朱鵬波，溫小鋒，楊毅

遠程診斷技術(shù)在汽車OTA刷新應用的研究

朱鵬波，溫小鋒，楊毅

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

隨著汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，汽車已經(jīng)不再只是個簡單的交通工具，車主開始關(guān)注并期待OEM能否像手機更新軟件那樣遠程維護升級自己的車輛，以獲得自身更好的駕駛享受及新功能體驗。同時OEM為了降低由于產(chǎn)品軟件漏洞等引發(fā)的召回風險及新功能的迭代更新，利用遠程診斷技術(shù)，也都積極構(gòu)建汽車OTA升級體系，實現(xiàn)整車OTA刷新應用。文章主要介紹了汽車OTA和遠程診斷技術(shù)，并提出一種汽車OTA刷新中遠程診斷設計方案，為OTA升級及故障診斷提供一定的指導作用。

OTA；遠程診斷；智能網(wǎng)聯(lián)；故障診斷

前言

汽車OTA功能已經(jīng)成為時下熱門話題，以Tesla為代表的造車新勢力突破創(chuàng)新將消費電子領(lǐng)域“空中下載技術(shù)”成功引入到了汽車領(lǐng)域，掀起了全球眾多OEM的追隨，同時也顛覆了人們對車輛的傳統(tǒng)認知。OTA升級為OEM提供了比傳統(tǒng)診斷儀更快捷、低成本的更新方式，提升用戶體驗及對品牌的忠誠度，而這些收益的背后自然是少不了主機廠遠程診斷技術(shù)的支撐。本文將介紹一種汽車OTA刷新中遠程診斷設計方案，主要包含OTA云端整體架構(gòu)及診斷要求、車載終端網(wǎng)絡診斷架構(gòu)設計、軟件存儲及刷新策略、遠程故障診斷等內(nèi)容。

1 汽車OTA介紹

OTA（Over-the-Air Technology）為“空中下載技術(shù)”，與我們常見的手機更新系統(tǒng)固件（軟件）的情況類似，汽車也可以同樣通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程更新車內(nèi)的各控制器內(nèi)部固件（FOTA）及軟件數(shù)據(jù)（SOTA），這就是所謂的汽車OTA技術(shù)。

主機廠積極構(gòu)建的汽車OTA升級體系，到底能帶來什么好處呢？

第一，OTA可以快速升級修復軟件代碼缺陷。隨著市場車輛功能配置的快速迭代，主機廠整車開發(fā)周期被迫縮短，由于軟件漏洞造成的汽車召回風險持續(xù)攀升，目前高端汽車的整車代碼量已經(jīng)突破1億行，即使按照能力成熟度集成模型的5級最高軟件標準開發(fā)，仍有0.32%的代碼缺陷率，使用OTA升級可減少主機廠50%的汽車返修成本。

第二，OTA給主機廠帶來新的“營銷模式”?！败浖x”汽車（SDV）概念的出現(xiàn)，給傳統(tǒng)的汽車售賣硬件的方式帶來的巨大的變革，已經(jīng)賣出去的車輛還可以軟件付費方式開通一些“升級包”，如Tesla的完全自動駕駛（FSD）升級包。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，預計未來五年軟件定制市場的年均復合增長率約為30%，2023年全球汽車軟件定制市場規(guī)模有望達到275.42億元，因此主機廠可OTA升級的軟件潛力及效益可觀。如圖1所示：

圖1 全球汽車軟件定制市場規(guī)模及增速

第三，主機廠通過OTA方式，可改善車輛的動力、剎車、續(xù)航、人機交互系統(tǒng)以及智能輔助駕駛系統(tǒng)的更優(yōu)體驗。使車輛的整體性能及功能變得更優(yōu)異，增加了車主的新鮮感，也增加了車主對車輛的品牌忠誠度。

