internet的无线远程监控系统，为电动汽车的示范运营提供了有效的管理手段;还有德国ETAS公司开发的汽车远程监控记录仪［4］。

随着国家对新能源汽车支持力度的加大，新能源汽车数目急剧增多，累计运行时间越来越长，使系统记录的数据量越来越多;同时由于各种不同型号、配置的新能源汽车的不断开发，远程监控系统的功能须不断增加、修改和调整，现有的物流监控系统、公交车监控调度系统、出租车调度系统［5－6］等，虽然支持较大规模的车辆运营，但无法满足大量实时运行状态数据记录的功能，因此无法跟踪示范运营效果和对新能源汽车的零部件性能做出评估。

针对规模示范运营所面临的大量实时运营参数的监控要求、车辆管理和示范运营展示的问题，本文中提出一种基于MVC(model-view-controller)模式的远程监控系统设计方法，使该监控系统不但解决了上述问题，而且在功能上具有良好的扩展性和独立性，监控系统整体具有较好的维护性和稳定性。

1 远程监控系统总体构架

远程监控系统包括车载远程通信控制单元(tele communication unit，TCU)和监控中心两部分，TCU包括两个方向的通信接口:一个连接车载总线，对车辆的数据进行实时采集;另一个连接无线通信网络，将车载数据发送到监控中心。新能源汽车远程监控系统框架结构如图1所示。

由图可见，车载端的无线数据接入采用通用分组无线业务系统(general packet radio system，GPRS)，GPRS是第2.5代(2.5G)无线通信技术，理论上具有171.2kb/s的上行速率和20kb/s的下行速率，并且覆盖面积广，在城市及大部分郊区都可实现数据传送，资费比较低廉，因此适合于车载不间断联网数据传送［7－8］。网络层协议基于TCP协议，应用层数据打包在TCP协议上，使通信服务器和TCU可以直接通过互联网进行数据交换［9］。

监控中心采用分布式体系结构，由独立的通信服务器、数据库服务器和应用服务器组成，它们之间采用局域网连接。通信服务器接收来自TCU的数据，并根据应用层协议加以解析并放入数据库服务器，同时从数据库服务器读取需要发送的数据，根据应用层协议打包发送到TCU;数据库服务器保存新能源汽车的当前的实时数据和历史数据;应用服务器则根据不同的监控功能，为监控人员提供图形化的监控管理的交互界面。应用服务器是其中功能结构最复杂、维护成本最高的部分。由于运营的新能源车辆增多，各种不同型号和配置的新能源汽车的不断开发，远程监控系统的监控功能须不断增加、修改和调整，应用服务器功能需要不断更新和升级。

目前在应用服务器模式方面，有客户端/服务器(client/server，C/S)模式和基于Web的浏览器/服务器(browser/server，B/S)模式两种。选择应用服务器的模式时须考虑以下问题。

(1)用户环境 由于新能源汽车远程监控系统的用户包括运营管理人员、设计维护人员、资助单位和全国各地的汽车厂商，并随着参与运营车辆的增多，使参与新能源车辆管理、运营、使用和维护的人员也不断增多，用户分布很广，要求便于使用。

(2)系统与维护 B/S模式是一个更为开放的系统，具有较多的外部资源支持。

(3)系统升级和维护 对C/S模式来说，一旦系统升级，客户必须改变相应的客户端软件。

(4)系统性能 C/S模式在性能上有优势，比如实时性和反应灵敏性等。

(5)维护费用 开发一个C/S模式的应用服务器，须有更多的工程师来开发和维护，成本较高。

文献［10］中指出，基于Web的浏览器/服务器结构在远程监控方面具有更好的前景，经过综合考虑选择B/S模式作为应用服务器的服务模式。

2 基于MVC的监控服务系统设计

监控服务系统程序分布在通信、数据和应用服务器上，分别实现监控数据的接收与转发、存储管理和监控服务。

2.1 基于MVC模式的系统程序构架

MVC是一个设计模式，它使应用程序的输入、处理和输出强制性分开，使用MVC应用程序被分成3个核心部件:模型、视图和控制器［11－12］。基于MVC模式的监控系统应用程序构架如图2所示。

