智能網(wǎng)聯(lián)車輛空中下載系統(tǒng)精益化設(shè)計

柳旭 周時瑩 范玲玲 李長龍 周銳

【摘要】為提高現(xiàn)有遠程升級系統(tǒng)的高并發(fā)連接能力、自動化程度及下載升級效率，利用云端微服務(wù)化、基于整車基線的自動升級路線策略、獨立下載通道、輕量化遠程參數(shù)修改等技術(shù)對空中下載（OTA）系統(tǒng)方案進行精益化設(shè)計，量產(chǎn)車型的實車功能及性能試驗結(jié)果表明：該方案滿足百萬輛級車輛的并發(fā)使用需求，升級穩(wěn)定性接近100%。

關(guān)鍵詞：空中下載 軟件基線 任務(wù)自動化 獨立下載

中圖分類號：U461? ?文獻標志碼：A? ?DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20220131

Lean Design of Intelligent Connected Vehicle OTA System

Liu Xu， Zhou Shiying， Fan Lingling， Li Changlong， Zhou Rui

（1. Global R&D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013; 2. National Key Laboratory of Advanced Vehicle Integration and Control， Changchun 130013）

【Abstract】In order to improve the high concurrency connectivity， degree of automation and efficiency of downloading upgrading， this article uses cloud-based microservice， automatic upgrade path strategy based on vehicle baseline， independent download channel and lightweight remote parameter correction to make lean design for Over-The-Air （OTA） system scheme. Function and performance test results of mass-produced vehicles show that this scheme satisfies the demand of concurrent use for vehicles with production capacity of one million unit， with upgrade stability nearly reaching 100%.

Key words： Over-The-Air （OTA）， Software baseline， Task automation， Independent download

【引用格式】柳旭， 周時瑩， 范玲玲， 等. 智能網(wǎng)聯(lián)車輛空中下載系統(tǒng)精益化設(shè)計[J]. 汽車工程師， 2024（6）： 1-7.

LIU X， ZHOU S Y， FAN L L， et al. Lean Design of Intelligent Connected Vehicle OTA System[J]. Automotive Engineer， 2024（6）： 1-7.

1 前言

以自動駕駛為代表的車輛核心軟件功能愈發(fā)復雜，面對巨額的開發(fā)成本投入，軟件價值商業(yè)化勢在必行[1-2]?；谶h程軟件升級、軟件個性化定制等需求的空中下載（Over-The-Air，OTA）技術(shù)應(yīng)運而生。

國內(nèi)外車企針對企業(yè)級OTA系統(tǒng)、云端搭建、升級流程、信息安全、升級可靠性等方面已開展了大量的開發(fā)工作。文獻[3]對某公司初代OTA系統(tǒng)的架構(gòu)組成、升級策略、差分原理、實車測試用例及參數(shù)指標進行了闡述；文獻[4]介紹了信息安全原理及在OTA下載過程中的具體應(yīng)用流程；文獻[5]介紹了目前國內(nèi)外OTA相關(guān)法規(guī)制定情況及其具體要求。由此可見，汽車行業(yè)、企業(yè)及國家監(jiān)管部門均在快速開展OTA技術(shù)研發(fā)及規(guī)范工作。

本文針對目前主流的整車OTA技術(shù)提出一種精益化設(shè)計方案，主要進行OTA平臺系統(tǒng)的高并發(fā)、自動化任務(wù)發(fā)布、下載升級速率提升等方面研究，闡述OTA實際項目開發(fā)及使用過程中亟待解決的問題，并給出合理的設(shè)計方法和解決方案，最后驗證方案的可執(zhí)行性。

2 OTA架構(gòu)演進

OTA技術(shù)是通過4G、5G、WIFI等網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)從云端服務(wù)器下載車輛軟件更新包并在車端完成軟件替換更新的無線升級技術(shù)[6]，采用典型的客戶端/服務(wù)端（Client/Server）架構(gòu)，由車端、管端、云端3個部分組成。OTA云端系統(tǒng)及其外圍服務(wù)器集群為車輛提供全面的軟件升級服務(wù)，涵蓋車輛管理、軟件包管理、升級流程協(xié)調(diào)等。車云鏈路確保通信過程的安全性和可靠性，車輛作為服務(wù)請求的終端接入這一系統(tǒng)，可精準地向特定的云端服務(wù)器發(fā)起升級服務(wù)的請求[7-8]。

