（机械设计及理论专业论文）城市客车信息集成控制网络功能模块的配置技术研究与应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着城市客车技术的快速发展和社会对城市客车功能要求的不断提高，汽 车电子技术在城市客车中得到了广泛地应用。电子控制单元( e c u ：e l e c t r o n i c c o n t r o lu n i t ) 的大量应用提高了城市客车的整体性能，适应乘客对车辆舒适性、 安全性和经济性等要求，满足政府对环境保护和交通资源优化配置的需要。藉 此，城市客车信息集成控制网络得以构建和推广应用。 城市客车信息集成控制网络中控制模块存在综合成本高、维护困难、功能 不能依据实际需求灵活配置等问题，因而有必要采用标准的控制模块，该模块 基于标准软、硬件组件，根据实际应用需求进行功能配置，构建满足不同车型 控制要求的控制模块。论文系统深入地研究城市客车信息集成控制网络功能模 块及其配置技术，并进行应用实践。论文的主要研究工作如下： ( 1 ) 运用模块化设计方法，分析城市客车信息集成控制网络的结构特征， 提出功能模块的概念；并从功能、结构和硬软接口等方面分析总结功能模块的 特性。 ( 2 ) 针对城市客车信息集成控制网络功能模块的功能需求，提出面向客户 需求的城市客车信息集成控制网络功能模块配置思路；通过对产品配置方法的 研究，构建功能模块的配置模型，提出功能模块的配置规则、求解模型和配置 算法。 ( 3 ) 以客户需求为主导，以电器特征为输入，结合城市客车信息集成控制 网络功能模块结构特征和功能要求，提出功能模块的接口和应用层协议设计方 案；基于平台化设计技术，构建城市客车信息集成控制网络功能模块配置平台。 ( 4 ) 基于本文工作结果，开发b h 型客车信息集成控制模块，并对控制模 块进行整体测试，验证技术的可行性和工程实用性。 本文的工作为城市客车信息集成控制网络研究和应用提供了技术基础，有 利于推进城市客车信息集成控制模块的广泛应用，对城市客车信息集成控制网 络产业化平台构建具有重要意义。 关键词：城市客车，信息集成控制，功能模块，配置技术 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc i t yb u st e c h n o l o g ya n di n c r e a s i n gr e q u i r e m e n tt o c i t y b u s so v e r a l lf u n c t i o n ，a u t o m o b i l ee l e c t r o n i c st e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di nb u s d e s i g n i n ga n dp r o d u c i n g t h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t s ( e c u s ) h a s g r e a t l ye n h a n c e dt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo fc i t yb u s e s ，s u c ha sc o m f o r t ，s a f e t y , e c o n o m ya n ds oo n t h i sa p p l i c a t i o nh a sa p p a r e n t l ym e tt h en e e do fe n v i r o n m e n t p r o t e c t i o na n dc o n f i g u r a t i o no p t i m i z a t i o no ft r a f f i cr e s o u r c e s t h e r e by ，c i t yb u s i n f o r m a t i o ni n t e g r a t e dc o n t r o ln e t w o r ki sf r e q u e n t l yc o n s t r u c t e da n da p p l i e d b e c a u s et h e r ea r eal o to fu n s o l v e dp r o b l e m si n f o r m a t i o nc o n t r o ls y s t e m s ，s u c h a sh i g hc o s t ，d i f f i c u l t yt om a i n t a m ，a n dl o wf l e x i b i l i t yo fs p e c i f i cc o n f i g u r a t i o n ，i ti s h i 曲l yn e c e s s a r yt o s t a n d a r d i z et h em o d u l e s t h em o d u l e s ，b a s e do ns t a n d a r d c o m p o s e r s ，c