基于車聯網技術車輛火情監控預警系統設計

李松原

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545006）

1 引言

隨著中國汽車保有量的增加，火燒車數量也逐年增加。引起車輛火燒原因除外部因素外，內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，以及相關用電器內部故障引發明火；油路引燃指車輛供油系統存在燃油泄漏，遇高溫引起明火。

車輛火燒事前車輛無明顯征兆及故障提示，事發過程極快，短時間內車輛可燒為灰燼，事發后可供排查信息少，加之摻雜環境、氣候、車況、駕駛習慣、治安條件等眾多因素干擾，原因查找極為困難，經濟損失巨大［2］；汽車生產企業無法及時監控車輛火燒情況，只能被動等待客戶反饋，無法及時提供客戶關懷服務，同時錯失最佳調查排查及現場取證時期。配備車輛火情監控預警系統可以有效降低車主及車輛生產企業經濟、財產損失。

現有車輛火情監控裝置［3-9］，主要存在以下不足。

1）現有技術主要通過溫度、煙霧傳感器探測特定信息源［3］，但無法定位車輛火燒的起火點及車輛故障原因，對后期車輛火燒原因排查無顯著幫助。

2）僅能實現車輛單體預警，未能實現聯網將火情及時傳遞給車主、車輛生產企業。

3）僅監測單一信息指標，無法同時監控電路引燃、油路引燃引發的火情，預警覆蓋面較窄［6-9］。

4）傳感器分布、數量有限，整車監測范圍小，預警效果受限。

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

本文提出一種車輛火情監控預警系統，在無需新增專用傳感執行器及控制終端的前提下，以車聯網主機作為數據處理、控制終端，通過讀取車輛已搭載系統中各類溫度傳感器數據建立溫度場，空調系統傳感器監測車輛空氣質量，電噴系統監控車輛燃油變化量，并比對各系統發出的故障碼，通過算法及標定數據實現火情監控、識別及預警，協助乘客開展自救，并實時將火情信息上傳后臺服務器，通過手機終端將火情告知車主，并由汽車生產企業開展火情處置。

2 系統功能設計

車輛火情監控預警系統主要功能為監控車輛行駛狀態，當車輛出現火情時及時協助乘客開展自救，同時搜集車輛火情信息，通過車聯網車載無線終端將相關信息上傳至后臺服務器，便于汽車生產企業取證，開展客戶關懷、售后處理、火情處置，減少車主、汽車生產企業經濟、財產損失。具體可實現功能如下。

1）可實現燃油車輛、電動車輛火情監控：除對燃油車輛油路引燃、電路引燃火情進行識別監控外，實現對電動車輛高壓系統引燃火情進行監控。

2）對車輛火情信息進行記錄：車輛起火源、失效系統、故障碼、乘客情況、車輛起火時整車工況、外部環境等火情信息進行全面記錄。

3）火情預警：通過聲、光、圖像信息等方式對乘客進行火情預警。

4）協助乘客開展自救：對車輛行駛狀態進行控制，便于乘客快速逃生。

5）火情信息上傳：通過車聯網無線終端將車輛火情信息上傳至后臺服務器，汽車生產企業依據所獲信息開展售后處置工作。

3 總體架構設計

系統由傳感層、決策應用層、云端執行層組成，總體架構如圖1所示。

圖1 系統架構

1）傳感層由整車中各類傳感器、執行器組成，包含溫度類傳感器，油位傳感器、空氣質量類傳感器、蓄電池傳感器、輪速傳感器、安全帶開關等，可感知整車特定位置溫度、油壓、空氣質量、電流、車速、乘客數量等參數信息。傳感、執行器與所屬系統控制器間通過CAN總線、LIN總線及硬線通信。

