智能网联车辆电子电气架构与OTA功能设计研究

智能网联车辆电子电气架构与OTA功能设计研究

赵继杨

安徽江淮汽车集团股份有限公司     安徽省合肥市     230601

摘 要：智能网联车辆是车联网和智能车辆的结合体，是未来车辆发展的一个重要方向，其新的电子体系结构与空中下载能力是其核心技术。本文将围绕整车电子体系结构优化中的软/硬件映射方案设计、整车电子电气体系结构的建模与优化、基于模型的汽车电子体系结构设计与设计方法、 OTA体系设计中的框架设计、安全设计等方面的研究工作，并对存在的问题进行了分析和归纳。

关键词：智能网联汽车；电子电气架构；OTA

车辆电子电气架构（EEA）是汽车制造商自定义的一种将车辆电子和电气单元集成在一起的一种方法。该框架能够将车载的各种电控单元、传感器、线束拓扑以及整车的电子电路等有机地集成起来，完成计算、能量、信息流的分配，完成车载的各项功能。OTA是一种利用手机网络，在远程服务器上通过无线方式将软件升级包下载到自己的系统中来实现自身的系统更新。

1.车辆电子电气架构设计优化

1.1软硬件映射方案

（1）特征法

特征的“域”是一个相似的概念，这种方式是把一系列的部件、传感器和执行器组成一个特征，其中每一个特征包含了一个 ECU。通过对特征中的传感器和执行器的随机优化，构造出基于特征的网络信号路径。通过对总线的随机接入，构成了系统的硬件拓扑。该方法以总线负荷、存储器占用量为目标，以信号传输时间、硬件需求和共享定位需求分别为限制，采用 BFS方法进行参数自适应调整，从而构建基于全局最优特性的特征提取方法。

（2）评价指标

在进行平衡配置时，应针对不同的需求，采用相应的配置标准对其进行评估。在确保网络信息的实时、可靠的前提下，采用了两项评估标准：数据传输可靠度（DTR）和“调度”（ST）。即 DTR、通信开销和调度长度。Dohr等提出了函数距离（FD）和网络节点使用率这两个衡量标准，以保证映射关系的质量。这里， FD是指一个信号的权重范围和一个信道的权重的比值，它是一个网络的一个重要组成部分。

1.2整车电子电气架构建模

（1）图形法

整车电子电气架构模型的建立可以转换成一个求解“顶点”和“边”的图形最优求解问题。通常情况下，一个图形上的结点代表一个硬件或通信节点，而两个结点之间的连接则代表总线的种类或者传输的资讯。在运用图论方法进行 EEA的过程中，针对系统的硬件进行了合理的布局，而在软件系统中，针对网络中的数据传输方法进行了优化。将 SWC按顺序随机指派到各 ECU，并用相邻矩阵确定各 SWC间的联系。将传感器与其所在的 ECU之间通过一条模拟线路与 SWC相连，但该线路仅能沿着线路的边界进行工作。

（2）评价指标

整车电子电气架构模型的建立要求对设计成果进行定量评估，针对不同的目标，分别采用成本、重量、负载比、传输时延等多个优化目标，给出了各种优化指标的求解方法。拟建立包含运行开始概率（部件或子系统开始运行的概率）、转移概率（运行部件后继续运行的概率）的离散时间马尔可夫链（DTMC），提出基于部件失效概率、通信失败概率、传输时间、能耗等因素的马尔可夫收益模型，提出基于部件失效概率、通信失败概率、处理时间、传输时间、能耗等指标的分布式时间动态优化方法。

2.整车OTA升级功能

2.1整车OTA升级系统及框架设计

（1）OTA更新系统设计

OTA平台的设计主要是对 OTA平台的硬件进行优化。该 OTA系统通常包含一个内核板，一个寄存器，一个信号收发机和一个通信总线，用以对一个数据档案进行操作。OTA升级数据通常是通过收发机将数据写到存储器中，然后通过内核板对数据进行解压和编译，然后通过通讯总线将其写到 ECU中。OTA升级体系由多个具有802.15.4接口的SAM-R21 Atmel主板构成，支持 LWMesh协议，支持低能耗网格协议、路由发现及路由。通过额外的枢纽节点将这些装置配置为P2P/Mesh。该方法实现了对企业内网和企业网间的抽象相分离，从而增强了系统的可移植性和网关节点复杂性。

（2）OTA更新框架设计

OTA升级架构通常是整个 OTA升级过程中的一个重要环节，主要包括终端设备、服务设备和云平台。首先，厂商研发升级软件包，以服务方的身份将升级软件包发送到云计算平台，并将升级消息推送给车载终端；当车载终端接受了更新请求后，云计算向车载终端传送一个更新数据包，然后车载终端对其进行编辑和写入，从而实现对各个硬件部件的升级。近年来，国内外学者相继推出多种解决方法，提出了一种以区块链为核心的 OTA升级安全机制。这个体系结构由车载终端、云计算服务器、 OEM厂商、维修中心和主机等部分构成，通过 Internet的方式实现 OTA升级。

2.2OTA升级安全性设计

（1）数据传输的安全性

由于 OTA的更新是通过无线网络来实现的，所以在此期间有很大的概率被入侵，所以有必要对其进行加密。目前已有的加密技术多采用加密技术来对被传送的信息进行加密，并采用

认证的手段来确认信息的更新提供者与接收者的身份。维修工程师在完成车载设备的无线故障诊断和加装新型 ECU的过程中，使用基于私人私有密钥的 PIN代码和基于 PKI的网络验证公共密钥（PKI）构成的不对称密钥，将车载终端和故障检测设备（DT）相结合，然后下载升级的装置。在将装置封装发送到车载终端之后，使用 ECU和 DT之间的对称密钥对装置进行校验和解密。

（2）数据传输的稳定性

确保信息在传输中的稳定和可靠也是一个值得研究的问题。在 OTA升级的时候，如果遭遇停电、网络中断等突发事件，有可能造成 OTA升级失效，造成车载电子元器件的瘫痪。此外，在数据量较少的条件下，还存在数据传输错误和数据丢失等问题，从而降低了 OTA更新的稳定性。为了解决这一问题，采用微分法实现了汽车 ECU的遥控数据写入。通过差异化的方式来实现对升级后的数据包数量的减少，并能解决小容量情况下的通信可靠性问题。

结束语：

综上所述，目前整车电子电气架构建模设计中存在的实用性差、目标局限、可接受度低等三大难点问题，从整车 OTA的体系结构与框架设计、安全性设计两个角度，提炼出目前整车 OTA优化设计中存在的主要问题：传输效率低、安全性差等问题，提出下一步的工作方向，为我国无人驾驶汽车，特别是无人车辆等的 EEA优化与 OTA功能开发提供参考。

参考文献

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[2]武智,刘天宇,贾先锋.智能网联汽车OTA升级安全设计[J].汽车实用技术,2022(03):239-242.

[3]陈国庆.智能网联汽车的技术架构与测试方法研究[J].建筑工程技术与设计,2020(05)241-243.