a n c o n d u c t p e r f o r m a n c ec o n f i g u r a t i o n a c c o r d i n g t o p r a c t i c a l r e q u i r e m e n t ss oa st oc o n s t r u c td i f f e r e n tc o n t r o lm o d u l e st or e a l i z es p e c i f i cf u n c t i o n i nt h i s p a p e r , c i t yb u si n f o r m a t i o ni n t e g r a t e dc o n t r o ln e t w o r ka n dt h er e l a t i v e c o n f i g u r a t i o nt e c h n i q u ea r er e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a l l ya n dd e e p l y , a n de n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o ni si n t r o d u c e d t h em a i nt h e s i sj o b sa l ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b yu s i n gm o d u l ed e s i g nm e t h o da n da n a l y z i n gt h ea r c h i t e c t u r a lc h a r a c t e ro f c i t yb u si n f o r m a t i o ni n t e g r a t e dc o n t r o ln e t w o r k ，t h ec o n c e p to ff u n c t i o nm o d u l e si s p u tf o r w a r d ，a n dt h ec h a r a c t e ro ff i _ i n c t i o nm o d u l e sa r ea n a l y z e da n dg e n e r a l i z e d ( 2 ) t h em e t h o do fp e r f o r m a n c em o d u l ec o n f i g u r a t i o no r i e n t e dt oc l i e n tn e e di s p r o p o s e d ，a i m i n ga td i f f e r e n tf u n c t i o nr e q u i r e m e n to fc i t yb u si n f o r m a t i o ni n t e g r a t e d c o n t r o ln e t w o r k b ys t u d y i n gt h ec o n f i g u r a t i o nm e t h o d ，am o d e lf o rc o n f i g u r a t i o ni s c o n s t r u c t e da l o n gw i t ht h ee s t a b l i s h m e n to fc o n f i g u r a t i o nr u l e s ，s o l v i n gm o d e l ，a n d c o n f i g u r a t i o na l g o r i t h m ( 3 ) t h ed e s i g nm e t h o do fi n t e r f a c eo ff u n c t i o nm o d u l e sa n dp r o t o c o lo f a p p l i c a t i o nl a y e ra r ea l s oi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , w h i l ec u s t o m e rd e m a n di s c o n s i d e r e da sl e a df a c t o m ，e l e c t r o n i c sc h a r a c t e ra si n p u t b a s e do np l a t f o r md e s i g n m e t h o d ，f u n c t i o nm o d u l e s c o n f i g u r a t i o np l a t f o r mi sc o n s t r u c t e df o r c i t yb u s i n f o r m a t i o ni n t e g r a t e dc o n t r o ln e t w o r k ( 4 ) b a s e do nt h er e s e a r c hr e s u l t ，t