基于架構設計的車載網聯系統驗證體系研究與開發測試

姜洪亮 梁丹

摘要：隨著我國汽車產業網聯化的快速發展，車載網聯系統的復雜度不斷提升，新的技術、設計思路和應用服務持續引入。傳統驗證方法大多基于系統集成及研發流程角度進行代碼級測試、子系統級測試、集成及系統級的測試，難以全面覆蓋和適應設計側的不斷發展。為應對以上挑戰，建立以用戶體驗和產品性能為中心的驗證體系，本文提出了一種基于架構特性的驗證方法。該方法通過分解車載網聯系統的技術架構，提取系統特性，針對性地制定了系統設計、產品視角以及主觀體驗三個方面的測試方案，形成了一種體系化的網聯系統驗證框架。

關鍵詞：車載網聯系統；應用場景；架構設計；驗證體系

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A

0 引言

近年來，基于典型的V 字形開發流程[1]，車載網聯系統的設計側在持續發展。

在網聯應用維度，內容和服務的豐富度不斷提升，生活、娛樂和出行等第三方生態持續導入；在人機交互維度，語音、視覺、手勢甚至生理特征等新方式持續加入，逐步邁向多模態的人機交互時代；在零部件技術維度，芯片架構不斷優化，算力不斷增長，虛擬化等技術催生一芯多屏、AR-HUD 等座艙域的發展，多核異構、SOA 等技術持續提升系統功能集成度、軟硬件復雜度以及計算類型的多樣性；在通信技術維度，GPS、蜂窩網絡（4G/5G）、短距通訊（Wi-Fi、藍牙、NFC、UWB 和Zigbee）以及LTE-V 等無線通訊技術持續引入，車內有線通信技術也從原有的LIN、CAN、CAN-FD、FlexRay 和MOST 等向更大帶寬的車載以太網進化；在整車E/E 架構維度，逐步從分布式、域集中向Zone+ 計算平臺的中央集中方向演進；從法律法規維度，國家及行業層面陸續發布了關于設計規范、數據安全、功能安全、網絡安全和OTA 升級要求等相關規定。

但在驗證側，對應的驗證手段存在一定程度的滯后和缺失，并面臨著諸多系統性的挑戰。本文著重從技術架構角度，針對現存問題及挑戰，建立了一套系統性的驗證方法，以應對不斷發展的用戶需求和技術進步。

1 研究目的

1.1 應對場景泛化及交互復雜度提升的挑戰

車載網聯系統的產品競爭力集中體現在網聯服務、應用場景以及交互體驗等方面。為提升用戶體驗，目前系統的功能和服務生態愈加豐富，應用場景逐步由車內向車外拓展，交互體驗也從單模向多模態發展。這些對于系統的驗證方案、方法和評價都提出了更高的要求。尤其是如何從傳統的關注系統性能參數、可靠性、耐候性及電磁兼容性（EMC）等偏客觀測試項，拓展到與用戶使用的實際感受相關的考察項，需要測試團隊結合更多的跨學科技術以及更多的測試技術創新。

1.2 應對技術持續發展的挑戰

車載網聯系統是多技術融合應用的產物，包括高算力芯片、操作系統、人工智能、大數據、云計算、導航定位、音視頻編解碼、計算機視覺以及4G/5G 和車載以太網等通訊技術，涉及到汽車電子、互聯網、ICT、消費電子和芯片等眾多產業領域。除汽車領域本身以外，不同的領域具有不同的設計標準和驗證方法，這對網聯系統驗證體系提出了更多的跨行業要求。尤其是如何既保證符合法律法規及準入要求，又能在成本和質量方面進行控制，需要開發及測試團隊在設計和驗收上制定合理的標準。

1.3 應對設計方法及理念進步的挑戰

近年來，網聯系統的概念和范疇在不斷擴大，軟件上從信息娛樂、遠程控制到互聯網生態再到智慧出行和智能交通；硬件上從分布式的娛樂主機、組合儀表到座艙域控再到艙泊一體甚至艙行泊一體。此外，研發理念從以產品為中心向以用戶為中心過渡，與之對應的軟件定義汽車、用戶共創、SOA（以服務為中心的設計概念）、千人千面和常用常新等設計理念被引入到網聯系統開發體系。這些均倒逼測試理念需要與時俱進，建立與之對應的全面驗證流程和標準體系。

