基于物聯(lián)網(wǎng)及車聯(lián)網(wǎng)的汽車養(yǎng)護(hù)預(yù)警監(jiān)測(cè)

劉勇良

摘 要：伴隨著科技的進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)正在迅速崛起并成為現(xiàn)代生活中必不可少的基礎(chǔ)支撐?！败嚶?lián)網(wǎng)”是一種術(shù)語，通常與汽車和其他乘用車相關(guān)聯(lián)，能夠與后端應(yīng)用程序進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)連接和各種數(shù)據(jù)共享。同時(shí)，“車聯(lián)網(wǎng)”所連接的汽車也可以相互通信，并且可以在某些情況下（如可能的事故等）向?qū)Ψ桨l(fā)送警報(bào)。由此，本文討論了“車聯(lián)網(wǎng)”的概念及其如何用于執(zhí)行“預(yù)測(cè)性汽車維護(hù)”，并對(duì)如何使用某些技術(shù)來實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性車輛維護(hù)進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);車聯(lián)網(wǎng);維護(hù)預(yù)警;智慧城市

中圖分類號(hào)：F426.471 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）05-0135-04

Abstract： With the progress of science and technology， the Internet of Things is rapidly rising and becoming an indispensable basic support in modern life. "Vehicle Networking" is a term that is usually associated with cars and other passenger cars， and can be used to connect to the Internet and share various data with back-end applications. At the same time， the cars connected by the "Vehicle Network" can also communicate with each other， and in some cases （such as possible accidents， etc.） can send alarms to each other. Therefore， this paper discussed the concept of "Vehicle Networking" and how it could be used to implement "Predictive Vehicle Maintenance"， and discussed how to use some technologies to achieve predictive vehicle maintenance.

Keywords： Internet of Things （IOT）;Vehicle Networking ;predictive maintenance;intelligent city

目前，大多數(shù)消費(fèi)者和汽車服務(wù)公司都在關(guān)注汽車的定期維護(hù)。在定期維護(hù)指南中，通常會(huì)建議車主在行駛了特定時(shí)間段或距離之后，對(duì)車輛進(jìn)行保養(yǎng)。例如，建議車輛每隔5 000km或6個(gè)月（以先到者為準(zhǔn)）進(jìn)行一次保養(yǎng)。緊急保養(yǎng)及維修則是在車輛部件發(fā)生故障之后。汽車的定期養(yǎng)護(hù)大體如圖1所示。

但是，汽車定期養(yǎng)護(hù)也存在缺點(diǎn)，主要總結(jié)為以下兩點(diǎn)。

第一，汽車定期養(yǎng)護(hù)成本過高。在定期保養(yǎng)過程中，即使車輛部件完好，相關(guān)保養(yǎng)人員也會(huì)更換部件，而這在一定程度上造成浪費(fèi)。此外，定期養(yǎng)護(hù)實(shí)質(zhì)上并沒有充分考慮汽車的使用環(huán)境及行駛工況，簡(jiǎn)單的定期養(yǎng)護(hù)必然導(dǎo)致部分車輛養(yǎng)護(hù)成本過高。

第二，如果某些零部件未完全損壞，暫時(shí)工作正常，而定期養(yǎng)護(hù)在很大程度上無法檢查出這些可能會(huì)導(dǎo)致車輛故障的零部件。而車輛一旦發(fā)生故障，就會(huì)對(duì)車主造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 汽車定期維護(hù)的替代方法

針對(duì)定期養(yǎng)護(hù)的問題，本文提出基于傳感器和物聯(lián)網(wǎng)的汽車養(yǎng)護(hù)預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以收集和分析汽車不同部件的運(yùn)行狀況，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺(tái)進(jìn)行集中管理。在系統(tǒng)中可以進(jìn)一步分析從聯(lián)網(wǎng)車輛中接收的數(shù)據(jù)。同時(shí)，如果需要其他服務(wù)，系統(tǒng)還可以向后臺(tái)集中管理系統(tǒng)發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求。該系統(tǒng)還可以生成緊急預(yù)警，以防止故障的發(fā)生，從而避免汽車部件故障[1]。

