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OTA實(shí)現(xiàn)方案及汽車端設(shè)計(jì)分析

2021-09-12 21:39:12·  來源：汽車實(shí)用技術(shù)雜志社  作者：李立安，趙幗娟等  
　
摘要：智能網(wǎng)聯(lián)汽車時(shí)代，軟件已逐步成為汽車的核心競(jìng)爭(zhēng)力。汽車OTA能夠?qū)崿F(xiàn)汽車軟件的遠(yuǎn)程升級(jí)，可以提升用戶體驗(yàn)，降低車廠由于軟件缺陷帶來的召回成本，已成
摘要：智能網(wǎng)聯(lián)汽車時(shí)代，軟件已逐步成為汽車的核心競(jìng)爭(zhēng)力。汽車OTA能夠?qū)崿F(xiàn)汽車軟件的遠(yuǎn)程升級(jí)，可以提升用戶體驗(yàn)，降低車廠由于軟件缺陷帶來的召回成本，已成為智能網(wǎng)聯(lián)汽車的關(guān)鍵技術(shù)。汽車內(nèi)控制器數(shù)目、種類繁多，軟硬件差異較大，因此汽車OTA技術(shù)對(duì)汽車設(shè)計(jì)將帶來一定的挑戰(zhàn)。文章介紹汽車OTA系統(tǒng)的組成，OTA管理平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和功能，重點(diǎn)分析OTA技術(shù)對(duì)汽車端的要求和汽車端的實(shí)施方案。
 
作者信息：
姓名：李立安，趙幗娟，任廣樂
單位：愛馳汽車有限公司
作者簡(jiǎn)介：李立安，博士，就職于愛馳汽車有限公司，研究方向?yàn)橹悄芫W(wǎng)聯(lián)汽車、汽車智能座艙、電子電氣等。
 
前言
隨著人工智能、電子控制以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷完善，汽車正逐步地從機(jī)械產(chǎn)品演變成為集各種先進(jìn)電子技術(shù)于一身的智能網(wǎng)聯(lián)汽車。智能網(wǎng)聯(lián)汽車的各個(gè)系統(tǒng)，從燈光控制到車輛控制，從主動(dòng)安全到高級(jí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，無一不是借助各種精密可靠的電子電氣系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。軟件定義汽車時(shí)代，軟件作為智能網(wǎng)聯(lián)汽車的重要組成部分，其規(guī)模和復(fù)雜程度不斷增加，軟件也成為迭代最快，最容易個(gè)性化的部分。汽車的遠(yuǎn)程升級(jí)能力可以保證汽車的軟件系統(tǒng)及時(shí)更新，導(dǎo)入新的功能，提升用戶體驗(yàn)。同時(shí)，也可以修復(fù)軟件問題，有效降低主機(jī)廠的開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和召回成本。 因此，汽車的遠(yuǎn)程升級(jí)能力是智能網(wǎng)聯(lián)汽車必備的功能。
 
OTA（Over-the-Air）是指通過無線網(wǎng)絡(luò)下載遠(yuǎn)程服務(wù)器上的升級(jí)包，對(duì)系統(tǒng)或應(yīng)用進(jìn)行升級(jí)的技術(shù)。汽車的OTA解決方案實(shí)現(xiàn)了汽車內(nèi)控制器的遠(yuǎn)程升級(jí)能力，OTA在手機(jī)、平板電腦等消費(fèi)類電子產(chǎn)品中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，技術(shù)相對(duì)成熟，但對(duì)于汽車是一個(gè)比較新的技術(shù)解決方案。由于車內(nèi)控制器數(shù)目、種類繁多，軟硬件差異很大，并且車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率有限等，都給汽車的OTA設(shè)計(jì)帶來了很大的挑戰(zhàn)。因此需要在汽車設(shè)計(jì)過程中，進(jìn)行有針對(duì)性的詳細(xì)設(shè)計(jì)，以滿足汽車OTA的需求。本文將設(shè)計(jì)智能網(wǎng)聯(lián)汽車OTA的實(shí)現(xiàn)方案，并重點(diǎn)分析汽車端OTA升級(jí)能力的需求和實(shí)現(xiàn)方式。
 
