汽車電子監(jiān)測中ITS技術(shù)應(yīng)用研究

張海彬

摘 要：智能交通系統(tǒng)（ITS）對提高汽車交通安全、確保交通網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行具有重要作用及現(xiàn)實(shí)意義。從技術(shù)層面出發(fā)，為使對交通安全的管理和控制能力得到進(jìn)一步提升，汽車電子監(jiān)測技術(shù)成為行業(yè)內(nèi)的一項(xiàng)研究熱點(diǎn)，因而對應(yīng)用ITS優(yōu)化汽車電子監(jiān)測技術(shù)的實(shí)現(xiàn)路徑進(jìn)行了研究和設(shè)計，在對ITS的功能和作用以及汽車電子監(jiān)測主要技術(shù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種基于ITS的汽車電子監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計方案，重點(diǎn)闡述了構(gòu)成整個監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能模塊的實(shí)現(xiàn)路徑。

關(guān)鍵詞：智能交通系統(tǒng)（ITS）;汽車電子監(jiān)測技術(shù);優(yōu)化設(shè)計;實(shí)現(xiàn)路徑

中圖分類號：TP274

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-757X（2020）11-0161-03

Abstract：Intelligent transportation system （ITS） plays an important role in improving the safety of automobile traffic and ensuring the normal operation of the transportation network. At the same time， from the technical level， in order to further improve the management and control of traffic safety， automotive electronic monitoring technology has become a research hotspot in the industry. This article mainly studies the application of ITS to optimize the implementation path of automotive electronic monitoring technology. The design， based on the analysis of the functions of ITS and the main technologies of automotive electronic monitoring， builds an optimized design scheme of automotive electronic monitoring technology based on ITS， focusing on the realization of the main functional modules that constitute the entire monitoring system path.

Key words：intelligent transportation system （ITS）;automotive electronic monitoring technology;optimization design;implementation path

0?引言

隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，汽車成為日常出行必不可少的交通工具，在帶來巨大便利的同時，由不斷增加的汽車使用數(shù)量帶來的交通事故、交通堵塞等問題日益突出，成為城鎮(zhèn)管理急待解決的難題，不斷發(fā)展完善起來的智能交通系統(tǒng)（ITS）成為解決交通問題的重要手段。目前主要采用ITS以及電子檢測技術(shù)來進(jìn)行監(jiān)測，缺少對電子監(jiān)測關(guān)鍵性技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計。

1?需求分析

目前在追求節(jié)能環(huán)保的大背景下，同時為有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)汽車傳動系統(tǒng)存在的復(fù)雜度較高的不足，分布式驅(qū)動電動汽車逐漸發(fā)展完善起來，成為各大企業(yè)及高校的關(guān)注重點(diǎn)，此種汽車的底盤更易實(shí)現(xiàn)模塊化、電氣化的控制功能，因其顯著簡化的底盤結(jié)構(gòu)而降低了整車質(zhì)量，在提高傳動效率的同時增加了乘坐空間，提升了駕乘體驗(yàn)。但具備更多可控自由度的分布式電動汽車包括驅(qū)動控制在內(nèi)的電子監(jiān)測技術(shù)仍然存在較多急需解決的問題。為順應(yīng)電動汽車未來的發(fā)展及應(yīng)用趨勢，對汽車交通安全的控制管理功能提出了更高的要求，為保證車輛行駛的安全性，在汽車主動安全技術(shù)研究中，底層、面向執(zhí)行器的汽車電子穩(wěn)定性控制（ESC）成為汽車控制的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，同時也是提升汽車自動化及智能化水平的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，集成了ABS系統(tǒng)、TCS系統(tǒng)及橫擺力矩控制的ESC通過協(xié)調(diào)控制汽車的制動、驅(qū)動、轉(zhuǎn)向功能實(shí)現(xiàn)了車輛穩(wěn)定性的有效提升，而為保障駕駛安全汽車電子監(jiān)測功能必不可少。ITS融合使用了現(xiàn)代化技術(shù)用于規(guī)范統(tǒng)一的安排指揮人、路、車，具有實(shí)時、準(zhǔn)確、高效的特點(diǎn)，可對大范圍內(nèi)的交通運(yùn)輸進(jìn)行全方位的綜合管理，能夠更好的應(yīng)用到整個交通管理體系中。在汽車電子監(jiān)測技術(shù)中融入ITS有利于提高汽車的整體監(jiān)測功能及故障診斷功能，進(jìn)而有效提升汽車行使的安全系數(shù)及安全行使性能[1]。本文在分析了ITS系統(tǒng)及汽車電子監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上，以ITS技術(shù)理論及實(shí)踐為依據(jù)分析和探討了實(shí)現(xiàn)汽車電子監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了基于ITS的汽車電子監(jiān)測主要功能模塊。

