劉有志

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

我國(guó)目前已是汽車(chē)生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源問(wèn)題日益受到世界各國(guó)關(guān)注。我國(guó)并不是石油大國(guó)，儲(chǔ)量和開(kāi)采量有限，大量石油依賴(lài)進(jìn)口，并且需求量仍在日益增加，因此，汽車(chē)節(jié)能降耗愈來(lái)愈被重視起來(lái)。

尋找適合的替代能源，研發(fā)新能源汽車(chē)是減緩傳統(tǒng)能源消耗的有效辦法之一。但新能源汽車(chē)的發(fā)展需要先進(jìn)技術(shù)的長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展與累積，目前汽車(chē)市場(chǎng)仍以傳統(tǒng)車(chē)輛為主導(dǎo)。因此，在當(dāng)前形勢(shì)下，對(duì)傳統(tǒng)車(chē)量進(jìn)行節(jié)能降耗無(wú)疑顯得更加重要。

影響車(chē)輛油耗的因素主要有六個(gè)方面，包括：

（1）車(chē)輛風(fēng)阻系數(shù)

（2）車(chē)輛自重

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

（4）變速箱技術(shù)

（5）車(chē)輛輪胎選取

（6）駕駛習(xí)慣

前五點(diǎn)因素與汽車(chē)技術(shù)緊密相關(guān)，國(guó)內(nèi)外諸多汽車(chē)領(lǐng)域的專(zhuān)家們已做了大量工作，并取得了顯著成效。相對(duì)而言，駕駛習(xí)慣是駕駛員直接產(chǎn)生的，更加主觀一些，具有較強(qiáng)的差異性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一操作。隨著技術(shù)發(fā)展，可以利用汽車(chē)電子技術(shù)，對(duì)駕駛員的車(chē)輛操控行為進(jìn)行干預(yù)，幫助駕駛員養(yǎng)成利于節(jié)能降耗的優(yōu)良駕駛習(xí)慣。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外針對(duì)駕駛行為的研究起步較早，對(duì)影響機(jī)動(dòng)車(chē)事故和節(jié)能降耗的駕駛行為有比較成熟的理論和實(shí)際應(yīng)用。在理論上，他們擁有龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，通過(guò)共享這些信息，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)事故駕駛行為和節(jié)能降耗有比較深入的研究。

目前已投入市場(chǎng)的基于駕駛行為的節(jié)能降耗技術(shù)有：

（1）Fiat 的Eco-Drive 系統(tǒng)；

（2）Honda 的Eco Assist（節(jié)能駕駛輔助系統(tǒng)）；

（3）SCANIA 的駕駛員輔助系統(tǒng)。

1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

國(guó)內(nèi)目前限于基礎(chǔ)設(shè)施水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，在該領(lǐng)域的研究與發(fā)達(dá)國(guó)家有很大差距。國(guó)內(nèi)多數(shù)汽車(chē)廠家目前更多地還專(zhuān)注于整車(chē)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，沒(méi)有深入開(kāi)展這方面的研究，而大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)又沒(méi)有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和大型數(shù)據(jù)采集整合系統(tǒng)，很難實(shí)現(xiàn)駕駛行為產(chǎn)業(yè)鏈的研究。目前國(guó)內(nèi)有些企業(yè)擁有駕駛行為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，他們往往從實(shí)際利益出發(fā)，進(jìn)行局部、小范圍數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)，基本沒(méi)有能力實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，也沒(méi)有實(shí)力進(jìn)行理論研究。而大部分高校和科研機(jī)構(gòu)，只是對(duì)部分駕駛行為進(jìn)行理論和算法上的研究，很難有實(shí)力將研究成果應(yīng)用于實(shí)際。

2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方案

2.1 系統(tǒng)方案概要

旨在開(kāi)發(fā)一種基于駕駛行為的智能化綠色節(jié)油輔助系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)嵌優(yōu)良駕駛習(xí)慣數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)判斷駕駛員當(dāng)前操作行為與數(shù)據(jù)庫(kù)的吻合程度，通過(guò)車(chē)載儀表等人機(jī)交互接口，提示駕駛員當(dāng)前操作行為，以及車(chē)輛的油耗狀態(tài)優(yōu)良與否，是否應(yīng)采取適當(dāng)措施、操作，降低車(chē)輛油耗，幫助駕駛員養(yǎng)成優(yōu)良駕駛習(xí)慣。