2.1 OTA系統(tǒng)基本硬件組成

OTA系統(tǒng)的基本硬件組成如圖1所示。云端系統(tǒng)硬件主要包括OTA應(yīng)用服務(wù)器群、汽車遠程服務(wù)提供商（Telematics Service Provider，TSP）車輛數(shù)據(jù)服務(wù)器、公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（Public Key Infrastructure，PKI）證書服務(wù)器、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（Content Delivery Network，CDN）第三方應(yīng)用服務(wù)器[9]。車端系統(tǒng)硬件主要包括網(wǎng)絡(luò)連接電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）、網(wǎng)關(guān)控制器、交互控制器等，各控制器之間通過車載總線，如以太網(wǎng)、CAN、CANFD等進行數(shù)據(jù)及信號傳輸[10]。

2.2 OTA系統(tǒng)基本軟件組成

OTA云端系統(tǒng)按照云服務(wù)架構(gòu)可拆解成如圖2所示的模塊：基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（Infrastructure-as-a-Service，IaaS）平臺層提供基本的系統(tǒng)級資源，包括Kafka類調(diào)度中心、各類型數(shù)據(jù)庫、對象存儲（Object Storage Service，OSS）、數(shù)據(jù)緩存等；平臺即服務(wù)（Platform-as-a-Service，PaaS）層劃分為核心業(yè)務(wù)服務(wù)、通用服務(wù)、安全服務(wù)3個模塊，其中核心業(yè)務(wù)模塊為OTA的主邏輯，可按功能劃分為通信、下載、車輛管理、軟件管理、升級管理、統(tǒng)計等服務(wù)；軟件即服務(wù)（Software-as-a-Service，SaaS）應(yīng)用層為面向?qū)I(yè)人員的云端Web及向外可擴展的信息接口[11]。

OTA車端按照模塊化設(shè)計，包含以下基本組件：下載管理器組件（DMclient），主要功能為下載、驗簽、加密、安全認證、版本管理、差分還原；升級代理（Update Agent，UA）組件，用于收集并保存車輛狀態(tài)信息，輔助OTA策略的實施[12]，該組件觸發(fā)刷寫腳本應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）完成ECU的刷寫腳本調(diào)用，獲取ECU的升級進度和結(jié)果，同時收集整車各ECU的軟件版本；人機交互代理（Human Machine Interface Agent，HMI Agent）組件用于處理整個升級過程中所有OTA相關(guān)狀態(tài)的顯示及用戶操作信號的反饋；系統(tǒng)代理（System Agent）組件用于OTA升級過程中車輛電源控制、車輛狀態(tài)判斷、中央網(wǎng)關(guān)（Central Gateway，CGW）的睡眠接口調(diào)用以及車輛起動狀態(tài)獲取[13]。

同時，OTA組件的正常運行依賴于部署節(jié)點的底層能力，包括刷寫相關(guān)、條件相關(guān)、通用信息相關(guān)、交互相關(guān)的底層功能接口。車端軟件架構(gòu)如圖3所示。

3 OTA系統(tǒng)精益化設(shè)計

OTA精益化設(shè)計以現(xiàn)有硬件為基礎(chǔ)，優(yōu)化現(xiàn)有軟件架構(gòu)及功能邏輯，主要包括基于整車基線的自動任務(wù)引擎、獨立下載技術(shù)和遠程配置技術(shù)3個方面。

不同于基礎(chǔ)OTA邏輯的單ECU軟件版本管理的維度，車端整車軟件版本管理組件用于整車版本收集及整車基線判斷，云端軟件包管理以整車軟件為邏輯集合，利用獨立下載技術(shù)實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量級ECU直接訪問CDN的方法，縮減原有的車內(nèi)傳輸過程。同時，OTA云端下發(fā)的整車軟件包中攜帶ECU配置信息，可通過車端的配置模塊實現(xiàn)ECU功能的開啟和關(guān)閉。云端任務(wù)觸發(fā)引擎按照整車基線設(shè)置預定路線，單個車輛終端上報狀態(tài)后，自動確定及下發(fā)任務(wù)。OTA精益化設(shè)計方案如圖4所示。

