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实现与云计算技术相结合的OBD-II车辆诊断系统

摘要

本文实现了基于云计算的第二代车载诊断（OBD-II）系统。提出的系统与OBD-II，3.5G无线网络和云计算技术相结合。可进行实时车辆状态监控。受监视的功能涵盖发动机转速，车速，冷却液温度，故障代码和其他车辆动态信息。车辆信息将通过3.5G无线网络传输到云计算服务器进行故障分析。一旦云计算服务器检测到故障状况，提出的系统可以根据车辆类型和型号年份对故障条件进行分类。然后，云计算服务器将向用户报告故障代码分析结果，并提供有关维修过程的说明。提出的系统将大大缩短检测车辆故障状况的时间。本文提出的系统在车辆维护和车队管理的应用中具有非常高的价值。

关键字 ： 车载诊断（OBD），云计算，车辆维修信息，android系统。

一 引言

随着全球环境保护的高度关注以及节能减排问题，目前主要汽车公司致力于开发具有低燃耗，低排放特点的新车。为实现这一目标，新型车辆配备了各种汽车电子设备，如电子燃油喷射系统，自动变速箱系统，排放控制系统等。尽管这些汽车电子设备可以提高燃油效率的性能，显着增加车辆的复杂性。据统计，现代新车配置的电子元件数量比十年前增加了两倍。同时，半导体市场研究机构IC Insights也指出，2004年电子元器件的成本占总体车辆价格的23％。这一比例将在2010年上升至40％，到2020年可能达到50％。主要的汽车公司在设计现代汽车时考虑到这些汽车电子设备的耐用性，但是人为故障或操作不当仍将导致不必要的燃油消耗和废气污染。由于这些现代车辆配备了大量的电子元件，因此使用传统的故障检测方法来诊断这些车辆故障并不容易。内置在线专家系统将通过统计算法分析车速，发动机转速，油门角度，制动器，发动机温度，电池电压，氧气传感器电压，燃油喷射频率，瞬时燃油消耗量等信息，以确定车辆发生车辆故障警告。 VDS还支持以下数据管理功能：驾驶员和车辆数据管理，实时车辆位置通信，车辆运行状态，车辆异常警报，远程车辆维护说明等。根据以前的研究[1]，发现车辆故障的时间为70％，故障排除和维护时间只有30％。因此，主要车辆公司开发了车载电子控制单元（ECU）的故障诊断系统，即车载诊断或OBD。

OBD系统设计用于连续监控车辆的运行状况[2] - [4]。 一旦控制排气排放的故障元件，OBD系统将打开故障指示灯（MIL）或检查发动机灯，如图1所示，通知驾驶员立即修理车辆。 当OBD系统检测到故障时，OBD规定将通知车辆的ECU，以保存关于存储器中故障信息的标准化诊断故障代码（DTC）。 用于维修人员的OBD扫描工具可以从ECU访问DTC，以根据DTC的提示快速准确地确认故障特性和位置。 除了DTC，OBD系统还可以监控超过80项实时驾驶状态，例如车速，发动机转速，节气门位置，进气温度，发动机冷却液温度等[2] - [4]。OBD系统广泛应用于当前车辆车间或服务经销商。由于OBD的操作退出困难，一般驱动程序无法轻松访问OBD数据。因此，本文开发了一种与云计算技术相结合的车辆诊断系统，以帮助OBD系统广泛应用于当前车辆车间或服务经销商。由于OBD的操作退出困难，一般驱动程序无法轻松访问OBD数据。因此，本文开发了一种与云计算技术相结合的车辆诊断系统，以帮助驾驶员或维修人员确定车辆的故障。本文提出的车辆诊断系统由车载单元（OBU）和车辆诊断服务器（VDS）组成。 OBU分为OBD和CAN总线信号接收器，GPS接收器和3.5G无线网络模块。除诊断服务器监控功能外，提出的VDS集成了在线专家系统和统计分析功能。

本文的其余部分组织如下。第二节和第三节分别介绍OBU和VDS。第四节描述了实验结果。最后一节将总结本文。

II 车载单元（OBU）

本文提出的OBU模块旨在从GPS接收机和CAN获取实时车辆位置和操作信息，例如日期，时间，经度，纬度，速度，发动机转速，冷却液温度，故障代码数等 / OBD-II适配器。 实时车辆信息将通过CAN / OBD-II诊断编码器进行编码，然后传输到数字位流。 OBU模块将通过3.5G网络将这些数字位流传输到车辆诊断服务器（VDS）。 图2是所提出的OBU模块的框图。 该系统主要由CAN / OBD-II适配器，GPS接收器，CAN / OBD-II诊断编码器和3.5G无线网络模块组成。 以下三个小节将特别介绍这三个主要项目。

