基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)車輛火情監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李松原

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545006）

1 引言

隨著中國(guó)汽車保有量的增加，火燒車數(shù)量也逐年增加。引起車輛火燒原因除外部因素外，內(nèi)部因素主要可分為電路引燃及油路引燃［1］：電路引燃指車輛電器短路引起火燒，以及相關(guān)用電器內(nèi)部故障引發(fā)明火；油路引燃指車輛供油系統(tǒng)存在燃油泄漏，遇高溫引起明火。

車輛火燒事前車輛無(wú)明顯征兆及故障提示，事發(fā)過(guò)程極快，短時(shí)間內(nèi)車輛可燒為灰燼，事發(fā)后可供排查信息少，加之摻雜環(huán)境、氣候、車況、駕駛習(xí)慣、治安條件等眾多因素干擾，原因查找極為困難，經(jīng)濟(jì)損失巨大［2］；汽車生產(chǎn)企業(yè)無(wú)法及時(shí)監(jiān)控車輛火燒情況，只能被動(dòng)等待客戶反饋，無(wú)法及時(shí)提供客戶關(guān)懷服務(wù)，同時(shí)錯(cuò)失最佳調(diào)查排查及現(xiàn)場(chǎng)取證時(shí)期。配備車輛火情監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)可以有效降低車主及車輛生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)、財(cái)產(chǎn)損失。

現(xiàn)有車輛火情監(jiān)控裝置［3-9］，主要存在以下不足。

1）現(xiàn)有技術(shù)主要通過(guò)溫度、煙霧傳感器探測(cè)特定信息源［3］，但無(wú)法定位車輛火燒的起火點(diǎn)及車輛故障原因，對(duì)后期車輛火燒原因排查無(wú)顯著幫助。

2）僅能實(shí)現(xiàn)車輛單體預(yù)警，未能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)將火情及時(shí)傳遞給車主、車輛生產(chǎn)企業(yè)。

3）僅監(jiān)測(cè)單一信息指標(biāo)，無(wú)法同時(shí)監(jiān)控電路引燃、油路引燃引發(fā)的火情，預(yù)警覆蓋面較窄［6-9］。

4）傳感器分布、數(shù)量有限，整車監(jiān)測(cè)范圍小，預(yù)警效果受限。

5）需在車輛上安裝、布置額外傳感器及控制終端，可實(shí)施性較差，量產(chǎn)可行性較低，需增加額外成本。

本文提出一種車輛火情監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，在無(wú)需新增專用傳感執(zhí)行器及控制終端的前提下，以車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)作為數(shù)據(jù)處理、控制終端，通過(guò)讀取車輛已搭載系統(tǒng)中各類溫度傳感器數(shù)據(jù)建立溫度場(chǎng)，空調(diào)系統(tǒng)傳感器監(jiān)測(cè)車輛空氣質(zhì)量，電噴系統(tǒng)監(jiān)控車輛燃油變化量，并比對(duì)各系統(tǒng)發(fā)出的故障碼，通過(guò)算法及標(biāo)定數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)火情監(jiān)控、識(shí)別及預(yù)警，協(xié)助乘客開(kāi)展自救，并實(shí)時(shí)將火情信息上傳后臺(tái)服務(wù)器，通過(guò)手機(jī)終端將火情告知車主，并由汽車生產(chǎn)企業(yè)開(kāi)展火情處置。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

車輛火情監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)主要功能為監(jiān)控車輛行駛狀態(tài)，當(dāng)車輛出現(xiàn)火情時(shí)及時(shí)協(xié)助乘客開(kāi)展自救，同時(shí)搜集車輛火情信息，通過(guò)車聯(lián)網(wǎng)車載無(wú)線終端將相關(guān)信息上傳至后臺(tái)服務(wù)器，便于汽車生產(chǎn)企業(yè)取證，開(kāi)展客戶關(guān)懷、售后處理、火情處置，減少車主、汽車生產(chǎn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)、財(cái)產(chǎn)損失。具體可實(shí)現(xiàn)功能如下。

1）可實(shí)現(xiàn)燃油車輛、電動(dòng)車輛火情監(jiān)控：除對(duì)燃油車輛油路引燃、電路引燃火情進(jìn)行識(shí)別監(jiān)控外，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)車輛高壓系統(tǒng)引燃火情進(jìn)行監(jiān)控。

2）對(duì)車輛火情信息進(jìn)行記錄：車輛起火源、失效系統(tǒng)、故障碼、乘客情況、車輛起火時(shí)整車工況、外部環(huán)境等火情信息進(jìn)行全面記錄。

