本發明屬于汽車通信網絡
技術領域：
，特別涉及一種基于數據融合的車載網絡評價方法。
背景技術：
：安全、節能、環保以及汽車智能化的需求推動了汽車網絡技術的發展，與其對應的車載網絡的仿真和評價系統也成為了各研究部門與廠商關注的問題。can總線技術目前已經成為最成熟的車載網絡標準之一，被廣泛應用于現代汽車控制中，但由于車載應用環境的復雜性，can總線車載網絡的實時性、容錯性、可靠性以及帶寬資源利用能力至今仍未能滿足實際要求與發展需要。因此，除解決汽車強電磁干擾問題和網絡本身電氣故障外，如何有效提高網絡的高效集成，如何有效評估網絡性能以保證網絡可調度性與可靠性，提高帶寬資源利用率等問題都是車載網絡有待深入研究和解決的關鍵理論問題。非專利文獻《can協議車載網絡若干關鍵理論研究》(《東北大學》—2008)中提到一種典型的車載網絡評價方法使用單調速率分析(ratemonotonicalgorithm,rma)方法，該方法是一種經典的周期任務調度分析方法，通過引入實時系統的分析方式分析信息實時性。根據事件產生的比率來分配優先級，事件產生的時間間隔越小即比率越大，則被分配的優先級越高，反之則越低。當應用于can總線的信息優先級分配時，信息連續兩次申請發送之間的最小時間間隔越小，則信息的比率越大，信息的優先級越高，信息分配的標識越小。rma算法簡單易行，基于rma算法的網絡可調度分析也比較成熟。非專利文獻《車載網絡仿真與評測系統的實現》(《哈爾濱工業大學》—2009)中提出一種車載網絡系統的資源需求評測的方法，從靜態分析和動態仿真分析兩個方面討論了車載網絡系統網絡性能評測的方法，較為完備的實現了對車載網絡系統網絡性能的評價。但是，以上車載網絡的分析與評價研究存在以下問題：(1)對于不同的網絡拓撲沒有做區分及分析，作為同一信息總量處理，忽視了網絡拓撲結構的特性。而網絡拓撲結構是影響數據傳輸路徑的重要因素，且直接影響車載網絡的數據延遲和網關路由等網絡性能。(2)絕大多數研究僅從單信號裝幀或組合裝幀的角度分析網絡擴展的靈活性，而商用車大多遵照saej1939標準設計，數據裝幀方式固定，所以裝幀方式無法體現所有網絡擴展的靈活性，缺少適用于所有車載網絡可擴展性的分析研究，而可擴展性是各廠商進行平臺網絡設計需要考慮的重要因素。(3)傳統的車載網絡評價方法通常只對一個性能進行比較，或者將多個性能指標逐個進行比較，未考慮多項網絡性能指標的綜合評價及如何以量化的形式表示。技術實現要素：針對上述技術問題，本發明提供一種基于數據融合的車載網絡評價方法，該方法從網絡拓撲結構分析和網絡數據分析兩方面有效分析評價車載網絡，通過分析車載網絡拓撲結構計算數據特征路徑長度，通過分析車載網絡數據庫計算車載網絡總線負載率和數據延遲可擴展性，并通過dempster-shafer證據理論有效融合上述性能指標分析結果，從而形成對車載網絡的綜合評價。本發明采用的技術方案為：本發明提供一種基于數據融合的車載網絡評價方法，包括：s100：針對初步設計的車載網絡方案，分別提取車載網絡拓撲結構g和車載網絡數據庫m；s200：基于提取的車載網絡拓撲結構g來分析計算車載網絡各數據特征路徑長度，從而得到車載網絡拓撲結構評價結果；s300：基于車載網絡數據庫m，對車載網絡的網絡數據進行靜態數據分析和動態數據分析，其中，靜態數據分析用于分析車載網絡中的各子網的總線負載率的可擴展性，以得到車載網絡靜態數據可擴展性分析結果，動態數據分析用于分析網絡數據的數據延遲可擴展性，以得到車載網絡動態數據可擴展性分析結果；s400：采用數據融合方法對步驟s200中得到的車載網絡拓撲特征路徑長度評價結果、步驟s300中得到的車載網絡靜態數據可擴展性分析結果和車載網絡動態數據可擴展性分析結果進行融合，以量化的形式得到車載網絡的融合結果；s500：基于步驟s400的融合結果，對車載網絡進行綜合評價。