2?汽車電子監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)分析

用于保障汽車整體安全性能的汽車電子監(jiān)測主要包括汽車運(yùn)行過程監(jiān)測和異常行使車輛的故障監(jiān)測兩方面。為保證交通順暢，汽車電子監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于ITS系統(tǒng)中時的主要功能在于向ITS系統(tǒng)及故障維修中心快速傳輸故障車輛狀況信息（通過在線監(jiān)測信號完成），以便ITS據(jù)此完成及時準(zhǔn)確的安全指揮操作，如引交通起堵塞需對其進(jìn)行有效的疏導(dǎo)，由故障維修中心向故障車輛及時提供相應(yīng)的維修指導(dǎo)。在汽車電子監(jiān)測技術(shù)中融入ITS構(gòu)成的監(jiān)測系統(tǒng)（還包括微處理設(shè)備、通訊設(shè)備、報警裝置等），對汽車的安全行駛狀況進(jìn)行監(jiān)測，以運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和安全總成故障診斷2大模塊為主，持續(xù)傳輸汽車異常狀況和安全診斷結(jié)果。

ITS系統(tǒng)可用于優(yōu)化設(shè)計汽車電子監(jiān)測技術(shù)，二者相互協(xié)作能夠?yàn)槠嚢踩旭偺峁┯行У募夹g(shù)支撐，其中的監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)主要包括：（1）汽車電子技術(shù)，包括真空管、晶體管、集成電路等在內(nèi)的汽車電子技術(shù)的不斷進(jìn)步為汽車電子裝置的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。目前汽車電子技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展已進(jìn)入了新時代，有效融合了電子、機(jī)電一體耦合、自動優(yōu)化控制、傳感器等現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，成為一種成熟的小系統(tǒng)商品，作為汽車電子監(jiān)測技術(shù)的主要構(gòu)成傳感器是獲取電子設(shè)備外信息的重要途徑。（2）傳感器（轉(zhuǎn)換器），作為實(shí)現(xiàn)汽車安全行使監(jiān)測的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)汽車電子化、高檔化、自動化功能的一項(xiàng)重要汽車控制技術(shù)，傳感器可采集和變換汽車電子設(shè)備外的信號、實(shí)現(xiàn)電能形態(tài)的變換（即完成非電量監(jiān)測信息到電量的有效轉(zhuǎn)換）。為了進(jìn)一步的從汽車的設(shè)計上，通過傳感器的使用完成對汽車各類過程控制參數(shù)的有效檢測是降低能耗、避免安全故障等的重要手段，傳感器結(jié)合微電腦信息處理功能可有效實(shí)現(xiàn)汽車電子化，受到汽車的整體設(shè)計、構(gòu)成、不同電氣及機(jī)械功能等的影響，傳感器的應(yīng)用種類及數(shù)量通常不同，對其性能、價格、尺寸等要求較多，傳感器會適應(yīng)不同的環(huán)境，一般在溫度波動范圍及受汽車行使路面、風(fēng)吹日曬等環(huán)境的影響，對傳感器的抗電磁干擾、耐震/耐水/耐溫等功能要求較高。（3）基于計算機(jī)實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測系統(tǒng)（數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)），以數(shù)據(jù)采集功能為主，主要對汽車行駛過程中的工況及相關(guān)參數(shù)信息通過計算機(jī)信息技術(shù)的使用完成巡回檢測功能，通過信息處理模塊完成采集信號的必要預(yù)處理，處理傳感器采集到的數(shù)據(jù)（包括操作人員的指令信息）并保存，使用相應(yīng)外部設(shè)備和人機(jī)接口實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的輸出功能，在車載顯示器上顯示相關(guān)數(shù)據(jù)信息，以供操作人員進(jìn)行分析判斷，實(shí)現(xiàn)汽車整個行駛過程監(jiān)測及事故報警等功能[2]。

