Les systèmes embarqués temps réel pour l aide à la conduite rationnelle des autobus

Transcription

1 temps réel pour l aide à la conduite rationnelle des autobus Mots clés Systèmes temps réel, Systèmes embarqués, Conduite rationnelle, Bus CAN, Java Arnaud HAAG 1, Hervé COPPIER 1, Thomas LAVERNHE 2 ESIEE-Amiens 1, Les Courriers Automobiles Picards 2 1. Introduction Cet article a été écrit dans le but de faire prendre conscience des enjeux économiques et environnementaux de l intégration de systèmes embarqués dans le transport, les autobus en particulier. Notre travail s inscrit dans le cadre d un projet européen INTERREG IIIA cofinancé par l Union européenne et par le Fonds européen de développement régional (FEDER). Le programme INTERREG IIIA finance des projets collaboratifs entre différentes Écoles et Universités transfrontalières sur le territoire européen. Ce document décrit les recherches effectuées pour le développement d un système embarqué pour la conduite rationnelle par l ESIEE-Amiens. Cet article présente brièvement l étude réalisée dans ce cadre, et en prenant comme exemple, le cas de Véolia Transport (Courriers Automobiles Picards) Les systèmes temps réel Les systèmes informatiques temps réel sont des systèmes informatiques prenant en compte des contraintes temporelles, et ils sont présents dans différents secteurs d activités comme l aéronautique ou l automobile. Le développement d un système temps réel n est possible qu en utilisant des éléments matériels et logiciels eux-mêmes temps réel. Ces éléments sont des ressources : logicielles, tels que le système d exploitation temps réel, les algorithmes de développement et le langage de développement utilisé. matérielles, comme l utilisation d unité de traitements des informations autorisant l exécution d instances en temps borné. C est avec de tels systèmes que l on peut s autoriser aujourd hui l implantation de systèmes embarqués à bord de véhicules terrestres, permettant d analyser et d interpréter les éléments de conduite d un chauffeur. 2. Le système embarqué pour la conduite rationnelle À travers l analyse des paramètres physiques de la conduite, le système pourra interpréter les comportements néfastes au véhicule, et à l environnement. Ainsi pourrons-nous, grâce à des messages affichés sur un écran, informer en temps réel le conducteur, et lui indiquer les comportements abusifs de sa conduite. L e s s e n t i e l S y n o p s i s Aujourd hui, les scientifiques s efforcent de réduire la surconsommation de carburant et le réchauffement climatique, Pour l industrie automobile, il s agit de concevoir des systèmes informatiques afin de réduire la consommation énergétique, ainsi que la pollution. Pour résoudre ces phénomènes, les systèmes embarqués basés sur une architecture matérielle et logicielle temps réel peuvent être intégrés. C est dans cette optique que nous avons soumis le projet «Systèmes intelligents embarqués à bord de véhicules» à la Commission européenne dans le cadre d une coopération transfrontalière INTERREG IIIA. Et maintenant plus que jamais cette problématique doit être résolue pour des intérêts économiques et environnementaux. Today, scientists have decided to reduce fuel consumption and combat global warming. The automotive industry must design computing systems to reduce fuel consumption and pollution. To solve these phenomena, embedded systems using real time software and hardware architecture can be integrated. In this way, the project was submitted Intelligent Vehicle On-Board Systems to the European Commission as part of a cross-border co-operation INTERREG IIIA. Now more than ever, this problem must be solved for economic and environmental interests. Septembre