3.1 OTA云端微服務(wù)架構(gòu)

單體式架構(gòu)中多個服務(wù)通過共享同一數(shù)據(jù)庫，將應(yīng)用程序整合成一個單一的、不可分割的單元，因此所有的服務(wù)、組件和模塊都是緊密耦合的，這將導致車輛并發(fā)能力偏弱、云端Web管理界面卡滯、云端部署任務(wù)及軟件包上傳時間過長等問題。同時，由代碼依賴、數(shù)據(jù)共享等架構(gòu)特性帶來的強耦合性會導致系統(tǒng)功能變更困難。

微服務(wù)架構(gòu)將單一應(yīng)用程序劃分為微小的服務(wù)，各服務(wù)之間互相協(xié)調(diào)、配合，為用戶提供最終價值。各服務(wù)獨立運行，并采用輕量級的通信機制互相協(xié)作，圍繞具體業(yè)務(wù)進行構(gòu)建，并且能夠被單獨分配到生產(chǎn)環(huán)境中，同時，各微服務(wù)擁有獨立的數(shù)據(jù)庫[14]。微服務(wù)核心功能機制如圖5所示。

3.2 基線控制及云端任務(wù)路線

用戶較為關(guān)注汽車的整車級功能，但整車制造商（Original Equipment Manufacturer，OEM）更關(guān)注ECU的模塊化設(shè)計，其基線存在控制器版本不受控、新功能通知滯后、企業(yè)運營及宣傳通道受限等弊端。

3.2.1 整車版本定義

整車版本描述了整車ECU的軟件狀態(tài)，各ECU的軟件狀態(tài)通過軟件版本號進行識別，將整車功能的不同狀態(tài)通過唯一的整車版本號進行區(qū)分，如圖6所示。整車版本的格式設(shè)置為AA OS P S.X.Y<.Z><-T>，各字段定義如表1所示。

3.2.2 車端整車版本判斷模塊

ECU通過CAN報文按周期上報ECU硬件及軟件版本信息，軟件更新涉及軟件版本號的變化，刷寫流程執(zhí)行完成后重啟，新的軟件版本號在第一幀發(fā)出。

整車硬件及軟件判斷依據(jù)以xml文本格式記錄。針對不同的整車硬件版本，分別描述ECU標識、名稱、版本號集合，基本結(jié)構(gòu)如圖7所示。整車硬件判斷依據(jù)通過下線設(shè)備灌裝入車內(nèi)，當車輛存在硬件升級的場景時，售后部門重新灌裝。整車軟件判斷依據(jù)伴隨升級包一同下發(fā)到車輛。

整車軟件版本判斷模塊如圖8所示，其工作機制為：各ECU通過通信報文發(fā)出軟、硬件信息；車端版本管理組件收集該信息并存儲；整車軟件版本引擎按照設(shè)備樹軟件信息，判斷存儲的版本信息是否相同，若相同則完成整車版本匹配。匹配過程中，由于設(shè)備樹軟件信息較多，按照序號從大到小的順序依次判斷，匹配成功后則停止繼續(xù)比對。

3.2.3 基于整車版本的云端任務(wù)路線

不同于繁瑣的人工部署任務(wù)，基于整車版本的云端任務(wù)采用提前預設(shè)路線的方式，不同車輛識別碼（Vehicle Identification Number，VIN）的車輛上報整車版本后，自動選擇后續(xù)節(jié)點生成恰當?shù)娜蝿?wù)[15]。云端任務(wù)路線示例如圖9所示。

3.3 獨立下載

車內(nèi)車載遠程通信終端（Telematics-BOX，T-BOX）、車載信息娛樂系統(tǒng)（In-Vehicle Infotainment，IVI）及高級駕駛輔助系統(tǒng)（Advanced Driving Assistance System，ADAS）等系統(tǒng)的升級包大小可達GB級，若OTA組件將升級包下載至主節(jié)點內(nèi)，升級包需要從網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)侥繕嗽O(shè)備，傳輸過程耗時較長。