汽車OTA帶來眾多好處的同時也對主機廠提出了新的挑戰(zhàn)，無論是OTA云端架構(gòu)設計、信息安全、后臺軟件版本管控等，還是車輛終端的車載網(wǎng)絡診斷架構(gòu)設計、遠程故障診斷、OTA刷新流程、ECU軟件刷新策略等方面，都需要OEM全面考慮和充分測試驗證，避免OTA推送后車輛出現(xiàn)“癱趴”現(xiàn)象，導致車主適得其反的體驗。

2 汽車遠程診斷

汽車遠程診斷是指在車輛不需要開回4S店的情況下，依靠車輛具備的移動通訊能力（WIFI/4G/5G）完成主機廠后臺（或手機端APP）對車輛進行遠程控制及診斷操作的一種診斷技術(shù)。

遠程OTA刷新就屬于遠程診斷應用的一種場景。此外，遠程診斷技術(shù)通過與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等前沿技術(shù)融合后，還可為主機廠在研發(fā)試驗、產(chǎn)線電檢、售后診斷等領(lǐng)域提供重要支撐。

首先，遠程診斷可以在線采集數(shù)據(jù)，降低開發(fā)周期及成本。研發(fā)階段車輛需要進行大量道路試驗、耐久試驗，而試驗車配備的數(shù)據(jù)采集設備有限，通過遠程診斷，試驗過程中出現(xiàn)的車輛故障現(xiàn)象可以及時反饋給研發(fā)人員分析和仿真，快速協(xié)助解決故障問題。

其次，遠程診斷可以在產(chǎn)線電檢跨工位實現(xiàn)初始化及功能檢測、產(chǎn)線OTA刷新，實現(xiàn)汽車軟件定制化生產(chǎn)，滿足車主定制化需求。

最后，遠程診斷可以周期性監(jiān)控車輛狀態(tài)，實時診斷車輛健康，結(jié)合大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析進行車輛故障預警，通過后臺推送給廠家售后4S店進行車輛保養(yǎng)及維修指導建議。

3 OTA刷新遠程診斷設計

OTA刷新系統(tǒng)架構(gòu)主要由服務器（云平臺）、傳輸媒介（3G/4G/WIFI/5G）和車載終端（ECU）三部分構(gòu)成。本文基于如圖2所示的OTA刷新系統(tǒng)架構(gòu)設計，重點針對服務器（云平臺）和車載終端（ECU）進行遠程診斷詳細方案介紹。

圖2 OTA刷新系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 OTA服務器

OTA服務器又稱為OTA云平臺，在軟件刷新過程中起連接用戶（車廠、車主）與車輛的作用，為實現(xiàn)車輛遠程智能診斷及故障預測分析，OTA云平臺設計一般要求都部署在車廠的私有服務器上，能夠支持多種車型OTA升級。

3.1.1 OTA云平臺整體架構(gòu)

OTA云平臺主要包含用戶管理、固件管理、車輛管理、升級任務管理、統(tǒng)計分析管理、用戶操作日志管理模塊，如圖3所示。

圖3 OTA云平臺整體架構(gòu)

用戶管理模塊：OTA云平臺為車廠提供的是一套軟件系統(tǒng)，因此需要有用戶管理模塊來實現(xiàn)用戶權(quán)限分配及管理工作。系統(tǒng)搭建環(huán)境默認創(chuàng)建超級管理員用戶，由超級管理員用戶登錄后在用戶管理模塊實現(xiàn)用戶新增，用戶查看，用戶信息修改等功能操作。

固件管理模塊：主要為用戶提供固件上傳，固件查詢及編輯（版本管理）功能。用戶將車廠測試通過的固件上傳到OTA云平臺，用以升級任務創(chuàng)建。

車輛管理模塊：主要包含車輛ECU信息同步、車輛ECU信息獲取及車輛信息查看功能。車輛ECU信息同步子模塊對接主機廠MES（生產(chǎn)制造）系統(tǒng)，可導入不同車型配置信息用以OTA升級時對目標車輛篩選及升級策略配置。