2 Courbe de conduite dite agressive V = f (t) Courbe de conduite dite coulée V = f (t) Vitesse (en km/h) Vitesse (en km/h) Temps de parcours (en secondes) Figure 1. Courbe de conduite représentant une conduite de type «agressive». Par ce moyen de communication nous pourrons réduire les usures prématurées des organes mécaniques du véhicule, ainsi que la consommation énergétique et, de ce fait, les émissions de CO Les émissions polluantes Les principales substances polluant l atmosphère sont : les gaz 90 % les particules solides 10 % Nous allons faire la synthèse des gaz liés aux métiers du transport : le CO 2 le CO (l oxyde de carbone) les particules solides les NOx les hydrocarbures imbrûlés. Les réglementations européennes Euro 4 ou Euro 5 permettent de réduire ces émissions en imposant un cahier des charges strict aux constructeurs automobiles, pour permettre l amélioration de la combustion des moteurs, et la diminution de leur masse. Mais les exploitants ne peuvent pas investir tous les trois ans dans de nouveaux véhicules, car la rentabilité d un autocar ou d un camion s effectue au bout de 10 ans. C est pour cela que la conception d un système embarqué pour la conduite rationnelle est primordiale, afin de répondre à une problématique connue Problématique Dans un esprit de management participatif, il est primordial de responsabiliser et de mobiliser les conducteurs autour d une ambition de nature collective. La mise en œuvre d une conduite rationnelle de qualité s inscrit parfaitement dans cette démarche. Notre partenaire «Les Courriers Automobiles Picards», désire améliorer avec cet outil sa compétitivité en diminuant notamment les coûts. La mise en œuvre de la conduite rationnelle a pour but : de diminuer la consommation de 8 % et les émissions polluantes. Temps de parcours (en secondes) Figure 2. Courbe de conduite représentant une conduite de type «coulée». de diminuer l usure du matériel de l ordre de 15 % (organes mécaniques du véhicule). d améliorer la qualité de service. C est dans cette voie que notre travail se trouve principalement basé sur l anticipation en fonction de l environnement de conduite, et le respect de la plage optimale du régime moteur L anticipation Le succès d une conduite rationnelle réside dans l anticipation et l attention permanente lors de la conduite. La conduite des véhicules est différente selon les conducteurs, certains sont «agressifs» avec le matériel en adoptant des allures vives couplées à des à-coups de conduite caractérisés par des accélérations et décélérations fréquentes et brusques, tandis que d autres utilisent une conduite plus coulée, en anticipant les événements de la conduite. Pour bien comprendre les deux styles de conduite, nous avons représenté graphiquement les deux méthodes de conduite. Sur la courbe de conduite (figure 1), dite «agressive», le conducteur accélère pour arriver à une vitesse rapide le plus vite possible, et doit utiliser ensuite le freinage afin de ralentir son véhicule. Nous pouvons ainsi constater qu une telle conduite génère une surconsommation énergétique, et donc une pollution importante. On peut aussi se rendre compte qu une conduite de ce style génère un facteur de stress pour le conducteur et une détérioration du confort des passagers. Sur la courbe de conduite (figure 2) dite «coulée», le conducteur adapte sa vitesse et sa conduite en fonction de son environnement. La vitesse du véhicule est stabilisée et la consommation devient correcte. Le déplacement du véhicule fait appel à une utilisation parcimonieuse de la puissance du moteur et l énergie cinétique emmagasinée par le véhicule n est que rarement dilapidée. Le confort de conduite est alors apprécié par le conducteur et les usagers. 2 Septembre 2009

3 temps réel pour l aide à la conduite rationnelle des autobus Figure 4. Schéma structurel de la conduite rationnelle. Figure 3. Courbes consommation-couplepuissance en fonction de la vitesse L utilisation de la plage de la boîte de vitesse mécanique Un autre facteur de surconsommation se manifeste quand le régime du moteur adopté est loin de son optimum. Les moteurs des véhicules doivent être utilisés dans une plage dite «verte» matérialisée sur le compte-tours. Cette plage varie selon les moteurs, elle est comprise généralement entre 1300 et 1900 tr/min. Elle est en fait matérialisée par les courbes donnant la consommation, le couple et la puissance en fonction de la vitesse. Comme nous pouvons le voir figure 3, le véhicule est le plus performant en termes de couple dans la gamme tr/min puis en termes de puissance dans la gamme tr/min qui correspond à une consommation minimale Le système existant Certains véhicules de la flotte de notre partenaire disposent d un système embarqué, mais ce système ne permet aujourd hui que d assurer le suivi de l exploitation. Il peut également caractériser la conduite et discerner rapidement les bons et les mauvais comportements tant en temps réel, en présentant des messages au conducteur afin qu il puisse améliorer sa conduite, qu en temps différé, par la présentation d un bilan de conduite avec une échelle amenée au kilomètre, représenté sous forme de liste et graphique synthétisant les alertes constatées durant la conduite Le système embarqué pour la conduite rationnelle Pour optimiser la conduite du conducteur, il nous faut recueillir certains paramètres physiques de sa conduite. En interprétant les freinages, les accélérations, les décélérations, le régime moteur, la vitesse, la pente, la consommation, nous pourrons déterminer si la conduite est anticipative. L analyse et l interprétation des paramètres se réaliseront dans une unité de traitement informatique. Celle-ci permettra, en fonction des événements, d envoyer au conducteur des messages en temps réel afin qu il puisse modifier sa conduite. Les informations nécessaires à la modification de conduite s afficheront sur un écran, tandis que les autres informations seront stockées, puis déchargées vers l ordinateur de l exploitant à la fin du service. Le schéma structurel (figure 4), permet de mieux cibler le système Les capteurs Afin de pouvoir interpréter le comportement du conducteur en fonction des paramètres physiques, il est nécessaire de disposer d informations électriques provenant de capteurs analogiques ou numériques. Pour cela, il fallait analyser les différents véhicules qui composent la flotte. En effet notre partenaire «Les Courriers Automobiles Picards» possède une flotte de 339 autobus de différents modèles. Certains disposent d un bus de terrain CAN (Controller Area Network) et d autres non ; seulement le tiers de la flotte est multiplexé et est équipé en CAN. La philosophie adoptée en fonction des véhicules : Dans un premier temps nous travaillons sur des véhicules équipés de bus CAN. Comme nous pouvons le voir figure 5, le calculateur interroge le bus CAN, où sont présents différents paramètres du véhicule (vitesse, régime, consommation, pression du turbocompresseur ). Les paramètres qui ne sont pas présents sur le bus CAN, tels que l accélération et la décélération seront importés d un instrument de mesure développé en fonction des besoins du client. Les informations sont ensuite analysées et interprétées, afin que celles-ci répondent aux lois de la conduite rationnelle. Les informations permettant au conducteur de modi- Septembre