可選地，所述車載網絡拓撲結構評價結構基于下述公式(1)和(2)確定：其中，f1(g,m)為車載網絡拓撲結構評價結果，取值為(0,1]；l(g,m)為車載網絡拓撲的平均最短路徑，取值為大于等于1,mij表示車載網絡中的發送節點為i且接收節點為j的報文，d(mij)表示發送節點為i且接收節點為j的報文的最短路徑，|m|表述車載網絡數據庫m中的報文數量。可選地，所述車載網絡靜態數據可擴展性分析結果通過下述公式(3)至(5)確定：其中，busload(mi)表示第i個子網的總線負載率，size(mij)表示報文mij的報文長度，tmij表示報文mij的周期時間，τ表示總線波特率，max(g,m)表示各子網中總線負載率的最大值，f2(g，m)表示車載網絡靜態數據可擴展性分析結果，k1為每個子網的總線負載率的上限值。可選地，所述車載網絡動態數據可擴展性分析結果通過下述公式(6)和(7)確定：其中，dmij是報文mij發送最長延遲時間，lmij是比報文mij優先級低的所有報文中的最長報文總線占用時間，cj是比報文mij優先級高的所有數據幀hp(mij)的總線占用時間，emij是總線上可能出現的錯誤幀的延遲時間，tmij表示報文mij的周期時間；k2是每個報文的數據延遲可擴展性系數，取值范圍為(0,1)，f3(g，m)表示車載網絡動態數據可擴展性分析結果。可選地，基于dempster-shafer證據理論來融合車載網絡拓撲結構評價結果、車載網絡靜態數據可擴展分析結果和車載網絡動態數據可擴展性分析結果，以量化的形式得出車載網絡的綜合評價；設最終評價結果為識別框架θ＝{a,b,c}，a表示最終評價結果為“優秀”，b表示最終評價結果為“良好”，c表示最終評價結果為“不及格”，對于識別框架θ上的三個mass函數m1，m2和m3的dempster-shafer合成規則如下式(8)和(9)所示：其中若k＝0，則認為m1，m2和m3矛盾，無法對它們進行組合；若k≠0，則m1，m2和m3組合后的基本概率賦值為ds(s)；m1表示車載網絡拓撲結構評價結果f1(g，m)，m2表示車載網絡靜態數據可擴展性分析結果f2(g，m)，m3表示車載網絡動態數據可擴展性分析結果f3(g，m)，ds(s)表示m1，m2和m3對s的綜合支持程度。可選地，當ds(s)＝max{ds(a),ds(b),ds(c)}＝ds(a)時，表示車載網絡的綜合評價結果為優秀；當ds(s)＝max{ds(a),ds(b),ds(c)}＝ds(b)時，表示車載網絡的綜合評價結果為良好；當ds(s)＝max{ds(a),ds(b),ds(c)}＝ds(c)時，表示車載網絡的綜合評價結果為不及格。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：(1)本發明由于能夠根據車載網絡拓撲結構分析數據的特征路徑長度，彌補了目前車載網絡評價方法對于不同網絡拓撲沒有做區分及分析的不足，提高了車載網絡評價方法的準確性。(2)本發明由于能夠根據車載網絡總線負載率分析總線負載率的可擴展性，根據數據延遲計算分析數據延遲的可擴展性，在保證總線高利用率和低數據延遲的情況下，有效評價車載網絡的可擴展性，提高了車載網絡評價方法的可擴展性。(3)本發明由于能夠通過dempster-shafer證據理論決策融合技術，有效融合車載網絡拓撲特征路徑長度，總線負載率和數據延遲可擴展性綜合評價整個車載網絡，提高了車載網絡評價方法的綜合性和通用性。因而本發明可以廣泛應用于各種車載網絡的綜合評價。本發明可在前期設計階段有效指導車載網絡設計工作，有效避免后續開發過程中遇到問題需推翻重新設計，或無法全面評價優化車載網絡架構等問題，有效降低設計成本，提高車載網絡設計的可靠性和可擴展性，為車載網絡設計提供有效的評價方法及理論依據。