3）火情預(yù)警：通過(guò)聲、光、圖像信息等方式對(duì)乘客進(jìn)行火情預(yù)警。

4）協(xié)助乘客開(kāi)展自救：對(duì)車輛行駛狀態(tài)進(jìn)行控制，便于乘客快速逃生。

5）火情信息上傳：通過(guò)車聯(lián)網(wǎng)無(wú)線終端將車輛火情信息上傳至后臺(tái)服務(wù)器，汽車生產(chǎn)企業(yè)依據(jù)所獲信息開(kāi)展售后處置工作。

3 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由傳感層、決策應(yīng)用層、云端執(zhí)行層組成，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

1）傳感層由整車中各類傳感器、執(zhí)行器組成，包含溫度類傳感器，油位傳感器、空氣質(zhì)量類傳感器、蓄電池傳感器、輪速傳感器、安全帶開(kāi)關(guān)等，可感知整車特定位置溫度、油壓、空氣質(zhì)量、電流、車速、乘客數(shù)量等參數(shù)信息。傳感、執(zhí)行器與所屬系統(tǒng)控制器間通過(guò)CAN總線、LIN總線及硬線通信。

2）決策應(yīng)用層由車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)與各類系統(tǒng)控制器組成，包括車身控制器 （BCM）、自動(dòng)空調(diào)控制器、車身電子穩(wěn)定系統(tǒng) （ESP）、氣囊ECU、無(wú)鑰匙進(jìn)入與一鍵啟動(dòng) （PEPS）控制器、車機(jī)，電動(dòng)車輛還包含電池包控制器 （BMS）、電機(jī)控制器 （MCU）、整車控制器 （VCM）、車載充電機(jī)（OBCM）等控制器，各控制器與車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)通過(guò)CAN總線、USB總線通信。當(dāng)各子系統(tǒng)中傳感器檢測(cè)到數(shù)值異常，執(zhí)行器出現(xiàn)故障時(shí)，控制器將記錄相關(guān)異常數(shù)值及故障碼，并將信息傳遞至車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)。車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)在接收到相關(guān)信息后進(jìn)行判斷決策，確認(rèn)車輛出現(xiàn)火情后發(fā)送指令至相關(guān)控制器執(zhí)行協(xié)助自救策略，同時(shí)上傳相關(guān)信息至云端執(zhí)行層。

3）云端執(zhí)行層由車聯(lián)網(wǎng)后臺(tái)服務(wù)器、手機(jī)終端及汽車生產(chǎn)企業(yè)售后服務(wù)站組成。后臺(tái)服務(wù)器與車輛間通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，在收到的火情信息后由汽車生產(chǎn)企業(yè)組織人工復(fù)核，確認(rèn)火情屬實(shí)后根據(jù)車輛定位信息通知當(dāng)?shù)厥酆蠓?wù)站開(kāi)展火情處置、客戶關(guān)懷，同時(shí)向車主手機(jī)終端推送相關(guān)火情信息。

4 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，車輛火情監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)由火情監(jiān)控模塊、火情信息記錄模塊、火情預(yù)警模塊及協(xié)助自救模塊組成，其中，火情監(jiān)控模塊可細(xì)分為溫度場(chǎng)監(jiān)控模塊、空氣質(zhì)量監(jiān)控模塊、油路監(jiān)控模塊及系統(tǒng)故障碼監(jiān)控模塊。

4.1 火情監(jiān)控模塊

4.1.1 溫度場(chǎng)監(jiān)控模塊

溫度場(chǎng)監(jiān)控模塊硬件組成如圖2所示。溫度傳感器主要依托于車輛自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)外部溫度傳感器、內(nèi)部溫度傳感器，燃油車輛電噴系統(tǒng)中各類溫度傳感器，電動(dòng)車輛中高壓系統(tǒng)部件相關(guān)溫度傳感器。各溫度傳感器工作范圍、極限工況上限值如表1所示，各溫度傳感器與所屬控制器間通過(guò)硬線或LIN總線通信。當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到溫度偏離工作溫度值時(shí)，控制器記錄相關(guān)溫度傳感器溫度過(guò)高故障碼，并將數(shù)值傳遞至車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)用于溫度場(chǎng)構(gòu)建及火情判定。

4.1.2 空氣質(zhì)量監(jiān)控模塊

空氣質(zhì)量監(jiān)控模塊由車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)、自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成，空調(diào)系統(tǒng)中空調(diào)控制器、AQS傳感器、PM2.5傳感器參與模塊構(gòu)建。