升級任務管理模塊：主要負責為用戶提供升級任務創(chuàng)建、升級任務審批、升級任務查詢、升級進度查詢功能。

統(tǒng)計分析管理模塊：主要負責統(tǒng)計分析已發(fā)布的升級任務執(zhí)行結(jié)果情況。用戶可以查看每個升級任務對應的升級車輛的成功率、失敗原因統(tǒng)計及未執(zhí)行升級原因統(tǒng)計分析。

用戶操作日志管理模塊：主要負責為超級管理員用戶提供所有登錄OTA云平臺的用戶的所有功能操作記錄。

3.1.2 OTA云平臺診斷要求

OTA云平臺必須符合高可用、高性能、可擴展、可監(jiān)控的診斷要求。具體表現(xiàn)為以下幾個方面：

（1）采用微服務的Browser/Server(瀏覽器/服務器)的服務框架，能夠支持多種負載均衡模式（服務消費者從提供者列表中，基于軟負載均衡算法（隨機、權(quán)重、輪詢、最少并發(fā)優(yōu)先等）選一臺服務提供者進行遠程調(diào)用，如果調(diào)用失敗，需自動診斷并切換另一臺服務提供者）；

（2）立體化監(jiān)控，能夠?qū)ο到y(tǒng)資源（CPU、負載、內(nèi)存、網(wǎng)絡和磁盤等）基礎(chǔ)指標進行詳細的監(jiān)控，對于系統(tǒng)的每一次服務調(diào)用響應時間和出錯率進行故障診斷和預警；

（3）系統(tǒng)具備高可靠和高性能，確保整個系統(tǒng)上運行的業(yè)務體系能夠為客戶系統(tǒng)提供99.9%可用性的高效優(yōu)質(zhì)服務；

（4）采用服務集群的管理技術(shù)，利用多個計算機并行計算從而獲得高性能和冗余備份，即便單機故障時整個系統(tǒng)仍能正常工作；

（5）系統(tǒng)具備故障隔離機制，在應用軟件系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過故障隔離可將故障危害限制在最小范圍內(nèi)，提高系統(tǒng)對外服務的整體能力。

3.2 OTA車載終端

OTA車載終端作為OTA升級的執(zhí)行方，以OTA推送方式為例，用戶可感知體驗的部分較多，車載終端的設計重點需考慮人機交互、網(wǎng)絡診斷架構(gòu)設計、ECU刷新時長、軟件存儲及刷新策略、遠程故障診斷機制。

車載終端網(wǎng)絡框架如圖4所示，OTA主控節(jié)點由TBOX和中央網(wǎng)關(guān)（GW）負責，升級界面由車機負責，被刷新的ECU要求支持車載以太網(wǎng)（DoIP）或CAN總線（DoCAN）通訊協(xié)議，若ECU升級包較大（如上百兆）需要支持數(shù)據(jù)差分算法。

圖4 OTA車載終端框架

3.2.1 OTA人機交互設計

OTA升級時除了云平臺推送升級任務到車主APP提醒外，還需車端（車機或中控）配合開發(fā)顯示一些升級界面（如升級進度、升級條件提醒等），用于提醒車主車輛設防及離車等配合操作，如圖5~圖9所示。

圖5 OTA系統(tǒng)更新推送

圖6 OTA更新日志

圖7 OTA升級通知用戶授權(quán)同意

圖8 OTA升級過程中

圖9 OTA升級成功

3.2.2網(wǎng)絡診斷架構(gòu)設計

目前車載網(wǎng)絡主干網(wǎng)仍以成熟的CAN總線通訊為主，但對于軟件包較大的ECU由于刷新時長等因素，使用了車載以太網(wǎng)技術(shù)來突破CAN總線的帶寬限制，如圖10所示。

主要架構(gòu)包含OTA主控節(jié)點（TBOX和GW）和被刷新ECU。TBOX主要負責對外與云平臺的連接通道安全可靠，其內(nèi)部集成了PKI認證及身份鑒權(quán)等安全模塊；GW主要負責對內(nèi)部網(wǎng)絡的連接通道及集成診斷刷新機功能。刷新ECU根據(jù)軟件包大小及理論刷新時長（如不超過20分鐘），在CAN總線拓撲架構(gòu)上增加了以太網(wǎng)接口設計，使用DoIP協(xié)議進行ECU診斷刷新。