2）決策應用層由車聯網主機與各類系統控制器組成，包括車身控制器 （BCM）、自動空調控制器、車身電子穩定系統 （ESP）、氣囊ECU、無鑰匙進入與一鍵啟動 （PEPS）控制器、車機，電動車輛還包含電池包控制器 （BMS）、電機控制器 （MCU）、整車控制器 （VCM）、車載充電機（OBCM）等控制器，各控制器與車聯網主機通過CAN總線、USB總線通信。當各子系統中傳感器檢測到數值異常，執行器出現故障時，控制器將記錄相關異常數值及故障碼，并將信息傳遞至車聯網主機。車聯網主機在接收到相關信息后進行判斷決策，確認車輛出現火情后發送指令至相關控制器執行協助自救策略，同時上傳相關信息至云端執行層。

3）云端執行層由車聯網后臺服務器、手機終端及汽車生產企業售后服務站組成。后臺服務器與車輛間通過4G網絡進行通信，在收到的火情信息后由汽車生產企業組織人工復核，確認火情屬實后根據車輛定位信息通知當地售后服務站開展火情處置、客戶關懷，同時向車主手機終端推送相關火情信息。

4 系統硬件構成

根據系統功能設計，車輛火情監控預警系統由火情監控模塊、火情信息記錄模塊、火情預警模塊及協助自救模塊組成，其中，火情監控模塊可細分為溫度場監控模塊、空氣質量監控模塊、油路監控模塊及系統故障碼監控模塊。

4.1 火情監控模塊

4.1.1 溫度場監控模塊

溫度場監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空調系統外部溫度傳感器、內部溫度傳感器，燃油車輛電噴系統中各類溫度傳感器，電動車輛中高壓系統部件相關溫度傳感器。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硬線或LIN總線通信。當傳感器監測到溫度偏離工作溫度值時，控制器記錄相關溫度傳感器溫度過高故障碼，并將數值傳遞至車聯網主機用于溫度場構建及火情判定。

4.1.2 空氣質量監控模塊

空氣質量監控模塊由車聯網主機、自動空調系統構成，空調系統中空調控制器、AQS傳感器、PM2.5傳感器參與模塊構建。

AQS傳感器布置于前圍流水槽HVAC進風口處，用于監測NOx、COx、CxHy、SOx等各類氮氧化物、碳氧化物、碳氫化物及硫氧化物。PM2.5傳感器布置于HVAC進風口內，用于空氣中懸浮顆粒物監測，采用激光散射法［10］計算顆粒數量及直徑，可監測0.1μm以上顆粒物，檢測濃度為大于0.1mg／m3。當車輛機艙內存在明火時，AQS傳感器、PM2.5傳感器監測到數值偏差，當數值偏差過大時，空調控制器記錄相關數值，并通過CAN總線將相關數值傳遞至車聯網主機，作為車聯網主機火情判定依據之一。

圖2 溫度場監控模塊架構

表1 參數設計任務

4.1.3 油路監控模塊

油路監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成，決策應用層由車聯網主機、組合儀表及發動機ECU構成。油位傳感器位于油箱中，輸出模擬信號向組合儀表傳遞油箱燃油余量。氧傳感器作為閉環燃油控制的重要傳感部件，可監測由于油路故障導致的排放異常，反饋發動機ECU；油路故障時，油軌壓力傳感器可監測油壓異常，相關故障碼及數據由發動機ECU記錄并通過CAN總線傳遞至車聯網主機。車聯網主機除記錄相關故障碼及數據外，還對油箱燃油減少量與油軌噴射量進行比對，作為油路是否存在故障的參考之一。

4.1.4 系統故障碼監控模塊

系統故障碼監控模塊由車聯網主機及所有CAN總線上節點系統組成。各系統出現傳感器、執行器開路、短路故障，疑似存在火情災害，系統控制器將故障碼進行記錄并傳遞至車聯網主機；系統控制器CAN節點丟失，疑似存在火情災害的，車聯網主機將記錄丟失節點，作為火情判定決策依據之一。