h ep a p e rd e v e l o p sb hb u si n f o r m a t i o n i n t e g r a t e di n f o r m a t i o nc o n t r o lm o d u l e s ，p e r f o r m st h eo v e r a l lt e s t i n g , a n dv e r i f i e st h e 武汉理工大学硕士学位论文 p r a c t i c a l i t ya n de n g i n e e r i n gv a l u e so ft h i st e c h n o l o g y t h ew o r ki nt h ep a p e rw i l lp r o v i d et e c h n o l o g ys u p p o r tf o rt h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fc i t yb u si n f o r m a t i o ni n t e g r a t e dc o n t r o ln e t w o r k ，a n dp r o m o t ei t s w i d e s p r e a da p p l i c a t i o n ，w h i c hi sa l s os i g n i f i c a n tt ot h ec o n s t r u c t i o no fi n d u s t r i a l p l a t f o r mo nc i t yb u sp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：c i t yb u s ，i n f o r m a t i o ni n t e g r a t e dc o n t r o l ，f u n c t i o n a lm o d u l e ， c o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g y i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名：鲤日期： 学位论文使用授权书 本人完全了懈武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关 机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生。签名，：j 逃导师。签名，：三趟日期掣， 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 城市客车是城市公共服务体系中的一个重要环节，是城市整体形象的窗口， 提高城市客车的服务质量，离不开客车自身硬件水平的提升。在城市客车功能要 求不断提高的背景下，伴随着客车技术的快速发展，汽车电子技术在城市客车中 得到了广泛地应用。电子控制单元( e c u ：e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ) 的大量采用 提高了城市客车的整体性能，满足了乘客对客车舒适性、安全性、经济性等需求 和政府对环境保护和交通资源优化配置的要求。在此基础上，城市客车信息集成 控制网络得以构建和应用，形成城市客车信息集成控制系统。 1 1 城市客车信息集成控制网络的提出 大力发展城市公共交通符合我国城市化进程和经济发展的要求。汽车电子技 术的应用是提高城市客车整体性能的主要途径。现代汽车技术的发展主要围绕安 全、环保、节能和舒适等四个主题展开，汽车电子控制技术也正是从上述方面逐 步提升汽车性能的。微处理器功能和性能的增强为汽车电子技术的发展提供了动 力。飞利浦半导体副总裁兼汽车业务总经理h a r r yi n i a 先生预言：“在今天的汽车 中，9 0 的创新来自于电子技术的推动”【1 1 。1 9 7 7 年全球平均每辆汽车中的电子 系统价格是1 1 0 美元，到了2 0 0 1 年这个数字是1 8 0 0 美元，2 0 0 3 年则超过了2 0 0 0 美 元，这罩面还不考虑电子系统功能增强价格降低的因素【2 】。随着汽车电子技术的 不断发展，汽车e c u 和电子装置越来越多。一辆装配精良的高档汽车一般都有5 0 余个e c u ，项级车型甚至还要多出4 0 【3 1 。汽车电子总的发展趋势是：汽车电子 控制系统获取内部和外部的信息越来越多，功能越来越强，智能化程度越来越高， 可靠性也越来越耐4 ，同时，电子控制单元的关联性也越来越强。 虽然汽车电子控制单元的增加提高了汽车动力性、经济性、舒适性和环保性， 但是如果采用常规的布线方式，各e c u 之间进行信息传递时，有几个信号就要有 几条信号传输线。例如宝来轿车的发动机电控单元j 2 2 0 与自动变速器电控单元 j 2 1 7 之间就需要5 条信号传输线。汽车常规布线方式将导致e c u 端子数增加、线 路复杂、故障率增多、可靠性降低、维修困难【4 】，尤其重要的是不能实现e c u 间 信息的关联实时控制。为了解决上述问题，通常是将汽车网络作为汽车电子控制 单元通信和资源共享的支撑平台。