該系統(tǒng)具有以下幾方面優(yōu)勢(shì)：第一，對(duì)汽車部件實(shí)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)警告可能出現(xiàn)故障的部件，降低維護(hù)保養(yǎng)成本;第二，分析和報(bào)告儀表板可用于查看汽車在不同時(shí)間段和不同位置的運(yùn)行情況;第三，可以分析駕駛員的駕駛習(xí)慣，并對(duì)其駕駛陋習(xí)發(fā)出提醒。

2 預(yù)測(cè)性汽車養(yǎng)護(hù)的優(yōu)勢(shì)

車聯(lián)網(wǎng)可以從安裝在汽車中的各種傳感器收集與車輛部件的健康狀態(tài)相關(guān)的數(shù)據(jù)，并通過互聯(lián)網(wǎng)將其發(fā)送到后端應(yīng)用程序，用于分析車輛當(dāng)前狀況。如果某些車輛部件需要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，則后端應(yīng)用程序中車輛健康狀況監(jiān)測(cè)模塊則會(huì)與汽車服務(wù)提供商取得聯(lián)系，并將實(shí)時(shí)預(yù)警發(fā)送給相關(guān)方面。這可以大大節(jié)省汽車的維護(hù)費(fèi)用。

3 預(yù)測(cè)性車輛養(yǎng)護(hù)技術(shù)簡(jiǎn)介

3.1 MQTT協(xié)議

消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（MQTT）是一種基于“發(fā)布-訂閱”模型的輕量級(jí)消息傳遞協(xié)議。MQTT使用客戶端-服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)。其中，客戶端（例如，汽車上的傳感器設(shè)備）連接到MQTT服務(wù)器（稱為代理）并將消息發(fā)布到服務(wù)器主題。代理將消息轉(zhuǎn)發(fā)給訂閱主題的客戶端。MQTT適用于設(shè)備具有有限的處理和內(nèi)存資源且網(wǎng)絡(luò)帶寬較低的受限環(huán)境。

3.2 MQTT詳解

MQTT是一種標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)布/訂閱消息傳輸協(xié)議。MQTT協(xié)議是輕量、簡(jiǎn)單、開放和易于實(shí)現(xiàn)的，這些特點(diǎn)使其適用范圍非常廣泛。單個(gè)MQTT服務(wù)器可以支持多達(dá)數(shù)千個(gè)遠(yuǎn)程客戶端。MQTT適合在網(wǎng)絡(luò)帶寬較低的受限環(huán)境中使用，或者對(duì)具有有限處理能力和內(nèi)存的遠(yuǎn)程設(shè)備提供支持。MQTT協(xié)議的發(fā)布者可以將消息發(fā)送到在MQTT服務(wù)器（也稱為MQTT代理）上配置的主題?？蛻艨梢杂嗛嗊@些主題，并接收與這些主題有關(guān)的消息。MQTT發(fā)布及訂閱模型描述見圖2。

雖然MQTT的“發(fā)布-訂閱”模型與多數(shù)現(xiàn)有的企業(yè)消息系統(tǒng)相同，但其優(yōu)勢(shì)主要在于有完全成熟的“企業(yè)消息傳遞”系統(tǒng)，且低占用空間，這使其成為開發(fā)具有小型傳感器、設(shè)備和其他低端設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的理想選擇。例如，一些社交軟件在移動(dòng)平臺(tái)上使用MQTT作為其消息產(chǎn)品，以確保最小化此應(yīng)用程序的電池使用。

MQTT協(xié)議的優(yōu)勢(shì)為：發(fā)布-訂閱模型提供一對(duì)多的消息傳輸;網(wǎng)絡(luò)連接使用“TCP/IP”協(xié)議;支持SSL/TLS安全加密;支持三種消息傳遞模式：最多一次、至少一次以及恰好一次。此三種模式在網(wǎng)絡(luò)、發(fā)布端或者客戶端故障的情況下依然正常工作。此外，簡(jiǎn)單易用的API使開發(fā)人員更容易使用基于MQTT的產(chǎn)品;MQTT中的消息很短，最小的數(shù)據(jù)包大小在2個(gè)字節(jié)，因此非常適合小型和性能受限的設(shè)備;不限數(shù)據(jù)格式，保障靈活性;異常的客戶端及傳感器會(huì)被及時(shí)感知;基于MQTT協(xié)議的商業(yè)及開源產(chǎn)品均可用，其中包括IBM WebSphere MQ v 7.1及以上版本，EclipseIoT Mosquitto，ActiveMQ和HiveMQ。