圖3 油路場監控模塊架構

4.2 火情信息記錄模塊

火情信息記錄模塊如圖4所示。當判定車輛存在火情時，車聯網主機通過USB總線從車機提取行車記錄儀實時記錄畫面；通過氣囊ECU采集車上乘客數量；通過ESP采集車輛實時車速；火情監控模塊中各類傳感器、控制器數據將在車聯網主機內進行記錄存儲。同時，車聯網主機通過GPS獲得當前車輛位置及實時時間，通過服務提供商 （TSP）獲取車輛所在地當地氣溫、天氣、事發周邊路況等相關信息，通過車聯網登入賬號確認車輛駕駛員信息。車聯網主機內置車輛底盤號等生產信息，上述信息經車聯網主機按策略整理匯總，構成車聯網主機上傳后臺服務器的車輛火情信息。

圖4 火情信息記錄模塊架構

4.3 火情預警模塊

車聯網主機在判斷火情并完成火情信息收集后，對車輛火情進行預警，模塊架構如圖5所示：車聯網主機下發車控指令，通過BCM控制氛圍燈點亮并轉換顏色，顏色碼為#FF0000；組合儀表驅動蜂鳴器規律鳴叫；車機驅動揚聲器發出預警音，中控顯示屏及組合儀表顯示車輛火情預警信息。同時，將車輛火情信息推送至后臺服務器，并通過后臺服務器發送至手機終端，對車主進行火情告知。

圖5 火情預警模塊架構

4.4 協助自救模塊

協助自救模塊硬件組成如圖6所示。車聯網主機下發車控指令，BCM解除中控自動落鎖，危險警告燈開啟，并打開全景天窗；玻璃升降控制器將整車車窗降至行程最低點；ESP根據當前車速對車輛進行控制，降低車輛車速。發動機ECU控制主動進氣格柵葉片處于關閉狀態，減少空氣進入量，降低燃燒速度；調整發動機控制策略，降低發動機輸出功率，車輛進入跛行模式。對于電動車輛，VCM控制BMS、MCU降低電池包、驅動電機輸出功率，車輛進入跛行模式。通過控制車輛狀態協助乘客自救，為乘客逃生爭取時間。

圖6 協助自救模塊架構

5 系統控制原理

火情監控預警系統控制原理流程如圖7所示。車輛在運行過程中，各控制器、傳感執行器按設定策略運行，監測各系統溫度、電壓、電流、油量、空氣質量等參數；當傳感器監測到參數指標異常，或控制器監測到系統內傳感器、執行器工作異常時，控制器記錄相關故障碼，并對故障碼是否為火情監控系統監測指標進行評定，對于與車輛火情無關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，待下一輪車輛進入服務站保養時檢測處理。

圖7 系統控制策略

當故障碼被認定為與火情相關時，控制器將故障碼報文通過CAN總線發送至車聯網主機。車聯網主機在收到相關故障碼報文后，結合各類溫度傳感器建立的溫度場矩陣，蓄電池傳感器記錄的電壓、電流數據流，空氣質量傳感器數據流及油路監控數據進行比對，確認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是否異常偏高等。當溫度場變化、電流電壓突變、空氣質量劣化情況、故障碼發生部位與設定策略及標定數據相吻合時，可判定為車輛火情。

當判定為存在火情時，車聯網主機首先通過火情信息記錄模塊記錄火情信息，并通過車載無線終端將其上傳至后臺服務器；其次，車聯網主機運行火情預警模塊，通過相關控制器對車輛乘客進行聲光預警，并通過降低車速、開啟逃生通道等形式協助乘客自救；后臺服務器在收到火情信息推送后，汽車生產企業對信息進行核實，對于屬實火情及時開展售后處置。

6 結論

本文提出了一種基于車聯網技術的車輛火情監控預警系統，在分析系統功能需求后，對系統硬件架構及運行策略進行了研究。所構建的火情監控預警系統可基于整車已搭載系統為硬件基礎，對燃油車輛、電動車輛因電路引燃、油路引燃等多種火燒因素進行同時監控、預警；其次，傳感器、執行器分布整車各個角落，監控要素較多，火情數據流完整，可立體地再現火情發生時車輛狀況，快速、準確還原車輛故障點；基于車聯網技術，可實現車輛遠程監控預警，汽車生產企業及時掌握火情信息，利于火情調查取證、判定；最后，系統模塊可根據車輛功能配置進行靈活搭建，無需新增額外實物成本，跨車型實施可行性高。