1 汽車OTA系統(tǒng)的構(gòu)成
汽車OTA系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示，汽車OTA系統(tǒng)是一個(gè)云端-車端協(xié)同工作的產(chǎn)品，主要由云端的OTA管理平臺(tái)以及汽車端的OTA執(zhí)行層組成。二者通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)連接，共同完成汽車的OTA升級(jí)任務(wù)。
 
 
圖1 汽車OTA系統(tǒng)構(gòu)成
當(dāng)汽車進(jìn)行OTA升級(jí)時(shí)，后臺(tái)操作人員根據(jù)預(yù)先制定的汽車控制器軟件的升級(jí)需求，選擇合適的升級(jí)范圍和升級(jí)車輛，并遠(yuǎn)程下發(fā)升級(jí)任務(wù)。升級(jí)任務(wù)通過4G或WIFI等無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至符合升級(jí)條件的汽車內(nèi)，汽車內(nèi)的主控控制器接受到升級(jí)指令、下載升級(jí)文件，并執(zhí)行升級(jí)命令，完成汽車內(nèi)控制器的升級(jí)。
 
2 OTA管理平臺(tái)設(shè)計(jì)
 
OTA管理平臺(tái)是后臺(tái)操作人員操作和維護(hù)的主要工具。在OTA管理平臺(tái)內(nèi)需要完成升級(jí)包的制作、升級(jí)任務(wù)的下發(fā)、升級(jí)結(jié)果的收集等整個(gè)升級(jí)流程的控制，同時(shí)還需要對(duì)車輛的信息、升級(jí)的成功率等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總。
OTA管理平臺(tái)采用面向服務(wù)的架構(gòu)設(shè)計(jì)方式，采用三層體系架構(gòu)設(shè)計(jì)，OTA管理平臺(tái)的構(gòu)成如圖2所示。分為前端表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。前端表現(xiàn)層向用戶展示了OTA的操作頁面，如用戶管理、車輛管理、策略管理、任務(wù)管理等。業(yè)務(wù)邏輯層是OTA的核心業(yè)務(wù)層，所有的OTA業(yè)務(wù)都在業(yè)務(wù)邏輯層實(shí)現(xiàn)，如：創(chuàng)建OTA任務(wù)、統(tǒng)計(jì)OTA報(bào)表、向汽車端推送OTA升級(jí)指令等。數(shù)據(jù)訪問層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理，包含用戶日志的存儲(chǔ)、檢索，用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的存取、處理操作等。OTA管理平臺(tái)的主要功能如下：
（1） 升級(jí)包的制作：汽車內(nèi)控制器的升級(jí)，可以采用整包升級(jí)的方式，也可以采用差分升級(jí)的方式。差分升級(jí)包可以減少用戶流量消耗，縮短下載時(shí)間，提升用戶體驗(yàn)。OTA管理平臺(tái)需要根據(jù)升級(jí)包的大小確定是否制作差分升級(jí)包，升級(jí)包的制作還包括對(duì)升級(jí)文件的簽名和加密過程，OTA管理平臺(tái)將經(jīng)過簽名的升級(jí)包下發(fā)。
（2）與其它平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接：OTA管理平臺(tái)需要與車廠現(xiàn)有的其它平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的同步獲取以及升級(jí)任務(wù)的交互。如與TSP （Telematics Service Provider）平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接，將升級(jí)任務(wù)由TSP平臺(tái)下發(fā)至車輛和用戶手機(jī)端。
（3） 升級(jí)任務(wù)的管理與分發(fā)：OTA管理平臺(tái)需要根據(jù)預(yù)先制定好的升級(jí)方案，實(shí)現(xiàn)升級(jí)任務(wù)的配置，選擇需要升級(jí)的具體車輛、車型，并制定升級(jí)策略，生成升級(jí)任務(wù)并下發(fā)。
（4）權(quán)限管理及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：OTA管理平臺(tái)支持職責(zé)權(quán)限的賬號(hào)管理體系，實(shí)現(xiàn)賬號(hào)管理、角色管理和權(quán)限設(shè)置。OTA管理平臺(tái)可以進(jìn)行車輛總數(shù)、激活車輛總數(shù)、發(fā)布的任務(wù)總數(shù)、升級(jí)成功總數(shù)等的匯總統(tǒng)計(jì)，此外還可以針對(duì)控制器的升級(jí)情況進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，包括控制器升級(jí)成功總數(shù)以及升級(jí)成功率排行等。
 
