總線式車身控制系統(tǒng)的規(guī)則化建模技術(shù)

總線式車身控制系統(tǒng)的規(guī)則化建模技術(shù)

一、前言

??? 汽車車身上安裝的電子器件和設(shè)備不斷增多，例如：電動(dòng)座椅、電動(dòng)門窗、可開式車頂、可調(diào)式轉(zhuǎn)向盤、空調(diào)系統(tǒng)等；還有各種車燈、雨刮器、電動(dòng)門鎖、除霜器、后視鏡、喇叭、各種指示燈及各種數(shù)字式儀表（轉(zhuǎn)速表、車速表、水溫表、油量表）等。車用電子控制系統(tǒng)、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電線的數(shù)量也不斷增加。汽車車身控制系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)車身上各種器件方便靈活地綜合控制。

??? 在傳統(tǒng)的車身控制系統(tǒng)中，采用線束通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)各種電子器件之間的相互連接和對(duì)其進(jìn)行直接控制。但是隨著器件的增加，使汽車內(nèi)部的線束日益復(fù)雜、車內(nèi)可利用空間變得越來越小，且由于線路復(fù)雜、故障率增加，造成汽車的制造成本提高，設(shè)計(jì)和維護(hù)難度也不斷增加，可靠性卻大大降低。如何對(duì)車身控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，解決上述遇到的問題，受到越來越多國(guó)內(nèi)外汽車業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。

??? 二、總線式車身控制系統(tǒng)

??? 傳統(tǒng)的車身控制系統(tǒng)中的線束不僅用來傳遞信號(hào)，而且借助于線束及繼電器和開關(guān)的觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)各種器件之間的控制邏輯。由于各種器件分散在車身的各個(gè)部位，因此車身控制系統(tǒng)更適合采用分布式控制系統(tǒng)來構(gòu)建。

??? 新型的車身控制系統(tǒng)采用1根總線來代替繁雜的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的線束，引入軟硬件相結(jié)合的智能控制節(jié)點(diǎn)來構(gòu)建車身控制系統(tǒng)。其方法是把各種器件連接到分布于車身中的多個(gè)智能控制節(jié)點(diǎn)上，每個(gè)智能控制節(jié)點(diǎn)都是擁有一定計(jì)算和存儲(chǔ)資源的嵌入式處理單元。智能控制節(jié)點(diǎn)通過總線連接在一起，通過智能控制節(jié)點(diǎn)中的軟件來實(shí)現(xiàn)對(duì)各種器件的綜合控制，也即用軟件邏輯取代傳統(tǒng)車身控制系統(tǒng)中的硬件邏輯，具有更好的靈活性和易維護(hù)性。

??? CAN是被廣泛應(yīng)用于汽車中的一種總線技術(shù)，采用CAN總線技術(shù)構(gòu)建車身控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，以串行結(jié)構(gòu)的總線代替并行結(jié)構(gòu)的線束，實(shí)現(xiàn)分布式多路傳輸，可方便地實(shí)現(xiàn)各部件之間的信息交互和共享；同時(shí)集成實(shí)時(shí)診斷、測(cè)試和故障報(bào)警等多種功能；并能通過信息屏直接給出故障位置，便于維護(hù)；任意增減功能而不會(huì)影響其它部分的工作。采用CAN總線技術(shù)構(gòu)建車身控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)是未來的發(fā)展方向。

??? 但如何設(shè)計(jì)和開發(fā)車身控制系統(tǒng)軟件，建立便于使用的、規(guī)范化的建模和設(shè)計(jì)方法及相應(yīng)的開發(fā)平臺(tái)是需要解決的關(guān)鍵問題。

??? 三、自動(dòng)機(jī)模型建模分析

??? 車身控制系統(tǒng)的狀態(tài)體現(xiàn)為各種器件的狀態(tài)，器件狀態(tài)的改變是由用戶操作、傳感器檢測(cè)等觸發(fā)的離散事件驅(qū)動(dòng)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)狀態(tài)動(dòng)態(tài)演化。車身控制系統(tǒng)是個(gè)典型的離散事件控制系統(tǒng)，通常采用有限自動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行建模。典型的有限自動(dòng)機(jī)表示為一個(gè)五元組

