基于车联网技术车辆火情监控预警系统设计

李松原

（东风柳州汽车有限公司，广西 柳州 545006）

1 引言

随着中国汽车保有量的增加，火烧车数量也逐年增加。引起车辆火烧原因除外部因素外，内部因素主要可分为电路引燃及油路引燃［1］：电路引燃指车辆电器短路引起火烧，以及相关用电器内部故障引发明火；油路引燃指车辆供油系统存在燃油泄漏，遇高温引起明火。

车辆火烧事前车辆无明显征兆及故障提示，事发过程极快，短时间内车辆可烧为灰烬，事发后可供排查信息少，加之掺杂环境、气候、车况、驾驶习惯、治安条件等众多因素干扰，原因查找极为困难，经济损失巨大［2］；汽车生产企业无法及时监控车辆火烧情况，只能被动等待客户反馈，无法及时提供客户关怀服务，同时错失最佳调查排查及现场取证时期。配备车辆火情监控预警系统可以有效降低车主及车辆生产企业经济、财产损失。

现有车辆火情监控装置［3-9］，主要存在以下不足。

1）现有技术主要通过温度、烟雾传感器探测特定信息源［3］，但无法定位车辆火烧的起火点及车辆故障原因，对后期车辆火烧原因排查无显著帮助。

2）仅能实现车辆单体预警，未能实现联网将火情及时传递给车主、车辆生产企业。

3）仅监测单一信息指标，无法同时监控电路引燃、油路引燃引发的火情，预警覆盖面较窄［6-9］。

4）传感器分布、数量有限，整车监测范围小，预警效果受限。

5）需在车辆上安装、布置额外传感器及控制终端，可实施性较差，量产可行性较低，需增加额外成本。

本文提出一种车辆火情监控预警系统，在无需新增专用传感执行器及控制终端的前提下，以车联网主机作为数据处理、控制终端，通过读取车辆已搭载系统中各类温度传感器数据建立温度场，空调系统传感器监测车辆空气质量，电喷系统监控车辆燃油变化量，并比对各系统发出的故障码，通过算法及标定数据实现火情监控、识别及预警，协助乘客开展自救，并实时将火情信息上传后台服务器，通过手机终端将火情告知车主，并由汽车生产企业开展火情处置。

2 系统功能设计

车辆火情监控预警系统主要功能为监控车辆行驶状态，当车辆出现火情时及时协助乘客开展自救，同时搜集车辆火情信息，通过车联网车载无线终端将相关信息上传至后台服务器，便于汽车生产企业取证，开展客户关怀、售后处理、火情处置，减少车主、汽车生产企业经济、财产损失。具体可实现功能如下。

1）可实现燃油车辆、电动车辆火情监控：除对燃油车辆油路引燃、电路引燃火情进行识别监控外，实现对电动车辆高压系统引燃火情进行监控。

2）对车辆火情信息进行记录：车辆起火源、失效系统、故障码、乘客情况、车辆起火时整车工况、外部环境等火情信息进行全面记录。

3）火情预警：通过声、光、图像信息等方式对乘客进行火情预警。

4）协助乘客开展自救：对车辆行驶状态进行控制，便于乘客快速逃生。

5）火情信息上传：通过车联网无线终端将车辆火情信息上传至后台服务器，汽车生产企业依据所获信息开展售后处置工作。

3 总体架构设计

系统由传感层、决策应用层、云端执行层组成，总体架构如图1所示。

图1 系统架构

1）传感层由整车中各类传感器、执行器组成，包含温度类传感器，油位传感器、空气质量类传感器、蓄电池传感器、轮速传感器、安全带开关等，可感知整车特定位置温度、油压、空气质量、电流、车速、乘客数量等参数信息。传感、执行器与所属系统控制器间通过CAN总线、LIN总线及硬线通信。