圖10 網(wǎng)絡診斷架構(gòu)圖

3.2.3 ECU軟件存儲及刷新策略

OTA刷新前ECU軟件升級包由云平臺下發(fā)到車端OTA主控節(jié)點內(nèi)存儲，由文件存儲模塊來負責整車軟件升級包的存儲及備份包的管控。

升級管理模塊主要負責刷新機刷新策略控制，OTA刷新需要設計多次冗余刷新策略，即OTA后臺發(fā)起一次升級任務后，同一輛車內(nèi)OTA主控節(jié)點刷新機通常會對同一個ECU執(zhí)行多次刷新嘗試請求，減少偶發(fā)失敗因素，提高OTA刷新成功率。

被刷新ECU主要分為傳統(tǒng)嵌入式芯片ECU和復雜帶操作系統(tǒng)（如Linux、Android、AutoSAR）的ECU。根據(jù)ECU的硬件資源情況，我們又設計了如下ECU內(nèi)部存儲及刷新策略：

如圖11所示的帶操作系統(tǒng)ECU，硬件存儲資源豐富，控制器內(nèi)分配了兩個不同啟動區(qū)分，具體刷新過程如下：

a）默認出廠狀態(tài)啟動分區(qū)1激活，運行V1.0版本程序，啟動分區(qū)2內(nèi)無備份程序；

b）當OTA發(fā)起第一次V1.1版本刷新請求時，刷新數(shù)據(jù)會存儲在備份分區(qū)（分區(qū)2），刷新成功后激活啟動分區(qū)2，并交換備份分區(qū)（分區(qū)1），下次上電后程序由啟動分區(qū)2啟動并正常工作；

c）當OTA發(fā)起第二次V1.2版本刷新請求時，刷新數(shù)據(jù)會被存儲在備份分區(qū)1，刷新成功后激活啟動分區(qū)1并交換備份分區(qū)（分區(qū)2），下次上電后程序由啟動分區(qū)1啟動并正常工作；

d）當OTA發(fā)起第三次V1.3版本刷新請求時，刷新數(shù)據(jù)會存儲在備份分區(qū)（分區(qū)2），刷新成功后激活啟動分區(qū)2，并交換備份分區(qū)（分區(qū)1），下次上電后程序由啟動分區(qū)2啟動并正常工作。

如此循環(huán)交換分區(qū)刷新，即便遇到刷新失敗當前啟動分區(qū)無法正常啟動時，ECU也還可以通過自回滾從備份分區(qū)啟動，確保系統(tǒng)工作正常。

圖11 帶操作系統(tǒng)的ECU軟件存儲及刷新策略圖

對于傳統(tǒng)嵌入式ECU，通常采用BOOT+APP的軟件架構(gòu)，如圖12所示。功能越復雜的ECU，其選擇的主控芯片APP容量越大，為了實現(xiàn)ECU內(nèi)部軟件自回滾功能，需要將APP空間劃分一部分用于軟件備份存儲（如APP2）。當ECU被刷新時，由BOOT代碼負責提供升級流程引導，將升級包存儲到APP區(qū)域（一般為程序啟動入口地址空間）。由于嵌入式芯片ECU程序啟動入口通常只有一個，因此，當刷新失?。ˋPP激活不了）時，由BOOT引導程序指引復制APP2的備份程序到APP區(qū)域進行回滾操作并啟動，確保ECU工作正常。對于APP容量較小不支持APP2空間劃分的ECU，只能依靠OTA主控節(jié)點實現(xiàn)升級包的備份存儲。