同时，城市客车中使用的电子控制单元种类繁 多，各自独立且相互关联，如何对这些控制系统实施有效、有序和安全、方便地 集成控制，已成为城市客车技术发展迫切需要解决的问题。 武汉理工大学硕士学位论文 基于以上问题，作者所在实验室提出的城市客车信息集成控制系统是指以城 市客车为控制对象、以车载总线为信息通道、以电子集成和网络集成为基础、以 信息集成和控制集成成为核心、以功能集成为目标、以集成设计为方法的一种实 时网络控制系统，它在汽车电子控制技术、车载网络技术、嵌入式技术、传感器 技术和智能控制技术等支持下，针对特定控制功能，实现城市客车各e c u 和电器 装置的信息共享和关联实时控制，并最终达到整体提高城市客车功能和性能，减 少对驾驶员技术依赖度的目的。 针对城市客车，按照区域优先的原则，将物理位置相近、功能相似、性能要 求基本一致的电子电气装置划分在一个控制模块中，各控制模块以c a n 总线为 信息通道，以特定控制功能为目标，构建成一个信息集成控制网络城市客车 信息集成控制网络。 如图2 1 所示为城市客车信息集成控制网络示意图，网络结构为总线式，由 六个控制模块构成，分别是集中控制模块、前控模块、后控模块、项控模块、动 力总成模块和仪表控制模块。各控制模块由c a n 总线进行连接，模块间基于s a e j 1 9 3 9 应用层协议进行通信，信息报文涉及控制命令、状态信息及运行参数等。 图1 - 1 城市客车信息集成控制网络示意图 城市客车信息集成控制网络可实现信息集成控制，减少传感器的数量，每一 传感器采集到的信号由所在模块的m c u 以c a n 报文形式发送到总线上去，供其 它模块使用；同时，这种信息集成控制网络可以提高客车的综合控制能力，实现 复杂关联控制，只需少数几个控制模块就可以完成对车身电器和部分动力总成电 器的集成控制。 城市客车信息集成控制网络能有效地解决现有城市客车电气系统中存在的 线路繁杂和线束增加等问题，增加城市客车的控制功能，节约能耗，提升城市客 2 武汉理工大学硕士学位论文 车的整体性能。更为重要的是，城市客车信息集成控制系统将有效拓展汽车电子 技术与计算机网络技术在城市客车上的应用范围，实现城市客车车内信息的集成 和交互，为城市客车的故障诊断和智能控制提供新的解决途径。 1 2 论文主要研究内容的国内外研究现状 随着电子技术、传感器技术、计算机技术的飞速发展，汽车电子控制技术日 趋成熟和完善，各e c u 和大量电子装置在汽车上已得到广泛应用，并已成为汽 车的标准配置或选装配置。现有电子控制单元存在综合成本高、维护困难、功能 不能依据实际需求进行灵活配置等问题，因此有必要采用标准化、模块化电子控 制单元对汽车电子电气系统与装置进行控制。本文研究的城市客车信息基础控 制网络功能模块正是为了解决电子控制单元的标准化、模块化问题，简化产品开 发过程，缩短产品设计和制造周期，提高产品质量和可靠性。与本文研究内容相 关的国内外研究主要集中在车载网络技术、城市客车信息集成控制系统、城市客 车信息集成控制网络功能模块和产品模块化设计方法及产品配置技术等方面。 ( 1 ) 车载网络技术的研究现状 车载网络技术是通信技术和电子技术同汽车控制技术相结合的产物，它已成 为现代汽车电子控制技术发展最重要的基础技术。目前，无论是采用总线技术还 是采用无线通信技术，或是二者的结合，每个汽车厂商都根据特定的车型需求开 展汽车网络化研发工作。在低成本的前提下，设计出实时性高、可靠性强、精度 高的汽车控制网络已成为各大汽车厂商的追求目标。 国外早在2 0 世纪8 0 年代就开展了车载网络技术的研究及应用工作。r o b e r t b o s c h 公司于1 9 8 6 年在s a e ( s o c i e t yo f a u t o m o t i v ee n g i n e e r ，汽车工程师协会) 大会上提出了c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，控制器局域网) ，并于2 0 0 0 年开 发了支持时间触发的协议t t c a n ( t i m e t r i g g e r e dc a n ) 。i s o ( i n t e r n a t i o n a l o r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ，国际标准化组织) 于1 9 9 3 年1 1 月出版了c a n 的国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ，目前c a n 协议规范为c a n2 0 版本。b m w 、 d a i m l e r c h r y s l e r 、p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 、m o t o r o l a 和b o s c h 等几大汽车公司和 半导体元件公司成立了f l e x r a y 共同体，为车上安全相关系统和线控系统开发通 信协议，制订了f l e x r a y 标准，并组织开发了一系列适合这个标准的软硬件。