CN112422373B - 电动车辆域控制架构聚合服务时间分析方法 - Google Patents

电动车辆域控制架构聚合服务时间分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了电动车辆域控制架构聚合服务时间的分析方法，根据域控制架构中信息链的节点和网络通道的特性，可准确分析消息在信息链中传输所经历的节点服务时间和通道服务时间，对于由点服务时间和通道服务时间聚合而形成的服务时间链，本发明提出了计算其上边界的公式。本发明不仅可为电动车辆域控制架构的设计提供评价通信质量的标准，也可为高实时性控制系统的开发提供理论依据。

Description

电动车辆域控制架构聚合服务时间分析方法
技术领域
本发明属于电动车辆电子电气架构领域，具体为电动车辆域控制架构聚合服务时间分析方法。
背景技术
近年来，电动汽车凭借其无排放、加速快和噪声小等优点，在世界范围内取得了快速的发展，已成为未来汽车发展的重要趋势。电动汽车的快速发展进一步提高了车辆的电气化程度，越来越多的电子部件被集成到车辆上以实现多样化的功能。传统的车载电子电气架构主要采用分布式结构，大量电子部件的引入不仅显著增加了线缆的长度，也明显增加了硬件成本和汽车重量。此外，在分布式电子电气架构下，单个电控单元往往只能实现单一的功能，这使得涉及多种复杂功能的控制系统如自动驾驶系统的开发尤其困难。
基于域控制器的电子电气架构的出现为解决上述问题提供了新的途径，域控制架构可以将多种电子部件功能融合在一个控制器内，相比于传统的分布式电子电气架构，域控制架构不仅有利于简化功能设计，也有利于解决车载软硬件不断冗余的难题。域控制器具有强大的运算能力，这为复杂系统的开发提供了便利，也使得高级别自动驾驶功能的实现成为可能。因而，基于域控制器的电子电气架构已成为新兴智能电动汽车电子电气架构的主流选择。
然而，域控制架构的引入对车载通信过程提出了新的挑战。传统电子电气架构下的通信过程相对简单，消息一般经由传感器、电控单元和执行器三个通信节点和节点间的两个网络通道。但是基于域控制器的电子电气架构，其将整车的电子电气部件划分到诸如ADAS域、底盘域、车身域等几个域内，每个域内会有一个域控制器和与其通过网络相连的传感器、电控单元和执行器等电子部件，不同的域控制器之间也通过网络相连，而不同部件间的网络往往是采取不同的网络协议包括以太网、CAN、LIN、FlexRay等等。显然，域控制架构下的通信过程需要经过更多的网络节点和更多样的网络。现有的关于车载网络实时性的分析方法往往是针对传统的分布式电子电气架构。然而，针对域控制架构下的消息传输面临着复杂的聚合服务时间，还没有有效的分析方法，这无疑对基于域控制架构的控制系统的开发带来了很大的阻碍，也对电动车辆的系统稳定性和行车安全性带来了潜在的威胁。
发明内容
在汽车的电子电气架构加速由分布式架构转向域控制架构的背景下，本发明的目的是提供一种电动车辆域控制架构聚合服务时间分析方法，该分析方法可根据域控制架构信息链的节点和网络通道的特性，准确地分析出消息在信息链中传输所经历的节点服务时间和通道服务时间，对于由点服务时间和通道服务时间聚合而形成的服务时间链，本发明提出了计算其上边界的公式。本发明不仅可以为电动车辆域控制架构的设计提供评价通信质量的标准，也可为高实时性的控制系统的开发提供理论依据。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
电动车辆域控制架构聚合服务时间分析方法，包括以下步骤：
（1）域控制架构信息链的定义；
（2）域控制架构信息链的分析；
（3）服务时间的分析；
（4）服务时间链的分析；
（5）服务时间链上边界的分析。
域控制架构信息链是指域控制架构内某一节点至另一节点之间的节点和节点间网络通道的组合。
域控制架构信息链中的节点包括不同类型的节点；节点间的网络通道包括采用不同协议的网络。
域控制架构信息链中的不同类型的节点包括传感器节点、电控单元节点、中央网关节点、域控制器节点和执行器节点；网络通道的网络协议包括以太网、CAN、LIN和FlexRay。
域控制架构信息链中的节点包括采取时间触发模式和事件触发模式2种不同的触发模式，节点间的网络通道包括采取不同类型的网络协议；域控制架构信息链的种类数目用以下公式表示：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 930096DEST_PATH_IMAGE002
表示信息链种类数目；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
表示信息链中的节点数目；
Figure 909553DEST_PATH_IMAGE004
表示信息链中网络协 议种类数目。
域控制架构信息链中消息传输所经历的服务时间包括节点服务时间和通道服务时间；节点服务时间分为节点等待时间和节点执行时间；通道服务时间分为消息等待时间和消息传输时间。节点等待时间是指从消息抵达节点到节点开始处理该消息所经历的时间；节点执行时间是指从节点开始处理消息到节点将处理后的消息移至待发送区所经历的时间；消息等待时间是指从消息抵达待发送区到消息开始被发送所经历的时间；消息传输时间是指从消息开始被发送到消息抵达下一节点所经历的时间。
服务时间链是指信息链一端的节点发送的消息抵达信息链另一端的节点的过程中经历的节点服务时间和通道服务时间的组合，可用如下公式表示：