2 研究目標及思路

2.1 目標

架構設計在設計流程上處于前期階段，是系統效用和表現的重要基礎。業內通常從2 個維度進行該系統的設計。

首先，該系統從技術維度可分解為三縱六橫的技術架構[2]?？v向可分為車艙平臺、云平臺和拓展設備，其中車載平臺包括網聯系統主機、屏幕和T-BOX（車載網聯通訊終端）等車端設備；云平臺包括遠程控制平臺、OTA（遠程升級）平臺、內容和服務平臺、數字鑰匙平臺以及遠程診斷平臺等；拓展設備包括即插即用的硬件生態設備，如記錄儀、香氛和K 歌設備等。橫向則可分為人機交互關鍵技術、系統與零部件關鍵技術以及基礎支撐關鍵技術（圖1）。

其次，該系統從系統拓撲維度可分解為“云- 管- 端”框架。其中，云側包括車廠自建云、第三方生態云及云控平臺等；端側包括車內的網聯系統計算平臺以及車載通訊終端等，也包括用戶手持設備（如智能手機、智能手表和NFC 卡等），同時也涵蓋RSU 路側設備以及智能外設等。管側有車外無線管道和車內有線管道，其中車外無線管道包括遠距通信的蜂窩網絡、中距通信（如LTE-V/5G-NR）以及短距通信（Wi-Fi、藍牙、UWB和NFC 等）；車內有線管道包括CAN、USB、LVDS、車載以太網甚至光纖等（圖2）。

綜上所述，網聯系統架構復雜，表現出功能模塊多、通信鏈路長、接口開放度高、技術跨域且難度大等特點。如何構建起對應的驗證測試體系是行業的當務之急。本文研究的目標為化繁為簡地建立起以產品性能和用戶體驗為核心的測試驗證體系，并能夠橫向覆蓋全功能場景，縱向覆蓋各專業領域。該體系表現為：首先，結合用戶需求及研發效率，從系統設計、產品表現及用戶體驗角度對系統架構特性進行抽象（表1）；其次，針對架構特性和技術特點制定對應的測試策略。

2.2 網聯系統的架構抽象

2.2.1 系統設計角度的架構特征抽象

（1）可靠性：可靠性是網聯系統的基礎。系統在功能方面，設計與實現需保持一致性，系統能夠按照用戶需求和既定功能進行正確的操作、響應和處理；在時間方面，任務不出現延遲或超時的情況；在數據方面，能正確存儲、傳輸和處理，保證其準確和完整。

（2）穩定性：整車的電磁環境苛刻，用戶使用場景多樣，且涉及與手機、智能外設及通訊基站等設備的連接，因此要求系統在不同工況下能持續可用，功能上不能出現卡死、黑屏或中斷等嚴重問題；性能上運行保持較好表現，不出現性能下降的情況。

（3）兼容性：網聯系統對內需保證不同硬件平臺、底層軟件、操作系統及第三方軟件有良好的互通性和互操作性；對外需與揚聲器、MIC 和屏幕等車載外設及各品牌型號的手機、智能外設甚至網絡環境等保持良好的交互和通訊。

（4）移植及復用性：為保證系統持續迭代及平臺化的規模應用，跨車型、跨整車配置及跨硬件平臺的移植及復用能力對于網聯系統至關重要，故架構設計上需考慮模塊化的設計、標準化的接口、代碼重用性及技術路線的標準化。

（5）配置靈活性：在軟件定義汽車及SOA 設計理念的指導下，網聯系統應具備一定的靈活性。在研發層面，應能快速兼容不同硬件、配置以及車型差異；在生產階段，應能適應不同產線工具及標定場地的差異；在用戶層面，應能通過軟件的配置和參數標定來滿足用戶個性化需求，同時也能通過開放平臺和用戶共創工具，來支持個性化的場景。

（6）拓展便利性：網聯應用和服務豐富度是網聯系統重要特征[3]。目前業內通常以OTA 升級[4]、應用商店或小程序商店等方式進行功能和服務的更新和拓展。網聯系統應能簡單、快速以及低風險地進行拓展，且過程中應易于集成、部署、升級和監控。

2.2.2 產品視角的架構特征抽象

安全合規性：網聯產品應按產品定義和銷售區域要求，滿足相關的安全標準和法規，包括相關上位法（各國家地區法律）、工業和信息化部、國家市場監督管理總局、全國汽車標準化技術委員會（簡稱汽車標委會，NTCAS）、國際標準化組織（ISO）、美國汽車工程學會（SAE）及聯合國歐洲經濟委員會（UNECE）等關于數據安全、功能安全、信息安全、設計驗證以及OTA 升級的相關要求。