3.3 Eclipse Mosquitto

Eclipse Mosquitto是一個(gè)開源的MQTT代理中轉(zhuǎn)服務(wù)器。Mosquitto基于輕量級(jí)MQTT協(xié)議，是具有較低處理能力的設(shè)備、傳感器和其他物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的理想選擇。MQTT客戶端可以連接到給定的Mosquitto代理，并發(fā)布及訂閱來自主題的消息。

Eclipse Mosquitto主要負(fù)責(zé)在發(fā)布者及發(fā)送者、訂閱者及接收者之間提供通信渠道。任何使用Eclipse MQTT 客戶端API的發(fā)布者都可以將消息發(fā)布到MQTT中轉(zhuǎn)代理。這些MQTT客戶端應(yīng)指定要在其上發(fā)布消息的主題。這些主題在MQTT代理上配置。任何想要接收消息的訂閱者或接收者都需要訂閱該特定主題。代理中轉(zhuǎn)的任務(wù)是將所有相關(guān)主題的消息傳遞給所有感興趣的客戶。由于不同的客戶端（發(fā)布者和訂閱者）只需要知道代理中轉(zhuǎn)及主題的詳細(xì)信息，因此兩者都是相互分離的。

3.4 Eclipse Paho

Eclipse Paho是一個(gè)EclipseIoT項(xiàng)目，是MQTT協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。Eclipse Paho提供多種語言的MQTT客戶端庫(kù)，包括Java/C，C#，.NET和Python。Eclipse Paho還具有MQTT-SN（傳感器網(wǎng)絡(luò)）的實(shí)用工具。發(fā)布者和訂閱者（如圖2所示）都可以使用Eclipse Paho MQTT Client庫(kù)提供的API，并向/從MQTT代理（如Eclipse Mosquitto）發(fā)送/接收消息。

4 在車聯(lián)網(wǎng)中使用MQTT技術(shù)的必要性

①適用于低性能設(shè)備，如連接汽車上安裝的傳感器。

②支持多種語言，因此兼容性對(duì)于汽車制造商的任何現(xiàn)有技術(shù)平臺(tái)都不會(huì)成為問題。

③與經(jīng)過驗(yàn)證且采用良好的行業(yè)領(lǐng)先的消息傳遞系統(tǒng)（如WebSphere MQ和ActiveMQ）集成。

④消息格式可以自定義，允許制造商定制和創(chuàng)建基于MQTT協(xié)議及其規(guī)范的解決方案。

5 使用Eclipse Mosquitto和Eclipse Paho的預(yù)測(cè)性汽車維護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)

①“車聯(lián)網(wǎng)”以預(yù)定義的格式向Eclipse Kura等物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)。

②汽車可以使用任何可能的方式發(fā)送數(shù)據(jù)，如通過WiFi、電信服務(wù)等。

③物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將此數(shù)據(jù)發(fā)送到托管在云環(huán)境中的基于MQTT的Eclipse Mosquitto 中轉(zhuǎn)代理（Broker）。

④架構(gòu)中的控制器節(jié)點(diǎn)將對(duì)各種設(shè)備收集的車輛數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理及聚合，然后發(fā)送到云端。

⑤Eclipse Mosquitto獲得處理后的數(shù)據(jù)并開始進(jìn)行數(shù)據(jù)推送，訂閱者使用Eclipse Paho API接受數(shù)據(jù)消息。

⑥在進(jìn)行驗(yàn)證和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，訂閱者可以使用數(shù)據(jù)集成組件將此消息數(shù)據(jù)發(fā)送到下游應(yīng)用程序。

⑦對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，形成可視化的結(jié)果，緊急情況下則發(fā)送警報(bào)對(duì)可能發(fā)生的汽車故障進(jìn)行預(yù)警。

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流如圖4所示。在現(xiàn)實(shí)生活的復(fù)雜場(chǎng)景中，架構(gòu)中可能涉及更多組件，如配置服務(wù)、策略管理器、規(guī)則引擎等。