??? A=（S，E，η，y0，Sm）（1）

??? 式中S為狀態(tài)集，E為事件集，η為狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，y0為初始狀態(tài)，Sm為終止?fàn)顟B(tài)集。

??? S是個(gè)非空集合，y0∈S，SmAS，并且η：S×E→S。其含義是：若e∈E，s1∈S，s2∈S，當(dāng)事件e發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)的狀態(tài)由s1轉(zhuǎn)變?yōu)閟2，η將S與E的乘積映射到S。

??? 用有限自動(dòng)機(jī)模型對(duì)車身控制系統(tǒng)進(jìn)行建模，首先要確定系統(tǒng)的S，其次要給出系統(tǒng)的η。車身控制系統(tǒng)中涉及的器件多，并且器件的狀態(tài)數(shù)目也較多，如果直接對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行建模，系統(tǒng)的狀態(tài)空間S將會(huì)很龐大。

??? 假設(shè)器件個(gè)數(shù)為20，每個(gè)器件的狀態(tài)數(shù)為3，車身控制系統(tǒng)的狀態(tài)由所有器件的狀態(tài)決定，則系統(tǒng)的狀態(tài)為所有器件狀態(tài)的組合，對(duì)應(yīng)的狀態(tài)數(shù)為320，狀態(tài)空間非常龐大。再考慮η可用狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣、狀態(tài)轉(zhuǎn)移表或狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖的形式表示，三者具有等價(jià)性，可互相轉(zhuǎn)換。以狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為例，用行表示狀態(tài)機(jī)所處的當(dāng)前狀態(tài)，列表示將要到達(dá)的下一個(gè)狀態(tài)，行列交叉處表示觸發(fā)事件，則得到的是320×320的矩陣，狀態(tài)空間更加龐大。

???

??? 從以上的分析可以看出，用有限自動(dòng)機(jī)模型對(duì)車身控制系統(tǒng)進(jìn)行建模，系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)存在狀態(tài)組合復(fù)雜性問題。另外，用有限自動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模，在系統(tǒng)所處的每1個(gè)狀態(tài)上，任何時(shí)刻最多只執(zhí)行1個(gè)操作，即只能描述順序系統(tǒng)，而無并發(fā)描述能力，但車身控制系統(tǒng)中存在大量并發(fā)事件和并發(fā)行為。

??? 針對(duì)用有限自動(dòng)機(jī)模型對(duì)車身控制系統(tǒng)進(jìn)行建模所存在的問題，作者提出一種新的車身控制系統(tǒng)的建模和設(shè)計(jì)方法—規(guī)則化描述方法。

??? 規(guī)則化描述方法引入分層建模機(jī)制，將組成系統(tǒng)的對(duì)象分解為多層，建立系統(tǒng)對(duì)象的樹狀層次模型，用邏輯規(guī)則表達(dá)式描述系統(tǒng)對(duì)象之間的邏輯控制關(guān)系，用消息來傳遞控制關(guān)系。系統(tǒng)的控制任務(wù)被劃分為多個(gè)子任務(wù)，分布到組成系統(tǒng)的各層對(duì)象中，從而有效地減小系統(tǒng)控制的復(fù)雜性。用消息機(jī)制可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)并發(fā)事件和并發(fā)行為的處理。

??? 四、分層建模機(jī)制

??? 采用規(guī)則化描述方法對(duì)車身控制系統(tǒng)進(jìn)行建模，為降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，將系統(tǒng)對(duì)象分解為部件和接口兩層。將系統(tǒng)的對(duì)象按照組成關(guān)系進(jìn)行分層，同時(shí)也將系統(tǒng)的整個(gè)狀態(tài)空間S劃分為多個(gè)子空間。對(duì)系統(tǒng)的劃分遵循“高內(nèi)聚、低耦合”的原則，從而有效降低控制的復(fù)雜性。系統(tǒng)的控制任務(wù)被劃分為多個(gè)子任務(wù)，分布到組成系統(tǒng)的各層對(duì)象中。高層對(duì)象充當(dāng)管理器的角色，協(xié)調(diào)系統(tǒng)各個(gè)組成部分之間的控制任務(wù)；低層是傳感器和執(zhí)行器等，直接與外界進(jìn)行交互，傳感器實(shí)時(shí)感知環(huán)境信息并遞交給高層對(duì)象，執(zhí)行器主要用來把控制器的指令變換為實(shí)際的物理動(dòng)作并作用于環(huán)境。系統(tǒng)各層對(duì)象之間存在著邏輯控制關(guān)系，對(duì)象之間的邏輯控制關(guān)系通過消息進(jìn)行傳遞，由低層發(fā)送到高層的是通告消息，由高層發(fā)送到低層的是控制（命令）消息。