2）决策应用层由车联网主机与各类系统控制器组成，包括车身控制器 （BCM）、自动空调控制器、车身电子稳定系统 （ESP）、气囊ECU、无钥匙进入与一键启动 （PEPS）控制器、车机，电动车辆还包含电池包控制器 （BMS）、电机控制器 （MCU）、整车控制器 （VCM）、车载充电机（OBCM）等控制器，各控制器与车联网主机通过CAN总线、USB总线通信。当各子系统中传感器检测到数值异常，执行器出现故障时，控制器将记录相关异常数值及故障码，并将信息传递至车联网主机。车联网主机在接收到相关信息后进行判断决策，确认车辆出现火情后发送指令至相关控制器执行协助自救策略，同时上传相关信息至云端执行层。

3）云端执行层由车联网后台服务器、手机终端及汽车生产企业售后服务站组成。后台服务器与车辆间通过4G网络进行通信，在收到的火情信息后由汽车生产企业组织人工复核，确认火情属实后根据车辆定位信息通知当地售后服务站开展火情处置、客户关怀，同时向车主手机终端推送相关火情信息。

4 系统硬件构成

根据系统功能设计，车辆火情监控预警系统由火情监控模块、火情信息记录模块、火情预警模块及协助自救模块组成，其中，火情监控模块可细分为温度场监控模块、空气质量监控模块、油路监控模块及系统故障码监控模块。

4.1 火情监控模块

4.1.1 温度场监控模块

温度场监控模块硬件组成如图2所示。温度传感器主要依托于车辆自动空调系统外部温度传感器、内部温度传感器，燃油车辆电喷系统中各类温度传感器，电动车辆中高压系统部件相关温度传感器。各温度传感器工作范围、极限工况上限值如表1所示，各温度传感器与所属控制器间通过硬线或LIN总线通信。当传感器监测到温度偏离工作温度值时，控制器记录相关温度传感器温度过高故障码，并将数值传递至车联网主机用于温度场构建及火情判定。

4.1.2 空气质量监控模块

空气质量监控模块由车联网主机、自动空调系统构成，空调系统中空调控制器、AQS传感器、PM2.5传感器参与模块构建。

AQS传感器布置于前围流水槽HVAC进风口处，用于监测NOx、COx、CxHy、SOx等各类氮氧化物、碳氧化物、碳氢化物及硫氧化物。PM2.5传感器布置于HVAC进风口内，用于空气中悬浮颗粒物监测，采用激光散射法［10］计算颗粒数量及直径，可监测0.1μm以上颗粒物，检测浓度为大于0.1mg／m3。当车辆机舱内存在明火时，AQS传感器、PM2.5传感器监测到数值偏差，当数值偏差过大时，空调控制器记录相关数值，并通过CAN总线将相关数值传递至车联网主机，作为车联网主机火情判定依据之一。

图2 温度场监控模块架构

表1 参数设计任务

4.1.3 油路监控模块

油路监控模块硬件组成如图3所示。传感层由油位传感器、氧传感器及油轨压力传感器构成，决策应用层由车联网主机、组合仪表及发动机ECU构成。油位传感器位于油箱中，输出模拟信号向组合仪表传递油箱燃油余量。氧传感器作为闭环燃油控制的重要传感部件，可监测由于油路故障导致的排放异常，反馈发动机ECU；油路故障时，油轨压力传感器可监测油压异常，相关故障码及数据由发动机ECU记录并通过CAN总线传递至车联网主机。车联网主机除记录相关故障码及数据外，还对油箱燃油减少量与油轨喷射量进行比对，作为油路是否存在故障的参考之一。

4.1.4 系统故障码监控模块

系统故障码监控模块由车联网主机及所有CAN总线上节点系统组成。各系统出现传感器、执行器开路、短路故障，疑似存在火情灾害，系统控制器将故障码进行记录并传递至车联网主机；系统控制器CAN节点丢失，疑似存在火情灾害的，车联网主机将记录丢失节点，作为火情判定决策依据之一。