欧 洲、美国和日本等发达国家已经将车载网络作为车辆必须采用的装置，奔驰、宝 马、大众、沃尔沃和雷诺汽车都将车载网络作为电子控制器连接的手段。 我国车载网络技术的研究与开发工作起步较晚，国内生产的配置有c a n 网 3 武汉理工大学硕士学位论文 络的汽车大都在合资企业中。在我国的汽车市场中，奥迪a 4 、宝来、p o l o 、东 风标致3 0 7 、赛纳、雪铁龙c 5 等轿车中采用c a n 连接了部分电子控制单元，以 提高整车性能。北方奔驰客车制造( 烟台) 有限公司在引进美国卡特比勒发动机 的基础上，在n d 6 1 2 0 s 客车上初步应用c a n 总线技术。 目前，我国各科研单位和高校就车载网络技术开展了一系列研究，文献 5 6 阐述了车载网络的基本原理以及有关c a n 总线的基础知识。文献 7 8 分析了 车载网络的组成和结构，介绍了典型的车载网络协议。文献 - 9 1 0 介绍了车载 网络的分类、主流网络协议及其应用情况。文献 1 1 1 4 重点描述了车载网络 技术在现代汽车中的应用。文献f 1 5 1 8 1 论述了车载网络技术的发展与特征，介绍 了常用的车载网络协议标准及应用，分析了c a n 在汽车网络系统中的应用现状， 并重点介绍了c a n 在国产客车上的应用。文献f 1 9 1 介绍了c a n 采用多主方式工 作，节点之间不分主从，通信方式灵活，可实现点对点、一点对多点及广播式传 输数据。文献 2 0 2 2 主要从硬件方面设计了实现基于c a n 总线汽车多e c u 之 间的通信的几种方法。 ( 2 ) 城市客车信息集成控制系统的研究现状 与城市客车信息集成控制系统研究相关的技术及应用工作鲜见报道。虽然目 前国内一些客车厂家已经把总线技术应用到其产品上，如北方奔驰客车制造( 烟 台) 有限公司的n d 6 1 2 0 s 客车上应用了c a n 总线技术，但其应用仅限于发动机， 未实现整车的信息集成控制。武汉理工大学李刚炎、胡剑【2 7 】提出了城市客车信 息集成控制系统是以城市客车为对象，以车载总线为信息通道，针对特定控制功 能，由与之关联的客车电子控制单元构建而成的一个信息集成控制的网络控制系 统；该系统综合应用汽车电子控制技术、车载网络技术和智能控制技术，实现城 市客车各e c u 的信息共享和关联实时控制，以达到整体提高城市客车安全性、舒 适性的目的，减少对驾驶员技能的依赖度。武汉理工大学刘胜、马宏伟、周建华 等【珏2 5 1 分别对城市客车信息集成控制系统的信息处理技术、控制规则、嵌入式网 关设计进行了研究，但未开展城市客车信息集成控制网络功能模块的研究工作。 ( 3 ) 城市客车信息集成控制网络功能模块的研究现状 国内外在城市客车信息集成控制网络功能模块的研究方面未见报道，与其相 关的是法国欧科佳公司的c a n 总线系统产品。该产品是一种通过c a n 技术对商 用车的电子、电器设备进行控制的实时系统，主要由中央控制单元和若干具有不 同信号采集功能、不同功率输出功能、适合驱动各种类型设备的输入输出控制单 元组成i 刎。 此外，文献 - 2 7 2 9 中所研究的典型c a n 接口单元和节点是功能模块的早 4 武汉理工大学硕士学位论文 期形式，文献 - 2 7 1 介绍了c a n 技术在汽车中的应用，提出了典型c a n 接口 结构，设计了基于c a n 总线的城市客车信息集中控制系统结构。文献 - 2 8 构 建了客车照明与信号灯多路传输控制系统，设计了系统结构，系统中各节点的软 件流程图和硬件结构图，实现了车灯的控制与状态自动检测功能。文献 2 9 介 绍了车用电子装置中不同速率的传输网络，研究了一种车载网络控制系统，该系 统可接收开关控制信号、采集模拟和脉冲信号；具有不同功率和种类的输出，适 合驱动各种类型的设备；该系统中车身模块设计、功能实现、接口设计、模块划 分以及车身模块在实际中的应用过程，对论文研究的功能模块设计具有较好参考 价值。 ( 4 ) 模块化设计方法和平台化设计技术的研究现状 模块化设计最先源于欧洲2 0 世纪4 0 年代的车床设计领域，目前模块化设计 在西方国家已经应用到很多领域。直到2 0 世纪9 0 年代，模块化设计方法研究才 开始在国内出现。模块化设计是在对一定范围内的产品或系统进行功能分析的基 础上，划分并设计出一系列功能独立、结构独立的基本单元，并使模块系列化、 标准化，通过模块的选择和组合构建不同的产品或系统，以满足不同的需求的设 计方法。采用模块化设计方法来分析复杂事物、解决工程问题，可使问题简化、 条理分明，进而取得良好的秩序和效益。因此，模块化设计在机械、电工电子、 船舶、建筑等行业都得到了广泛应用。 目前国内外对产品功能模块的研究主要集中在模块划分方法上，并取得了一 定的进展。e g u l 3 0 j 提出了面向产品全生命周期的模块划分方法，该方法需要构造 大量的相关矩阵，工作量大、算法复杂，而且模块划分结果依赖于设计师的工作 经验、个人素质和知识面等；武汉大学张松林【”】研究了减速器模块划分方法； 西安理工大学谢小平等p 2 】提出了基于g t 的功能模块划分思路。 国内外采用平台设计技术对系统进行开发的研究较多。文献e 3 3 1 运用平台 化设计方法，实现了电力调度生产管理信息系统的设计。文献e 3 4 针对客车车 身，研究了客车车身的数字化快速设计平台，分析了客车车身数字化平台的关键 技术。