AQS傳感器布置于前圍流水槽HVAC進(jìn)風(fēng)口處，用于監(jiān)測(cè)NOx、COx、CxHy、SOx等各類氮氧化物、碳氧化物、碳?xì)浠锛傲蜓趸?。PM2.5傳感器布置于HVAC進(jìn)風(fēng)口內(nèi)，用于空氣中懸浮顆粒物監(jiān)測(cè)，采用激光散射法［10］計(jì)算顆粒數(shù)量及直徑，可監(jiān)測(cè)0.1μm以上顆粒物，檢測(cè)濃度為大于0.1mg／m3。當(dāng)車輛機(jī)艙內(nèi)存在明火時(shí)，AQS傳感器、PM2.5傳感器監(jiān)測(cè)到數(shù)值偏差，當(dāng)數(shù)值偏差過(guò)大時(shí)，空調(diào)控制器記錄相關(guān)數(shù)值，并通過(guò)CAN總線將相關(guān)數(shù)值傳遞至車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)，作為車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)火情判定依據(jù)之一。

圖2 溫度場(chǎng)監(jiān)控模塊架構(gòu)

表1 參數(shù)設(shè)計(jì)任務(wù)

4.1.3 油路監(jiān)控模塊

油路監(jiān)控模塊硬件組成如圖3所示。傳感層由油位傳感器、氧傳感器及油軌壓力傳感器構(gòu)成，決策應(yīng)用層由車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)、組合儀表及發(fā)動(dòng)機(jī)ECU構(gòu)成。油位傳感器位于油箱中，輸出模擬信號(hào)向組合儀表傳遞油箱燃油余量。氧傳感器作為閉環(huán)燃油控制的重要傳感部件，可監(jiān)測(cè)由于油路故障導(dǎo)致的排放異常，反饋發(fā)動(dòng)機(jī)ECU；油路故障時(shí)，油軌壓力傳感器可監(jiān)測(cè)油壓異常，相關(guān)故障碼及數(shù)據(jù)由發(fā)動(dòng)機(jī)ECU記錄并通過(guò)CAN總線傳遞至車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)。車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)除記錄相關(guān)故障碼及數(shù)據(jù)外，還對(duì)油箱燃油減少量與油軌噴射量進(jìn)行比對(duì)，作為油路是否存在故障的參考之一。

4.1.4 系統(tǒng)故障碼監(jiān)控模塊

系統(tǒng)故障碼監(jiān)控模塊由車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)及所有CAN總線上節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)組成。各系統(tǒng)出現(xiàn)傳感器、執(zhí)行器開(kāi)路、短路故障，疑似存在火情災(zāi)害，系統(tǒng)控制器將故障碼進(jìn)行記錄并傳遞至車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)；系統(tǒng)控制器CAN節(jié)點(diǎn)丟失，疑似存在火情災(zāi)害的，車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)將記錄丟失節(jié)點(diǎn)，作為火情判定決策依據(jù)之一。

圖3 油路場(chǎng)監(jiān)控模塊架構(gòu)

4.2 火情信息記錄模塊

火情信息記錄模塊如圖4所示。當(dāng)判定車輛存在火情時(shí)，車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)通過(guò)USB總線從車機(jī)提取行車記錄儀實(shí)時(shí)記錄畫(huà)面；通過(guò)氣囊ECU采集車上乘客數(shù)量；通過(guò)ESP采集車輛實(shí)時(shí)車速；火情監(jiān)控模塊中各類傳感器、控制器數(shù)據(jù)將在車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)內(nèi)進(jìn)行記錄存儲(chǔ)。同時(shí)，車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)通過(guò)GPS獲得當(dāng)前車輛位置及實(shí)時(shí)時(shí)間，通過(guò)服務(wù)提供商 （TSP）獲取車輛所在地當(dāng)?shù)貧鉁?、天氣、事發(fā)周邊路況等相關(guān)信息，通過(guò)車聯(lián)網(wǎng)登入賬號(hào)確認(rèn)車輛駕駛員信息。車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)內(nèi)置車輛底盤(pán)號(hào)等生產(chǎn)信息，上述信息經(jīng)車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)按策略整理匯總，構(gòu)成車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)上傳后臺(tái)服務(wù)器的車輛火情信息。

圖4 火情信息記錄模塊架構(gòu)

4.3 火情預(yù)警模塊

車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)在判斷火情并完成火情信息收集后，對(duì)車輛火情進(jìn)行預(yù)警，模塊架構(gòu)如圖5所示：車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)下發(fā)車控指令，通過(guò)BCM控制氛圍燈點(diǎn)亮并轉(zhuǎn)換顏色，顏色碼為#FF0000；組合儀表驅(qū)動(dòng)蜂鳴器規(guī)律鳴叫；車機(jī)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出預(yù)警音，中控顯示屏及組合儀表顯示車輛火情預(yù)警信息。同時(shí)，將車輛火情信息推送至后臺(tái)服務(wù)器，并通過(guò)后臺(tái)服務(wù)器發(fā)送至手機(jī)終端，對(duì)車主進(jìn)行火情告知。