3?基于ITS的汽車電子監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

3.1?監(jiān)測系統(tǒng)信息采集與處理

為實(shí)現(xiàn)對汽車電子監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計需優(yōu)化完善各系統(tǒng)構(gòu)成部分，從而構(gòu)成有效的組件式汽車電子監(jiān)測系統(tǒng)，在簡化系統(tǒng)開發(fā)管理過程的同時顯著提高汽車交通安全性，結(jié)合汽車電子監(jiān)測的需求，可將監(jiān)測系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、輸出與執(zhí)行等功能模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，主要用于監(jiān)測路面及汽車運(yùn)行狀況，主要通過傳感器、攝像機(jī)、激光雷達(dá)、紅外線等技術(shù)的綜合運(yùn)用實(shí)現(xiàn)，汽車行駛時需根據(jù)不同路況調(diào)整行進(jìn)路線，會伴隨轉(zhuǎn)向、制動等操作情況的出現(xiàn)，此時極易引起汽車異常及故障的出現(xiàn)，進(jìn)而對汽車交通安全帶來不同程度的威脅[3]。通過安裝于汽車上的傳感器、攝像機(jī)等工具完成對汽車整體狀況的全局信號快速穩(wěn)定的獲取，實(shí)時采集監(jiān)測系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)信息;然后對這些數(shù)據(jù)信息結(jié)合運(yùn)用傅立葉完成進(jìn)一步的分析、判定功能，并據(jù)此及時診斷出汽車出現(xiàn)的故障，ITS通過時域定位全部信息自動監(jiān)測汽車交通安全。對于汽車間的安全距離，可通過傳感器完成快速準(zhǔn)確的測算過程，并據(jù)此對車輛的橫向和縱向運(yùn)行情況進(jìn)行指揮和控制，結(jié)合使用DGPS 完成測算橫向距離時的周期采樣。汽車橫向位置還可以根據(jù)汽車前輪轉(zhuǎn)角變化量進(jìn)行計算，假設(shè)，汽車橫向控制周期由Tc表示，目標(biāo)路徑誤差由（ε）表示，k1和k2表示實(shí)現(xiàn)的橫向安全距離計算（根據(jù)（ε）最小原則），前輪目標(biāo)轉(zhuǎn)角變化量的計算表達(dá)式如下[4]。

主要通過油門和制動實(shí)現(xiàn)的汽車縱向間距的控制過程，前后車間距s（t）結(jié)合運(yùn)用非線性滑?？刂评碚撏瓿赏茰y和控制過程，s（t）的計算表達(dá)式如下（k為大于0的系數(shù)）。

假設(shè)，駕駛員反應(yīng)時間由Tγ表示（通常在0.5～2 s區(qū)間范圍內(nèi)），α表示減速度，所駕駛汽車的速度由V表示，制動協(xié)調(diào)時間由Td表示（通常為0.2 s），前后兩車的相對速度由V rel表示，目前國內(nèi)智能交通系統(tǒng)中使用的安全車間距離計算表達(dá)式如下（根據(jù)汽車追尾碰撞預(yù)警系統(tǒng)的分析結(jié)果）[5]。

基于車載計算機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)處理模塊是監(jiān)測系統(tǒng)的核心構(gòu)成，大多采用具備實(shí)時性和可靠性等優(yōu)勢的嵌入式系統(tǒng)，作為數(shù)據(jù)信息采集與最終執(zhí)行的中間模塊，數(shù)據(jù)處理模塊主要負(fù)責(zé)完成整個監(jiān)測系統(tǒng)的信息處理與傳遞功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對車輛整體狀態(tài)的監(jiān)控以及常見典型汽車故障的自診斷功能，最后通過輸出監(jiān)測信息以供系統(tǒng)據(jù)此執(zhí)行相關(guān)操作。

3.2?汽車電子監(jiān)測技術(shù)的實(shí)現(xiàn)流程

結(jié)合ITS優(yōu)化設(shè)計汽車電子監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)和重點(diǎn)在于設(shè)計并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集方案，目前易于實(shí)現(xiàn)的程序輪詢式是現(xiàn)有汽車電子監(jiān)測技術(shù)有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能所使用的主要方式，程序輪詢式能夠以系統(tǒng)的實(shí)際功能需求為依據(jù)對所需的數(shù)據(jù)采集時間間隔進(jìn)行預(yù)先合理的設(shè)置，然后為保證信號源設(shè)備的高級別（剎車、安全等系統(tǒng)通常需具備數(shù)據(jù)優(yōu)先采集處理權(quán)限），再連接到需獲取其信號的設(shè)備完成數(shù)據(jù)采集過程，在采集完信息后會完成必要的預(yù)處理，以便系統(tǒng)完成后續(xù)的數(shù)據(jù)信息處理過程。結(jié)合運(yùn)用開放式系統(tǒng)設(shè)計思想及組件概念完成對電子監(jiān)測系統(tǒng)的不同模塊功能的劃分（按照各監(jiān)測內(nèi)容的不同性質(zhì)，如車燈狀態(tài)、行駛狀態(tài)等監(jiān)測對象），系統(tǒng)中的各模塊可自由掛入或卸載，然后將各模塊按照所包含的各個部件完成不同具體功能屬性的細(xì)分（如車燈狀態(tài)監(jiān)測模塊細(xì)分為霧燈、剎車燈、倒車燈等）。為滿足系統(tǒng)的實(shí)時性需求，各模塊及其內(nèi)部各屬性可根據(jù)實(shí)際需要完成不同的優(yōu)先級別和不同時限的設(shè)置，并通過預(yù)留出充分的接口實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模塊功能的自由掛接或卸載[6]。

