面向汽车控制系统的数据管理系统分析研究.docx
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面向汽车控制系统的数据管理系统分析研究
学校代号10532学号S08102009
分类号TP311密级普通
硕士学位论文
面向汽车控制系统的数据管理系统
研究
学位申请人姓名但文武
培养单位信息科学与工程学院
导师姓名及职称杨科华副教授
学科专业计算机科学与技术
研究方向嵌入式软件
论文提交日期2018年5月16日
学校代号：
10532
学号：
S0*******
密级：
普通
湖南大学硕士学位论文
面向汽车控制系统的数据
管理系统研究
学位申请人姓名：
但文武
导师姓名及职称：
杨科华副教授
培养单位：
信息科学与工程学院
专业名称：
计算机科学与技术
论文提交日期：
2018年5月16日
论文答辩日期：
2018年5月28日
答辩委员会主席：
邝继顺教授
ResearchontheDatamanagementSysteminAutomotiveControlSystems
by
DANWenwu
B.E.（HUBEIPoliceUniversity>2008
Athesissubmittedinpartialsatisfactionofthe
Requirementsforthedegreeof
MasterofEngineering
in
ComputerScienceTechnology
inthe
GraduateSchool
of
HunanUniversity
Supervisor
AssociateProfessorYANGKehua
May,2018
湖南大学
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
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本学位论文属于
1、保密□，在______年解密后适用本授权书。
2、不保密☑。
（请在以上相应方框内打“√”>
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
摘要
随着汽车电子产业的不断发展，当前汽车电子控制系统的规模越来越大，功能越来越复杂，系统需要处理的数据量急剧增加。
当前的系统中各个ECU独立的处理数据，这种方法导致系统数据冗余度很高，不能满足系统日益增长的数据管理需求。
现在通用的数据管理方法并不适合应用在嵌入式实时异构的汽车控制系统中，因此需要设计一个特殊的数据管理系统，对汽车控制系统中的数据进行统一、高效的管理。
本文针对汽车控制系统嵌入式实时异构的硬件环境，分析汽车控制系统数据管理的特点，利用组件技术，设计一种可配置的混合式嵌入式实时数据管理系统参照AUTOSAR标准，对软件组件和虚拟功能总线的基本概念进行分析，按照AUTOSAR方法，研究如何将VDMS整合到AUTOSAR环境中，设计它的结构模型。
本论文的主要工作总结为以下方面：
<1）研究国内外汽车控制系统数据管理发展状况，分析最新的AUTOSAR标准，特别研究了AUTOSAR软件体系结构和方法论的部分。
<2）针对异构的汽车控制系统硬件环境，基于组件技术，提出一种混合式的汽车数据管理系统结构模型<3）按照AUTOSAR标准，定义VDMS软件组件以及描述文件，研究如何将VDMS整合到AUTOSAR环境中，设计VDMS的结构模型。
<4）参照AUTOSAR标准，搭建虚实结合的汽车车身电子测试环境，将VDMS应用在安全气囊控制模块中。
关键词：
汽车控制系统；AUTOSAR标准；汽车数据管理系统；软件组件
Abstract
Withthedevelopmentofautomotiveelectronicsindustry,thefunctionalscopeofautomotive electroniccontrolsystemaregrowingsignificantlyfast,theamountofdatathatneedstobemanagedisincreasingdramatically.Intoday’ssystems,thedataishandledinanhocfashion,usinginternaldatastructures, itcausesthesystemto ahighdegreeof dataredundancy,anditdoesnotsatisfytheincreasingdemandoftheefficientdatamanagementinautomotivecontrolsystems.Usingageneral-purposeofftheshelfDBMSisnotfeasible,therebyweneedtodevelopaparticularDMS,whichcouldprovideauniformandefficientwaytomanagedatainvehicle.
Inthispaperweresearchthecharacteristicofthedatamanagementinautomotivecontrolsystems,utilizethebenefitsofcomponent-basedsoftwaredevelopment（CBSD>andaspect-orientedsoftwaredevelopmentThisthesisfocusesonthefollowingaspects：
（1>Investigationofautomotivecontrolsystemsdevelopment,andanalysisofthelatestAUTOSARstandard,especiallytherelevantpartsoftheAUTOSARsoftware-architectureandmethodology.
（2>UtilizethebenefitsofComponent-BasedSoftwareEngineering,proposeahybridVDMSmodel,andthesoftwarecomponentsoftheVDMScanbedistributedoverarbitrarynumberofECUsineverysubsystem.
（3>DetailedanalyzetheVDMSsoftware-componentsandSW-Csdescription,InvestigationhowtohowtointegratetheVDMSintoAUTOSARenvironment,designthesystemarchitectureoftheVDMS.