2.2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方案

如前所述，根據(jù)駕駛行為開(kāi)發(fā)的車(chē)輛節(jié)能輔助系統(tǒng)，國(guó)外已具備了較強(qiáng)的技術(shù)儲(chǔ)備，相關(guān)產(chǎn)品已上市應(yīng)用，并取得了不錯(cuò)的節(jié)能降耗效果；而國(guó)內(nèi)對(duì)該系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)與技術(shù)儲(chǔ)備還較薄弱，正處于起步階段。

為了使該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的順利進(jìn)行，系統(tǒng)功能完善，性能優(yōu)良、可靠，應(yīng)參考國(guó)外相關(guān)系統(tǒng)構(gòu)成，進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析，從而完善所開(kāi)發(fā)的基于駕駛行為的智能化綠色節(jié)油輔助系統(tǒng)。

系統(tǒng)的功能框圖如圖1 所示：

圖1 系統(tǒng)功能框圖

3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)計(jì)劃

3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

駕駛行為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)駕駛行為采集物理媒介和手段，項(xiàng)目組通過(guò)開(kāi)發(fā)一套硬件和嵌入式軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能。其整體功能框圖如圖2：

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

主要研究?jī)?nèi)容有：

（1）駕駛行為采集對(duì)象：通過(guò)分析駕駛員操縱車(chē)輛動(dòng)作和產(chǎn)生狀態(tài)，根據(jù)對(duì)這些狀態(tài)的分類(lèi)、實(shí)驗(yàn)，摸索其狀態(tài)特征，然后根據(jù)各自特性，設(shè)計(jì)硬件拾起電路，軟件采集周期、頻率等滿足信息采集要求。

（2）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)存：駕駛行為數(shù)據(jù)種類(lèi)比較多，數(shù)據(jù)量比較大，而且要求掉電時(shí)能保存數(shù)據(jù)。目前，保守估計(jì)車(chē)輛狀態(tài)信息十幾種，其中有開(kāi)關(guān)量、脈沖量、模擬量等。系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)一種合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)存方法來(lái)完成這些信息的有效儲(chǔ)存和快捷數(shù)據(jù)交換方法，系統(tǒng)有鐵電存儲(chǔ)、DATAFLASH 存儲(chǔ)，以及本地IC 卡存儲(chǔ)。

（3）USB 數(shù)據(jù)交換：本系統(tǒng)采集信息多，數(shù)據(jù)量大，將采用一種數(shù)據(jù)交換協(xié)議實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)和管理軟件的數(shù)據(jù)交換，目前，擬訂采用USB 協(xié)議交換數(shù)據(jù)。

（4）GPRS 技術(shù)：駕駛行為信息采集系統(tǒng)為了適應(yīng)可能的車(chē)輛道路實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)預(yù)留GPRS 功能，GPRS 是GSM Phase 2+階段引入的一種基于分組的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，它能夠?qū)崿F(xiàn)從空中接口到外部網(wǎng)絡(luò)之間的分組數(shù)據(jù)傳輸，GPRS 可以接入基于TCP/IP 的外部網(wǎng)絡(luò)和X.25 網(wǎng)絡(luò)。

（5）電源：汽車(chē)上的電子設(shè)備越來(lái)越多，使車(chē)內(nèi)的電磁環(huán)境日益復(fù)雜。在這比較復(fù)雜的環(huán)境中，電源性能的好壞直接影響到電子設(shè)備的可靠性。本系統(tǒng)下位機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜，功能強(qiáng)大，功能模塊多，電源管理難度高。電源設(shè)計(jì)必須滿足系統(tǒng)反接、過(guò)壓、電壓適應(yīng)性、抗汽車(chē)電子點(diǎn)火、靜電放電等功能。

圖3 電源模塊功能框圖

（6）MCU 模塊：本系統(tǒng)下位機(jī)需要融合車(chē)輛信息采集和駕駛員圖像采集、可擴(kuò)展GPS/GPRS 功能，要用一個(gè)MCU 模塊管理和操作所有功能，MCU 模塊資源要求比較多，硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜，需要選擇資源比較豐富合適的MCU。

