总线式车身控制系统的规则化建模方法

汽车工程　２００６年（第２８卷）第１２期　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２００６（Ｖｏ１．２８）Ｎｏ．１２　２００６２５５　总线式车身控制系统的规则化建模方法术　韩江洪。　，魏振春。　，张本宏。　，郑淑丽。，胡庆新。　（１．合肥工业大学计算机与信息学院，合肥２３０００９；２．教育部安全关键工业测控技术工程研究中心，合肥２３０００９）　［摘要】　提出一种新的汽车车身控制系统建模方法，采用汽车总线技术构建车身控制网络，用规则化描述方　法进行建模。将组成系统的对象分解为多层，用逻辑规则表达式来描述系统对象之问的逻辑控制关系，用消息来传　递控制关系。该方法易于理解和掌握，可降低系统设计与开发的难度，提高系统的可靠性和易维护性。　关键词：车身控制系统，总线，规则化描述方法。离散控制　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ＣＡＮ　Ｂｕｓ－・ｂａｓｅｄ　Ａｕｔｏ－・ｂｏｄｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　Ｒｕｌｅ　Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄ　Ｈａｎ　Ｊｉａｎｇｈｏｎｇ。　，Ｗｅｉ　Ｚｈｅｎｃｈｕｎ。　，Ｚｈａｎｇ　Ｂｅｎｈｏｎｇ。　，Ｚｈｅｎｇ　Ｓｈｕｎ。＆Ｈｕ　Ｑｉｎｇｘｉｎ。　１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｈｅｆｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３０００９；　２．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆＳａｆｅｔｙ　Ｃｒｉｔｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｆｏＥｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｈｅｆｅｉ　２３０００９　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］　Ａ　ｎｅｗ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ａｕｔｏ—ｂｏｄｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｓｉｎｇ　ｒｕｌｅ　ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ｉｓ　ｐｕｔ　ｆｏｒ－　ｗａｒｄ，ａｎｄ　ａｎ　ａｕｔｏ—ｂｏｄｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｓ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＣＡＮ　ｂｕｓ．Ｔｈｅ　ｏｂｊｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｄｉｖｉｄｅｄ　ｉｎｔｏ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｌａｙｅｒｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｏｇｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓ　ａｍｏｎｇ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｏｂｊｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｗｉｔｈ　ｌｏｇｉｃ　ｒｕｌｅ　ｅｘ—　ｐｒｅｓｓｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ　ｂｙ　ｍｅｓｓａｇｅｓ．Ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｅａｓｙ　ｆｏｒ　ｔｅｃｈｎｉｃｉａｎｓ　ｔｏ　ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ，ｇｒａｓｐ　ａｎｄ　ｕｓｅ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｉｓ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｇｒｅａｔｌｙ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｍａｉｎｔａｉｎａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｅｎｈａｎｃｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｕｔｏ－ｂｏｄｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ，Ｂｕｓ，Ｒｕｌｅ　ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ，Ｄｉｓｃｒｅｔｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　的线束Ｅｌ益复杂、车内可利用空间变得越来越小，且　１　前言　由于线路复杂、故障率增加，造成汽车的制造成本提　高，设计和维护难度也不断增加，可靠性却大大降　汽车车身上安装的电子器件和设备不断增多，　低。如何对车身控制系统进行改造，解决上述遇到　例如：电动座椅、电动门窗、可开式车顶、可调式转向　的问题，受到越来越多国内外汽车业内人士的关注。　盘、空调系统等；还有各种车灯、雨刮器、电动门锁、　除霜器、后视镜、喇叭、各种指示灯及各种数字式仪　２总线式车身控制系统　表（转速表、车速表、水温表、油量表）等。车用电子　控制系统、传感器、执行机构和电线的数量也不断增　传统的车身控制系统中的线束不仅用来传递信　加¨Ｊ。汽车车身控制系统的功能是实现对车身上各　号，而且借助于线束及继电器和开关的触点来实现　种器件方便灵活地综合控制。　各种器件之间的控制逻辑。由于各种器件分散在车　在传统的车身控制系统中，采用线束通过点对　身的各个部位，因此车身控制系统更适合采用分布　点的方式实现各种电子器件之间的相互连接和对其　式控制系统来构建。　进行直接控制。但是随着器件的增加，使汽车内部　新型的车身控制系统采用１根总线来代替繁杂　｝教育部博士点基金项目（２００５０３５９００４）、教育部新世纪优秀人才支持计划项目（ＮＣＥＴ一０４—０５０５６２）和安徽省科技攻关　计划项目（０６０１２０６９Ｂ）资助。　原稿收到Ｆｔ期为２Ｏ０６年４月１９　Ｆｔ，修改稿收到Ｆｔ期为２００６年７月１０　Ｆｔ。　维普资讯 http://www.cqvip.com

汽车工程　２００６年（第２８卷）第１２期　的点对点的线束，引入软硬件相结合的智能控制节　点来构建车身控制系统。其方法是把各种器件连接　到分布于车身中的多个智能控制节点上，每个智能　控制节点都是拥有一定计算和存储资源的嵌入式处　理单元。智能控制节点通过总线连接在一起，通过　智能控制节点中的软件来实现对各种器件的综合控　制，也即用软件逻辑取代传统车身控制系统中的硬　件逻辑，具有更好的灵活性和易维护性。　ＣＡＮ是被广泛应用于汽车中的一种总线技术，　采用ＣＡＮ总线技术构建车身控制系统的网络平台，　以串行结构的总线代替并行结构的线束，实现分布　式多路传输，可方便地实现各部件之间的信息交互　和共享；同时集成实时诊断、测试和故障报警等多种　功能；并能通过信息屏直接给出故障位置，便于维　护；任意增减功能而不会影响其它部分的工作。采　用ＣＡＮ总线技术构建车身控制系统的网络平台是　未来的发展方向　。　但如何设计和开发车身控制　系统软件，建立便　于使用的、规范化的建模和设计方法及相应的开发　平台是需要解决的关键问题。　３　自动机模型建模分析　车身控制系统的状态体现为各种器件的状态，　器件状态的改变是由用户操作、传感器检测等触发　的离散事件驱动，从而导致系统状态动态演化。