獨立下載技術(shù)通過將下載信息經(jīng)由加密信道傳輸給目標端，目標端直接與云端通信的方式完成下載動作[16]，相關(guān)流程如圖10所示。

Engine Service和Dwl Service Ext為主節(jié)點中OTA組件的2個服務(wù)模塊，分別負責任務(wù)管理和下載管理。獨立下載方案中，Engine Service負責同步各軟件包的下載相關(guān)信息，當判斷升級包所屬為獨立下載ECU后，將下載信息同步給對應(yīng)ECU。

IVI/T-BOX/ADAS收到下載信息后，直接通過下載通路連接對應(yīng)服務(wù)器，完成數(shù)據(jù)下載，支持斷點續(xù)傳。在獨立下載過程中，同時響應(yīng)OTA主節(jié)點取消下載、獲取下載狀態(tài)和獲取刷寫腳本的控制指令。

獨立下載和正常下載全部完成后進入安裝階段，仍然由Engine Service統(tǒng)一調(diào)用UAt模塊完成升級刷寫的控制。至此，OTA任務(wù)的流程全部完成。

3.4 遠程配置

遠程配置即通過遠程通信的方式對整車的軟件功能進行配置，通常是啟動和關(guān)閉整車的某一功能，可用于開啟與關(guān)閉整車的基礎(chǔ)功能和可銷售的軟件功能?；A(chǔ)功能通?？擅赓M獲取，通過OTA的方式升級軟件后，通過遠程配置啟動與關(guān)閉。可銷售軟件功能在用戶購買后可進行單獨配置，或者需要先通過OTA平臺將軟件升級至指定版本再進行配置。

不同的整車硬件版本配置軟件的方式不同，主要分為廣播配置與診斷配置，物理層支持通過CAN網(wǎng)絡(luò)和車載以太網(wǎng)進行配置。廣播配置的優(yōu)勢在于一次廣播播報可配置多個相關(guān)ECU報文，診斷配置則需要對各ECU進行單獨尋址，逐步完成功能的配置[17]。

3.5 OTA安全設(shè)計

OTA安全設(shè)計主要包括服務(wù)器端、管端及車端3個部分。服務(wù)器端安全設(shè)計如圖11所示。

OTA服務(wù)器與車端采用超文本傳輸協(xié)議（Hyper Text Transfer Protocol，HTTP），基于私有PKI體系實現(xiàn)雙向身份認證，保證通信信道的加密傳輸。

車端安全設(shè)計主要包括升級前置條件控制和升級異常處理。升級前置條件設(shè)計內(nèi)容包括車速、擋位、蓄電池電量、網(wǎng)絡(luò)通信等，此外，本文特別設(shè)計了OTA模式。OTA模式是指OTA升級過程中，各控制器為適應(yīng)OTA刷寫需求進入的特殊狀態(tài)。OTA任務(wù)下載完成開始安裝后，主節(jié)點會播報“OTA模式”信號，模式信號為狀態(tài)值，各控制器監(jiān)測到信號后，進入OTA模式，在該模式下，各控制器執(zhí)行不同動作，如車身控制器維持電池鎖定狀態(tài)、娛樂主機降低亮度等。

升級異常策略分為重刷和回滾2種處理機制。依賴于可重復刷寫的引導加載程序（Bootloader）功能設(shè)計，ECU至少需要實現(xiàn)升級異常后可重復刷寫；回滾機制包含云端、車內(nèi)、ECU內(nèi)回滾等方式，其中ECU內(nèi)回滾即ECU的a、b面升級，能夠徹底解決刷寫失敗異常的問題，但對于ECU芯片性能、存儲空間的高要求，會使硬件成本增加20%～30%，因此需要根據(jù)ECU的功能安全等級分級設(shè)計。