4 Figure 5. Schématisation de l intégration du système dans un autobus. Figure 6. FMS Gateway. (Source: Frans Devolder, Networks in trucks and busses, FMS Standard, KATHO department VHTI Industrial Sciences and Technology study area Bachelor of Automotive Kortrijk Belgium). agricoles se sont penchés sur ce problème, et ont développé une interface FMS Gateway permettant de capturer les informations du bus CAN sans le perturber. La figure 6 permet de synthétiser le problème CAN/ FMS Figure 7. Unité de traitement avec processeur XScale. fier sa conduite vont lui être délivrées en temps réel par des messages par l intermédiaire de l interface IHM Le bus CAN Nous savons que des informations sont présentes sur le bus de terrain CAN, mais nous ne pouvons pas physiquement les capturer, car les constructeurs interdisent formellement l espionnage des informations sur le bus CAN sous peine de perturber le fonctionnement du véhicule. Heureusement une alternative existe à ce problème. Les constructeurs d autobus, de camions et de véhicules 2.8. Qu est ce que le standard FMS (Fleet Management System)? Le standard FMS est un standard qui s appuie sur le protocole SAE J1939. Il est basé sur la collaboration des fabricants d autobus comme NeoMan, EvoBus, Scania Bus, Volvo Bus, IrisBus et VDLBus. Ces six constructeurs se sont mis d accord sur une interface commune pour lire les données de service dans les autobus et les cars. Avec ce standard, les constructeurs proposent une architecture électronique ouverte qui permet de mieux intégrer les systèmes des fournisseurs. Cette solution permet d utiliser des systèmes dits de gestion de flotte (FMS) dans des véhicules de différents constructeurs et remplacera ainsi les solutions individuelles proposées par chacun des constructeurs. 4 Septembre 2009

5 temps réel pour l aide à la conduite rationnelle des autobus Figure 8. Ecran tactile permettant de communiquer avec le conducteur. Figure 9. Messages affichés en temps réel au conducteur. importantes comme le régime moteur, la vitesse du véhicule, les freins,. Ce système améliore la maintenabilité des véhicules et permet de mieux répartir les frais au sein de l entreprise. Néanmoins, chaque constructeur se réserve le droit d exploiter les autres données pour permettre de mettre en place ses propres systèmes ou de les laisser à la disposition de l exploitant Caractéristiques du système embarqué Pour le développement de l unité de traitement du système embarqué, nous avions besoin d un matériel rapide, peu consommateur en énergie, et intégrant un GPS, un modem Wifi, un modem GPRS, une interface CAN et un écran tactile ; Notre choix s est porté sur un boîtier (figure 7) peu encombrant et intégrant toutes ces caractéristiques. L unité de traitement fonctionne sous le système d exploitation Windows CE et supporte des applications développées en C++ ou en Java Écran tactile L écran tactile (figure 8) va permettre d afficher en temps réel les informations relatives à la conduite du chauffeur. Ainsi le conducteur sera averti instantanément de ses écarts de conduite. Il recevra des messages d alerte de type informatif ou alarme, dont la couleur change en fonction de la gravité de l abus (figure 9). Figure 10. Interface graphique de la conduite rationnelle, visuel de la tendance du parcours. Ce standard est présent sur tous les véhicules EURO 4, et permet d obtenir vingt-cinq données de service. Les exploitants peuvent consulter des informations Tout au long de la conduite et à la fin de son service le conducteur pourra visualiser son bilan de conduite, représenté par un graphique en forme de toile d araignée évoluant en temps réel (figure 10). Et sous la forme d un listing répertoriant les alarmes permettant au chauffeur de visualiser les défauts de sa conduite. Septembre