圖2 OTA平臺(tái)端示意圖
 
3 汽車端設(shè)計(jì)分析
汽車的OTA升級(jí)過程由汽車內(nèi)的控制器執(zhí)行，因此在汽車端設(shè)計(jì)過程中，需要完成以下工作：①構(gòu)建汽車端的升級(jí)能力，包括接收升級(jí)任務(wù)、車輛狀態(tài)以及升級(jí)信息回傳、升級(jí)流程的發(fā)起等。②制定合理的汽車端通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)車內(nèi)數(shù)據(jù)的傳輸，包括升級(jí)包的分發(fā)、升級(jí)指令的下發(fā)、車輛信息的回傳等。③開發(fā)OTA升級(jí)界面，提供HMI（人機(jī)交互）顯示，支持用戶下載和安裝流程的啟動(dòng)。④根據(jù)汽車OTA升級(jí)過程中的需求，設(shè)計(jì)符合汽車OTA升級(jí)的整車模式。
3.1 升級(jí)能力的構(gòu)建
3.1.1 汽車端OTA架構(gòu)設(shè)計(jì)
汽車端OTA的架構(gòu)如圖3所示。汽車端需要選擇一個(gè)控制器作為OTA升級(jí)的主控控制器，并由該控制器集成OTA升級(jí)的主控程序UC（Update Control），作為汽車端升級(jí)控制的主體與OTA管理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并控制汽車內(nèi)的控制器升級(jí)。在車型設(shè)計(jì)過程中，通常選擇TBOX作為升級(jí)的主控控制器。其主要功能是：本地ECU配置信息的采集和上報(bào)，與OTA管理平臺(tái)交互獲得升級(jí)策略文件，目標(biāo)升級(jí)包的下載，升級(jí)包安全性和完整性校驗(yàn)，按照升級(jí)策略文件逐個(gè)進(jìn)行升級(jí)包分發(fā)和目標(biāo)ECU升級(jí)流程的發(fā)起，升級(jí)過程的記錄及上報(bào)，升級(jí)過程中與HMI的交互。
 
 
圖3 汽車端OTA架構(gòu)示意圖
對(duì)于帶有安卓或Linux等智能操作系統(tǒng)的控制器（以下簡(jiǎn)稱智能控制器），由于升級(jí)包較大，需要支持差分升級(jí)。 對(duì)于需要進(jìn)行差分升級(jí)的智能控制器（如中控系統(tǒng)IVI、組合儀表IP等），還需要在控制器內(nèi)集成差分還原程序UA（Update Agent），其主要作用是在控制器內(nèi)進(jìn)行差分包的還原。網(wǎng)關(guān)下的ECU升級(jí)包較小，采用整包刷寫的方式進(jìn)行固件升級(jí)，ECU需要支持基于UDS（統(tǒng)一診斷服務(wù)）協(xié)議的刷寫。在OTA升級(jí)過程中，OTA主控制器承擔(dān)著相當(dāng)于診斷儀的角色，基于CAN總線通訊，TBOX通過UDS刷寫的方式完成ECU的升級(jí)，網(wǎng)關(guān)起到路由的功能。如果通過OTA的UDS更新失敗后，ECU需保證能夠通過診斷儀或者其它刷寫設(shè)備重新進(jìn)行刷寫。
3.1.2 控制器的A/B分區(qū)
汽車在進(jìn)行OTA升級(jí)過程中，由于外界條件的變化（電池電壓降低、控制器之間通信失敗、人為打斷等），都會(huì)導(dǎo)致控制器的升級(jí)失敗，可能會(huì)導(dǎo)致控制器死機(jī)，并無法通過再次OTA升級(jí)的方式解決。因此，對(duì)于重要的控制器，需要進(jìn)行A/B分區(qū)設(shè)置。A/B分區(qū)設(shè)置是指控制器內(nèi)有A、B兩個(gè)系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)相互備份冗余。帶有A/B分區(qū)的控制器的升級(jí)流程如圖4所示?？刂破髡＿\(yùn)行過程中，A系統(tǒng)正常運(yùn)行，B系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)收到升級(jí)任務(wù)后，B系統(tǒng)開始升級(jí)，而A系統(tǒng)仍然正常運(yùn)行，當(dāng)B系統(tǒng)升級(jí)完成后，下次開機(jī)時(shí)，B系統(tǒng)啟動(dòng)并正常運(yùn)行，A系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。如果B系統(tǒng)升級(jí)過程中失敗，不影響A系統(tǒng)的正常運(yùn)行，系統(tǒng)將正常工作。
 