（4>Wedesigna"Virtual—real"experimentenvironmentbasedonAUTOSARstandard,anditissucceedonthefictitiousenvironment,ApplytheVDMSinAirbagsystem,Analysistheperformanceofthesystem.
KeyWords:
Automotivecontrolsystems。
AUTOSAR。
VDMS。
SoftwareComponent
插图索引
附表索引
第1章绪论
1.1研究背景及意义
近年来，汽车控制系统已经从简单的单处理器系统发展到复杂的分布式系统，系统的功能越来越复杂，需要处理的数据量急剧增加，预计每年增加7-10%[1]。
当前汽车系统内采用ECU内部数据处理的方法，这种方法使系统在设计、实现和验证时代价高，同时不能满足系统日益增长的数据管理的要求。
随着数据复杂度提高，一个统一、高效、持久的方式来存储数据变得越来越重要。
在汽车控制系统中使用一个实时数据库管理系统更重要的是，将一个RTDBMS整合到汽车控制系统中，可以降低系统的开发代价，提高系统的可靠性和可扩展性[2]。
汽车控制系统是一个异构的系统，由很多的节点<电子控制单元，ECU）组成，具有资源限制的特性[1]，不同节点对资源要求不同，但是各节点间交换、共享、操作数据，需要有一种统一的方式来进行数据管理，避免影响系统的性能，如通过RTDBMS。
不同汽车控制系统对数据管理需求具有可变性，因此对不同的系统需要有特殊的DBMS配置。
比如在安全关键节点中，任务往往是非抢占式调和离线调度的，意味着要求这些节点的RTDBMS体积很小并且可以由预定的功能配置，如同步和并发控制，能够被离线操作。
对于目前的一些典型的商业嵌入式数据库产品：
PervasiveSQL[3]，Polyhed-ra[4],BerkeleyDB[5]和TimesTen[6]，虽然它们体积小且适合应用在资源限制的汽车控制系统，但这些数据库不具备实时性，因此不适宜部署在汽车控制系统中。
对于一些实验研究的实时数据库系统如DeeDS，RODAIN等，虽然满足实时需求，但它们是应用在大规模的实时应用领域，不适合应用在资源限制的嵌入式环境中。
汽车工业的发展面临新的挑战，随着汽车功能越来越复杂,汽车电子的开发过程变得更复杂。
用户对汽车电子产品的功能需求以及个性化要求不断增加，如诊断这种非功能性需求,使得ECU软件开发过程更加复杂。
在高级豪华汽车中大约有70多个ECU,几条车内网络总线，大约有超过1000个软件功能。
由于汽车电子领域硬件平台的多样性,ECU软件开发对于硬件和系统配置有很强的依赖性，不同系统或者平台中约束条件的改变都将导致程序重写或修改。
AUTOSAR（AU-TOmotiveOpenSystemArchitecture：
汽车开放系统体系结构>标准，降低了ECU软件开发的复杂度，提高了软件组件的复用度，提高了系统可靠性。
AUTOSAR是汽车电子产业内多家整车厂商和供应商针对汽车电子嵌入式系统联合起草的开放式工业标准，它定义了一套支持分布式的、功能驱动的汽车电子软件开发方法，提出了标准化的软件架构方案，以便提高不同的汽车和平台上的软件复用，降低开发成本。
AUTOSAR标准的目的是为软件开发流程通过通过工具提供通用的支持，使得开发人员可以在对硬件一无所知的情况下进行应用软件的开发，并将这个软件应用在任何符合AUTOSAR标准的ECU中，实现应用程序重用[49]。
1.2研究基础与现状
针对汽车控制系统嵌入式实时分布式的特性，汽车电子的数据管理特殊需求，至今仍未有一个成熟的面向应用的产品出现。
嵌入式数据库在嵌入式系统中越来越常见，主要是用于存储和处理所在设备和其他地方的数据，可以访问监视器、进行系统诊断以及其他工作。
市场上有几个商业的嵌入式数据库产品，与传统的企业数据库系统的性能指标是吞吐量和平均响应时间不同，由于嵌入式系统在物理尺寸，资源限制，以及CPU利用率等因素的影响，嵌入式数据库需要考虑最小化内存占用率，减少CPU的利用率，支持多种操作系统，以及高可靠性等要求。
实时数据库是指事务和数据都定时限制，系统的正确性不仅要满足事务执行的逻辑结果，又要满足时间约束[7]。
同时满足这两种一致性要求的实时事务的处理与传统的数据库相比具有更大的困难，系统宁要部分正确但准时到达的数据，不要绝对正确但超过截止期的数据。