6 Figure 11. Interface graphique de la conduite rationnelle, listing approfondi des abus de conduite. À partir de son appréciation le chauffeur pourra par la suite corriger lui-même sa conduite sur le parcours (figure 11) La transmission des données À la clôture du service du conducteur, la base de données embarquée, ainsi que les alarmes, seront transmises à l exploitant par modem Wifi ou GPRS afin d être analysées plus précisément et de réaliser un historique des conduites sous forme de graphes, tableaux en fonction du conducteur, du véhicule, du service. 3. Réalisation de l interface homme/ machine Afin d avoir une parfaite interactivité entre le conducteur et le système embarqué, nous devons programmer une interface homme/machine en Java. Le but est de présenter en temps réel, et le plus clairement possible, les évaluations de sa conduite sans le perturber et de lui permettre ainsi de se corriger à tout moment. 4. Conclusion Avec l augmentation des coûts du carburant, beaucoup de compagnies de transport de personnes et de marchandises trouvent un intérêt évident à rationaliser la conduite pour optimiser la sécurité et la consommation. La diffusion d un tel système serait facilitée par la baisse des coûts et l augmentation des performances des systèmes embarqués, d autant plus que ces fonctions peuvent être assurées de nos jours par des téléphones portables (Smartphones) munis de GPS et d accéléromètres 3 axes, avec communication temps réel au système de supervision de l exploitant. 6 Septembre 2009

7 temps réel pour l aide à la conduite rationnelle des autobus Références F. Bordage, «Les applications Java frôlent le temps réel», D. Wood, «Java, une solution pour moderniser les logiciels militaires», F. Devolder, Networks in Trucks and Busses, FMS Standard, Katho Department VHTI Industrial Sciences and Technology Study Area Bachelor of Automotive Kortrijk (Courtray)) Belgium (Belgique), C. Delannoy, «Programmer en Java», 5 e édition Java 5 et 6, Eyrolles, SAE International, SAE Truck and Bus Control and Communications Network Standards Manuel, HS-1939, P. Louvel, «Systèmes électroniques embarqués et transports», Dunod, L. Zaffalon, «Programmer Java en temps réel», Presses Polytechniques Romandes, L e s a u t e u r s Arnaud Haag (haag_a@esiee-amiens.fr) est issu initialement d une formation en électronique, il intègre l Université de Picardie Jules Verne pour préparer une licence et un master en génie électrique et informatique industrielle (GEII). Titulaire d un master GEII, il entre en poste à l ESIEE-Amiens à la suite d un stage au sein de l équipe projet VBIS. Aujourd hui ingénieur de recherche et développement au service du transfert de technologies de l ESIEE-Amiens, il développe le partenariat entre des entreprises et l École sur le thème de l éco-conduite. Hervé Coppier (coppier@esiee-amiens.fr) ingénieur Supélec est actuellement responsable de département Systèmes et Énergies à l ESIEE-Amiens, enseignant-chercheur en automatique, automatismes et informatique industrielle. Chef de projet dans le cadre du projet européen franco-britannique Interreg IIIA VBIS (Vehicle on Board Intelligent Systems) de 2006 à Thomas Lavernhe (thomas.lavernhe@veolia-transport.fr) est actuellement en poste aux Courriers Automobiles Picards, filiale de Véolia Transport. Aujourd hui responsable de centre sur Abbeville, il a d abord évolué au sein de l entreprise sur Rivery (Amiens) et suivi les phases de développement du système embarqué GPS d aide à l exploitation (SAE) et d aide à la conduite au sein du groupe Véolia. Septembre