圖4 底層驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)示意圖

（7）硬件看門(mén)狗：系統(tǒng)下位機(jī)從可靠性和產(chǎn)品角度考慮，必須設(shè)計(jì)具有硬件看門(mén)狗、低功耗并存功能，但硬件看門(mén)狗和低功耗設(shè)計(jì)并存有一定難度，因此需要設(shè)計(jì)可靠的硬件電路。

圖5 看門(mén)狗模塊電路

3.2 實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)采集

該系統(tǒng)需要有大量的實(shí)車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，構(gòu)建相應(yīng)的優(yōu)良駕駛行為數(shù)據(jù)庫(kù)，從而利用適當(dāng)評(píng)價(jià)算法，獲得對(duì)應(yīng)參數(shù)處于優(yōu)良駕駛狀態(tài)的動(dòng)態(tài)范圍。

由于駕駛行為屬于主觀范疇，應(yīng)聘請(qǐng)具有豐富經(jīng)驗(yàn)的、使車(chē)輛處于較低燃油消耗水平的駕駛員，進(jìn)行實(shí)車(chē)操作；并且構(gòu)建較大樣本空間，使所采集數(shù)據(jù)具有可信性和可用性。

另外，應(yīng)根據(jù)不同路況條件，制定相應(yīng)的采集方案。車(chē)輛在城市路況、市郊路況、山區(qū)路況等條件，車(chē)輛燃油消耗量會(huì)有很大差別，因此，應(yīng)根據(jù)需求，制定不同的采集方案，進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)采集，構(gòu)建多工況數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.3 優(yōu)良駕駛行為數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建與數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)算法開(kāi)發(fā)

3.3.1 駕駛員調(diào)研問(wèn)卷及駕駛行為原始數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

該部分內(nèi)容主要用于構(gòu)建原始數(shù)據(jù)模型，獲取相應(yīng)駕駛員信息和行為數(shù)據(jù)。

首先，在駕駛員初次登陸時(shí)，需設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)卷，對(duì)用戶(hù)的基本情況進(jìn)行調(diào)查和記錄，從而確定準(zhǔn)確的駕駛員基本信息，用于后續(xù)分析和分類(lèi)。

問(wèn)卷的內(nèi)容可能涉及如下方面：

（1）人口統(tǒng)計(jì)學(xué)信息（年齡、性別）；

（2）駕駛信息（駕照類(lèi)型、駕齡、駕駛頻度、百公里平均油耗等）。

其次，需設(shè)計(jì)駕駛行為原始數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)和管理來(lái)自各種車(chē)身傳感器的駕駛行為原始數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)內(nèi)容包括：

1）方向盤(pán)：向右最大值為1.000，向左最小值為-1.000，中點(diǎn)時(shí)為0.000；

2）油門(mén)：最大值為1.000，最小值為0.000；

3）離合：最大值為1.000，最小值為0.000；

4）制動(dòng)：最大值為1.0，最小值為0；

5）速度：當(dāng)前動(dòng)力學(xué)模型速度（整數(shù)）；

6）轉(zhuǎn)速：當(dāng)前動(dòng)力學(xué)模型轉(zhuǎn)速（整數(shù)）。

7）發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線；

8）檔位：按照當(dāng)前檔位顯示（1 檔、2 檔、3 檔、4 檔、5 檔、倒檔）；

3.3.2 駕駛行為數(shù)據(jù)預(yù)處理、建模和分析算法

（1）通過(guò)對(duì)優(yōu)秀駕駛員和普通駕駛員同路段駕駛行為的對(duì)比分析，人工標(biāo)注可能導(dǎo)致高油耗的駕駛行為原始數(shù)據(jù)，例如超速、急加速、急減速、急剎車(chē)等；

（2）基于大量駕駛行為數(shù)據(jù)，抽取行為特征，建立行為模型；

根據(jù)實(shí)際駕駛中能夠獲得的數(shù)據(jù)，確定具體評(píng)價(jià)的駕駛行為特征及計(jì)算模型。以下給出幾個(gè)行為實(shí)例：