Figure 220449DEST_PATH_IMAGE006
其中n为正整数,代表信息链中节点的数目；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
表示第m类型的信息链 中在第k时刻起始的服务时间链；
Figure 412396DEST_PATH_IMAGE008
表示第m类型的信息链中第i个节点在第k时 刻起始的服务时间链的节点服务时间；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
表示第m类型的信息链中第j个网 络通道在第k时刻起始的服务时间链的通道服务时间。
服务时间链用节点等待时间、节点执行时间、消息等待时间和消息传输时间表示如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
其中
Figure 351402DEST_PATH_IMAGE012
表示第m类型的信息链中第i个节点在第k时刻起始的服务时 间链的节点等待时间；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
表示第m类型的信息链中第i个节点在第k时刻起始的 服务时间链的节点执行时间；
Figure 236181DEST_PATH_IMAGE014
表示第m类型的信息链中第j个网络通道 在第k时刻起始的服务时间链的消息等待时间；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
表示第m类型的信息链 中第j个网络通道在第k时刻起始的服务时间链的消息传输时间。
针对某一确定类型的信息链，服务时间链的上边界用如下公式表示：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE017
其中
Figure 831111DEST_PATH_IMAGE018
表示第m类型的信息链中服务时间链的上边界；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE019
表示上确 界算子；
Figure 561169DEST_PATH_IMAGE020
表示任意的。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种电动车辆域控制架构聚合服务时间分析方法，作为一套完整的聚合服务时间分析方法论，其可分析出不同拓扑的域控制架构的聚合服务时间和服务时间链的上边界。本发明不仅可以作为评价电动车辆域控制架构的通信质量的标准，也可为高实时性系统的开发提供理论依据，进而为提升电动车辆行车安全提供技术支持。
附图说明
图1为实施例1的总线型拓扑的域控制架构下的消息传输示意图；
图2为实施例1的总线型拓扑的域控制架构信息链示意图；
图3为实施例1的节点服务时间和通道服务时间示意图；
图4为实施例1的采取确定的节点触发模式和网络协议的信息链示意图；
图5为实施例1的信息链中消息传输的时序图；
图6为实施例1的服务时间链示意图；
图7为实施例2的星型拓扑的域控制架构下的消息传输示意图；
图8为实施例2的星型拓扑的域控制架构信息链示意图；
图9为实施例2的采取确定的节点触发模式和网络协议的信息链示意图；
图10为实施例2的信息链中消息传输的时序图；
图11为实施例2的服务时间链示意图。
具体实施方式
下面结合附图，以两个不同拓扑的域控制架构为例，对本发明的实施进行详细地说明，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
实施例1
总线型拓扑的域控制架构：
如图1所示，为总线型域控制架构下的消息传输示意图，以图中虚线表示的消息传输路径为例，消息从一个域内的节点传递至另一域内的节点，期间一共经过4个节点和3个网络通道。而传统分布式电子电气架构下的消息传输一般只经历传感器、控制器、执行器3个节点和节点间的2个网络通道。显然，由于域控制器的引入和跨域通信的需求，域控制架构下消息传输的路径往往更长，消息传输的滞后表现为复杂的聚合服务时间。
图2显示了本实施例中的信息链，该信息链中的节点包括节点1、节点2、节点3和节点4，网络通道包括网络通道1、网络通道2和网络通道3。节点可采取2种不同的触发模式：时间触发模式和事件触发模式，而节点间的网络通道则可采取不同类型的网络协议如以太网、CAN、LIN和FlexRay等等。此例中我们假设所有的网络通道采取的协议为以太网、CAN、LIN和FlexRay中的一种，则根据域控制架构下的信息链的种类数目的计算公式：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
其中
Figure 26786DEST_PATH_IMAGE022
表示信息链种类数目；
Figure DEST_PATH_IMAGE023
表示信息链中的节点数目；
Figure 816887DEST_PATH_IMAGE024
表示信息链中网络协 议种类的数目。
消息在信息链中传输时，会经历一定时间的滞后，这包括节点服务时间和通道服务时间，如图3所示。信息链一端的节点发送的消息抵达信息链另一端节点的过程中经历的节点服务时间和通道服务时间的组合，称之为服务时间链。在k时刻起始的服务时间链可用如下公式表示：