本文關(guān)于系統(tǒng)開發(fā)和技術(shù)設(shè)計的實(shí)現(xiàn)主要集中在系統(tǒng)組成，汽車電子監(jiān)測系統(tǒng)工作流程，如圖1所示。

先由基于傳感器、紅外線、攝像機(jī)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集模塊監(jiān)測路面及汽車運(yùn)行狀況，汽車在行駛過程中經(jīng)常發(fā)生轉(zhuǎn)向、制動等現(xiàn)象（通常出現(xiàn)在根據(jù)路況改變行駛路線時），此時極易導(dǎo)致汽車出現(xiàn)故障，為了提高汽車行駛的安全性，需借助傳感器、攝像機(jī)等工具實(shí)時高效的采集到汽車全局信號的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，然后通過對數(shù)據(jù)信息的時域定位、分析和判定實(shí)現(xiàn)汽車故障的及時診斷功能，ITS據(jù)此完成對汽車安全的監(jiān)測[7]。整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

為確保及時采集到監(jiān)測系統(tǒng)的所有信號源信息，并對采集到的信息進(jìn)行合理性判斷以確保設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)[8]。汽車電子監(jiān)測系統(tǒng)可結(jié)合運(yùn)用信號中斷式、用戶查詢式和程序輪間式3種數(shù)據(jù)采集方案。采用程序輪詢式采集對相應(yīng)信號源設(shè)備根據(jù)預(yù)先設(shè)置的時間間隔完成信息采集與必要的預(yù)處理操作，此類設(shè)備通常優(yōu)先級較高要求系統(tǒng)及時進(jìn)行處理，可將優(yōu)先級高的設(shè)備設(shè)置為短時限，使系統(tǒng)能夠及時高效的獲取相關(guān)信息并做出合理處理;針對出現(xiàn)異常的信號源設(shè)備（通常由優(yōu)先級較低的終端構(gòu)成，如車內(nèi)照明系統(tǒng)等），可通過中斷式采集模式產(chǎn)生中斷信號，并向系統(tǒng)發(fā)送處理要求;用戶查詢式采集適用于車載電氣設(shè)備（包括空調(diào)系統(tǒng)等），只在用戶點(diǎn)擊相應(yīng)功能按鈕（通過控制面板）時采集和處理信號。監(jiān)測系統(tǒng)整體功能流程，如圖3所示。

該系統(tǒng)功能主要基于車載計算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，具備較高的實(shí)時性、可靠性及可擴(kuò)展性，駕駛員通過輸入面板同系統(tǒng)進(jìn)行交互，進(jìn)入存儲器可直接查看各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，為駕駛員安全駕駛汽車提供輔助支撐[9]。

4?總結(jié)

隨著汽車數(shù)量的不斷增加，交通安全問題日益突出，ITS作為一種智能交通系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，該系統(tǒng)的主要設(shè)計目標(biāo)在于有效解決當(dāng)前的交通安全問題，智能交通系統(tǒng)的綜合管理指揮功能為汽車行駛安全提供了有力支撐，但要進(jìn)一步改善汽車交通安全問題還需在ITS 的基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化完善汽車電子監(jiān)測技術(shù)，本文主要對汽車電子監(jiān)測技術(shù)同ITS系統(tǒng)的有效融合路徑進(jìn)行了研究，通過由不同相對獨(dú)立模塊組成的構(gòu)建汽車電子監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電子監(jiān)測的模塊化結(jié)構(gòu)功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)汽車行使安全性的顯著提高。此外可通過優(yōu)化完善各模塊內(nèi)容實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)后期的維護(hù)、升級更新等功能。

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（收稿日期：2020.03.29）