??? 車身控制系統(tǒng)由多個(gè)部件組成，每個(gè)部件包含一個(gè)或多個(gè)接口，形成如圖1所示的樹狀層次模型。

??? 其中部件是對(duì)系統(tǒng)中每個(gè)在功能上相對(duì)獨(dú)立的器件的邏輯抽象，接口是對(duì)控制單元I/O口的抽象。例如：汽車的前照燈由左右2只組成，在非故障情況下它們始終是同亮同滅，便可在邏輯上將其定義為“前照燈”一個(gè)部件；前照燈又有遠(yuǎn)光、近光、開關(guān)等正常狀態(tài)和開路、短路等故障狀態(tài)。部件以及接口之間存在著邏輯控制關(guān)系，包括部件與部件之間、部件與接口之間、接口與接口之間的邏輯關(guān)系，將這種邏輯關(guān)系采用形式化的邏輯規(guī)則表達(dá)式來描述。

??? 五、邏輯控制關(guān)系的規(guī)則描述

??? 車身控制系統(tǒng)的狀態(tài)由組成系統(tǒng)的所有部件和接口的狀態(tài)的集合決定，事件引發(fā)系統(tǒng)狀態(tài)變化，也即導(dǎo)致部件和接口的狀態(tài)改變，如何改變和變化的過程由部件和接口的邏輯控制關(guān)系決定。邏輯控制關(guān)系由邏輯規(guī)則表達(dá)式描述，系統(tǒng)狀態(tài)的變化體現(xiàn)為邏輯控制關(guān)系以消息的方式在部件和接口之間進(jìn)行傳遞（當(dāng)邏輯控制關(guān)系所涉及的2個(gè)部件位于不同的控制單元中時(shí)，控制消息通過CAN進(jìn)行傳送），并觸發(fā)相應(yīng)部件和接口的狀態(tài)改變。

??? 邏輯規(guī)則表達(dá)式，簡(jiǎn)稱規(guī)則式，是對(duì)部件和接口的邏輯關(guān)系的形式化表示。邏輯規(guī)則表達(dá)式可以看作為ECA規(guī)則的簡(jiǎn)化。一條ECA規(guī)則可表示為

???

??? 式中E、C、A分別為規(guī)則的事件、條件和動(dòng)作；P為描述規(guī)則行為或狀態(tài)的附加性質(zhì)。

??? ECA規(guī)則的職能是：當(dāng)規(guī)則事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)地或在規(guī)定時(shí)刻檢查規(guī)則的條件，如滿足則執(zhí)行規(guī)則的動(dòng)作。

??? 車身控制系統(tǒng)中的事件由用戶操作或傳感器檢測(cè)觸發(fā)，并引發(fā)相應(yīng)器件狀態(tài)的變化，因此事件在表達(dá)式中也可以作為條件進(jìn)行處理，從而可以使表達(dá)式得到簡(jiǎn)化。

??? 采用Backus Naur范式語(yǔ)法表示方法，給出邏輯規(guī)則表達(dá)式的形式化定義如下。

??? 定義1（邏輯規(guī)則表達(dá)式）

??? 邏輯規(guī)則表達(dá)式：：=左件→右件

??? 左件：：=因子|因子&左件

??? 右件：：=因子|因子&右件

??? 即邏輯規(guī)則表達(dá)式的一般形式為

??? 因子&因子&?&因子→因子&因子&?&因子

??? 表達(dá)式中符號(hào)“→”左邊的部分稱為邏輯規(guī)則表達(dá)式的左件，其右邊的部分稱為邏輯規(guī)則表達(dá)式的右件。左件和右件均由因子組成，當(dāng)因子不止1個(gè)時(shí)，中間用“&”相連，表示“邏輯與”。左件因子是條件因子，右件因子是響應(yīng)因子。