图3 油路场监控模块架构

4.2 火情信息记录模块

火情信息记录模块如图4所示。当判定车辆存在火情时，车联网主机通过USB总线从车机提取行车记录仪实时记录画面；通过气囊ECU采集车上乘客数量；通过ESP采集车辆实时车速；火情监控模块中各类传感器、控制器数据将在车联网主机内进行记录存储。同时，车联网主机通过GPS获得当前车辆位置及实时时间，通过服务提供商 （TSP）获取车辆所在地当地气温、天气、事发周边路况等相关信息，通过车联网登入账号确认车辆驾驶员信息。车联网主机内置车辆底盘号等生产信息，上述信息经车联网主机按策略整理汇总，构成车联网主机上传后台服务器的车辆火情信息。

图4 火情信息记录模块架构

4.3 火情预警模块

车联网主机在判断火情并完成火情信息收集后，对车辆火情进行预警，模块架构如图5所示：车联网主机下发车控指令，通过BCM控制氛围灯点亮并转换颜色，颜色码为#FF0000；组合仪表驱动蜂鸣器规律鸣叫；车机驱动扬声器发出预警音，中控显示屏及组合仪表显示车辆火情预警信息。同时，将车辆火情信息推送至后台服务器，并通过后台服务器发送至手机终端，对车主进行火情告知。

图5 火情预警模块架构

4.4 协助自救模块

协助自救模块硬件组成如图6所示。车联网主机下发车控指令，BCM解除中控自动落锁，危险警告灯开启，并打开全景天窗；玻璃升降控制器将整车车窗降至行程最低点；ESP根据当前车速对车辆进行控制，降低车辆车速。发动机ECU控制主动进气格栅叶片处于关闭状态，减少空气进入量，降低燃烧速度；调整发动机控制策略，降低发动机输出功率，车辆进入跛行模式。对于电动车辆，VCM控制BMS、MCU降低电池包、驱动电机输出功率，车辆进入跛行模式。通过控制车辆状态协助乘客自救，为乘客逃生争取时间。

图6 协助自救模块架构

5 系统控制原理

火情监控预警系统控制原理流程如图7所示。车辆在运行过程中，各控制器、传感执行器按设定策略运行，监测各系统温度、电压、电流、油量、空气质量等参数；当传感器监测到参数指标异常，或控制器监测到系统内传感器、执行器工作异常时，控制器记录相关故障码，并对故障码是否为火情监控系统监测指标进行评定，对于与车辆火情无关的故障码存入各控制器的寄存器中，在组合仪表上显示维修提示，待下一轮车辆进入服务站保养时检测处理。

图7 系统控制策略

当故障码被认定为与火情相关时，控制器将故障码报文通过CAN总线发送至车联网主机。车联网主机在收到相关故障码报文后，结合各类温度传感器建立的温度场矩阵，蓄电池传感器记录的电压、电流数据流，空气质量传感器数据流及油路监控数据进行比对，确认故障反馈位置是否有温度异常偏高，电压、电流是否有异常突变，空气中悬浮颗粒物指标是否异常偏高等。当温度场变化、电流电压突变、空气质量劣化情况、故障码发生部位与设定策略及标定数据相吻合时，可判定为车辆火情。

当判定为存在火情时，车联网主机首先通过火情信息记录模块记录火情信息，并通过车载无线终端将其上传至后台服务器；其次，车联网主机运行火情预警模块，通过相关控制器对车辆乘客进行声光预警，并通过降低车速、开启逃生通道等形式协助乘客自救；后台服务器在收到火情信息推送后，汽车生产企业对信息进行核实，对于属实火情及时开展售后处置。

6 结论

本文提出了一种基于车联网技术的车辆火情监控预警系统，在分析系统功能需求后，对系统硬件架构及运行策略进行了研究。所构建的火情监控预警系统可基于整车已搭载系统为硬件基础，对燃油车辆、电动车辆因电路引燃、油路引燃等多种火烧因素进行同时监控、预警；其次，传感器、执行器分布整车各个角落，监控要素较多，火情数据流完整，可立体地再现火情发生时车辆状况，快速、准确还原车辆故障点；基于车联网技术，可实现车辆远程监控预警，汽车生产企业及时掌握火情信息，利于火情调查取证、判定；最后，系统模块可根据车辆功能配置进行灵活搭建，无需新增额外实物成本，跨车型实施可行性高。