附圖說明圖1是本發明一種基于數據融合的車載網絡評價方法示意圖。圖2是本發明一實施例的車載網絡設計方案的示意圖。具體實施方式為使本發明要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例進行詳細描述。本發明實施例提供一種基于數據融合的車載網絡評價方法，該方法從拓撲結構分析和網絡數據分析兩方面對初步形成的多個車載網絡方案進行有效分析，通過分析車載網絡拓撲結構計算數據特征路徑長度，通過分析車載網絡數據庫計算車載網絡總線負載率和數據延遲可擴展性，并通過dempster-shafer證據理論有效融合上述性能指標分析結果，從而形成對車載網絡的綜合評價，以判斷哪種方案更好，可擴展性更高。具體的評價步驟如圖1所示，包括以下步驟：s100：提取車載網絡拓撲結構g和車載網絡數據庫m針對輸入的車載網絡方案，分別提取車載網絡拓撲結構g和車載網絡數據庫m；s200：車載網絡拓撲結構分析基于提取的車載網絡拓撲結構g來分析計算車載網絡各數據特征路徑長度，從而得到車載網絡拓撲結構評價結果；s300：車載網絡數據分析基于車載網絡數據庫m，對車載網絡的網絡數據進行靜態數據分析和動態數據分析，其中，靜態數據分析用于分析車載網絡中的各子網的總線負載率的可擴展性，以得到車載網絡靜態數據可擴展性分析結果，動態數據分析用于分析網絡數據的數據延遲可擴展性，以得到車載網絡動態數據可擴展性分析結果；s400：數據融合分析采用數據融合方法對步驟s200中得到的車載網絡拓撲特征路徑長度評價結果和步驟s300中得到的車載網絡靜態數據可擴展性分析結果和車載網絡動態數據可擴展性分析結果進行融合，以量化的形式得到車載網絡的融合結果；s500：車載網絡綜合評價基于步驟s400的融合結果，對車載網絡進行綜合評價。以下，對上述步驟進行詳細描述。步驟s100：提取車載網絡拓撲結構g和車載網絡數據庫m針對輸入的車載網絡方案，分別提取車載網絡拓撲結構g和數據庫信息m。任一車載網絡方案包括車載網絡拓撲結構圖g和車載網絡數據庫m。其中車載網絡拓撲圖表示為g＝{v,e}的有向圖，其中v表示所有網絡節點組成的節點集合v＝{v1,v2,……,vn}，|v|表示網絡節點數量；e表示所有邊組成的集合e＝{e1,e2,……,e2n}；車載網絡數據庫m由網絡所有報文數據組成的集合，表示為：m＝{i,j∈mij}其中，mij表示發送節點為i且接收節點為j的報文。|m|表示數據庫報文數量。如果一個報文同時有多個接收節點時，則取所有接收節點中最遠的節點作為接收節點，此時最遠接收節點的報文路徑已涵蓋了其他接收節點的報文路徑。步驟s200：車載網絡拓撲結構分析拓撲結構分析計算車載網絡各數據特征路徑長度，從而得出結構評價結果。以往的評價系統研究對于不同的網絡拓撲沒有做區分及分析，作為同一信息總量處理，忽視了網絡拓撲結構的特性。而網絡拓撲結構是影響數據傳輸路徑的重要因素，且直接影響車載網絡的網絡性能。本發明提出數據特征路徑長度性能指標，反映一個完整的數據從發送節點到接收節點需要經歷路徑的最短長度。報文路徑長度長，則說明報文需要經過路由的次數多，數據延遲時間長；否則，則說明報文需要經過路由的次數少，數據延遲時間少。特征路徑長度是衡量車載網絡性能的重要指標。如果定義d(mij)表示發送節點為i且接收節點為j的報文的最短路徑，則基于車載網絡拓撲g和數據庫m的特征路徑長度l(g，m)通過下述公式(1)得到：即，特征路徑長度l(g,m)為所有報文的最短路徑的平均值。理想情況下，所有數據的發送節點和接收節點均位于同一網絡，數據在網絡上發送時，接收節點可直接得到，所有數據的特征路徑長度均為1，數據路由次數最少，此時數據延遲時間最短，即l(g，m)≥1。車載網絡拓撲結構評價結果為車載網絡平均特征路徑長度倒數的百分比，表示為f1(g,m)，計算方法如下式(2)所示：其中，f1(g,m)∈(0,1]。