??? 定義1給出邏輯規(guī)則表達(dá)式的語(yǔ)法形式，語(yǔ)義是：如果左件為真，即左件中所有的條件因子均為真，也即條件符合，則執(zhí)行右件，即執(zhí)行各響應(yīng)因子。

??? 采用Backus Naur范式語(yǔ)法表示方法，給出因子的形式化定義如下。

??? 定義2（因子）

??? 因子：：=（因子名=因子值）

??? 因子是邏輯規(guī)則表達(dá)式的基本組成單元，因子由因子名和因子值兩部分組成，分別代表部件/接口和其狀態(tài)值。

??? 車身控制系統(tǒng)中的控制行為和各部件之間的邏輯控制關(guān)系可方便地用邏輯規(guī)則表達(dá)式描述。

??? 例如：對(duì)于下面的邏輯控制關(guān)系

?? ?如果? 變光開關(guān)位于“近光”擋

??? 燈光開關(guān)位于“大燈”擋

??? 點(diǎn)火開關(guān)處于“ON”狀態(tài)

??? 那么汽車前照燈點(diǎn)亮近光燈

??? 該邏輯控制關(guān)系可以形式化地表示為規(guī)則式

??? （變光開關(guān)=近光）&（燈光開關(guān)=大燈）&（點(diǎn)火開關(guān)=ON）→（前照燈=近光燈）

???

??? 圖2 規(guī)則化描述方法的規(guī)則處理過程

??? 采用規(guī)則化描述方法對(duì)車身控制系統(tǒng)進(jìn)行建模，關(guān)鍵就是采用近似自然語(yǔ)言的邏輯規(guī)則表達(dá)式來描述系統(tǒng)各組成部分之間的邏輯控制關(guān)系，形成規(guī)則庫(kù)；規(guī)則庫(kù)經(jīng)過編碼以后由系統(tǒng)的控制單元解釋執(zhí)行；最終系統(tǒng)的控制過程就是事件觸發(fā)、規(guī)則匹配、規(guī)則執(zhí)行以及消息傳遞的過程，如圖2所示。要修改系統(tǒng)的控制邏輯，只要修改規(guī)則庫(kù)中的邏輯規(guī)則表達(dá)式即可實(shí)現(xiàn)。

??? 規(guī)則化描述方法的特點(diǎn)可以概括為以下幾點(diǎn)。

??? （1）自然性 與人的思維相似，直觀、自然，容易理解和解釋，便于人機(jī)交換信息。

??? （2）模塊性 規(guī)則式是規(guī)則庫(kù)中最基本的單元，規(guī)則之間相互獨(dú)立，不互相調(diào)用、修改，增刪方便，容易擴(kuò)充和完善。

??? （3）清晰性 規(guī)則式有固定的格式，每條規(guī)則式都由條件和操作兩部分組成，這種統(tǒng)一的格式既易于設(shè)計(jì)、控制，又易于進(jìn)行一致性、完整性檢測(cè)。

??? （4）獨(dú)立性 表示系統(tǒng)邏輯控制關(guān)系的規(guī)則庫(kù)與執(zhí)行規(guī)則的推理機(jī)相對(duì)獨(dú)立，便于規(guī)則庫(kù)的管理與維護(hù)，也便于推理機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

??? 六、結(jié)論

??? （1）基于CAN總線技術(shù)并采用規(guī)則化描述方法的車身控制系統(tǒng)的建模方法，構(gòu)建相應(yīng)的試驗(yàn)環(huán)境和仿真、調(diào)試、測(cè)試工具，并成功應(yīng)用于試驗(yàn)車中。

??? （2）使用規(guī)則化描述方法大大簡(jiǎn)化不同車型、不同功能的車身控制軟硬件的開發(fā)和維護(hù)。

??? （3）當(dāng)汽車車型發(fā)生變化或汽車需要增加新的功能時(shí)，只需對(duì)由邏輯規(guī)則表達(dá)式等組成的用戶描述文件進(jìn)行修改，無需花費(fèi)大量時(shí)間重新編制系統(tǒng)軟件，提高了可重用性，縮短新型汽車的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。