1）超速：需依據(jù)道路的上限速度、汽車(chē)的加速度和當(dāng)前速度加以識(shí)別；

2）非常規(guī)方向盤(pán)操作；

根據(jù)方向盤(pán)的數(shù)據(jù)流，判斷用戶(hù)是否有以下行為：生硬的轉(zhuǎn)向（頻繁改變）；快速而持續(xù)的轉(zhuǎn)向角度切換等。

3）非常規(guī)的剎車(chē)操作；

根據(jù)剎車(chē)的數(shù)據(jù)流，計(jì)算出剎車(chē)位置的變化速率（用導(dǎo)數(shù)表示）隨時(shí)間的變化，判斷用戶(hù)是否有急減速等導(dǎo)致高油耗行為。

圖6 算法框架

3.4 駕駛行為提示

通過(guò)駕駛行為數(shù)據(jù)庫(kù)、評(píng)價(jià)算法以及車(chē)輛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，能夠判斷出駕駛員當(dāng)前的操作行為，是否使車(chē)輛處于較低油耗狀態(tài)，評(píng)價(jià)結(jié)果可由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)車(chē)身網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)布，進(jìn)而通過(guò)儀表盤(pán)提示、聲音提示等方法，與駕駛員進(jìn)行人機(jī)交互。

采用儀表盤(pán)提示時(shí)，控制器從車(chē)身網(wǎng)絡(luò)獲得駕駛行為評(píng)價(jià)信息，驅(qū)動(dòng)優(yōu)良駕駛行為指示燈顯示。若駕駛行為優(yōu)良，車(chē)輛油耗較低，綠色指示燈點(diǎn)亮；若駕駛行為使得車(chē)輛油耗升高，則紅色指示等點(diǎn)亮。

采用聲音提示時(shí)，可利用采集系統(tǒng)內(nèi)嵌的語(yǔ)音提示模塊，向駕駛員提供相應(yīng)的提醒。

圖7 評(píng)價(jià)提示界面

3.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成后，應(yīng)根據(jù)駕駛員行為等級(jí)、路況條件，構(gòu)建驗(yàn)證試驗(yàn)矩陣，分別進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)。

在不同的路況條件下，駕駛員操作行為均可分為較差、普通和優(yōu)良三類(lèi)，具體評(píng)價(jià)依據(jù)可根據(jù)實(shí)車(chē)油耗等信息進(jìn)行判斷。初步形成試驗(yàn)矩陣如下表1 所示：

表1 驗(yàn)證試驗(yàn)矩陣

試驗(yàn)矩陣中記錄了在各試驗(yàn)條件下使用該輔助系統(tǒng)時(shí)，影響車(chē)輛燃油消耗的各參數(shù)信息，以及最終的燃油消耗結(jié)果。根據(jù)得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)的可靠性、可用性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表2 實(shí)車(chē)測(cè)試節(jié)油效果

根據(jù)多輪次標(biāo)定后，最新版本數(shù)據(jù)測(cè)試綜合節(jié)油效果如表2。

4 總結(jié)

通過(guò)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析與需求分析，結(jié)合國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，確定所開(kāi)發(fā)輔助系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)與系統(tǒng)功能框架；通過(guò)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供高精度、高效的數(shù)據(jù)采集工具，為駕駛行為數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建提供技術(shù)支持；通過(guò)實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)采集，獲取大量實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)，構(gòu)建駕駛行為數(shù)據(jù)庫(kù)；通過(guò)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)算法開(kāi)發(fā)，確定車(chē)輛在燃油消耗較低狀態(tài)下，車(chē)輛各相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)特征與范圍，進(jìn)而實(shí)時(shí)判斷駕駛員操作行為是否處于最優(yōu)；通過(guò)駕駛行為提示，與駕駛員進(jìn)行人機(jī)交互，幫助駕駛糾正并養(yǎng)成良好的駕駛習(xí)慣。

該系統(tǒng)的成功開(kāi)發(fā)與推廣，必將有助于車(chē)輛燃油消耗水平的降低，緩解車(chē)輛對(duì)傳統(tǒng)能源消耗與環(huán)境保護(hù)造成的巨大壓力。