车辆信息模型用于封装与被监控车辆相关的数据，包括车辆管理、登记、使用和运行时的各种数据。由于车辆类型不同，比如纯电动汽车没有燃料电池和氢燃料管理系统的相关参数，而混合动力又具有内燃机的许多参数等，模型的使用应便于车辆监控数据的独立管理;视图用于表达模型中的数据和接收用户交互，监控系统的应用程序面向新能源汽车的车主和设计、开发、质量管理、售后维修等人员;控制器用于响应用户的请求，并决定调用哪个模型来进行处理，被调用的模型用业务逻辑来处理用户的请求并返回数据，最后控制器以相应视图的现实模型返回的数据，呈现给用户。

2.2 车辆信息模型

利用关系模型可将车辆信息模型体系描述为

式中:E为与车辆相关的实体集的集合，称为实体总集，R为实体集之间的关系集。

式中:ei为实体集，eik为实体集ei中的第k个实体，mi为实体个数。Rij为实体集ei和ej之间的关系:

基于关系模型的车辆信息模型体系见图3。

图3表明了与所有车辆相关的信息和信息组织方式:实体总集E包括用户集、角色实体集、车主实体集、制造商集、车辆集、车型集、参数定义集、位置数据集、参数数据集、故障数据集、故障码集和调度指令集12个实体集。实体集及其所代表的含义如表1所定义。

利用关系数据库设计方法将车辆的信息模型转化为基于关系表的关系数据库，可实现车辆信息的模型化。

表1 实体集定义表

2.3 交互式视图

视图是功能的直接载体，使监控系统能提供各种不同的设计功能。利用视图来表达模型中的数据，并接收用户交互，实现监控系统的功能。从各个用户的功能需求出发，得到如表2所述的视图集。

表2 视图集定义

其中虚拟仪表视图用于实时显示车辆运行时的各种数据;车辆定位视图以数字地图为背景，实时显示被监控车辆的当前位置;故障查询视图用于查询车辆的故障及故障处理方法;历史数据查询视图分别以图形方式和表格方式显示车辆历史数据;车辆管理、车型管理、用户管理、参数管理和故障码管理等视图则以后台管理方式，维护监控系统运行所需的配置和参数。视图采用功能分区方法，使之具有一致性的外观和功能类型，其外观和功能分区见图4。

视图中有标题、导航条及菜单、主信息区、操作区和文本信息区。其中主信息区以图形化或表格化方式显示主要信息内容;操作区包含车辆检索、浏览、功能选择等操作;文本信息用于对主信息区进行补充说明。

3 监控系统实现及应用

采用GPS/BD双系统导航模块实现车辆的组合定位，利用GPRS无线数据传输模块实现数据传输，并使用单片机设计了TCU，其原理框图和控制器实物如图5所示。

监控系统的数据库服务器和通信服务器均采用惠普BL460C刀片服务器，Web服务器采用惠普BL280C刀片服务器，内部采用千兆以太网相连，并通过负载均衡器进行负载分配。

监控系统的应用程序采用B/S模式，利用Tom-Cat作为Web服务器，在J2EE开发平台上使用Java语言开发了基于Servlet的视图，如图6所示。

累计有4种不同角色、10多个用户被分配给不同的用户，用于系统的访问使用和运营维护。该系统于2010年5月投入运行，对来自6个国内汽车生产商的累计9个不同车型新能源汽车进行了监控。每个车型的车辆数和所监控的参数数如图7所示。

上海世博会期间，该监控系统主要用于新能源汽车养护基地实时监控和示范运营展览，利用该系统建立起来的示范运营保障和监控点分布见图8。

图中1～5分别为嘉定养护基地、西营路养护基地、济阳路养护基地、世博园展览点和同济大学新能源工程中心监控点，各监控点均可通过网络实时监控车辆运行状态，为车辆的运营管理、快速故障发现和维修保养发挥了重要作用。

该系统还为示范运营的新能源汽车记录了大量运营数据。截至世博会新能源汽车运营结束，平均每辆车每天新增5 000多条参数记录，其平均每天运营时间按车型统计的结果如图9所示。

在世博会5个月的示范运行期间，该系统能够不间断地提供监控，保障示范运营顺利进行，累计记录数据达45GB，这些数据可用于后续对新能源汽车的关键零部件性能的评估和分析。

4 结论

提出了一种面向规模示范运营的新能源汽车远程监控系统设计方法，解决了大量汽车实时运营参数监控、车辆管理和示范运营展示的问题。基于MVC设计模式所设计的监控系统，使模型与视图相对独立，因此功能的扩展比较容易，可在视图体系中扩展或裁剪视图，在模型中增加或减少相关数据。因此提高了监控系统的灵活性和可配置性。实际使用证明，该设计方法是完全可行的。

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