汽车电子信息工程的现状及展望

汽车电子信息工程的现状及展望武汉大学汽车电子信息工程研究院教授、博导郑贵林博士第一部分汽车电子信息工程的现状在我国，随着经济的发展，汽车逐渐进入家庭，汽车工业也开始迅猛发展。汽车，作为一种交通工具，在人们日常生活中的作用越来越重要，汽车的性能和外观也随之被关注。汽车不仅是一种交通工具，今后更将是人们工作和生活的一部分。汽车电子系统不仅要保证汽车的安全可靠运行，而且要给人们提供的各种现代生活的资讯和享受。前言汽车正变成一个集应用电子、通讯、IT、家电、服务等产业最新技术为一体的机械平台。从动力系统、底盘、车身到电子零部件的自动控制均融入了通讯、半导体芯片、计算机控制、软件等电子信息技术，各种汽车电子设备因此产生。特别是汽车的网络化、多媒体和智能化发展趋势，使汽车电子技术进一步渗透汽车制造。汽车电子设备承担控制、驱动、安全、显示、通信、娱乐等功能，涉及软件、计算机、系统集成、电信、消费类电子和基础元器件等几乎所有的电子信息产品。目前我国“国家汽车计算平台工程”的目标为：攻克汽车控制、驾驶、信息处理、智能交通、传感、执行等重大核心技术，实现我国汽车工业的自主创新能力。汽车电子信息产业的技术突破，还将为第三代移动通信、高清晰度数字电视、卫星导航、智能交通、移动网络的应用和信息化建设提供一个重要机遇。随着全球步入信息化时代，人们对了解事物、交换信息的要求发生了变化，从纸、笔、书本、话音等发展到通过声光电信号等各种方式更准确、更快捷、更丰富地表达出来。在需求的推动下，多媒体计算机技术与通信技术相结合，逐渐发展成为一种新的边缘技术-----多媒体通信技术。个人计算机的普及、微电子技术和多媒体技术的飞速发展、综合业务数字网的建立及宽带综合业务数字网的研究进展，都有力地推动了多媒体通信的发展。如果说19世纪是电报的时代，20世纪是电话的时代，那么，即将到来的21世纪将是多媒体通信的时代。随着数字信号处理、压缩编码技术和数据传输新技术的不断涌现，新产品层出不穷，同时出现了许多新的多媒体通信方式。从单一应用目的向综合性应用发展。主要表现为：1.从功能上，向支持综合性应用方向发展。如增加内嵌视频点播、流广播等各种在线功能，支持网络在线应用；增加各种应用中间件和应用集成接口，增加分布式智能管理功能、在线安全加密功能等，支持各种应用系统集成。2.从系统结构上，从独立系统向与各种综合信息化系统结合方向发展。与GIS系统结合，作为GIS的有机组成部分，充分发挥多媒体“面对面”交流的功能，将显著提高整个GIS系统的作用和效益。由封闭式平台向开放式平台转移。开放式综合平台的视频会议设备就如同PC机一样能够轻松地实现各种多媒体数据的传输和共享、上网冲浪，并且能够连接各种辅助设备，还能根据不同用户的需求应用各种软件，能够轻松地把自己电脑里的或者网上的任何信息，以及重要资料随时在汽车里获得，使汽车不在只是一个交通工具，而成为一个功能强大的综合信息服务中心。第二部分汽车电子工程的几个方面国家汽车计算平台智能交通(ITS)车载电子汽车总线智能汽车传感器I.国家汽车计算平台2004年由王大恒等80名院士在北京讨论提出的建设国家汽车计算平台工程，将涉及硬件、芯片、系统软件、控制平台、驾驶平台、信息平台、智能交通平台、传感平台、执行平台和设计平台等核心平台的研究与开发作为关系到国家安全高度的重大任务提交国务院。目前，国家汽车计算平台工程已经进入方案完善阶段，它是一个面向所有汽车控制与计算的专用计算机系统，是一个所有汽车都通用的计算平台，目标为攻克汽车控制、驾驶、信息处理、智能交通、传感、执行等重大核心技术，实现我国汽车工业的自主创新能力的系统工程。“国家汽车计算平台工程”的启动有望攻克汽车控制、驾驶、信息处理、智能交通、传感、执行等重大核心技术，从而为第三代移动通信、高清晰度数字电视、卫星导航、智能交通、移动网络的应用和信息化在汽车电子的应用提供重大发展机遇，并将形成汽车工业和电子信息产业良性互动的发展格局。