Figure 836796DEST_PATH_IMAGE026
其中n为正整数,代表信息链中节点的数目；
Figure 104966DEST_PATH_IMAGE007
表示第m类型的信息链 中在第k时刻起始的服务时间链；
Figure 893930DEST_PATH_IMAGE008
表示第m类型的信息链中第i个节点在第k时 刻起始的服务时间链的节点服务时间；
Figure 854933DEST_PATH_IMAGE009
第m类型的信息链中第j个网络通 道在第k时刻起始的服务时间链的通道服务时间。
如图3所示，节点服务时间可分为节点等待时间、节点执行时间，通道服务时间可分为消息等待时间和消息传输时间。其中节点等待时间是指从消息抵达节点到节点开始处理该消息所经历的时间；节点执行时间是指从节点开始处理消息到节点将处理后的消息移至待发送区所经历的时间；消息等待时间是指从消息抵达待发送区到消息开始被发送所经历的时间；消息传输时间是指从消息开始被发送到消息抵达下一节点所经历的时间。
因此服务时间链可用如下公式表示：
Figure 362138DEST_PATH_IMAGE028
其中
Figure 902841DEST_PATH_IMAGE012
表示第m类型的信息链中第i个节点在第k时刻起始的服务时 间链的节点等待时间；
Figure DEST_PATH_IMAGE029
表示第m类型的信息链中第i个节点在第k时刻起始的 服务时间链的节点执行时间；
Figure 343049DEST_PATH_IMAGE014
表示第m类型的信息链中第j个网络通道 在第k时刻起始的服务时间链的消息等待时间；
Figure 943795DEST_PATH_IMAGE015
表示第m类型的信息链 中第j个网络通道在第k时刻起始的服务时间链的消息传输时间。
进一步地，如图4所示，假设本例中的信息链的节点1、节点2和节点3采用时间触发模式，采样周期为T，节点4采用事件触发模式；网络通道1、网络通道2和网络通道3采用CAN协议。假设将该信息链定义为第1类型的信息链。该信息链中从k时刻起始从节点1向节点4传输消息的时序图如图5所示。
图6显示的是本类型信息链中的服务时间链，可用下述公式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
该服务时间链的上边界可用如下公式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
实施例2
星型拓扑的域控制架构：
如图7所示，为星型域控制架构下的消息传输示意图，以图中虚线表示的消息传输路径为例，消息从一个域内的节点传递至另一域内的节点，期间一共经过5个节点和4个网络通道。
图8显示了本例中的信息链，该信息链中的节点包括节点1、节点2、节点3、节点4和节点5，网络通道包括网络通道1、网络通道2、网络通道3和网络通道4。节点可采取2种不同的触发模式：时间触发模式和事件触发模式，而节点间的网络通道则可采取不同类型的网络协议如以太网、CAN、LIN和FlexRay等。此例中我们假设所有的网络通道采取的协议为以太网、CAN、LIN和FlexRay中的一种，则根据域控制架构下的信息链的种类数目的计算公式：
Figure 735033DEST_PATH_IMAGE034
其中
Figure 345006DEST_PATH_IMAGE022
表示信息链种类数目；
Figure 108563DEST_PATH_IMAGE023
表示信息链中的节点数目；
Figure 145789DEST_PATH_IMAGE024
表示信息链中网络 协议种类的数目。
消息在信息链中传输时，会经历一定时间的滞后，这包括节点服务时间和通道服务时间。信息链一端的节点发送的消息抵达信息链另一端的节点的过程中经历的节点服务时间和通道服务时间的组合，称之为服务时间链。在k时刻起始的服务时间链可用如下公式表示：
Figure 627586DEST_PATH_IMAGE036
其中n为正整数，代表信息链中节点的数目；
Figure 775671DEST_PATH_IMAGE007
表示第m类型的信息链 中在第k时刻起始的服务时间链；
Figure 393734DEST_PATH_IMAGE008
表示第m类型的信息链中第i个节点在第k时 刻起始的服务时间链的节点服务时间；
Figure 867440DEST_PATH_IMAGE009
第m类型的信息链中第j个网络通 道在第k时刻起始的服务时间链的通道服务时间。
节点服务时间可分为节点等待时间、节点执行时间，通道服务时间可分为消息等待时间和消息传输时间。其中节点等待时间是指从消息抵达节点到节点开始处理该消息所经历的时间；节点执行时间是指从节点开始处理消息到节点将处理后的消息移至待发送区所经历的时间；消息等待时间是指从消息抵达待发送区到消息开始被发送所经历的时间；消息传输时间是指从消息开始被发送到消息抵达下一节点所经历的时间。
因此服务时间链可用如下公式表示：
Figure 570954DEST_PATH_IMAGE038
其中
Figure 257150DEST_PATH_IMAGE012
表示第m类型的信息链中第i个节点在第k时刻起始的服务时 间链的节点等待时间；
Figure 260879DEST_PATH_IMAGE029
表示第m类型的信息链中第i个节点在第k时刻起始的 服务时间链的节点执行时间；
Figure 639907DEST_PATH_IMAGE014
