汽車遠程診斷技術(shù)研究

洪宇 孫宗姚 金釗 周幸達 張赫 張文杰 郭宗賓

（1.中國第一汽車股份有限公司 智能網(wǎng)聯(lián)開發(fā)院，長春130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室，長春130013）

主題詞：汽車 遠程診斷 ODX OTX

縮略語

5G 5th-Generation

ACP Application Communication Protocol

CAN Controller Area Network

CANFD CAN with Flexible Data rate

ECU Electronic Control Unit

MQTT Message Queuing Telemetry Transport

OBD On Board Diagnostics

ODX Open Diagnostic Exchange Data

OTX Open Test sequence exchange format

SHA Secure Hash Algorithm

TLS Transport Layer Security

USB Universal Serial Bus

WIFI Wireless Fidelity

1 前言

在當前5G 和大數(shù)據(jù)發(fā)展的背景下，世界各國車企都在大力推進網(wǎng)聯(lián)汽車的研發(fā)。作為網(wǎng)聯(lián)汽車的診斷技術(shù)領域，診斷方式也日益多樣化。傳統(tǒng)車輛主要診斷方式還是通過OBD 口外接診斷設備，包括USB連接診斷設備、WIFI 或藍牙連接3 種方式，操作人員在車輛現(xiàn)場對車輛進行診斷。

和傳統(tǒng)方式對比，遠程診斷在降低車輛問題排查成本、實時遠程診斷定位、收集實時數(shù)據(jù)并進行大數(shù)據(jù)分析、為預診斷提供數(shù)據(jù)基礎、遠程排故問題車輛這些方面有很大便利性和優(yōu)勢。

隨著5G 技術(shù)快速應用，讓實現(xiàn)遠程的實時診斷成為現(xiàn)實，目前主要遠程診斷方式包括診斷模塊布置在云端，車端僅作為執(zhí)行端；診斷模塊布置在車端，作為解析和執(zhí)行診斷功能模塊，云端進行任務配置和推送功能2種方式。從目前通訊技術(shù)發(fā)展角度和新型電子電氣架構(gòu)趨勢分析來看，車端布置診斷模塊是具有很大的性能優(yōu)勢，也是目前各主機廠的主要開發(fā)方向。本文以車端布置診斷模塊為例進行方案說明。

2 遠程診斷方案概述

這里先簡要介紹一下ODX文件和OTX文件。

ODX（Open Diagnostic Exchange Data）開放式診斷序列作為ISO 標準的診斷數(shù)據(jù)庫[1]，可以滿足供應商、整車廠、設備供應商對診斷數(shù)據(jù)的使用要求，覆蓋從設計、研發(fā)、生產(chǎn)到售后全階段的數(shù)據(jù)交互。避免了由于各階段不同用戶使用不同的數(shù)據(jù)格式導致的數(shù)據(jù)偏差問題。ODX 文件主要包括ODX 通訊參數(shù)、診斷服務、刷寫、字典4部分。

OTX（Open Test sequence exchange format）作 為ISO 通用化的診斷測試序列標準[2]，可以滿足開發(fā)、生產(chǎn)、售后各階段對診斷序列的使用要求，且格式統(tǒng)一、診斷數(shù)據(jù)通用，在診斷設備方面已經(jīng)廣泛使用。

本項目正是基于ODX、OTX 的上述標準化特性，基于此類數(shù)據(jù)文件進行集成開發(fā)。

遠程診斷系統(tǒng)包括車端、云端、管端3部分主要內(nèi)容。云端主要實現(xiàn)ODX、OTX 的編輯發(fā)布，實現(xiàn)診斷策略配置并推送到車端執(zhí)行；管端使用MQTT[3]或ACP等傳輸協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；車端執(zhí)行診斷代理功能，接收云端ODX、OTX 文件并執(zhí)行策略，對執(zhí)行結(jié)果進行反饋。遠程診斷系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 遠程診斷方案拓撲

同時要考慮云端、數(shù)據(jù)鏈路及車端信息網(wǎng)絡安全機制，通過使用證書簽名、TLS、SHA256 等方式，以滿足遠程診斷系統(tǒng)的安全需求。

3 遠程診斷方案

車端布置診斷模塊方案主要包括車端模塊方案、管端方案、云端方案3 部分內(nèi)容。本文以車端布置診斷模塊為例介紹各部分主要開發(fā)功能。

3.1 車端方案

車端布置診斷模塊方式有2 種方式，即可以布置在TBOX或者車載控制器內(nèi)，如車內(nèi)網(wǎng)關(guān)中。

車端診斷模塊需要根據(jù)云端發(fā)送的ODX、OTX 文件及云端配置診斷策略執(zhí)行，并將結(jié)果反饋給云端處理。同時可實現(xiàn)與車端顯示交互策略，及對大數(shù)據(jù)的預處理策略（圖2）。

圖2 車端方案示意

其中診斷模塊的客戶端主要實現(xiàn)：

（1）ODX、OTX 腳本接收和執(zhí)行診斷策略，實現(xiàn)與其他ECU 的診斷交互功能，將車內(nèi)控制器的反饋數(shù)據(jù)進行上傳。