智能性：網聯系統的智能化具體表現在交互的智能化及網聯生態泛化。在交互智能方面，網聯系統應能更好地感知人類的需求和行為，根據用戶的需求和偏好自適應，讓用戶享受到更個性化的服務。網聯生態泛化方面，結合車型定位，系統應具備更多合適的場景化功能，系統可不斷升級和擴展，并能更好地與各類服務及設備進行連接和協同。

2.2.3 用戶體驗角度的架構特征抽象

（1）高效性：網聯系統承擔著人車交互的媒介。人與系統間信息傳遞和反饋的效率至關重要，在操作上應具有足夠高的績效，包括支持交互的程度、操作速度和準確度等。整體設計上應讓用戶更易感知、學習成本足夠低，交互邏輯易于理解。

（2）愉悅性：用戶在使用過程中的情緒感受也非常重要。網聯系統應該能從感官層面和心理層面給用戶提供足夠的舒適性和滿意度。用戶對于系統信任與否、是否具有趣味性和認同感是提升舒適性的重要指標。用戶的滿意度也考驗著系統在功能和操作方面滿足用戶預期的能力。

2.3 基于架構特性的驗證方法

針對以上架構特性，設計對應的測試手段和方法并進行體系化驗證（表2）。

3 基于架構特性的驗證體系詳述

3.1 可靠性驗證

3.1.1 測試方法

（1）單元測試：針對車載網聯系統中的每個模塊進行測試，驗證其功能是否與需求保持一致，能夠正確地進行操作和處理。

（2）系統測試：通過臺架、HIL 及實車動靜態來驗證系統的功能與需求的一致性，且能在規定時間內完成任務，不出現延遲或超時。

（3）整車路試：路試搭載可結合各車廠現有整車及零部件的測試要求，進行包括多種路面、溫度及里程等方面的測試，以綜合考察系統性能表現和耐久表現。

3.1.2 測試指標

（1）功能：反映系統功能完成度、BUG 率以及問題等級等，考察功能的設計符合性。

（2）時效：反映系統冷啟動、休眠喚醒、界面切換、應用加載以及操作控制等方面的響應速度。

（3）數據：反映數據準確性、處理效率及不同網絡環境和工況下的表現等。

3.2 穩定性驗證

3.2.1 測試方法

（1）壓力測試：在高強度、高并發或特定場景下對系統進行測試，可通過自動化設備進行。如利用Monkey 測試等來驗證系統在連續、不同工況下的可用性。

（2）負載測試：對系統進行大負載測試，包括連接手機、外設和應用全開等場景下測試，驗證系統在不同負載下的穩定性。

（3）容錯測試：在系統中模擬用戶誤操作來人為制造故障，包括快速連續操作、非正常應用切換等。同時，也測試系統在各種異常情況下的穩定性，如嚴苛EMC 環境、網絡中斷、蓄電池欠壓或通訊線束故障等。

3.2.2 測試指標

（1）連續性：反映系統在不同工況下的連續工作時間和持續可用能力。

（2）性能：反映系統在不同負載和工況下的性能表現。

（3）容錯：反映系統在出現故障或錯誤的情況下自動恢復能力。

3.3 兼容性驗證

3.3.1 測試方法

（1）單元測試：對系統中的每個模塊進行測試，驗證各模塊的兼容性，包括輸入、輸出和邊界條件等。

（2）集成測試：驗證模塊之間的兼容性，包括數據傳輸和功能調用的正確性。

（3）系統測試：驗證系統的兼容性，覆蓋整個系統的所有功能，并需考慮變量的覆蓋性，如硬件芯片不同的架構和指令集、操作系統不同的版本、手機不同品牌或同品牌不同的型號以及通訊協議的不同版本等。