如果特征路徑長度值越大，即所有報文的最短路徑的平均值越大，則報文經過的網關節點越多，造成的數據延遲越大，結構性能評價越差；反之，報文經過的網關節點越少，造成的數據延遲越小，結構性能評價越高。步驟s300：車載網絡數據分析網絡數據分析分為靜態數據分析和動態數據分析。靜態數據分析在靜態分析模塊中進行，用于分析各子網的總線負載率，并考慮可擴展性因素，得出靜態數據評價結果。動態數據分析在動態分析模塊中進行，得出車載網絡數據延遲的可擴展性。具體方法如下：(a)靜態數據分析模塊分析各子網的總線負載率，并考慮網絡的可擴展性，提出總線負載率的可擴展性系數k1，得出靜態數據評價結果。如果車載網絡{g,m}共有n個子網，mi表示第i個子網的報文集合，|mi|表示第i個子網中報文數量，max(g,m)表示各子網中總線負載率的最大值，靜態數據評價結果f2(g，m)計算方法如下式(3)，(4)和(5)所示：其中，busload(mi)表示第i個子網的總線負載率，size(mij)表示報文mij的報文長度，tmij表示報文mij的周期時間。τ表示總線波特率，在乘用車can網絡中，τ取固定值500kb/s；在商用車can網絡中，τ取固定值250kb/s；在lin網絡中，τ取固定值19.2kb/s。總線負載率的可擴展性系數k1∈(0,1)，k1可通過專家系統根據該領域一個或多個專家提供的知識和經驗，進行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，以取得k1取值或通過經驗賦值取得。本發明采用經驗賦值方法，一般車載網絡設計時考慮網絡可靠性因素，要求每個子網總線負載率的上限值為50％，故令k1＝50％。(b)動態數據分析模塊通過經典的rma單調速率分析方法分析車載網絡的數據延遲，進一步評價車載網絡數據延遲的可擴展性。對于網絡數據實時性的分析通常引入實時系統的分析方式rma單調速率分析方法。rma數據延遲分析方法為：報文mij欲發送時，網絡中所有比它優先級高的數據幀都在競爭總線占用權，且網絡目前發送的是優先級比它低的所有數據幀中總線占用時間最長的一個，計算公式如下式(6)所示：dmij是報文mij發送最長延遲時間，lmij是比報文mij優先級低的所有報文中的最長報文總線占用時間，cj是比報文mij優先級高的所有數據幀hp(mij)的總線占用時間，emij是總線上可能出現的錯誤幀的延遲時間。由于精益化設計及產品可靠性要求網絡上不能出現錯誤幀，故emij取值趨近于0。數據延遲可擴展性分析模塊分析數據延遲dmij的可擴展性，得到動態數據評價結果f3(g，m)，計算方通過下述公式(7)表示：其中k2是數據延遲可擴展性系數，取值范圍為(0,1)；dmij取值應小于等于k2tmij，否則f3(g,m)取值為0，可擴展性最差；而當dmij取值小于k2tmij，且dmij值越小，則f3(g,m)取值越大，可擴展性越高；k2可通過專家系統根據該領域一個或多個專家提供的知識和經驗，進行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，以取得k2取值或通過經驗賦值方法取得。本發明采用經驗賦值方法，一般車載網絡設計時考慮網絡的數據延遲，要求每個報文的數據延遲不應超過報文周期的10％，故令k2＝10％。步驟s400：數據融合分析本發明采用dempster-shafer證據理論決策技術融合從網絡結構方面計算特征路徑長度得到的拓撲結構評價f1(g，m)、從靜態數據方面分析總線負載率得到的靜態數據評價結果f2(g，m)和從動態數據方面分析數據延遲可擴展性得到的動態數據評價結果f3(g，m)三項性能指標，以量化的形式得出車載網絡的綜合評價。