整車遠程標定技術的應用研究

許健男 陳國棟 張廣軍 趙弘志 王桂洋

（1.中國第一汽車股份有限公司 研發總院，長春130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春130013）

主題詞：整車標定 遠程標定 控制器 油耗 排放

縮略語

ECU Engine Control Unit

CCP CAN Calibration Protocol

CAN Controller Area Network

CRO Command Reception Object

DTO Data Transfer Object

GPRS General Packet Radio Service

OTA Over-The-Air technology

TCU Transmission Control Unit

HCU Hybrid Control Unit

OBD On Board Diagnostics

IUPR In-Use Performance Ratio

RDE Real Drive Emission

GPF Gasoline Particulate Filter

0 背景

整車標定是車輛性能達成的關鍵途徑，也在整車開發過程中占據著非常核心的位置。隨著汽車產品迭代速度越來越快，整車標定一方面面臨著壓縮開發周期、縮減開發成本的企業要求，另一方面面臨著不斷嚴苛的油耗和排放法規，以及不斷復雜化的控制策略。以某全球大型汽車電控系統開發公司為例，從2011 年～2018 年，ECU 控制器的標定變量成指數增加趨勢。

圖1 ECU控制器標定變量增加趨勢

在標定工作量如此龐大的背景下，整車標定周期已經成為整車開發的瓶頸，需要通過一些手段優化標定方法、提升標定效率，遠程標定正是解決上述矛盾的關鍵技術。

1 遠程標定實現技術基礎

現有傳統標定技術大部分是基于CCP 網絡協議實現的[1]，CCP 協議是基于CAN 通信網絡的應用層協議，完整的CCP 通信系統協議棧由ISO 國際標準化組織所定義的開放式系統互聯的7 層模型中的3 種，即應用層、數據鏈路層和物理層構成[2]，結構如圖2所示。

圖2 CCP協議棧[2]

CCP 采用主從通道模式[3]，一個主機可以與多個子機相連，收發各使用一個ID，分別為CRO（命令接收消息），DTO（數據發送消息）。標定工程師將標定工具連入汽車CAN 網絡中，標定工具和ECU 之間的CRO接收指令和DTO發送指令通過彼此底層CAN通信驅動軟硬件直接進行信息交換，完成上位機對ECU內部數據的監控和標定[4]。基于CCP協議的ECU標定通信過程如圖3所示。

現在，想實現遠程標定功能，則需要在原有CCP協議棧的傳輸層、網絡層增加用于無線網絡路由的TCP/IP協議。朱仲文博士[4]早在2009年已經提出了無線遠程協議棧的概念，并以此為基礎實現了無線遠程CCP系統在整車ECU標定層面上的應用；適用于遠程標定的CCP 協議棧框架如圖4所示，系統硬件構成如圖5所示。

圖3 CCP協議的ECU標定通信過程[4]

圖4 具備遠程功能的CCP協議棧框架[4]

圖5 遠程標定系統硬件構成[4]

如圖5所示，車載信息終端與整車ECU在同一車內并通過實體連接線連接CAN 網絡，負責將ECU 發送的DTO 數據進行打包、加密，交由其內部的無線通信模塊。無線通信模塊獲取到應用層消息后，將其封裝成TCP/IP 協議的數據包后發送到GPRS 網絡，再通過相應網關進入因特網，最終發送至標定平臺[5]。標定平臺運行的標定工具軟件同樣根據TCP/IP 協議提取應用層數據包，在通過校驗、解密后，獲取ECU發送的DTO 數據。同樣原理可以實現標定平臺至車載ECU 的反向操作，完成遠程標定工作[6]。基于CCP 協議的遠程標定通信過程如圖6所示。

圖6 基于CCP協議的遠程標定通信過程[4]

2 遠程標定的技術優勢

汽車控制器遠程標定是傳統標定向數字化、智能化轉型的有效方法，就目前整車標定復雜度、工作量和標定周期急劇增加的狀況，遠程標定能夠明顯提升標定效率，保證標定質量，配合企業快速打造成功產品。

2.1 提升標定效率

遠程標定支持工程師在辦公室內對不同位置試驗車輛進行同步標定、測試，解放了工程師的生產力，將工程師的單一串行工作模式擴展為多線程并行工作模式，增加了標定的靈活性。該技術也為主機廠與供應商之間、標定專業與道路試驗專業之間提供了更靈活的合作模式：遠程技術支持，能夠在開發的任一階段及時介入處理車輛發現的問題。