系统性能指标只定时限制事务的完成率，它可以牺牲数据的准确性与一致性以保证硬实时事务能够在截止期前能够完成。
软实时事务满足截止期的比率相对较高，但要100％满足截止期很难达到[8][9]。
由于嵌入式数据库系统常常需要对外界环境作出实时反应，比如在汽车控制系统中，系统必须同时具备实时性、主动性和嵌入式的特点，所以需要开发一种适合这种嵌入式实时环境的嵌入式实时数据库系统。
嵌入式实时数据库系统的研究尚处于初级阶段，目前未见成熟的产品，通过对市面上的一些嵌入式数据库系统如Pervasive.SQL，Polyhedra，BerkeleyDB，TimesTen和实时数据库系统DeeDS，RODAIN,ARTS-RTDB进行研究发现[1]：
（1>嵌入式产品没有严格的实时特性以满足车辆控制系统的要求
（2>实时的数据库不能适应嵌入式的环境
文献[2]在沃尔沃公司两种车型的基础上,研究如何将一个数据库管理系统针对现有的应用软件分离出以数据为中心的任务，并在此基础上抽象并提出了数据库管理系统的模型。
在这个模型中，数据库获得来自传感器或其它存储设备的数据，进行统一管理存储，并向外提供数据访问接口。
文献[10]介绍了一个可配置的实时数据库平台——COMET，由瑞典的马拉达伦大学和林雪平大学通过与沃尔沃汽车公司联合开发的。
COMET平台包含了一个组件和方面库，并且还有一个工具集支持，用来辅助系统设计者，针对不同的目标系统和他们的节点的不同需求，生成不同的COMET配置。
按照CBSD的方法，组件封装不同的数据库功能，按照AOSD对软件系统中多种关注点进行独立描述，比如并发控制，日志，和系统恢复等功能，他们的实现必须分散到系统中其他的组件中，称为横切关注点，对横切关注点进行封装、管理，形成方面包。
组件和方面包一起形成组件库。
按照配置工具集，针对不同的电子控制单元对数据管理的不同需求，选择不同的组件形成不同配置的数据库管理系统。
文献[11]在COMET平台之上，研究面向方面和组件的实时系统的组件和方位（Aspects>开发技术，支持系统的时间限制，空间和资源限制，考虑组件之间的组合性等问题。
文献[12]中针对实时数据库系统硬事务和软事务的要求，提出了数据库指针数据库指针可以不需要通过数据库索引，快速、可预见地访问数据库中的数据。
它提供的数据访问接口类似于指针操作，非常适合于控制系统中的一些数据进行高频访问的操作。
在数据库通过数据库指针来操作数据，不会破坏数据在逻辑和时间上的一致性，以及事务的串行性。
将数据库指针整合到一个数据库管理系统中去，而不会破坏数据库的完整性。
文献[12][14]还介绍了并发控制算法2V-DBP和2V-DBP-SNAP，2V-DBP适合应用在资源限制的，在安全关键的实时系统中，具有硬实时和软实时的事务，此算法允许硬数据库指针事务和软关系事务在执行时不会相互阻塞。
通过与2PL-HP算法进行性能比较，得出2V-DBP与2V-DBP-SNAP能够更好的提高系统性能，降低事务冲突和响应时间。
文献[15]介绍了车辆控制系统中的软件组件技术，概述了运用在嵌入式系统中的不同组件模型Koala和Rubus用于工业和研究模型PECT、PECOS和ROBOCOP，研究了组件方法学和组建系统开发进程。
组件规范及组成，提供了组件模型，其中包括了安全性组件和支持协助部分的基础设施的基本特征，技术分析和验证功能的正确性，实时性，安全性和可靠性，运行时的配置支持，包括系统内装配的支持、监测时间和可替换配件的评估。
文献[22][23]介绍了按照软件产品线1.3论文的工作
综上所述，汽车控制系统是一个嵌入式实时的异构系统，通过对汽车控制系统数据管理的需求进行分析发现，通用的数据管理的方法不适合汽车控制系统嵌入式实时的特性。
为了满足系统中不同的节点的特殊数据管理需求，提高系统的性能，一个统一、高效的数据库系统是必不可少的。
本文针对汽车控制系统的数据库系统进行了研究。
基于组件的软件工程CBSE也支持维护性，基本原理是软件应用都是由组件构成。
组件技术为基于组件的软件合成提供支持，本文就是在基于组件的汽车控制系统数据管理技术研究的基础之上，针对汽车控制系统异构的硬件环境，结合集中式和分布式结构的优点，提出一种混合式的数据库管理系统结构模型。
目前对于汽车控制系统数据管理技术的研究，仍然没有形成一个统一有效的数据管理的标准，随着汽车功能越来越复杂，系统分布式异构的硬件环境，系统开发和维护代价极大。