具體的評價過程如下所示：設最終評價結果為識別框架θ＝{a,b,c},a表示最終評價結果為“優秀”，b表示最終評價結果為“良好”，c表示最終評價結果為“不及格”，且a、b和c均不相容。若函數m:2θ→[0,1]滿足：m(φ)＝0(8)則稱m(s)為s的基本概率賦值。若m(s)>0，則稱s為函數m的焦元。對于識別框架θ上的三個基本概率賦值函數m1，m2和m3,且對應的焦元分別為s1，s2和s3，則dempster-shafer合成規則計算ds(s)，計算方式通過下述公式(10)表示：其中若k＝0，則認為m1，m2和m3矛盾，無法對它們進行組合；若k≠0，則m1，m2和m3組合后的基本概率賦值為ds(s)；m1表示車載網絡拓撲結構評價結果f1(g，m)，m2表示車載網絡靜態數據可擴展性分析結果f2(g，m)，m3表示車載網絡動態數據可擴展性分析結果f3(g，m)，ds(s)表示m1，m2和m3對s的綜合支持程度。s500：車載網絡綜合評價基于步驟s400得到的dempster-shafer證據理論融合結果，綜合評價車載網絡。當ds(s)＝max{ds(a),ds(b),ds(c)}＝ds(a)時，表示車載網絡的綜合評價結果為優秀；當ds(s)＝max{ds(a),ds(b),ds(c)}＝ds(b)時，表示車載網絡的綜合評價結果為良好；當ds(s)＝max{ds(a),ds(b),ds(c)}＝ds(c)時，表示車載網絡的綜合評價結果為不及格。【實施例】圖2為本發明的一實施例的車載網絡方案結構示意圖。以下，結合圖2詳細說明本發明具體實施步驟。針對圖2示出的車載網絡方案實施例，采用本發明一種基于數據融合的車載網絡評價方法，有效指導車載網絡設計工作，為車載網絡設計提供有效的評價方法及理論依據。圖2示出的車載網絡方案由三路can總線組成，包括后處理can子網，動力can子網和底盤can子網，各子網的通信速率均為250kb/s。后處理can子網包括nox氮氧傳感器控制單元和ems發動機控制單元；動力can子網包括ems發動機控制單元、tcu變速器控制單元和vcu整車控制單元；底盤can子網包括vcu整車控制單元、abs防抱死制動系統、acc自適應巡航控制單元、rcu緩速器控制單元和bcm車身控制單元。采用本發明的一種基于數據融合的車載網絡評價方法進行的評價的具體步驟如下所示：1.提取車載網絡拓撲結構g和車載網絡數據庫m針對圖2示出的車載網絡方案實施例，提取車載網絡拓撲結構g＝{v,e}，其中v表示所有網絡節點組成的節點集合v＝{v1,v2,……,v8}，節點含義如表1所示；e表示所有邊組成的集合e＝{e1,e2,……,e16}，具體含義如表2所示；表1車載網絡方案實施例節點名稱節點標識節點縮寫節點名稱v1ems發動機控制單元v2nox氮氧傳感器v3tcu變速器控制單元v4vcu整車控制單元v5bcm車身控制單元v6abs防抱死制動系統v7acc自適應控制單元v8rcu緩速器控制單元表2車載網絡方案實施例邊名稱邊標識邊表示邊含義e1，e9{v1,v2},{v2,v1}{ems,nox},{nox,ems}e2,e10{v1,v3},{v3,v1}{ems,tcu},{tcu,ems}e3,e11{v1,v4},{v4,v1}{ems,vcu},{vcu,ems}e4,e12{v3,v4},{v4,v3}{tcu,vcu},{vcu,tcu}e5,e13{v4,v5},{v5,v4}{vcu,bcm},{bcm,vcu}e6,e14{v4,v6},{v6,v4}{vcu,abs},{abs,vcu}e7,e15{v4,v7},{v7,v4}{vcu,acc},{acc,vcu}e8,e16{v4,v8},{v8,v4}{vcu,rcu},{rcu,vcu}對本實施例中的車載網絡的數據庫進行提取，分別為：后處理can子網數據庫為m后處理can＝{at1ig1,at1og1,eec3}，動力can子網數據庫m動力can＝{amb,amt_1,dm1_amt,……,vw}，底盤can子網數據庫m底盤can＝{acc1,acc2,ccss,ccvs,……,tc1}。