總線式車身控制系統的規則化建模技術

一、前言

??? 汽車車身上安裝的電子器件和設備不斷增多，例如：電動座椅、電動門窗、可開式車頂、可調式轉向盤、空調系統等；還有各種車燈、雨刮器、電動門鎖、除霜器、后視鏡、喇叭、各種指示燈及各種數字式儀表（轉速表、車速表、水溫表、油量表）等。車用電子控制系統、傳感器、執行機構和電線的數量也不斷增加。汽車車身控制系統的功能是實現對車身上各種器件方便靈活地綜合控制。

??? 在傳統的車身控制系統中，采用線束通過點對點的方式實現各種電子器件之間的相互連接和對其進行直接控制。但是隨著器件的增加，使汽車內部的線束日益復雜、車內可利用空間變得越來越小，且由于線路復雜、故障率增加，造成汽車的制造成本提高，設計和維護難度也不斷增加，可靠性卻大大降低。如何對車身控制系統進行改造，解決上述遇到的問題，受到越來越多國內外汽車業內人士的關注。

??? 二、總線式車身控制系統

??? 傳統的車身控制系統中的線束不僅用來傳遞信號，而且借助于線束及繼電器和開關的觸點來實現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部位，因此車身控制系統更適合采用分布式控制系統來構建。

??? 新型的車身控制系統采用1根總線來代替繁雜的點對點的線束，引入軟硬件相結合的智能控制節點來構建車身控制系統。其方法是把各種器件連接到分布于車身中的多個智能控制節點上，每個智能控制節點都是擁有一定計算和存儲資源的嵌入式處理單元。智能控制節點通過總線連接在一起，通過智能控制節點中的軟件來實現對各種器件的綜合控制，也即用軟件邏輯取代傳統車身控制系統中的硬件邏輯，具有更好的靈活性和易維護性。

??? CAN是被廣泛應用于汽車中的一種總線技術，采用CAN總線技術構建車身控制系統的網絡平臺，以串行結構的總線代替并行結構的線束，實現分布式多路傳輸，可方便地實現各部件之間的信息交互和共享；同時集成實時診斷、測試和故障報警等多種功能；并能通過信息屏直接給出故障位置，便于維護；任意增減功能而不會影響其它部分的工作。采用CAN總線技術構建車身控制系統的網絡平臺是未來的發展方向。

??? 但如何設計和開發車身控制系統軟件，建立便于使用的、規范化的建模和設計方法及相應的開發平臺是需要解決的關鍵問題。

??? 三、自動機模型建模分析

??? 車身控制系統的狀態體現為各種器件的狀態，器件狀態的改變是由用戶操作、傳感器檢測等觸發的離散事件驅動，從而導致系統狀態動態演化。車身控制系統是個典型的離散事件控制系統，通常采用有限自動機模型進行建模。典型的有限自動機表示為一個五元組

??? A=（S，E，η，y0，Sm）（1）

??? 式中S為狀態集，E為事件集，η為狀態轉移函數，y0為初始狀態，Sm為終止狀態集。

??? S是個非空集合，y0∈S，SmAS，并且η：S×E→S。其含義是：若e∈E，s1∈S，s2∈S，當事件e發生時，系統的狀態由s1轉變為s2，η將S與E的乘積映射到S。

??? 用有限自動機模型對車身控制系統進行建模，首先要確定系統的S，其次要給出系統的η。車身控制系統中涉及的器件多，并且器件的狀態數目也較多，如果直接對整個系統進行建模，系統的狀態空間S將會很龐大。

??? 假設器件個數為20，每個器件的狀態數為3，車身控制系統的狀態由所有器件的狀態決定，則系統的狀態為所有器件狀態的組合，對應的狀態數為320，狀態空間非常龐大。再考慮η可用狀態轉移矩陣、狀態轉移表或狀態轉移圖的形式表示，三者具有等價性，可互相轉換。以狀態轉移矩陣為例，用行表示狀態機所處的當前狀態，列表示將要到達的下一個狀態，行列交叉處表示觸發事件，則得到的是320×320的矩陣，狀態空間更加龐大。

???

??? 從以上的分析可以看出，用有限自動機模型對車身控制系統進行建模，系統的狀態數存在狀態組合復雜性問題。另外，用有限自動機進行建模，在系統所處的每1個狀態上，任何時刻最多只執行1個操作，即只能描述順序系統，而無并發描述能力，但車身控制系統中存在大量并發事件和并發行為。

??? 針對用有限自動機模型對車身控制系統進行建模所存在的問題，作者提出一種新的車身控制系統的建模和設計方法—規則化描述方法。

??? 規則化描述方法引入分層建模機制，將組成系統的對象分解為多層，建立系統對象的樹狀層次模型，用邏輯規則表達式描述系統對象之間的邏輯控制關系，用消息來傳遞控制關系。系統的控制任務被劃分為多個子任務，分布到組成系統的各層對象中，從而有效地減小系統控制的復雜性。用消息機制可方便地實現對并發事件和并發行為的處理。