4 試驗驗證

4.1 試驗環(huán)境

針對上述精益化設(shè)計內(nèi)容，進行OTA功能及系統(tǒng)性能的試驗驗證，以實物臺架試驗為主，系統(tǒng)仿真為輔。功能測試包括任務(wù)自動化、斷點續(xù)傳、獨立下載流程、遠程配置流程、整車版本判斷、軟件包篡改、升級前置條件等；性能測試包括云端服務(wù)器每秒查詢率（Queries Per Second，QPS）、獨立下載速度、CAN刷寫速度、軟件升級成功率、功能配置成功率等。云端測試系統(tǒng)及實物臺架如圖12、圖13所示。

4.2 功能測試

功能測試基本采用云端任務(wù)部署、車端任務(wù)執(zhí)行的方式，測試目的及方法如表2所示。以自動化的任務(wù)下發(fā)為例，測試大致步驟為：設(shè)置一條三節(jié)點的升級路線進行全網(wǎng)發(fā)布；使用實車1進行車云通信；使用實車2首次接入OTA系統(tǒng)進行車云通信（模擬車輛剛下線）。測試發(fā)現(xiàn)實車1和實車2皆能完成2次任務(wù)串行下發(fā)，任務(wù)升級成功，整車軟件版本判斷正確。通過本次測試，驗證了云端升級任務(wù)自動化下發(fā)以及車輛連續(xù)升級功能的實效性。

4.3 性能測試

4.3.1 云端并發(fā)能力測試

通過高性能服務(wù)器模擬多車連接請求，驗證服務(wù)器的處理能力及錯誤率等關(guān)鍵指標。壓力機硬件性能指標如表3所示。

使用Locust負載測試工具，設(shè)定HTTP請求超時時間為10 s，測試樣本為10萬輛汽車，包括3萬輛有任務(wù)車輛和7萬輛無任務(wù)車輛。并發(fā)時根據(jù)有任務(wù)和無任務(wù)情況循環(huán)測試所有車輛，并發(fā)送對應(yīng)請求。

測試結(jié)果為：在5 h內(nèi)共請求1 399萬次，其中失敗266萬次，在服務(wù)端磁盤飽和前，請求次數(shù)為960 次/s，錯誤率小于0.02%；磁盤飽和后，請求次數(shù)下降為500 次/s左右，錯誤率迅速增大。

4.3.2 CAN刷寫速度測試

基于CANoe工具的通信訪問編程語言（Communication Access Programming Language，CAPL）腳本實現(xiàn)自動化重復測試上位機，針對車門控制器進行重復刷寫計時。上位機設(shè)置刷寫連續(xù)幀間隔（STmin）為0，hex文件為200 KB，分別針對總線非刷寫報文無負載、5%負載、10%負載情況進行驗證，測試數(shù)據(jù)如表4所示。測試結(jié)果表明，隨著總線負載的增加，控制器的刷寫時間也逐步增加。

4.3.3 刷寫成功率測試

刷寫成功率驗證分為單件多次重復刷寫驗證和多件單次刷寫驗證，刷寫成功率測試方法與刷寫速度測試一致。刷寫成功需具備2個充分條件：對Flash擦除指令，車門控制器給出積極響應(yīng)；刷寫完成后，通過版本號讀取服務(wù)和通信報文均能夠收到目標版本號。單件多次重復刷寫驗證對控制器進行百次級的壓力測試，成功率為100%；多件單次刷寫驗證使用10個相同版本的車門控制器進行，成功率為100%。

5 結(jié)束語

本文針對進行了方案設(shè)計，并通過實車臺架驗證了其可行性，得到以下主要結(jié)論：

a. OTA云端采用微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計，可支撐百萬級車輛的業(yè)務(wù)請求，同時便于后續(xù)業(yè)務(wù)升級；

b.整車基線控制在管理層面可以有效保證車輛的初始狀態(tài)，在技術(shù)層面更加便于任務(wù)自動化的實現(xiàn)；

c.獨立下載能夠有效縮減大數(shù)據(jù)量軟件包在車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的傳輸時間，減少ECU安裝過程的等待時間；

d.不同于大數(shù)據(jù)量的軟件更新，遠程配置更適用于獨立實現(xiàn)輕量級的參數(shù)變動。

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（責任編輯 王 一）

修改稿收到日期為2024年5月15日。