從三個子網中刪除重復報文最后得到整個車載網絡數據庫m如下表3所示：表3車載網絡數據庫2.車載網絡拓撲結構分析拓撲結構分析計算車載網絡各數據特征路徑長度，從而得出拓撲結構評價結果。根據步驟1中提取的車載網絡拓撲結構g和車載網絡數據庫m，得到報文的最短路徑d(mij)如表4所示：表4車載網絡數據庫最短路徑根據上述公式(1)可得到車載網絡拓撲的平均最短路徑為l(g，m)＝1.5，從而得到車載網絡拓撲結構評價結果f1(g，m)＝1/1.5＝66.67％。3.車載網絡數據分析網絡數據分析分為靜態數據分析和動態數據分析。(a)靜態數據分析模塊分析各子網的總線負載率，并考慮網絡的可擴展性，得出靜態數據評價結果。圖2中車載網絡{g,m}共有3個子網，按照上述公式(3)計算得到busload(m后處理can)＝2.71％，busload(m動力can)＝37.04％，busload(m底盤can)＝39.50％，并進一步根據公式(4)和公式(5)得到靜態數據評價結果f2(g，m)＝39.50％。(b)動態數據分析模塊通過經典的rma單調速率分析方法分析車載網絡的數據延遲，進一步評價車載網絡數據延遲的可擴展性。為方便計算，假設各報文數據優先級如表5所示，采用rma數據延遲分析方法，按照公式(6)計算得到報文mij發送最長延遲時間dmij，如表5所示。其中總線速率遵循saej1939標準為250kb/s，數據幀均為擴展幀。表5車載網絡動態數據分析最后按照上述公式(7)得到動態數據評價結果f3(g，m)＝(1-0.9744)×100％＝2.56％。4.數據融合分析采用dempster-shafer證據理論決策技術融合從網絡結構方面計算特征路徑長度得到的拓撲結構評價f1(g，m)、從靜態數據方面分析總線負載率得到的靜態數據評價結果f2(g，m)和從動態數據方面分析數據延遲可擴展性得到的動態數據評價結果f3(g，m)三項性能指標，根據公式(10)以量化的形式得出車載網絡的綜合評價。具體的評價過程如下所示：設最終評價結果為識別框架θ＝{a,b,c},a表示最終評價結果為“優秀”，b表示最終評價結果為“良好”，c表示最終評價結果為“不及格”，且a、b和c均不相容。m1表示車載網絡拓撲特征路徑長度評價結果f1(g，m)，m2表示車載網絡靜態數據可擴展性分析結果f2(g，m)，m3表示車載網絡動態數據可擴展性分析結果f3(g，m)，ds(s)表示m1，m2和m3對s的綜合支持程度。根據步驟1-3結合專家評分可得到m1、m2、m3的評價結果，如表6所示：表6車載網絡數據融合分析m1m2m3a0.66670.6050.9743b0.23330.1980.0128c0.090.1880.188θ＝{a,b,c}0.010.010.01根據上述公式(10)可得到：綜上可知，ds(a)＝0.454，ds(b)＝0.0011，ds(c)＝0.0044，ds(θ)＝0.00011。5.車載網絡綜合評價基于步驟4得到的dempster-shafer證據理論融合結果，綜合評價車載網絡。由于ds(s)＝max{ds(a),ds(b),ds(c)}＝ds(a)，故該車載網絡實施例的綜合評價結果為優秀。以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本
技術領域：
的普通技術人員來說，在不脫離本發明所述原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。當前第1頁12