城市客车远程监控系统的设计与应用

2021-11-03黄文青陈凌珊

农业装备与车辆工程 2021年10期

黄文青，陈凌珊

（201620 上海市上海工程技术大学机械与汽车工程学院）

0 引言

随着汽车行业向“电动化、智能化、网联化、共享化”方向的不断发展，汽车的技术含量在得到大幅提升的同时，对于安全可靠运行的要求也在提高[1]。但在现实环境中，由于车辆受到的干扰越来越多，行驶工况越来越复杂，能否实时有效地监控并获取车辆状态信息就很重要[2]。此外，如果能将这些信息进行有序存储与管理，不仅能为车辆的售后服务与维护工作提供便利，也能为整车与零部件的设计制造、智能化研究提供更多的数据积累[3]。为此，早在2009 年工信部就颁布了关于汽车远程监控的初期法规[4]，后来又制定了GB/T 32960-2016 《电动汽车远程服务与管理系统技术规范》等更细致的标准与要求[5]。在此背景下，本文以城市客车为研究对象，设计了一种远程监控系统用于车辆与外界的通讯和数据管理，以满足相关部门对于新能源车辆的监控和评价维护要求[6]。

1 远程监控系统架构

本文中设计的城市客车远程监控系统采用分布式的系统架构，主要由车载终端、智能云平台和应用集三大部分组成，具体内容如图1 所示。车载终端通过CAN 总线从各控制器获取内部数据和故障信息，同时从各零部件的数据获取客车的实时运行信息（主要是位置信息和行驶车速），再利用GPRS 无线网络将这些数据上传至智能云平台。此外，车载终端也接收从云平台下发的DBC 与指令，从而完成与云平台的通信。智能云平台由数据服务、数据存储集群、数据分析集群和数据接入解析集群构成。其中，数据服务通过分布式Restful 数据接口实现与应用集的信息交互，并提供相应的服务；数据存储集群由Elastic Search 集群、分布式文件系统和数据库集群组成，实现对客车行程数据、故障报警等实时/历史数据文件的存储与快速访问；数据分析集群由实时计算引擎Spark Steaming、离线计算引擎Spark SQL 和分布式消息队列组成，可以支持大数据实时、离线可视化分析，并存储数据接入解析集群中的报文解析结果；数据接入解析集群主要是报文接收器和报文解析器，两部分之间可完成路由转发、负载均衡和自动失败重试等过程。

图1 系统架构Fig.1 System architecture

2 系统功能设计

2.1 功能方案

远程监控系统主要用于城市客车的数据监控和数据管理，故而设计有车辆监控、远程诊断、数据管理与分析、试验管理、基础数据管理、系统管理六大功能模块，如图2 所示。

图2 系统功能方案Fig.2 System function scheme

（1）车辆信息监控。系统实时获取车辆数据以及定位信息，用户可以查询每辆客车在任何时间段内的行驶轨迹与使用情况。当有故障报警时，云平台和用户端能同时发出提醒。

（2）远程刷写与诊断。当客车出现电控相关故障时，用户可以通过系统实时获取J1939 故障代码，并进行远程故障诊断。此外，系统也支持UDS（Unified Diagnostic Services，统一诊断服务）协议，可进行ECU 远程刷写、故障查询、控制、版本查询等相关操作。

（3）数据管理与分析。系统可以将客车的总线信号、GPS 定位、司机的驾驶操作等信息进行采集和存储。对于本地的存储数据，用户可以对其进行查询、导入、下载和分析等操作，数据格式也能兼容Vehicle Spy 3，CANoe 等主流总线诊断工具。除了本地存储外，系统还可以将这些信息无线传输至后台，存储在后台服务器中。

（4）试验管理。系统支持包括试验科目、试验数据、试验进度、试验人员等信息的管理，主要用于解决客车各类试验数据的管理问题，实现数据集中管理、分类索引、快速查找、数据共享和数据安全等功能。

（5）基础数据管理。系统为用户提供了车辆信息、终端信息、ECU 信息、SIM 卡信息、试验场地信息等的管理功能，支持对这些信息的增加、删除、修改、查询等操作。

（6）系统管理。系统为用户提供了操作权限的集中管理功能。操作权限的集中管理包括定义操作者角色、设定系统用户和设置功能权限。这一方面可以保障系统的使用安全性，另一方面也可以对系统各个子模块的操作进行协调，保证其各负其责、相关流程进行顺畅。

2.2 智能信息管理

为了便于对远程监控系统数据进行管理，本文设计了一个智能管理系统。该系统由3D 屏幕显示系统、场地管理系统、试验管理系统、试验预约系统、门禁系统、GPS系统和终端6部分组成，能从监控系统采集的数据中获取车辆与驾驶员信息、场地情况、驾驶员评价数据、测试车辆数据、测试进度数据、远程刷写控制接口、试验预约确认和试验进度数据等信息，从而实现与远程监控系统的通讯和对监控数据的有效管理，具体内容如图3 所示。

图3 信息管理系统功能框架Fig.3 Functional framework of information management system

3 系统安全性能设计

本系统比较注重数据传输与处理过程中的信息安全，其对于安全性能的设计主要表现在终端接入安全、平台安全和数据访问安全3 个方面，如图4 所示。

图4 系统安全设计Fig.4 Design of system security performance

（1）终端接入安全。终端通过4G 网络与平台进行通信，报文可采用RSA加密方式进行传输，数据传输安全性得到了保证。所有终端在连接平台时会进行鉴权操作，此时会对终端信息进行校验，只允许在库的终端进行接入。

（2）平台安全。平台在外网接入端设置有防火墙，数据传输整个链路过程中的所有组件全部开启了Kerberos 安全认证。

（3）数据管理与分析。数据在Hadoop 集群及各类大数据组件(如Zookeeper/Kafka/Hbase/Hive/HDFS 等)中全部开启了Sentry 授权服务和LDAP 目录访问权限，所有操作均进行日志审计，保证了数据的安全性。

4 系统硬件实现

本系统的硬件主要由T-BOX，V-BOX，S-BOX 三者组成，其中T-BOX 与V-BOX 之间通过Ethernet相连接，T-BOX 与S-BOX 通过CAN 总线项连接，其硬件框架如图5 所示。

图5 系统硬件框架Fig.5 System hardware framework

T-BOX 采用4G 通信方式，通过EC20 通信模块实现数据的实时传输；有10 路CAN 总线接口，2 路GPIO 通用接口，CPU 内置六轴向加速度传感器。MCU 选用SPC5768，支持外接开关量、模拟量数据采集设备。CPU 支持SD 存储卡存储。通过Ethernet 连接V-BOX 进行视频数据采集与上传；支持远程固件升级。支持原始CAN 报文及解析后的参数两种存储方式。具有远程故障诊断功能，支持SAE J1939，UDS，OBD 等诊断协议。

V-Box 的MCU 选用Hi3520D，支持8 路视频存储，1 路音频存储。存储方面，支持内部固态SSD 存储与SD 存储卡存储。支持网络触发视频文件上传与本地触发视频上传功能，能实时查看摄像头视频数据。通过Ethernet 连接T-BOX，支持实时配置终端参数；支持远程固件升级。

S-Box 的MCU 选用S32K144，支持8 路24位高精度数据采集，误差控制在±0.2 V。支持CAN 总线将数据上传至T-BOX，也可通过CAN总线进行模块功能配置。