车　身控制系统是个典型的离散事件控制系统，通常采　用有限自动机模型进行建模。典型的有限自动机表　示为一个五元组　Ａ＝（Ｊｓ，Ｅ，＇７，　，Ｊｓ　）　（１）　式中Ｓ为状态集，Ｅ为事件集，，７为状态转移函数，Ｙ。　为初始状态，Ｊｓ　为终止状态集。　Ｊｓ是个非空集合，Ｙｏ∈Ｓ，Ｓ　Ｓ，并且＇７：Ｓ　ＸＥ　ｓ。其含义是：若ｅ　Ｅ　Ｅ，ｓ　∈Ｓ，ｓ　∈Ｓ，当事件ｅ发生　时，系统的状态由ｓ　转变为ｓ　，＇７将Ｊｓ与Ｅ的乘积映　射到Ｓ。　用有限自动机模型对车身控制系统进行建模，　首先要确定系统的Ｊｓ，其次要给出系统的＇７。车身控　制系统中涉及的器件多，并且器件的状态数目也较　多，如果直接对整个系统进行建模，系统的状态空间　Ｊｓ将会很庞大。　假设器件个数为２０，每个器件的状态数为３，车　身控制系统的状态由所有器件的状态决定，则系统　的状态为所有器件状态的组合，对应的状态数为　３　，状态空间非常庞大。再考虑＇７可用状态转移矩　阵、状态转移表或状态转移图的形式表示，三者具有　等价性，可互相转换。以状态转移矩阵为例，用行表　示状态机所处的当前状态，列表示将要到达的下一　个状态，行列交叉处表示触发事件，则得到的是３∞　Ｘ３　的矩阵，状态空间更加庞大。　从以上的分析可以看出，用有限自动机模型对　车身控制系统进行建模，系统的状态数存在状态组　合复杂性问题。另外，用有限自动机进行建模，在系　统所处的每１个状态上，任何时刻最多只执行１个　操作，即只能描述顺序系统，而无并发描述能力，但　车身控制系统中存在大量并发事件和并发行为。　针对用有限自动机模型对车身控制系统进行建　模所存在的问题，作者提出一种新的车身控制系统　的建模和设计方法一规则化描述方法。　规则化描述方法引入分层建模机制，将组成系　统的对象分解为多层，建立系统对象的树状层次模　型，用逻辑规则表达式描述系统对象之间的逻辑控　制关系，用消息来传递控制关系。系统的控制任务　被划分为多个子任务，分布到组成系统的各层对象　中，从而有效地减小系统控制的复杂性。用消息机　制可方便地实现对并发事件和并发行为的处理。　４分层建模机制　采用规则化描述方法对车身控制系统进行建　模，为降低系统设计的复杂性，将系统对象分解为部　件和接口两层。将系统的对象按照组成关系进行分　层，同时也将系统的整个状态空间Ｊｓ划分为多个子　空间。对系统的划分遵循“高内聚、低耦合”的原　则，从而有效降低控制的复杂性。系统的控制任务　被划分为多个子任务，分布到组成系统的各层对象　中。高层对象充当管理器的角色，协调系统各个组　成部分之间的控制任务；低层是传感器和执行器等，　直接与外界进行交互，传感器实时感知环境信息并　递交给高层对象，执行器主要用来把控制器的指令　变换为实际的物理动作并作用于环境。系统各层对　象之间存在着逻辑控制关系，对象之间的逻辑控制　关系通过消息进行传递，由低层发送到高层的是通　告消息，由高层发送到低层的是控制（命令）消息。　车身控制系统由多个部件组成，每个部件包含　一个或多个接口，形成如图１所示的树状层次模型。　其中部件是对系统中每个在功能上相对独立的器件　的逻辑抽象，接口是对控制单元Ｉ／０口的抽象。例　维普资讯 http://www.cqvip.com

韩江洪，等：总线式车身控制系统的规则化建模方法　．１　１２３．　／车　蔓．ｆＩ　、　　三　∥／／　图１　车身控制系统的树状层次模型　如：汽车的前照灯由左右２只组成，在非故障情况下　它们始终是同亮同灭，便可在逻辑上将其定义为“前　照灯”一个部件；前照灯又有远光、近光、开关等正常　状态和开路、短路等故障状态。部件以及接口之间　存在着逻辑控制关系，包括部件与部件之间、部件与　接口之间、接口与接口之间的逻辑关系，将这种逻辑　关系采用形式化的逻辑规则表达式来描述。　５逻辑控制关系的规则描述　车身控制系统的状态由组成系统的所有部件和　接口的状态的集合决定，事件引发系统状态变化，也　即导致部件和接口的状态改变，如何改变和变化的　过程由部件和接口的逻辑控制关系决定。逻辑控制　关系由逻辑规则表达式描述，系统状态的变化体现　为逻辑控制关系以消息的方式在部件和接口之间进　行传递（当逻辑控制关系所涉及的２个部件位于不　同的控制单元中时，控制消息通过ＣＡＮ进行传送），　并触发相应部件和接口的状态改变。　