2.2 提升開發過程問題解決效率

由于市場競爭的壓力，企業在整車開發階段普遍壓縮開發周期，減少試驗樣車數量，以降低成本，因此每一個故障的發現、分析和解決都至關重要。相對于傳統的CAN總線數據記錄工具，遠程標定工具能夠記錄更多ECU內部控制參數及診斷參數，車輛狀態得到更為全面的監控，有效抓取車輛的偶發故障，追蹤車輛的歷史故障，同時能遠程實現數據修正、測試。遠程功能可以大規模節省處理問題所花費的時間成本、人力成本，進而保障各方試驗的順利開展，節約開發周期。并且，遠程標定功能不僅限于整車開發過程中的應用，在售后市場上的問題解決上仍然能夠繼續發光發熱，而目前市場上新興的OTA（Over-The-Air technology）技術就是實現了遠程標定的部分模塊功能，即通過遠程技術對車輛控制器進行數據刷寫，目前OTA 已經是一種較為成熟的技術了。OTA 最早出現在特斯拉2012年推出的Modes S車型上，2016年豐田公司宣布采用OTA 技術更新ECU 數據，2017 年福特首次通過OTA 技術為搭載Sync 3 車載系統的車型新增功能。OTA 為整車廠（OEM）提供新的問題解決方案，也為OEM 節省了大量的時間、財務成本，HIS Markit 2020 年度報告中提供的數據，2014～2019 年全球召回案例當中，與軟件相關的召回次數顯著增加，每年占比均高于40%。截止2019年，中國涉及程序或軟件問題的召回213次，涉及車輛683.02萬輛，占比總體召回數量的9.0%，增加趨勢明顯。美國Warranty Week統計了過去一些年全球知名汽車OEM產品召回的成本（圖7）[5]。

由此可見，OTA 功能在軟件問題修復、升級層面具備明顯的效率優勢和成本優勢，而它僅僅是遠程標定功能要實現的模塊功能之一。在未來，遠程標定功能將提供OEM 廠家更為全面、便捷的軟件問題解決方案，范圍也將從售后層面延伸到產品開發層面，做到全局覆蓋。

圖7 全球主要OEM產品召回費用占總收入比例[5]

2.3 推動標定數字化、標準化發展

遠程標定功能字面上只是打破了傳統標定的物理間隔，實際上搭建遠程標定平臺所帶來的邊際效應對標定行業的影響是更為深遠和廣泛的。

2.3.1 車輛大數據整合、分析

首先，遠程標定平臺必然能夠實現對多樣本試驗車輛的數據監控、數據存儲。這在一定程度上增大了標定車輛數，為標定工程師提供了更多的測試樣本。其次，更多車輛樣本意味著能夠覆蓋更多、更加全面的駕駛工況、環境工況以及不同程度的耐久工況，這些邊界條件都是標定工程師在有限的開發周期內無法全面覆蓋到的，而多樣本的車輛大數據能夠協助標定工程師提前暴露問題。對上述車輛數據的檢查、統計、分析結果是標定數據匹配程度的最有利佐證，也是評價標定數據適用性、魯棒性的核心手段。而平臺的應用能夠將上述工作實時開展、實時反饋，協助工程師做出擇優判斷，助力標定結果逐步成熟化。車輛大數據整合、分析理念如圖8所示。

圖8 車輛大數據分析的應用理念

因此，開發階段試驗車輛大數據的充分應用，會保障后續批量產品具有良好的性能一致性，降低售后用戶抱怨風險。

2.3.2 標定過程可追溯

標定過程可追溯就是在強調標定數據的過程管理。當前ECU控制器包含20 000個以上的Map/Curve標定變量，區分為基礎標定、臺架標定、混合氣標定、起動怠速標定等十余項模塊，而且隨著技術的發展，還在不斷新增功能，例如48V、GPF等。這些模塊不僅是數量繁多，而且還相互關聯、相互影響，但是最終要整合在一起，做到相互匹配、相互支撐，協同工作。遠程標定的云平臺可以方便的實現標定數據的在線管理，實時記錄數據的變更過程，集成不同模塊的標定結果，助力團隊協同工作，避免團隊重復工作。同時，可以根據團隊需求設定標定數據審批流程、設定團隊成員權限等等細節控制辦法，能夠實現整個開發過程中標定數據的實時檢查、人人檢查，降低最終標定數據集成時數據沖突、缺項、漏項等風險。基于遠程標定平臺的標定數據管理模塊，能夠貫穿性管理標定數據的整個生命周期，在不同的標定數據成熟度時期發揮不同的作用：標定預設、標定檢查、標定集成等等。標定過程管理的應用理念如圖9所示。

圖9 標定數據過程管理應用理念

2.3.3 標定結果可視化

以目前車輛應用的ECU、TCU、HCU 等控制器來講，國家法規只針對排放、OBD 等少數模塊進行了強制性規定[7]，絕大多數的標定工作沒有明確的量化指標。這種不確定性會導致標定質量因人而異、因不同車型而異，也不利于標定開發經驗的積累，給企業的產品帶來質量風險。標定結果可視化就是要依托于遠程標定獲取的大數據平臺，首先以結果為導向設定合理的邊界條件，再批量處理多樣本的測試數據，采用其與邊界條件的對比結果作為評估標定結果的方式，逐漸脫離單車、單人、單次的主客觀驗收模式。標定結果驗收一定是嚴謹、充分的，量化的結果便于制定明確的標定驗收流程、驗收標準，形成固定報告輸出模板，有效避免人員、環境因素變動引發的偶發性和不確定性。以結果為導向的標定數據、驗收理念如圖10所示。