未来汽车电子化将呈现六大趋势：一是功能集成化，如车身控制模块，将取代诸如中控门锁、防盗、雨刮、空调、座椅调节等单项控制系统；二是数字控制取代模拟控制；三是多微处理器协同工作，以实现既有独立运行、又有协同功能的数据共享和灵活组成的优势；四是无线与有线技术相结合，实现车内车外信息传输智能化、高速化；五是硬件通用化、高速化，软件专业化，以软件功能提升硬件功能；六是在开发流程上，由“底层向上”模式演变为“由上向下”模式，整车厂将掌握更大的主动权和知识产权。调查分析表明，中国目前发展前景较大的汽车电子产品市场是：1.汽车车载娱乐2.导航信息系统3.车身电子系统4.汽车安全系统II.智能交通(ITS)智能交通管理系统是高新科技（通讯、导航、智能公路检测、预警等）与最新的交通流优化控制理论研究成果相结合的产物。对整个交通系统进行全面实时监控，优化交通组织和控制，全方位为驾驶人员提供有效道路、车辆信息，从而实现整个交通系统交通流的分布与交通网络通行能力的协调匹配，最大限度地发挥交通网络的通行能力，有效缓解交通拥挤、缩短旅行时间、降低能耗、减少交通事故的重要体系。ITS系统主要内容包括以下几个方面汽车超重检测汽车违章信息检测与记录汽车事故紧急处理桥梁和隧道的安全驾驶管理高速公路不停车收费系统车辆实时跟踪基于互联网和IPv6的车辆维护和部件、配件全球化管理系统智能为车辆提供安全驾驶的道路参数及周边车辆运行的实时信息汽车超重检测这里包含两个内容：在车辆行进中对车辆车型进行识别；对行进中的车辆称重。其中后者是技术的关键。被称车辆在运动中通过称台时称重系统处于动态变化（或者说是瞬态变化）之中，因此称重信号不能达到稳态。动态称重（WIM）技术是利用动态行驶的车辆经过特定的传感器后，传感器感受到动态车辆的压力信号，再由处理器进行一系列的分析、处理、计算，最后得到车辆的动态称重值。汽车违章信息检测与记录主要采用计算机技术、图形图像处理技术、通信技术、自动化控制技术等，利用CCD摄像机作检测传感器，通过对动态的视频图像进行实时处理，实现对车辆违章行为的自动识别以及利用辅助设备对违章行为抓拍记录。如下图为超速检测系统构成框图超速检测系统构成框图汽车事故紧急处理高速公路沿线布设与车辆电子信息系统联网或独立的报警电子设备，在发生异常情况时，来往司机可以通过车载联网功能或通过独立分布的报警电子设备通知高速公路管理局信息系统，或者由视频监控系统捕获异常情况，并根据情况的不同将异常处理的结果发送到高速巡警和电子指示牌为后续车辆提供指导。并在通过ITS道路---车辆管理信息系统在网上技术公告事故对相关车辆的影响情况和路段、提供避让预案，桥梁和隧道的安全驾驶管理实现桥梁和隧道的安全驾驶管理，主要是通过桥梁、隧道及车辆的各种传感器掌握道路、周围车辆的状况等驾驶环境信息，通过车载机、道路信息提供装置等实时地提供给驾驶员和智能交通控制管理站，进行危险警告和控制，并且现自动汽车驾驶。该系统有以下几个基本组成部分：装设在桥梁、隧道上的传感器（微波雷达、激光雷达、摄像机、其他形式的传感器等）、现场处理机及通信设备、智能交通控制管理终端、车载计算机及通信设备、相应的车载控制执行机构等。该系统实现两层功能。一是通过安装在桥梁、隧道中的传感器测量行驶中的车辆与桥梁和隧道设施的距离和相关情况，由现场处理机进行信息处理和各种方式的通信（现场光电警报、对车载电子系统发警报通信和控制信息），对驾驶员提出警告，并在紧急情况下实现车辆制动。二是实现车辆自动驾驶系统，实现在行驶中的自动导向、自动检测和回避障碍物，并能够在较高的速度下自动保持与桥梁、隧道周围障碍物的距离。高速公路不停车收费系统不停车收费系统（又称电子收费系统ElectronicTollCollectionSystem,简称ETC系统）利用车辆自动识别（AutomaticVehicleIdentification简称AVI）技术完成车辆与收费站之间的无线数据通讯，进行车辆自动识别和有关收费数据的交换，通过计算机网路进行收费数据的处理，实现不停车自动收费的全电子收费系统。