1. CAN / OBD-II适配器

本文使用的CAN / OBD-II适配器基于ELM 327芯片，符合SAE / ISO标准[6] - [9]，[12]。 CAN / OBD-II的主要特点是（1）统一的J1962 16针插座和数据链路连接器（DLC）（如图3所示）; （2）统一DTC及含义; （3）存储和显示DTC; （4）车辆记录能力; 和（5）DTC的自动清除或复位功能。由于OBD的操作退出困难，一般驱动程序无法轻松访问OBD数据。因此，本文开发了一种与云计算技术相结合的车辆诊断系统，以帮助OBD系统广泛应用于当前车辆车间或服务经销商。由于OBD的操作退出困难，一般驱动程序无法轻松访问OBD数据。因此，本文开发了一种与云计算技术相结合的车辆诊断系统，以帮助驾驶员或维修人员确定车辆的故障。本文提出的车辆诊断系统由车载单元（OBU）和车辆诊断服务器（VDS）组成。 OBU分为OBD和CAN总线信号接收器，GPS接收器和3.5G无线网络模块。 换句话说，只有一套CAN / OBD-II扫描工具能够执行诊断任务，可以扫描配备CAN / OBD-II系统的各种车辆。

总共有五个代码来表示OBD-II DTC消息。 图4显示了OBD-II DTC的定义。 第一个代码是一个英文字母表，代表既定的故障系统。 剩下的四个代码是数字; 第二个代码表示由ISO / SAE制定或由车辆制造商定制的故障的含义; 第三个代码显示了车辆系统的面积; 剩下的两个代码表示主题故障的定义[5]。

1. GPS接收机

GPS接收机可以同时从8-12组GPS卫星接收信号。 GPS卫星信号包括协调通用时间，星历数据，年历数据，粗略/采集码等。GPS接收机可以接收，处理和转换信息到时间，纬度，经度，速度，方向，高度，估计位置误差 ，和其他时间位置信息[9]。知识获取界面的目的是帮助系统开发人员进行知识提取，编辑和修改知识数据库和推理设备。它还可以测试，记录和描述专家系统的状态和结果。用户界面是用户与专家系统之间的沟通桥梁。用户界面的设计侧重于兼容性和便利性。它通常提供各种操作方法，并指示正确的行为模式。

推论引擎是专家系统的主要部分。它利用算法或决策策略来进行知识推理的知识和知识数据库。共同的专家系统可以分为基于规则的推理和基于案例的管理系统。

基于规则的推论引擎使用知识数据库中内置的大量规则。推理过程主要是通过链接规则，系统必须控制初始状态达到推理目的 然后，这些数据将被传送到诸如Google Maps的地理信息系统（GIS）来精确定位并显示车辆位置。 所提出的系统使用安装有SiRF Star III芯片组的GPS接收机来收集GPS信号。

1. CAN / OBD-II诊断编码器

CAN / OBD-II诊断编码器的功能是根据预设的传输格式编码和集成GPS信号以及CAN / OBD信息。 这些编码的数字比特流将通过3.5G无线网络传输到车辆诊断服务器[10]。 车辆诊断服务器可以根据预定义的传输格式对数字位流进行解码，以获取车辆信息，包括速度，发动机转速，发动机冷却液温度，OBD DTC以及车辆位置的GPS坐标。

III 车辆诊断服务器（VDS）

本文提出的VDS可被视为一种车辆诊断管理平台。它将通过无线网络从OBU接收实时车辆数据。这些实时车辆数据包括GPS坐标，车速，发动机转速，冷却液温度，OBD DTC等.VDS将使用在线专家系统进行统计分析来分析这些实时车辆数据。一旦在线专家系统检测到任何车辆异常状况，VDS将立即通知驾驶员进行必要的维修。

内置在线专家系统将通过统计算法分析车速，发动机转速，油门角度，制动器，发动机温度，电池电压，氧气传感器电压，燃油喷射频率，瞬时燃油消耗量等信息，以确定车辆发生车辆故障警告。它利用算法或决策策略来进行知识推理的知识和知识数据库。共同的专家系统可以分为基于规则的推理和基于案例的管理系统。

基于规则的推论引擎使用知识数据库中内置的大量规则。推理过程主要是通过链接规则，系统必须控制初始状态达到推理目的。 VDS还支持以下数据管理功能：驾驶员和车辆数据管理，实时车辆位置通信，车辆运行状态，车辆异常警报，远程车辆维护说明等。