圖12 嵌入式ECU軟件存儲及刷新策略圖

3.2.4 OTA遠程故障診斷設計

OTA刷新目前主要是通過診斷通訊方式實現(xiàn)的ECU刷新條件檢查、刷新過程數(shù)據(jù)傳輸及刷新后復位重啟等操作，刷新過程中被刷新ECU由于進BOOT或其它原因無法保證應用程序正常運行（無感刷新方式除外）時，需要提前進行ECU故障屏蔽設計以免刷新過程造成整車出現(xiàn)一些故障碼，誤導后續(xù)遠程故障診斷及統(tǒng)計分析。

OTA刷新過程中，診斷故障屏蔽可采用UDS診斷協(xié)議中的0x85（ControlDTCSetting）服務來實現(xiàn)。

OTA遠程故障診斷，還要解決的一個難點是與本地故障診斷的沖突問題。OTA云平臺難以識別本地診斷設備，因此，必須要在車端集成遠程診斷與本地診斷的仲裁判斷邏輯。如圖13所示，由中央網(wǎng)關(guān)（GW）負責仲裁協(xié)調(diào)，當OTA刷新過程中，網(wǎng)關(guān)屏蔽本地故障診斷路由轉(zhuǎn)發(fā)功能；同理，當有本地診斷設備時，網(wǎng)關(guān)屏蔽遠程故障診斷路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，屏蔽只在當前點火循環(huán)有效。

圖13 遠程故障診斷仲裁框圖

4 結(jié)論

汽車OTA刷新為遠程診斷技術(shù)帶來了迫切的需求和絕佳的發(fā)展機遇，主機廠積極部署的OTA升級體系和遠程診斷平臺，不僅是為了當下車輛的軟件漏洞修復和功能快速更新，更是為了適應“軟件定義”汽車（SDV）的趨勢及更高階的自動駕駛的技術(shù)發(fā)展，而主機廠遠程診斷平臺積累的數(shù)據(jù)，正是考驗其大數(shù)據(jù)挖掘與智能診斷應用相結(jié)合的綜合能力。身為“領(lǐng)頭羊”的特斯拉，通過遠程診斷技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)90%情況下的車輛部件故障診斷，每年可為車主節(jié)省一天維修工時。國內(nèi)車企要奮起直追，為車主提供更便捷、滿意的服務體驗，仍需較長的發(fā)展歷程。

[1] 施慶國,尚海立,馬婕,郭菲菲.智能網(wǎng)聯(lián)汽車的OTA升級方案[A]. 中國汽車工程學會（China Society of Automotive Engineers）.2018中國汽車工程學會年會論文集[C].中國汽車工程學會（China Society of Automotive Engineers）:中國汽車工程學會,2018:7.

[2] 郭麗麗,菅少鵬,陳新,陳效華.智能網(wǎng)聯(lián)汽車網(wǎng)絡架構(gòu)方案研究[J].汽車科技,2017(03):34-38.

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Research on the Application of Remote Diagnosis Technology in Vehicle OTA Refresh

Zhu Pengbo, Wen Xiaofeng, Yang Yi

( Guangzhou Automobile Group Co., Ltd. Automotive Engineering Research Institute, Guangdong Guangzhou 511434 )

With the development of Vehicle intelligence and Internet connection, Vehicle is no longer means a simple transportation. Car owners begin to look forward to whether OEMs can remotely maintain and upgrade their vehicles software like mobile phones, so as to obtain better driving enjoyment and new function experience. At the same time, in order to reduce the risk of recall caused by software vulnerabilities and the iterative update of new functions, OEMs also actively build the vehicle OTA upgrade system by using remote diagnosis technology to achieve the vehicle OTA refresh. This paper mainly introduces the vehicle OTA and remote diagnosis technology, and puts forward a design scheme of remote diagnosis in vehicle OTA refresh, which provides some guidance for OTA upgrade and fault diagnosis.

OTA; Remote diagnosis; Intelligent network; Fault diagnosis

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.016

U495

A

1671-7988(2021)07-45-05

U495

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1671-7988(2021)07-45-05

朱鵬波，男，總線診斷責任工程師，現(xiàn)就職于廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，從事車載網(wǎng)絡總線診斷方面的工作。