由于嵌入式系统应用领域的广度和深度的飞速方展，传统开发模式难以满 足系统开发要求，文献 3 5 提出了一套完整的嵌入式平台化设计方法并将其成 功运用于实际项目中。 ( 5 ) 产品配置技术的研究现状 产品配置是以用户需求为输入，最终可用于制造和销售的配置方案为输出的 设计过程。用户需求描述了产品所应具有的功能和属性，目标是搜索出满足约束 条件和客户个性化需求的产品可行设计方案【3 6 】。目前，对产品配黄技术的研究 5 武汉理工大学硕士学位论文 主要集中在配置问题的认识和表达、建模和求解、配置的实现、配置管理等几个 方面。 m i t t a l 和f r a y m a n 提出了一种描述性定义【3 7 1 ，将产品配置任务描述为一个输 入输出系统，其输入包括一个固定的、预定义的构件集合、配置需求定义集和 进行优化选择的规则集。d o b r e s c u 掣3 8 】提出了一种造型文法( s h a p eg r a m m a r ) 规则来调整零部件的几何性与功能性的映射关系，以对模块化产品族进行重新配 置设计，但其仅限于对模块化产品的几何特征进行描述。f u j i t a t 3 9 】通过求解产品 全生命周期的成本优化模型，得到了模块化产品的最优配置方案。g o n z a l e z 等【加】 则提出了一种基于模块化产品核心平台的设计方法，以利润的最大化和产品多样 化为优化目标，由决策树在不确定情况下处理模块的配置问题。二者均没有涉及 客户需求因素对模块配置方案的影响，且仅处理单一产品的模块化设计与规划问 题。 近年来国内出现了许多有关产品配置的理论与方法。针对产品配置过程，有 学者提出了一种基于规则的配置知识描述语言，该语言通过一种描述性语义对产 品配置的主要概念，如配置模型、需求以及合法配置等进行形式化定义。浙江大 学的张树有、谭建荣等【4 1 j 研究了面向大规模定制的产品配置技术；文献f 4 2 1 在分 析大规模定制模式下配置设计知识的基础上，规划了面向产品族的配置设计本 体、知识域及其属性，提出了基于面向对象思想的产品配置设计模块。文献 4 3 1 认为产品配置是实现大规模定制的关键技术，在建立面向产品族的g b o m ( g e n e r i cb o m ，通用产品结构) 模型基础上，提出了一种面向大规模定制的产 品配置优化方法。华中科技大学的高磊等【删通过研究分布式大规模定制环境下 的产品配置和配置规则及其算法，提出一种分布式环境下大规模定制的过程模 型。 1 3 论文研究的目的和意义 随着社会的进步和科学技术的发展，现代城市客车中电器装置数量众多，功 能性要求日趋复杂，数据传输量逐渐增加，传统的直接线束连接控制方式已远不 能满足上述要求。车载网络的应用能够满足城市客车安全性、舒适性和环保性等 要求，但是存在控制模块综合成本高、维护困难、功能不能依据实际需求灵活配 置等问题，阻碍了车载网络技术的普及与进一步应用。 另一方面，模块化与平台化设计方法是用于产品开发设计中行之有效的现代 设计方法，提供了系统快速开发的方法和手段。模块化设计为产品设计提供了先 进的设计方法，平台化设计为快速开发设计提供了便捷的实现手段。 因此，本文以城市客车信息集成控制网络为研究对象，运用模块化设计方法 6 武汉理工大学硕士学位论文 对城市客车信息集成控制网络的结构特征进行分析，提出功能模块的概念，并从 功能、结构和接口等方面对功能模块进行研究；针对城市客车信息集成控制网络 功能模块的结构特点，提出面向客户需求的功能模块配置方法，对功能模块配置 技术中的配置模型、配置规则和配置算法进行研究；在此基础上，结合功能模块 的功能要求，提出功能模块设计方案，基于平台化设计技术，构建城市客车信息 集成控制网络功能模块的配置平台。 城市客车信息集成控制网络功能模块的标准化设计和配置技术研究，有利于 推进城市客车电子控制单元的广泛应用，城市客车信息集成控制网络功能模块配 置平台的开发，对城市客车信息集成控制网络产业化平台构建具有重要的意义。 1 4 论文的课题支撑和主要研究内容 1 4 1 论文的课题支撑 ( 1 ) 武汉市重点科技攻关计划项目：“基于c a n 的汽车电子信息集成控制 系统开发”【项目编号：2 0 0 7 1 0 4 2 1 1 1 8 】 ( 2 ) 湖北省数字制造重点实验室开放基金项目：“车载嵌入式电子设备网络 化控制的基础技术研究【项目编号：s z 0 6 1 5 】 ( 3 ) 武汉滨湖电子有限公司武汉理工大学合作研究项目：“b h 型客车车载 网络与信息集成系统”【通过湖北省科技厅组织的技术成果鉴定，达到国际先 进水平】 1 4 2 论文的主要研究内容 ( 1 ) 城市客车信息集成控制网络功能模块的研究 运用模块化设计方法对城市客车信息集成控制网络的结构特征进行分析，基 于“系统模块组件”体系结构，提出功能模块的概念及其开发流程；针对城市 客车信息集成控制网络功能模块这一特定对象，从功能、结构和硬软接口等方 面分析功能模块的特性。 ( 2 ) 城市客车信息集成控制网络功能模块的配置 针对客户对城市客车信息集成控制网络功能模块的需求，结合功能模块特 征，分析面向客户需求的城市客车信息集成控制网络功能模块配置流程；通过对 产品配置方法的研究，构建功能模块配置模型，提出功能模块的配置规则、求解 模型和配置算法。 ( 3 ) 城市客车信息集成控制网络功能模块的配置平台 在城市客车信息集成控制网络功能模块的结构特征和功能要求的基础上，以 7 武汉理工大学硕士学位论文 客户需求为主导，以电器特征为输入，提出功能模块的接口和应用层协议设计方 法；采用平台开发技术，实现功能模块配置平台的开发。 ( 4 ) b h 型客车信息集成控制模块的开发 开发b h 型客车信息集成控制模块，测试应用技术的可行性，验证研究结果 的正确性和工程实用性。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章城市客车信息集成控制网络的功能模块 2 1 城市客车信息集成控制网络的结构与功能模块 2 1 1 模块化设计方法概述 模块化设计是一种特殊的设计范式，是通过对标准部件接口的详细说明，把 产品分解成相互之间高度独立或依赖性很小的部件的一种设计模式。模块化设计 把产品的结构设计成许多相互独立的模块，各模块可以容易地装配成不同形式的 产品。因此，模块化设计把产品的多变性与零部件的标准化有效的结合起来，并 充分发挥了规模经济和范围经济效应。在产品设计中，模块化水平越高，定制产 品中模块和零部件的标准化程度也越耐4 5 1 。 一个模块化的产品体系结构是一个产品设计的特定形式，使用部件的标准接 口来建立一个柔性的产品体系结构。在模块化产品设计中，标准的接口允许有一 定的变异范围，这样就可以组成不同形式和功能的产品，从而满足大规模定制生 产的要求，模块化设计具有如下特点： 1 ) 产品的模块化能够减少产品设计时间，降低产品设计成本。模块的分离 便于企业在同一时间内制造出各个模块，从而缩短产品的交货期； 2 ) 产品的模块化能够充分保证新产品的质量。设计新产品时，尽量直接采 用以前使用过的具有成熟技术的模块，或在原有模块的基础上进行变形设计。各 部门可以专注于特定模块的设计和制造，能有效地提高产品质量； 3 ) 产品的模块化设计能够满足用户的多样化需求。产品由不同模块组成， 用户的个性化需求可以通过不同模块的组合得到。 2 1 2 城市客车信息集成控制网络的结构 城市客车信息集成控制网络是一种集c a n 网络技术、嵌入式技术、汽车电 子控制技术、智能控制技术和传感器技术等于一体的城市客车车载网络。采用模 块化设计方法对城市客车信息集成控制网络进行研究，能够简化系统模型、规范 系统开发过程、满足不同客户的需求，进而提高系统的开发效率。 ( 1 ) 城市客车信息集成控制网络的拓扑结构 c a n 是一种串行数据通信总线，满足s a e 所定义的三类车载网络( 低速、 中速和高速网络) 要求，适合于实时控制与检测，是目前车载网络平台的事实工 9 武汉理工大学硕士学位论文 业标准。城市客车信息集成控制网络采用基于c a n 的总线型拓扑结构，实现信 息的传输与控制。 针对工程需求，在对系统特征进行分析的基础上，城市客车信息集成控制网 络按照区域自治原则划分功能模块，即根据几何位置相近、功能相似、性能要求 基本一致的原则对车身和部分动力总成电器进行集成控制，网络拓扑结构如图 2 1 所示。 图2 - 1 城市客车信息集成控制网络拓扑结构图 城市客车信息集成控制网络由若干控制模块组成，各模块间通过c a n 总线 进行通信，通信内容涉及控制命令、状态信息及运行参数等。系统可实现信息的 集成控制，减少传感器数量，采集到的信号由所在模块以c a n 报文的形式发送 到总线上，并供其它模块使用；各模块可实现复杂的控制目标，完成车身电器和 部分动力总成电器的信息集成控制功能，提高整车的综合控制能力。 ( 2 ) 城市客车信息集成控制网络的通信协议 目前所采用的车载网络协议大都只定义了物理层和数据链路层，应用层需要 用户根据不同的应用对象进行设计。因此，根据系统特点，设计出合适的应用层 协议才能实现数据传输的准确性和可靠性。目前比较流行的c a n 高层协议有 c a n o p e n 、s a ej 1 9 3 9 、d e v i c e n e t 等，对c a n 应用层作了完整详尽的定义。鉴 于s a ej 1 9 3 9 是专为重型道路车辆和公共汽车的e c u 提供标准的通信体系结构， 城市客车信息集成控制网络也基于s a ej 1 9 3 9 协议对各种信息进行描述。 s a ej 1 9 3 9 协议是一个高速通信网络，可达至l j 2 5 0 k b p s 的网路传输速率。它 的前身是j 1 7 0 8 和j 1 5 8 7 ，但它们是低速网络，只提供了e c u 间的简单信息交换功 能。j 1 9 3 9 完全兼容了前两者的功能【拍1 。 1 ) s a ej 1 9 3 9 协议的文档架构【钥 s a ej 1 9 3 9 主要用到了i s o o s i( i n t e r n a t i o n a l o r g a n i z a t i o n f o r 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 s t a n d a r d i z a t i o n o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ：国际标准化组织开放系统互联) 的 四个层：物理层、数据链路层、网络层和应用层。