1. 在线专家系统

通常，专家系统是为特定领域设计的，通过知识数据库和推理机来解决，判断或解释问题。随着各种专家系统的逐渐发展，专家系统已被广泛应用于各行各业，应用范围更广泛。

在本文中，在线专家系统主要用于增强VDS的功能。在线专家系统包含知识数据库，知识获取界面，用户界面和推理引擎。图5显示了专家系统的框图。

知识数据库的建立是为了收集人类专家知识的系统表达或模块化。因此，电脑可以进行推理和解决问题。知识获取界面的目的是帮助系统开发人员进行知识提取，编辑和修改知识数据库和推理设备。CAN / OBD-II诊断编码器的功能是根据预设的传输格式编码和集成GPS信号以及CAN / OBD信息。 这些编码的数字比特流将通过3.5G无线网络传输到车辆诊断服务器[10]。 车辆诊断服务器可以根据预定义的传输格式对数字位流进行解码，以获取车辆信息，包括速度，发动机转速，发动机冷却液温度，OBD DTC以及车辆位置的GPS坐标。它还可以测试，记录和描述专家系统的状态和结果。用户界面是用户与专家系统之间的沟通桥梁。用户界面的设计侧重于兼容性和便利性。它通常提供各种操作方法，并指示正确的行为模式。

推论引擎是专家系统的主要部分。它利用算法或决策策略来进行知识推理的知识和知识数据库。共同的专家系统可以分为基于规则的推理和基于案例的管理系统。

基于规则的推论引擎使用知识数据库中内置的大量规则。推理过程主要是通过链接规则，系统必须控制初始状态达到推理目的。因此，基于规则的专家系统适用于已知的完整范围或较窄的应用。一般来说，基于规则的专家系统包括三个步骤：

1.匹配：找到满足案例的所有规则。

2.选择：在所有候选规则中，决定执行状态最合适的选择之一。

3.规则执行：执行进程的选择规则。

基于案例的推论引擎来自机器学习领域。 它本质上是一个人的解决问题的模式。 基本的做法是用过去类似的经验来解决新问题。 只要收集足够的故障情况就足够了，系统的可靠性就会增加。 基于案例的专家系统有以下五个主要步骤。

1.将相关示例或经验存储在知识数据库中。

2.确定并了解当前的问题。

3.从知识数据库中提取类似的示例或经验案例。

4.使用这些类似的例子或经验来解决当前的问题。

5. 解决问题后，请更新知识数据库中的此示例或体验。

由于整个车辆系统由各种子系统组成，故障事件可能会有很大的不同。 失败的原因可能只是在同一个子系统中发生。它利用算法或决策策略来进行知识推理的知识和知识数据库。共同的专家系统可以分为基于规则的推理和基于案例的管理系统。

基于规则的推论引擎使用知识数据库中内置的大量规则。推理过程主要是通过链接规则，系统必须控制初始状态达到推理目的。因此，基于规则的专家系统适用于已知的完整范围或较窄的应用。 显式现象的失败可以判断为子系统故障，适用于基于规则的推理引擎。 但是，故障可能无法覆盖子系统的数量。 它通常没有明确的症状，适合用例型推论引擎。 因此本文将基于规则和案例同时设计专家系统。

IV 实验结果

本文使用两台笔记本电脑来模拟OBU和VDS模块。 OBU模块有一个GPS-1155（USB接口，SiRF III）GPS接收器和一个蓝牙接收器，分别获得GSP信号和CAN / OBD-II信息。 它还附带一个3.5G网络模块。 用于模拟VDS的笔记本电脑安装Microsoft Access 2003以记录实时车辆信息，并利用Google Maps API来指示车辆在GIS中的位置。 VDS具有修复IP地址，用于接收OBU模块发送的车辆信息。 本文提出的所有子系统由C＃语言实现，计算机在安装Microsoft .NET Framework V2.0时可以执行此浏览器。 图6显示了上述仿真设备。

图7显示了本文中实现的CAN / OBD-II信息显示器。 在这个例子中，发动机冷却液的温度（即164度）超过合法限度，因此VDS将如图7所示通知驾驶员。

一旦VDS检测到车辆故障，VDS将首先使用在线专家系统确定此故障的原因。 然后OBU可以显示从VDS下载的服务手册。 图8是由VDS提供的在线服务手册的示例。

五 结论

本文综合了CAN / OBD-II系统，3.5G移动网络，GPS和专家系统，开发了实时车辆诊断和早期故障估计的智能技术。 该提出的系统由车载单元（OBU）模块和车辆诊断服务器（VDS）组成。 实时车辆数据，即车辆位置和CAN / OBD-II操作信息将通过3.5G移动网络发送到VDS。 然后，内置VDS的专家系统将分析这些车辆操作数据，并执行实时车辆诊断或故障预警。 一旦检测到异常情况，VDS将通知出厂或出厂的车辆维修或修理要求。 提出的系统对车辆污染检测，车辆故障警报，远程诊断和路边维修非常有用。

参考文献

[1]胡杰，严福武，田静，王平，曹凯，“基于OBD系统开发基于PC的汽车诊断系统”，2010年亚太电力与能源工程会议（APPEEC），第1-5页，2010年3月。

[2]诊断故障代码定义等同于ISO / DIS 15031-6，SAE标准J2012,

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