AUTOSAR提供了一套经过实践验证的软件架构方案,并以此为基础开发可重用应用程序，可以降低ECU软件开发的复杂度。
AUTOSAR将汽车电子软件架构分成若干层和模块，为各个模块提供标准的接口定义，同时AUTOSAR定义了软件组件开发标准，以及易于交换的硬件平台标准。
AUTOSAR开发成员不仅提供了基础软件模块的规范,还提供了用于开发分布式系统应用程序的方法。
本文提出一种基于组件的混合式汽车控制系统数据管理系统模型本文所做的工作总结如下：
（1）在基于组件的数据库管理系统研究的基础上，根据汽车控制系统的嵌入式异构环境，分析集中式和分布式汽车数据管理系统结构的特点，提出一种混合可以VDMS结构模型，为汽车控制系统每个子系统配置一个VDMS，在子系统中VDMS组件可以分布在子系统中的任意ECU之上。
（2）研究如何将基于组件的可配置的VDMS整合到AUTOSAR环境中，按照AUTOSAR标准体系框架，定义VDMS软件组件以及描述文件，设计VDMS在AUTOSAR环境中的结构模型。
（3）搭建虚实结合的汽车电子车身实验环境。
通过PC机模拟汽车物理部件或者模拟ECU，通过串口将虚拟部件连接到转换芯片上面，形成虚拟的车身电子网络,将VDMS模块应用在在安全气囊控制系统中。
1.4论文组织结构
本文的论文组织结构如下：
第一章，绪论，分析汽车控制系统中数据管理的研究背景意义和国内外相关研究现状，介绍了本论文的主要工作内容和目的，最后给出了论文的组织结构。
第二章，介绍汽车控制系统数据管理的背景知识，对汽车控制系统的特点进行了分析，描述了汽车控制系统中数据管理的特性。
接下来重点阐述了AUTOSAR标准的软件构架，方法论，以及标准接口，介绍了AUTOSAR标准在汽车电子软件开发中的重要作用。
第三章，介绍如何按照组件技术，将RTDBMS按照功能进行分解形成组件库，形成一个可剪裁的RTDBMS。
根据汽车控制系统嵌入式实时分布式的特点，我们设计一种混合式的汽车控制系统数据管理方法第四章，研究如何将VDMS整合到AUTOSAR环境中，兼容AUTOSAR的特性，给出VDMS的系统模型。
按照AUTOSAR标准，定义VDMS软件组件以及描述文件，设计AUTOSAR环境中VDMS的结构模型。
第五章，研究虚实结合的汽车电子实验环境，通过PC机模拟汽车物理部件或者模拟ECU，通过串口将虚拟部件连接到转换芯片上面，形成虚拟的车身电子网络,将VDMS应用在安全气囊系统中，分析系统的性能。
第2章相关技术基础
本章简单地对汽车控制系统中数据管理特性进行了分析，介绍了AUTOSAR标准的软件构架、方法论和标准接口的概念。
1.5汽车控制系统
在最近三十年中，汽车的控制系统已经从简单的单处理器系统变成了复杂的分布式系统，现在汽车的很多功能都是由车载计算机控制系统实现的。
汽车控制系统主要有：
车身控制系统、混合动力控制系统、双离合器自动变速系统、电子助力转向系统、发动机管理系统、信息娱乐系统、故障诊断系统，驾驶舒适度控制系统等。
典型的汽车控制系统是由一系列的车载计算机构成的节点组成。
这些节点被称之为电子控制单元例如,车速超过24KM/H，车门自动落锁，就涉及到动力<速度参数来自于动力系统）和车身两个子系统。
汽车控制系统中大约有70个多个ECU，针对跨节点的数据传输，不同的标准有不同的做法。
OSEK/VDX为控制单元应用程序提供统一的通信环境，应用程序可以通过它与不论是否在同一个ECU上的应用程序传递消息，例如通过CAN,FlexRay[43]总线。
每个电子控制单元包含一些任务，每个任务执行特定的功能。
车辆控制系统中典型的任务包括：
I/O任务、控制任务、管理任务等。
<1）I/O任务：
被用来在控制状态下与系统进行通信，例如：
读传感器的值和更新执行器。
<2）控制任务：
用来执行控制决策。
<3）管理任务：
用来履行一些管理员的功能，比如系统诊断和记录系统事件。
图2.1展示了几个任务一起执行一个控制功能。
左边两个I/O任务侦测外界环境<例如：
读硬件传感器），获取车辆当前的状态信息，例如汽车的行驶速度和油门踏板的位置等，然后这些数据被传送到控制任务中，根据传送来的当前的速度和油门踏板的位置，通过控制算法计算向发动机中注油的数量，右边的I/O任务负责将这个值发送到燃油喷射器。
图2.2展示了一个例子
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