（2）按照云端的配置策略，包括執(zhí)行條件的判別、任務執(zhí)行、執(zhí)行異常及錯誤處理機制的功能。

OTX 模塊運行云端發(fā)送的OTX 操作序列，執(zhí)行操作流程類指令。

D-Server[3]執(zhí)行ODX 解析功能，將云端發(fā)送的ODX 文件進行解析并下發(fā)給車內(nèi)各控制器，同時接收從控制器的響應報文。

通訊模塊完成與車內(nèi)其他控制器的診斷通訊功能。通訊方式包括CAN、CANFD、以太網(wǎng)等總線方式。

車端方案還包括了對車內(nèi)實時數(shù)據(jù)的預處理等功能，避免大量實時數(shù)據(jù)上傳云端，提高云端處理效率。

3.2 管端方案

車云之間的傳輸協(xié)議，目前主要使用方式包括MQTT、ACP 兩種方式。本文以MQTT 為例進行簡要說明。

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協(xié)議）[4]，是一個基于客戶端-服務器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議。

實現(xiàn)MQTT 協(xié)議需要客戶端和服務器端通訊完成，在通訊過程中，MQTT 協(xié)議中有3 種身份：發(fā)布者（Publish）、代理（Broker）（服務器）和訂閱者（Sub?scribe）。其中，消息的發(fā)布者和訂閱者都是客戶端，消息代理是服務器，消息發(fā)布者可以同時是訂閱者。

MQTT傳輸?shù)南⒎譃椋褐黝}（Topic）和負載（Pay?load）2部分。

（1）Topic，可以理解為消息的類型，訂閱者訂閱（Subscribe）后，就會收到該主題的消息內(nèi)容（Pay?load）；

（2）Payload，可以理解為消息的內(nèi)容，是指訂閱者具體要使用的內(nèi)容。

MQTT 的數(shù)據(jù)包由固定頭（Fixed header）、可變頭（Variable header）和消息體（Payload）3部分構(gòu)成。

車云之間通過使用MQTT 協(xié)議完成診斷數(shù)據(jù)的傳輸。并通過使用證書簽名等方式保證傳輸數(shù)據(jù)的信息安全要求。

3.3 云端方案

云端主要功能包括ODX 模塊、OTX 模塊、車輛管理功能、診斷任務模塊、診斷策略模塊和診斷監(jiān)控等主要功能模塊（圖3）。

圖3 云端主要功能模塊示意

圖3中（1）～（6）的模塊功能如下：

（1）OTX 模塊主要實現(xiàn)對流程序列的編輯，例如標定流程、匹配流程、刷寫流程等過程操作類指令。

（2）車輛管理用于對診斷車輛的管理。

（3）ODX 模塊主要實現(xiàn)對ODX 診斷數(shù)據(jù)庫文件的編輯功能，作為后續(xù)OTX的輸入數(shù)據(jù)。

（4）診斷任務用于實施任務的發(fā)布和管理。

（5）診斷策略包括診斷執(zhí)行條件的判別、診斷優(yōu)先級、診斷任務的發(fā)布等操作。

（6）診斷監(jiān)控實現(xiàn)對整個遠程操作過程中的實時數(shù)據(jù)進行存儲，用于后續(xù)操作記錄追述。

除了以上功能模塊外，還有對數(shù)據(jù)處理等一些功能，這里不再贅述。

3.4 測試驗證方案

對于遠程診斷進行測試驗證，以保證此系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

測試主要分為診斷接口調(diào)試、模擬環(huán)境測試和實車測試3個階段。

接口測試主要是對各診斷模塊的實現(xiàn)接口進行調(diào)試，滿足各模塊之間的調(diào)用和使用。模擬測試是在實車測試前進行的虛擬環(huán)境中對車管云端進行聯(lián)合調(diào)試，實現(xiàn)對各端功能進行模擬驗證，滿足上線前的要求。最后通過在實車上對所有診斷功能進行驗證，最終系統(tǒng)上線。

4 結(jié)論及啟示

（1）隨著5G 技術(shù)的快速推廣及應用，車云結(jié)合的遠程診斷方式將成為后續(xù)遠程診斷發(fā)展的趨勢。

（2）ODX、OTX 通用的標準化模塊也將成為遠程診斷的主要因素。標準化操作可以使整車廠、零件供應商、診斷設備供應商各方面做到最大化資源共享，保持數(shù)據(jù)的一致性和可靠性，極大的提高開發(fā)效率。

（3）目前以奧迪為主的整車廠已經(jīng)在新車型上全面實現(xiàn)了遠程診斷功能，并將陸續(xù)推廣到全系車型。國內(nèi)一些主流車廠也啟動了相關(guān)技術(shù)研究，尤其是部分新勢力企業(yè)也都已經(jīng)進行了遠程診斷相關(guān)技術(shù)的開發(fā)。

（4）隨著網(wǎng)絡技術(shù)的普及和5G 的發(fā)展，如何更好的結(jié)合云端、車端一體化技術(shù)實現(xiàn)遠程診斷的實時性、安全性及可靠性也為整車廠提出更高的要求和挑戰(zhàn)。