6 使用Eclipse Mosquitto和Eclipse Paho客戶端工具實(shí)施預(yù)測(cè)汽車維護(hù)的示例

在本節(jié)中將使用Eclipse Paho客戶端實(shí)用程序來模擬車聯(lián)網(wǎng)，將發(fā)送汽車所在的城市（也可以發(fā)送確切位置）、速度和當(dāng)前汽車健康狀況，還包括是否需更換部件。

在真實(shí)情景下，車聯(lián)網(wǎng)設(shè)備首先將數(shù)據(jù)發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，如圖3中的架構(gòu)圖所示。此數(shù)據(jù)將被處理和匯總，然后再推送到其他下游應(yīng)用程序。根據(jù)實(shí)際情況，可以將應(yīng)用程序設(shè)計(jì)為基于所接收的數(shù)據(jù)而采取適當(dāng)?shù)膭?dòng)作。例如，如果速度過高則發(fā)送警報(bào);如果需要更換某些部件或者潤(rùn)滑劑則預(yù)約汽車服務(wù)商。

在本文中，筆者使用Eclipse Paho MQTT工具（基于Java Swing的GUI應(yīng)用程序）模擬車聯(lián)網(wǎng)的行為，以連接到Mosquitto服務(wù)器，將消息發(fā)布到Mosquitto服務(wù)器上配置主題內(nèi)容。訂閱者將收到此消息，并將在GUI中顯示此消息內(nèi)容。

7 預(yù)測(cè)性汽車維護(hù)的經(jīng)濟(jì)效益

預(yù)測(cè)性汽車維護(hù)可以解決傳統(tǒng)定期汽車維護(hù)存在的問題，提高經(jīng)濟(jì)效益。具體優(yōu)勢(shì)如下：①降低服務(wù)和維護(hù)成本，因?yàn)樾枰鼡Q的部件才會(huì)得到維護(hù);②對(duì)可能出現(xiàn)故障的部件進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，從而避免車輛突發(fā)故障導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失;③可以使用分析和報(bào)告儀表板查看汽車在不同時(shí)間段和不同地點(diǎn)的狀況;④可以分析駕駛員的駕駛習(xí)慣并進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶嵝雅c介入。

8 汽車預(yù)測(cè)性維護(hù)面臨的挑戰(zhàn)

實(shí)施汽車預(yù)測(cè)性維護(hù)面臨的挑戰(zhàn)為：①與位置和其他敏感數(shù)據(jù)共享和傳輸相關(guān)的安全問題;②缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);③需要有適當(dāng)?shù)腎T分析系統(tǒng)，這可能涉及巨額成本;④需要在通信、藍(lán)牙、WiFi和其他網(wǎng)絡(luò)方面實(shí)現(xiàn)更好的連接，以便從傳感器傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);⑤所需的傳感器數(shù)量較大，購(gòu)買新車的成本可能會(huì)上升。

9 結(jié)論

隨著時(shí)代的發(fā)展，傳統(tǒng)的汽車定期養(yǎng)護(hù)在成本、效率、可靠性、環(huán)保等各個(gè)角度都漸漸凸顯出各種問題，而利用MQTT等物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性汽車養(yǎng)護(hù)已然成為解決這些問題的關(guān)鍵。本文討論了基于物聯(lián)網(wǎng)和車聯(lián)網(wǎng)的汽車養(yǎng)護(hù)預(yù)警監(jiān)測(cè)的部分內(nèi)容，介紹了使用Eclipse Paho和Eclipse Mosquitto實(shí)現(xiàn)汽車養(yǎng)護(hù)預(yù)警監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)架構(gòu)，以及Eclipse Mosquitto和Eclipse Paho等MQTT協(xié)議的具體應(yīng)用實(shí)例，展示了汽車養(yǎng)護(hù)預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的巨大優(yōu)勢(shì)。相信在不久的將來，汽車養(yǎng)護(hù)預(yù)警監(jiān)測(cè)將逐步替代傳統(tǒng)的汽車定期養(yǎng)護(hù)，成為新的行業(yè)準(zhǔn)則。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊曉勤，楊浩. 汽車維修與汽車維修技術(shù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[J]. 內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)，2003（2）：93.