圖5 火情預(yù)警模塊架構(gòu)

4.4 協(xié)助自救模塊

協(xié)助自救模塊硬件組成如圖6所示。車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)下發(fā)車控指令，BCM解除中控自動(dòng)落鎖，危險(xiǎn)警告燈開(kāi)啟，并打開(kāi)全景天窗；玻璃升降控制器將整車車窗降至行程最低點(diǎn)；ESP根據(jù)當(dāng)前車速對(duì)車輛進(jìn)行控制，降低車輛車速。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU控制主動(dòng)進(jìn)氣格柵葉片處于關(guān)閉狀態(tài)，減少空氣進(jìn)入量，降低燃燒速度；調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略，降低發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，車輛進(jìn)入跛行模式。對(duì)于電動(dòng)車輛，VCM控制BMS、MCU降低電池包、驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出功率，車輛進(jìn)入跛行模式。通過(guò)控制車輛狀態(tài)協(xié)助乘客自救，為乘客逃生爭(zhēng)取時(shí)間。

圖6 協(xié)助自救模塊架構(gòu)

5 系統(tǒng)控制原理

火情監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)控制原理流程如圖7所示。車輛在運(yùn)行過(guò)程中，各控制器、傳感執(zhí)行器按設(shè)定策略運(yùn)行，監(jiān)測(cè)各系統(tǒng)溫度、電壓、電流、油量、空氣質(zhì)量等參數(shù)；當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)到參數(shù)指標(biāo)異常，或控制器監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)內(nèi)傳感器、執(zhí)行器工作異常時(shí)，控制器記錄相關(guān)故障碼，并對(duì)故障碼是否為火情監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定，對(duì)于與車輛火情無(wú)關(guān)的故障碼存入各控制器的寄存器中，在組合儀表上顯示維修提示，待下一輪車輛進(jìn)入服務(wù)站保養(yǎng)時(shí)檢測(cè)處理。

圖7 系統(tǒng)控制策略

當(dāng)故障碼被認(rèn)定為與火情相關(guān)時(shí)，控制器將故障碼報(bào)文通過(guò)CAN總線發(fā)送至車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)。車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)在收到相關(guān)故障碼報(bào)文后，結(jié)合各類溫度傳感器建立的溫度場(chǎng)矩陣，蓄電池傳感器記錄的電壓、電流數(shù)據(jù)流，空氣質(zhì)量傳感器數(shù)據(jù)流及油路監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，確認(rèn)故障反饋位置是否有溫度異常偏高，電壓、電流是否有異常突變，空氣中懸浮顆粒物指標(biāo)是否異常偏高等。當(dāng)溫度場(chǎng)變化、電流電壓突變、空氣質(zhì)量劣化情況、故障碼發(fā)生部位與設(shè)定策略及標(biāo)定數(shù)據(jù)相吻合時(shí)，可判定為車輛火情。

當(dāng)判定為存在火情時(shí)，車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)首先通過(guò)火情信息記錄模塊記錄火情信息，并通過(guò)車載無(wú)線終端將其上傳至后臺(tái)服務(wù)器；其次，車聯(lián)網(wǎng)主機(jī)運(yùn)行火情預(yù)警模塊，通過(guò)相關(guān)控制器對(duì)車輛乘客進(jìn)行聲光預(yù)警，并通過(guò)降低車速、開(kāi)啟逃生通道等形式協(xié)助乘客自救；后臺(tái)服務(wù)器在收到火情信息推送后，汽車生產(chǎn)企業(yè)對(duì)信息進(jìn)行核實(shí)，對(duì)于屬實(shí)火情及時(shí)開(kāi)展售后處置。

6 結(jié)論

本文提出了一種基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的車輛火情監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，在分析系統(tǒng)功能需求后，對(duì)系統(tǒng)硬件架構(gòu)及運(yùn)行策略進(jìn)行了研究。所構(gòu)建的火情監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)可基于整車已搭載系統(tǒng)為硬件基礎(chǔ)，對(duì)燃油車輛、電動(dòng)車輛因電路引燃、油路引燃等多種火燒因素進(jìn)行同時(shí)監(jiān)控、預(yù)警；其次，傳感器、執(zhí)行器分布整車各個(gè)角落，監(jiān)控要素較多，火情數(shù)據(jù)流完整，可立體地再現(xiàn)火情發(fā)生時(shí)車輛狀況，快速、準(zhǔn)確還原車輛故障點(diǎn)；基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警，汽車生產(chǎn)企業(yè)及時(shí)掌握火情信息，利于火情調(diào)查取證、判定；最后，系統(tǒng)模塊可根據(jù)車輛功能配置進(jìn)行靈活搭建，無(wú)需新增額外實(shí)物成本，跨車型實(shí)施可行性高。