逻辑规则表达式，简称规则式，是对部件和接口　的逻辑关系的形式化表示。逻辑规则表达式可以看　作为ＥＣＡ规则　的简化。一条ＥＣＡ规则可表示为　Ｅ。Ｃ三Ａ　。　＿÷Ａ　（２）ｆ）　式中Ｅ、Ｃ、Ａ分别为规则的事件、条件和动作；Ｐ为　描述规则行为或状态的附加性质。　ＥＣＡ规则的职能是：当规则事件发生时，系统实　时地或在规定时刻检查规则的条件，如满足则执行　规则的动作。　车身控制系统中的事件由用户操作或传感器检　测触发，并引发相应器件状态的变化，因此事件在表　达式中也可以作为条件进行处理，从而可以使表达　式得到简化。　采用Ｂａｃｋｕｓ—Ｎａｕｒ范式语法表示方法，给出逻辑　规则表达式的形式化定义如下　。　定义１（逻辑规则表达式）　逻辑规则表达式：：＝左件一右件　左件　：：＝因子Ｉ因子＆左件　右件　：：＝因子Ｉ因子＆右件　即逻辑规则表达式的一般形式为　因子＆因子＆…＆因子一因子＆因子＆…　＆因子　表达式中符号“一”左边的部分称为逻辑规则表达　式的左件，其右边的部分称为逻辑规则表达式的右　件。左件和右件均由因子组成，当因子不止１个时，　中间用“＆”相连，表示“逻辑与”。左件因子是条件　因子，右件因子是响应因子　。　定义１给出逻辑规则表达式的语法形式，语义　是：如果左件为真，即左件中所有的条件因子均为　真，也即条件符合，则执行右件，即执行各响应因子。　采用Ｂａｃｋｕｓ—Ｎａｕｒ范式语法表示方法，给出因子　的形式化定义如下。　定义２（因子）　因子：：＝（因子名＝因子值）　因子是逻辑规则表达式的基本组成单元，因子　由因子名和因子值两部分组成，分别代表部件／接口　和其状态值。　车身控制系统中的控制行为和各部件之间的逻　辑控制关系可方便地用逻辑规则表达式描述。　例如：对于下面的逻辑控制关系　如果　变光开关位于“近光”挡　灯光开关位于“大灯”挡　点火开关处于“ＯＮ”状态　那么　汽车前照灯点亮近光灯　该逻辑控制关系可以形式化地表示为规则式　（变光开关＝近光）＆（灯光开关＝大灯）＆　（点火开关＝ＯＮ）一（前照灯＝近光灯）　采用规则化描述方法对车身控制系统进行建　模，关键就是采用近似自然语言的逻辑规则表达式　来描述系统各组成部分之间的逻辑控制关系，形成　规则库；规则库经过编码以后由系统的控制单元解　释执行；最终系统的控制过程就是事件触发、规则匹　配、规则执行以及消息传递的过程，如图２所示。要　修改系统的控制逻辑，只要修改规则库中的逻辑规　图２规则化描述方法的规则处理过程　维普资讯 http://www.cqvip.com

汽车工程　２００６年（第２８卷）第ｌ２期　则表达式即可实现。　规则化描述方法的特点可以概括为以下几点。　（２）使用规则化描述方法大大简化不同车型、　不同功能的车身控制软硬件的开发和维护。　（３）当汽车车型发生变化或汽车需要增加新的　功能时，只需对由逻辑规则表达式等组成的用户描　述文件进行修改，无需花费大量时间重新编制系统　软件，提高了可重用性，缩短新型汽车的开发周期，　降低开发成本。　参考文献　［１］郑建祥．汽车光纤多路传输控制系统［Ｊ］．汽车工程，２００２，２４　（２）．　（１）自然性与人的思维相似，直观、自然，容　易理解和解释，便于人机交换信息。　（２）模块性　规则式是规则库中最基本的单　元，规则之间相互独立，不互相调用、修改，增删方　便，容易扩充和完善。　（３）清晰性规则式有固定的格式，每条规则　式都由条件和操作两部分组成，这种统一的格式既　易于设计、控制，又易于进行一致性、完整性检测。　（４）独立性表示系统逻辑控制关系的规则库　与执行规则的推理机相对独立，便于规则库的管理　与维护，也便于推理机的设计与实现。　［２］郑荣良．汽车多路传输控制系统［Ｊ］．汽车工程，１９９８，２０（３）．　［３］　Ｗｏｎｈａｍ　Ｗ　Ｍ．Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　Ｄｉｓｃｒｅｔｅ—Ｅｖｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　［ＤＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｏｎｔｒｏ１．ｕｔｏｒｏｎｔｏ．ｃａ／ＤＥＳ／，２００５．　［４］姜跃平，汪卫，施伯乐，等．ＥＣＡ规则的模型和行为特定理论　［Ｊ］．