 
圖4 A/B分區(qū)控制器的升級(jí)流程
控制器A/B分區(qū)的方式，可以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，升級(jí)失敗不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。同時(shí)控制器的升級(jí)場(chǎng)景更為靈活，B系統(tǒng)升級(jí)過程中，A系統(tǒng)可以正常工作，不影響車輛的正常功能。對(duì)于控制器的A/B分區(qū)，需要依托硬件設(shè)備支持，可進(jìn)行雙系統(tǒng)備份升級(jí)?？刂破髟谠O(shè)計(jì)過程中，要充分考慮系統(tǒng)備份的設(shè)置。
3.2 控制器之間的通訊方式
在進(jìn)行OTA升級(jí)過程中，升級(jí)主控制器與被升級(jí)控制器之間需要進(jìn)行升級(jí)指令的下發(fā)、升級(jí)包的傳輸，同時(shí)需要對(duì)控制器的版本、車輛的狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。因此需要控制器之間有穩(wěn)定的傳輸通道。CAN（Controller Area Network）總線是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，是目前常見的車內(nèi)總線，用于車內(nèi)各控制器之間的信號(hào)傳輸。因此，對(duì)于汽車端的升級(jí)指令、升級(jí)結(jié)果等可以通過CAN總線進(jìn)行傳輸，車輛的狀態(tài)信息由TBOX經(jīng)CAN總線采集后，通過升級(jí)主控程序上傳至OTA管理平臺(tái)。
在車輛進(jìn)行OTA升級(jí)的過程中，升級(jí)流程的控制由TBOX內(nèi)集成的UC完成，當(dāng)有控制器需要升級(jí)時(shí)，由TBOX進(jìn)行升級(jí)包的下載及分發(fā)，并將升級(jí)包傳輸至需要升級(jí)的控制器內(nèi)，因此需要控制器之間有相應(yīng)的升級(jí)包傳輸通道。CAN總線的傳輸速率是500kb/s，對(duì)于網(wǎng)關(guān)下的ECU，一般全量升級(jí)包為幾kb，可以使用CAN總線進(jìn)行升級(jí)包的傳輸。智能控制器的升級(jí)包通常在10M到1500M之間，使用CAN 總線傳輸會(huì)導(dǎo)致傳輸時(shí)間過長，因此在汽車電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，必須考慮智能控制器之間合理的數(shù)據(jù)傳輸方式。如圖3所示的汽車端OTA架構(gòu)設(shè)計(jì)中，TBOX和IVI之間通過USB通道進(jìn)行傳輸，IVI通過LVDS線束將升級(jí)包傳給儀表。對(duì)于網(wǎng)關(guān)及網(wǎng)關(guān)下的ECU，通過CAN總線進(jìn)行升級(jí)包的傳輸。
3.3 OTA的升級(jí)界面及流程
汽車的OTA升級(jí)界面是用戶執(zhí)行OTA升級(jí)流程的操作入口，通常將OTA的升級(jí)界面設(shè)計(jì)在IVI端，方便用戶進(jìn)行升級(jí)操作。OTA升級(jí)界面的內(nèi)容包含升級(jí)任務(wù)通知、軟件版本檢測(cè)、軟件包下載、確認(rèn)安裝等主要流程。汽車端的OTA升級(jí)的交互流程如圖5所示，當(dāng)OTA管理平臺(tái)下發(fā)升級(jí)任務(wù)后，用戶會(huì)在IVI內(nèi)收到TSP推送的升級(jí)通知，若用戶確認(rèn)下載升級(jí)包，將進(jìn)行升級(jí)包的下載，下載過程中可正常使用車輛。升級(jí)包下載完成后，IVI端將提示用戶是否開始安裝，并顯示預(yù)計(jì)升級(jí)時(shí)間，用戶可選擇立即安裝或延遲安裝。圖5所示的流程中確認(rèn)下載和確認(rèn)安裝兩個(gè)步驟需要用戶手工操作，其余為系統(tǒng)執(zhí)行動(dòng)作。確認(rèn)下載和確認(rèn)安裝需要用戶反復(fù)操作兩次，為簡(jiǎn)化流程，也可以進(jìn)行升級(jí)包的靜默下載，即有新的更新包時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)下載，省去用戶確認(rèn)下載的步驟，下載完成后再提示用戶安裝，用戶僅需要操作一次就可以完成安裝。
 