??? 四、分層建模機制

??? 采用規則化描述方法對車身控制系統進行建模，為降低系統設計的復雜性，將系統對象分解為部件和接口兩層。將系統的對象按照組成關系進行分層，同時也將系統的整個狀態空間S劃分為多個子空間。對系統的劃分遵循“高內聚、低耦合”的原則，從而有效降低控制的復雜性。系統的控制任務被劃分為多個子任務，分布到組成系統的各層對象中。高層對象充當管理器的角色，協調系統各個組成部分之間的控制任務；低層是傳感器和執行器等，直接與外界進行交互，傳感器實時感知環境信息并遞交給高層對象，執行器主要用來把控制器的指令變換為實際的物理動作并作用于環境。系統各層對象之間存在著邏輯控制關系，對象之間的邏輯控制關系通過消息進行傳遞，由低層發送到高層的是通告消息，由高層發送到低層的是控制（命令）消息。

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

??? 其中部件是對系統中每個在功能上相對獨立的器件的邏輯抽象，接口是對控制單元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”一個部件；前照燈又有遠光、近光、開關等正常狀態和開路、短路等故障狀態。部件以及接口之間存在著邏輯控制關系，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系，將這種邏輯關系采用形式化的邏輯規則表達式來描述。

??? 五、邏輯控制關系的規則描述

??? 車身控制系統的狀態由組成系統的所有部件和接口的狀態的集合決定，事件引發系統狀態變化，也即導致部件和接口的狀態改變，如何改變和變化的過程由部件和接口的邏輯控制關系決定。邏輯控制關系由邏輯規則表達式描述，系統狀態的變化體現為邏輯控制關系以消息的方式在部件和接口之間進行傳遞（當邏輯控制關系所涉及的2個部件位于不同的控制單元中時，控制消息通過CAN進行傳送），并觸發相應部件和接口的狀態改變。

??? 邏輯規則表達式，簡稱規則式，是對部件和接口的邏輯關系的形式化表示。邏輯規則表達式可以看作為ECA規則的簡化。一條ECA規則可表示為

???

??? 式中E、C、A分別為規則的事件、條件和動作；P為描述規則行為或狀態的附加性質。

??? ECA規則的職能是：當規則事件發生時，系統實時地或在規定時刻檢查規則的條件，如滿足則執行規則的動作。

??? 車身控制系統中的事件由用戶操作或傳感器檢測觸發，并引發相應器件狀態的變化，因此事件在表達式中也可以作為條件進行處理，從而可以使表達式得到簡化。

??? 采用Backus Naur范式語法表示方法，給出邏輯規則表達式的形式化定義如下。

??? 定義1（邏輯規則表達式）

??? 邏輯規則表達式：：=左件→右件

??? 左件：：=因子|因子&左件

??? 右件：：=因子|因子&右件

??? 即邏輯規則表達式的一般形式為

??? 因子&因子&?&因子→因子&因子&?&因子

??? 表達式中符號“→”左邊的部分稱為邏輯規則表達式的左件，其右邊的部分稱為邏輯規則表達式的右件。左件和右件均由因子組成，當因子不止1個時，中間用“&”相連，表示“邏輯與”。左件因子是條件因子，右件因子是響應因子。

??? 定義1給出邏輯規則表達式的語法形式，語義是：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，則執行右件，即執行各響應因子。

??? 采用Backus Naur范式語法表示方法，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）

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

??? 車身控制系統中的控制行為和各部件之間的邏輯控制關系可方便地用邏輯規則表達式描述。

??? 例如：對于下面的邏輯控制關系

?? ?如果? 變光開關位于“近光”擋

??? 燈光開關位于“大燈”擋

??? 點火開關處于“ON”狀態

??? 那么汽車前照燈點亮近光燈

??? 該邏輯控制關系可以形式化地表示為規則式

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

???

??? 圖2 規則化描述方法的規則處理過程

??? 采用規則化描述方法對車身控制系統進行建模，關鍵就是采用近似自然語言的邏輯規則表達式來描述系統各組成部分之間的邏輯控制關系，形成規則庫；規則庫經過編碼以后由系統的控制單元解釋執行；最終系統的控制過程就是事件觸發、規則匹配、規則執行以及消息傳遞的過程，如圖2所示。要修改系統的控制邏輯，只要修改規則庫中的邏輯規則表達式即可實現。

??? 規則化描述方法的特點可以概括為以下幾點。

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

??? （2）模塊性 規則式是規則庫中最基本的單元，規則之間相互獨立，不互相調用、修改，增刪方便，容易擴充和完善。

??? （3）清晰性 規則式有固定的格式，每條規則式都由條件和操作兩部分組成，這種統一的格式既易于設計、控制，又易于進行一致性、完整性檢測。

??? （4）獨立性 表示系統邏輯控制關系的規則庫與執行規則的推理機相對獨立，便于規則庫的管理與維護，也便于推理機的設計與實現。

??? 六、結論

??? （1）基于CAN總線技術并采用規則化描述方法的車身控制系統的建模方法，構建相應的試驗環境和仿真、調試、測試工具，并成功應用于試驗車中。

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

??? （3）當汽車車型發生變化或汽車需要增加新的功能時，只需對由邏輯規則表達式等組成的用戶描述文件進行修改，無需花費大量時間重新編制系統軟件，提高了可重用性，縮短新型汽車的開發周期，降低開發成本。