各层相应的子标准及其功能如 下： s a ej 1 9 3 9 ：通用标准( 总标准) 。描述了i s o o s i 通信结构、子标准 结构、提供命名和分配值的控制。在这一文件中，对各个子标准进行 了总体概括性的介绍，并在附录中给出了三大类编码表，即：参数组 数编码表、源地址编码表和故障报告编码表。用户必须遵循这些附表 来定义参数组数、源地址和故障报告编码。 s a ej 1 9 3 9 0 1 ：载货车、客车控制和通信网络应用文档。 s a ej 1 9 3 9 1 1 ：物理层文档，定义物理层。如通信速率、双绞线连接、 同一网络连线上最大子系统数等。物理层可实现的功能包括位表示、 位定时、同步、总线故障检测、物理媒体及其附属装置之间的机械和 电气接口等。该部分功能由c a n 硬件实现。 s a ej 1 9 3 9 2 1 ：数据链路层文档。主要定义了帧的数据结构、编码规则， 包括通信的优先权、通信格式、通信要求、总线仲裁、错误检测及处 理。 s a ej 1 9 3 9 3 1 ：网络层文档。定义网络之间的连接协议。 s a ej 1 9 3 9 4 x ：运输层文档；s a ej 1 9 3 9 5 x ：会话层文档；s a ej 1 9 3 9 6 x ： 表示层文档。这些都是预留的。 s a e j 1 9 3 9 7 1 ：应用层文档。用于车辆应用层，定义常用物理参数的格 式。主要有控制参数、驱动状态参数、驱动系控制、驱动系配置、信 息参数、信息状态参数。数据格式规定数据的长度、分辨率、取值范 围和类型。状态值一般用2 位离散值表示、测量值用多个字节表示。 用户对自己的实际系统按s a ej 1 9 3 9 的数据格式进行定义，形成实际 的应用网络。本文的研究主要应用了该文档，定义了c a n 车辆控制的 各种参数和优先级。 s a ej 1 9 3 9 7 3 ：应用层文档，用于诊断应用层。 s a ej 1 9 3 9 8 1 ：网络管理协议。为了识别和了解网络上其他e c u 的功 能，网络管理协议定义了一套e c u 的命名方法，目的是提供e c u 的 功能描述和e c u 源地址仲裁的数字值。 2 ) s a ej 1 9 3 9 编码定义规则【鸫】 s a ej 1 9 3 9 是一种支持闭环控制的实现多个e c u 间高速通信的网络协议， 主要应用于载货车和客车上。它是以c a n 协议为基础制订的，借用了c a n 的 数据帧传递s a ej 1 9 3 9 的信息，利用c a n 2 0 b 扩展帧的2 9 位标识符形成了s a e 武汉理工大学硕士学位论文 j 1 9 3 9 的编码系统，这样就约定了货车和客车的通用编码，并按这一规则形成了 s a ej 1 9 3 9 通信协议。 表2 1 对比了c a n 2 0 扩展帧格式和s a ej 1 9 3 9 所定义的帧格式。s a ej 1 9 3 9 标识符包括p ( 优先权位) 、r ( 保留位) 、d p ( 数据页位) 、p f ( p d u 格式) 、 p d us p e c i f i c ( 特定p d u ) 、s a ( 源地址) ，协议数据单元还包括了6 4 位的数 据场。 表2 - 1c a n 和s a ej 1 9 3 9 数据帧的仲裁域、控制域比较 c a n 扩展帧格式1 1 位标识符 si 1 8 位扩展标识符 s rd c a n i d 位置 o i d 2 8 一i d l 8 re i d l 7 - i d 0 f 优先权p dp fp fp ss a j 1 9 3 9 帧格式 r 3 ，2 ，1 p 8 - 32 ，18 18 - 1 j 1 9 3 9 帧位置 12 1 21 31 41 5 ，1 61 7 - 2 42 5 - 3 2 s a ej 1 9 3 9 将c a n 2 0 b 扩展帧的2 9 位标识符( d ) 进行了重新定义，制订 了相应的数据编码系统。s a ej 1 9 3 9 的数据帧是通过协议数据单元( p d u ：p r o t o c o l d a t au n i t ) 来实施和封装的，每个p d u 由7 个部分组成：p 、r 、d p 、p f 、p s 、 s a 和d a t a 。其中，p d u 可以用参数组p g n ( p g n = ( r ，d p ，p f ，p s ) ) 、优 先权p 、源地址s a 和d a t a 来封装。s a ej 1 9 3 9 7 1 定义了车辆控制的各种参数 及命令的p g n 。由于保留位r 一般定义为0 ，数据页也一般定义在0 页，所以 p g n 实际上是把p f 、p s 进行组合，p g n 可用公式表示为： p g n = p f x 2 5 6 + p s 当p s 取目标地址时，则p s = 0 ；当p s 取扩展组时，则p s = g e 。 2 1 3 城市客车信息集成控制网络的功能模块 现有城市客车电子控制单元存在综合成本高、维护困难、功能不能依据实际 需求进行灵活配置等问题，因而有必要在城市客车信息集成控制网络中采用标准 控制模块来实现对车身电器的控制。控制模块采用标准化软、硬件组件，可根据 实际应