表示第m类型的信息链中第j个网络通道 在第k时刻起始的服务时间链的消息等待时间；
Figure 830717DEST_PATH_IMAGE015
表示第m类型的信息链 中第j个网络通道在第k时刻起始的服务时间链的消息传输时间。
进一步地，如图9所示，假设本例中的信息链的节点1、节点2、节点3和节点4采用时间触发模式，采样周期为T，节点5采用事件触发模式；网络通道1、网络通道2、网络通道3和网络通道4采用CAN协议。假设将该信息链定义为第1类型的信息链。该信息链中从k时刻起始从节点1向节点5传输消息的时序图如图10所示。
图11显示的是本类型信息链中的服务时间链，可用下述公式表示：
Figure 586184DEST_PATH_IMAGE040
该服务时间链的上边界可用如下公式计算：
Figure 178839DEST_PATH_IMAGE042
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

Claims (2)

1.电动车辆域控制架构聚合服务时间分析方法，包括以下步骤：
（1）域控制架构信息链的定义；
（2）域控制架构信息链的分析；
（3）服务时间的分析；
（4）服务时间链的分析；
（5）服务时间链上边界的分析；
所述的域控制架构信息链是指域控制架构内某一节点至另一节点之间的节点和节点间网络通道的组合；
域控制架构信息链中的节点包括不同类型的节点；节点间的网络通道包括采用不同协议的网络；
域控制架构信息链中的不同类型的节点包括传感器节点、电控单元节点、中央网关节点、域控制器节点和执行器节点；网络通道的网络协议包括以太网、CAN、LIN和FlexRay；
其特征在于：域控制架构信息链中的节点包括采取时间触发模式和事件触发模式2种不同的触发模式，节点间的网络通道包括采取不同类型的网络协议；域控制架构信息链的种类数目用以下公式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 287533DEST_PATH_IMAGE002
表示信息链种类数目；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表示信息链中的节点数目；
Figure 126045DEST_PATH_IMAGE004
表示信息链中网络协议种 类数目；
所述的服务时间链是指信息链一端的节点发送的消息抵达信息链另一端的节点的过程中经历的节点服务时间和通道服务时间的组合，用如下公式表示：
Figure 374624DEST_PATH_IMAGE006
其中n为正整数,代表信息链中节点的数目；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
表示第m类型的信息链中在 第k时刻起始的服务时间链；
Figure 222363DEST_PATH_IMAGE008
表示第m类型的信息链中第i个节点在第k时刻起 始的服务时间链的节点服务时间；
Figure DEST_PATH_IMAGE009
表示第m类型的信息链中第j个网络通 道在第k时刻起始的服务时间链的通道服务时间；
所述的服务时间链用节点等待时间、节点执行时间、消息等待时间和消息传输时间表示如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
其中
Figure 443260DEST_PATH_IMAGE012
表示第m类型的信息链中第i个节点在第k时刻起始的服务时间链 的节点等待时间；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
表示第m类型的信息链中第i个节点在第k时刻起始的服务 时间链的节点执行时间；
Figure 452673DEST_PATH_IMAGE014
表示第m类型的信息链中第j个网络通道在第k 时刻起始的服务时间链的消息等待时间；
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示第m类型的信息链中第j 个网络通道在第k时刻起始的服务时间链的消息传输时间；
针对某一确定类型的信息链，服务时间链的上边界用如下公式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
其中
Figure 391810DEST_PATH_IMAGE018
表示第m类型的信息链中服务时间链的上边界；
Figure DEST_PATH_IMAGE019
表示上确界算 子；
Figure 777661DEST_PATH_IMAGE020
表示任意的。
2.根据权利要求1所述的电动车辆域控制架构聚合服务时间分析方法，其特征在于：域控制架构信息链中消息传输所经历的服务时间包括节点服务时间和通道服务时间；节点服务时间分为节点等待时间和节点执行时间；通道服务时间分为消息等待时间和消息传输时间；
节点等待时间是指从消息抵达节点到节点开始处理该消息所经历的时间；节点执行时间是指从节点开始处理消息到节点将处理后的消息移至待发送区所经历的时间；消息等待时间是指从消息抵达待发送区到消息开始被发送所经历的时间；消息传输时间是指从消息开始被发送到消息抵达下一节点所经历的时间。
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