软件学报，１９９７，８（３）．　［５］韩江洪，郑淑丽，陆阳，等．离散事件控制系统规则化描述方法　６结论　（１）基于ＣＡＮ总线技术并采用规则化描述方　的研究［Ｊ］．合肥工业大学学报（自然科学版），２００５，２８（９）．　［６］　韩江洪，陆阳，张维勇，等．一种基于多值逻辑的开放式逻辑软　件设计方法［Ｊ］．计算机学报，１９９７，２０（７）．　法的车身控制系统的建模方法，构建相应的试验环　境和仿真、调试、测试工具，并成功应用于试验车中。　（上接第１１１３页）　工作参数为控制目标，兼顾了柴油机动力性、经济　［２］　Ｂｕｆｆｅｒ　ＫａＩ￣Ｒ　Ｌ，ｅｔ　ａ１．Ａ　Ｍａｔｌａｂ—Ｂａｓｅｄ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｐａｃｋａｇｅ　ｆｏｒ　Ｅｌｃｔｒｅｉｃ　ａｎｄ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｅｌｃｔｅｒｉｃ　Ｖｅｈｉｃｈ　Ｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　Ｏｎ　Ｖｅｈｉｃｌｅ．Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９９，４８（１１）：１７７０—　１７７８．　性、电池寿命、整车行驶性能等方面的要求。　（２）ＩＳＡＤ的助力功能，在起步、加速超车、爬坡　等工况下电动机与柴油机联合驱动，使柴油机的动　力性能提升。　［３］舒红，秦大同，胡建军．混合动力汽车控制策略研究现状及发　展趋势．重庆大学学报（自然科学版），２００１（１１）：２８—３１．　［４］Ａｎｄｅｒｓｏｎ　Ｃ，Ｐｅｔｔｉｔ　Ｅ．Ｔｈｅ　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ＡＰＵ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ　ｆｏｒ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｅｌｃｔｅｒｉｃ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　（３）在低负荷运行时，柴油机工作在高性能区　域，同时驱动车辆运行，并使ＩＳＡＤ作为发电机运行　给蓄电池充电，以保证蓄电池工作的可靠性，提高整　车的经济性。　（４）将制动、滑行、怠速等工况下柴油机的消耗　能回收再利用，提高整车经济性，节约能源。　参考文献　［１］Ｈｅｒｍａｎｃｅ　Ｄ，Ｓａｓａｋｉ　Ｓ．Ｈｙｂｒｉｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ　Ｔａｋｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｓｔｒｅｅｔｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｓｐｅｃｔｒｕｍ，１９９８，３５（１１）：４８－５２．　『Ｃ］．ＳＡＥ　Ｐａｐｅｒ９５０４９３：６６—６８．　［５］　陈军，王仲范，刘成．串联式混合动力电动汽车多能源动力控制　策略研究［Ｊ］．汽车研究与开发，２００２（６）：３８－４２．　［６］　邓亚东，高海鸥，王仲范．并联式混合动力电动汽车控制策略研　究［Ｊ］．武汉大学学报，２００４（６）：１３９—１４４．　［７］Ｐａｇａｎｅｌｌｉ，Ｇｉｎｏ，ｅｔ　ａ１．Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｓｕｐｅｒｖｉｏｒｓｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｐｏｆｉｃｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｆ　Ｃｈａｒｇｅ—ｏｓｕｓｔａｉｎｉｎｇ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ｅｌｃｔｅｒｉｃ　Ｖｅｈｉｃｌｓ　ｅ［Ｊ］．ＪＳＡＥ　Ｒｅｖｉｅｗ，２００１（２）：５１ｌ－５１８．