 
圖5 OTA升級(jí)交互流程
OTA升級(jí)界面是用戶在OTA升級(jí)過程中的主要交互方式，需要按照OTA的升級(jí)流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)升級(jí)界面要做到簡(jiǎn)潔明了、通俗易懂，并能夠?qū)⑸?jí)過程中的注意事項(xiàng)、升級(jí)軟件的更新內(nèi)容、升級(jí)預(yù)估時(shí)間等清晰地呈現(xiàn)給用戶，便于用戶正確使用OTA的功能。
3.4 汽車的OTA升級(jí)模式
當(dāng)用戶在IVI內(nèi)選擇了確認(rèn)安裝后，OTA主控控制器內(nèi)的UC將檢測(cè)車輛升級(jí)的前置條件，OTA升級(jí)的前置條件如表1所示，對(duì)車輛的電源狀態(tài)、檔位、車速以及電池電量等有確定的要求和依賴。如前置條件符合要求，車輛將開始進(jìn)入OTA升級(jí)過程，按照前置條件的要求，OTA升級(jí)過程中，車輛的電源狀態(tài)將維持在KL15，如果期間用戶下電，或鎖車離開，車輛將下KL15進(jìn)入OFF狀態(tài)，升級(jí)過程中斷，會(huì)導(dǎo)致控制器升級(jí)失敗，甚至無法再還原。因此，在OTA升級(jí)過程中，用戶不能人為下電或鎖車離開。同時(shí)對(duì)于高壓相關(guān)的控制器，在升級(jí)過程中不能工作，車輛不能上高壓，而在車輛實(shí)際使用過程中，不存在這樣的工況。汽車的OTA升級(jí)工況，與車輛正常使用工況存在一定的差異。
表1 OTA升級(jí)的前置條件
 
因此需要定義汽車的OTA升級(jí)模式，OTA升級(jí)模式主要是指車輛電源的狀態(tài)維持在KL15，同時(shí)刷寫高壓相關(guān)的控制器時(shí)禁止車輛上高壓，期間允許用戶鎖車，車輛的電源狀態(tài)保持KL15不變。OTA模式主要由車身控制器（BCM）控制，在此種模式下，車輛的升級(jí)流程如圖6所示，當(dāng)檢測(cè)到前置條件通過時(shí)，車輛進(jìn)入OTA升級(jí)模式，此時(shí)保持在KL15電源狀態(tài)，用戶可以鎖車離開。如果需要升級(jí)BCM，在升級(jí)其它控制器完成后對(duì)BCM進(jìn)行升級(jí)，當(dāng)BCM升級(jí)成功后，車輛下KL15電，升級(jí)結(jié)束。
 
 
圖6 汽車OTA升級(jí)模式流程
 
4 結(jié)論
OTA升級(jí)是智能網(wǎng)聯(lián)汽車必備的功能，本文設(shè)計(jì)智能網(wǎng)聯(lián)汽車的OTA系統(tǒng)，介紹了汽車OTA系統(tǒng)的組成，對(duì)OTA管理平臺(tái)的進(jìn)行設(shè)計(jì)介紹和功能分析。重點(diǎn)針對(duì)汽車端實(shí)現(xiàn)OTA功能的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，包括汽車端OTA升級(jí)能力的構(gòu)建、通信協(xié)議的定義、OTA升級(jí)界面的交互流程以及汽車的OTA升級(jí)模式。本文將為汽車OTA系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考，汽車OTA技術(shù)的應(yīng)用及普及，將大力推動(dòng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展和用戶體驗(yàn)的升級(jí)。
 
排版：張博雅
審核：王 蕾
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