和传统的人工收费系统不同，ETC技术是以IC卡或车辆网络IP作为数据载体，通过无线数据交换方式实现收费计算机与IC卡的远程数据存取功能。计算机可以读取IC卡中存放的有关车辆的固有信息（如车辆类别、车主、车牌号等）、道路运行信息、征费状态信息。按照既定的收费标准，通过计算，从IC卡中扣除本次道路使用通行费。当然，ETC也需要对车辆进行自动检测和自动车辆分类。ETC系统的关键技术主要集中在以下几个方面：1.自动车辆识别（AVIAutomaticVehicleIdentification）技术2.自动车型分类（AVCAutomaticVehicleClassification）技术3.短程通信（DSRCDedicatedShortCommunication）技术4.逃费抓拍系统（VESVideoEnforcementSystem）5.ETC的管理模式车辆实时跟踪对在高速公路上行驶的车辆实时跟踪，查看车辆的相应位置，便于实现车辆的跟踪管理。此外还可以给装有导航设备的车辆提供导航信息。可以运用卫星导航定位技术，根据车辆网络IP和公路GIS系统定位、跟踪汽车。并可应用ITS系统实现双向信息交互，提供相关车辆运行信息和去向信息。III.车载电子车辆GPS自主导航系统。车载GPS自主导航系统集成GIS、GPS、多媒体技术、车载传感器技术于一体的嵌入式应用软件系统。车载GPS自主导航系统在我国发展还处于初级阶段，而从汽车的前装市场和后装市场来看，我国车载GPS自主导航系统有广阔的市场前景，可能在最近几年会有一个非常大的增加需求。车载多媒体信息服务平台。利用嵌入式操作系统开发车载计算机多媒体系统，具有信息处理、通讯、导航、防盗、语言识别、图像显示和娱乐等功能，人们可以通过语言识别系统操纵车内的各种设施。可以通过车载卫星电视、卫星电台为驾驶提供方便，同时卫星通信、卫星定位、卫星导航可以使在全球范围内自由通信，车辆本身信息与路况信息的结合，给汽车的安全舒适驾驶提供了有力保障车辆电源系统的研究。为减小汽车发动和运行电源的电流，将现有12V汽车电源提升为未来汽车电源标准的４2V电源，以适应汽车电子装置不断增加的需要和有效降低整车热耗及各类电子开关、执行部件成本高、故障率高的根本手段，是国外正在研究的重点技术之一。这一改变将对汽车产业带来巨大影响，汽车电子产品会因其电源电压的升级而更新换代，在我国，汽车技术电子和信息技术的研究可以直接进入４2伏电源的配套和应用研究IV.汽车总线随着车用电气设备越来越多，从发动机控制到传动系统控制，从行驶、制动、转向系统控制到安全保证系统及仪表报警系统，从电源管理到为提高舒适性而作的各种努力，使汽车电气系统形成一个复杂的大系统，并且都集中在驾驶室控制。另外，随着近年来ITS的发展，以3G（GPS、GIS和GSM）为代表的新型电子通讯产品的出现，它对汽车的综合布线和信息的共享交互提出了更高的要求。目前存在的多种汽车网络标准，其侧重的功能有所不同，为方便研究和设计应用，SAE车辆网络委员会将汽车数据传输网划分为A、B、C三类。A类面向传感器/执行器控制的低速网络，数据传输位速率通常只有1-10kbps。主要应用于电动门窗、座椅调节、灯光照明等控制。B类面向独立模块间数据共享的中速网络，位速率一般为10-100kbps。主要应用于电子车辆信息中心、故障诊断、仪表显示、安全气囊等系统，以减少冗余的传感器和其它电子部件。C类面向高速、实时闭环控制的多路传输网，最高位速率可达1Mbps，主要用于悬架控制、牵引控制、先进发动机控制、ABS等系统，以简化分布式控制和进一步减少车身线束。到目前为止，满足C类网要求的汽车控制局域网只有CAN协议。三类网络功能均向下涵盖，即B类支持A类网的功能，C类网能同时实现B类和A类网功能。三类网络划分示意图CAN总