3 遠程標定的技術難點及解決方案

遠程標定技術依托于4G/5G 網絡搭建和普及，基于無線網絡打破了傳統標定工程、測試車輛之間的物理間隔，屬于新興的技術手段，仍需要不斷的優化和完善。

圖10 結果導向的標定檢查、驗收應用理念

3.1 信息無線傳輸穩定性維護

無線網絡具有一定的不可靠性，在通訊過程中容易出現斷開情況，也容易出現網絡擁堵，這種擁堵具有突發性，而且其原因也比較復雜。這兩種情況都會導致數據包丟失，尤其是遠程標定涉及的CRO 數據，車載信息終端要對數據包的讀寫超時情況進行準確的判定，必要時要采用安全合理的回滾策略[5]，保證車輛控制器數據的穩定性，同時向標定平臺實時反饋超時結果。

3.2 信息傳輸的安全性保障

遠程標定對數據的準確性、安全性提出了更高的要求，CCP 的協議棧內要增加多層的加密和校驗機制，采用標定平臺與車載信息終端共享相同保密Key的方式，相互校驗成功后才能繼續下一步的信息傳輸，防止非授權的信息篡改。除此之外，標定數據知識產權的保護對標定開發團隊也非常重要，標定平臺要設定安全的訪問機制，防止非法登錄（包括平臺提供者本身），防止數據信息泄露到他人手中。

3.3 遠程標定平臺搭建

遠程標定平臺包括遠程采集、遠程刷寫、遠程標定、4G/5G通訊、云端數據的上傳及下載、云計算、大數據、智能算法多專業和多學科融合，技術復雜度極高，遠程標定平臺可以帶來很多的邊界效應，很多其他的標定數據過程管理、數據處理分析、報告生成等相關輔助功能都可以基于上述平臺進行搭建，基于云端的遠程標定平臺管理，包括以下3項內容。

（1）標定數據過程管理，包括項目的變型、工作包的定義、使用標定工具（如INCA）進行標定、上傳/修改數據、審核/合并標定參數等。在此過程中，用戶可以在系統中進行靈活配置，將用戶的使用習慣融合到該流程中。另外一部分是支持流程，系統管理員可以指定項目經理，由項目經理去創建項目，定義項目的干系人，每個人員的權限、角色、工作內容等。可以實現數據管理、檢索、對比、報告功能，軟件成熟度檢查與匹配數據智能預設，實現標定數據的分類、價值挖掘、質量管控等。

（2）遠程技術，實現遠程數據采集、云存儲、遠程刷新，試驗智能輔助和進程監控。遠程技術可用于標定、耐久、售后的數據采集，用于支持IUPR、RDE、GPF、環境適應性、駕駛性、排溫模型、爆震、早燃、增壓、OBD等各個模塊標定驗證及問題排查工作。同時可以基于云端的遠程修改ECU中的參數，結合遠程采集中的參數，可以重復標定，獲取最佳值，降低基礎測量門檻和地域限制，提升測量效率，提升試驗質量和可追溯性。

（3）大數據處理及報告生成，實現云端海量數據特征參數分析。數據解析、清洗、計算；整車關鍵控制參數劣化預判、監控EMS功能特征，對匹配問題、故障生成追溯列表；針對具體的匹配問題，智能調用需求變量、試驗過程指導、測試分析方案，形成測試排查建議和推薦結論、線上迭代排查試驗，結果可視化等，這些都可以大大提高數據魯棒性。

但由于技術產生時間較短，目前在標定開發中的應用還十分有限，還需要更多時間用于基于用戶需求的功能開發，基于遠程標定平臺的標定理念如圖11所示。

圖11 基于遠程標定平臺的標定理念

4 結束語

本文從遠程標定的技術實現角度出發，分析了遠程標定的優勢、難點，并提出了遠程標定平臺功能建設的打造方向。數字化、智能化的標定手段一定是未來整車標定的發展方向，打造集成了遠程采集、標定、處理分析、標定數據過程管理與一體的智能標定系統對于整車標定開發團隊是一項立足未來的長遠技術戰略。目前已經有ETAS、聯合汽車電子具備上述功能的軟硬件開發能力，并且在國內外的整車OEM 上進行了一定程度的應用，但是這是一條長遠的技術發展過程，也面臨著很多實際問題。

（1）開發技術難度高

遠程標定技術涉及硬件開發、云平臺搭建、平臺功能開發、基于ECU軟件邏輯的數據處理模型開發等眾多領域，涉及專業范圍廣、開發周期長、任務量大。

（2）實現收益周期長

縮短整車標定周期、提升整車標定質量是整車OEM最為關鍵的收益途徑，尤其是前者。標定周期的縮短需要建立在成熟的軟件平臺及高質量的數據處理模型上，而ECU 的控制策略、技術的更新迭代都會導致模型需要實時修正、維護，因此，保證模型的計算精準度定會消耗較大的人力、物力。同樣，模型的成熟也必將經歷緩慢的進化過程，這將對整車OEM 的收益帶來不小的挑戰。