3.3.2 測試指標

（1）向下兼容性：反映系統是否能與不同硬件平臺、底層軟件及相關的驅動程序進行兼容，包括不同的接口和協議等。

（2）向上兼容性：反映系統與不同的操作系統、應用軟件及服務的兼容性，也包括不同的編程語言、編譯器及開發環境等。

（3）數據和功能互通性：反映系統與外部設備的兼容性，保證數據和功能的互通性和互操作性。

3.4 移植及復用性驗證

3.4.1 測試方法

（1）單元測試：對各模塊進行邊界測試和異常測試，驗證系統的容錯能力和魯棒性。

（2）集成測試：驗證模塊之間的接口是否清晰明確，是否能夠方便地進行組合和拆分。

（3）系統測試：測試系統能夠在不同的車型、整車配置及硬件平臺之間進行移植和復用。

3.4.2 測試指標

（1）模塊化設計：反映系統模塊化設計程度，驗證系統各模塊的可重用性、可移植性、模塊間接口的清晰性以及組合和拆分的便利性。

（2）接口標準化：反映接口和協議的標準化程度，重點關注接口的調用方式、函數命名和參數設計等方面。

（3）代碼重用性：反映代碼在不同產品、環境中移植和復用程度。

（4）技術標準化：反映系統采用技術的通用性，以規避不可控的風險，減少試錯成本。

3.5 配置靈活性驗證

3.5.1 測試方法

（1）可配置性測試：針對操作系統、應用程序、外設及各平臺的可配置范圍和便利性測試。

（2）生產環境適應性測試：測試系統在不同的產線工具和標定場地下的適應性。

（3）開放平臺測試：測試系統在開放平臺和用戶共創工具上的便利性。

3. 5.2 測試指標

（1）可配置性：驗證系統可配置的內容、程度及方法，包括配置的便利性和自適應性等。

（2）生產環境適應性：驗證系統在不同的產線工具和標定場地下的適應性，確保不同生產環境中系統可正常上線及出廠。

（3）開放平臺能力：針對開發者關注開發社區、工具、環境和版本發布等，包括API、SDK 及插件的兼容性和擴展性等指標；針對用戶關注交互接口、界面及響應速度等。

3.6 拓展便利性驗證

3.6.1 測試方法

（1）模塊擴展測試：通過添加新的功能模塊、接口等方式，對系統的拓展能力進行測試。該測試方法可以驗證系統的拓展性和靈活性。

（2）接口擴展測試：通過擴展接口，對系統拓展能力進行測試，包括其兼容性和擴展性。

3. 6.2 測試指標

（1）拓展性：反映系統的拓展能力，包括模塊類型、功能數量和接口類型等。

（2）便利性：反映系統拓展便利性，包括拓展方式、復雜度、工具和環境等。

3.7 安全合規性驗證

網聯系統的安全合規性驗證是為了確保系統符合相關的安全標準和法規，表3 所示標準和規范已針對設計和驗證方法等做了相關規定。各企業可根據自身產品定義，制定對應的合規策略。

3.8 智能性驗證

3.8.1 測試方法

（1）交互智能性測試：測試系統在人機交互上的表現，如語音、手勢和觸控等交互方式，尤其是交互的準確性、個性化、界面的自適應性及多摸態協同等方面。

（2）網聯生態泛化測試：測試系統在功能多樣性、拓展性、開放兼容及連接服務方面的表現。

3.8.2 測試指標

（1）交互準確率：系統在人機交互過程中的準確率，包括語音識別準確率、手勢識別準確率和觸控準確率等。

（2）響應速度：系統在接收到用戶操作后的響應速度，包括界面刷新時間、指令執行時間等。

（3） 交互自然度：系統在人機交互過程中的自然度，包括語音交互自然度、手勢交互自然度和界面布局自然度等。

（4）個性化程度：系統在人機交互過程中的個性化程度，包括用戶偏好、歷史記錄和推薦等。

（5）界面易用性和自適應性：系統界面的易用性和自適應性，包括界面布局、字體大小和顏色搭配等。

（6）可擴展性：系統的可擴展性，包括是否支持應用、服務及硬件擴展等。

3.9 高效性驗證

3.9.1 測試方法

（1）系統評測：采用專家評測與小白用戶體驗結合的方式開展，可采用專業設備記錄用戶的操作過程，包括操作時間、視線停留時間和錯誤率等。

（2）問卷調查：通過問卷調查等方式，了解用戶對系統的使用體驗和學習成本的評價，以評估系統的易用性和易學性。

3.9.2 測試指標

（1）交互效率：測試系統在不同場景下的交互效率，包括信息傳輸和反饋速度、操作準確度、錯誤率、平均響應時間和交互成功率等。

（2）學習成本：測試系統的易用性和易學性，包括用戶對系統操作的理解和學習成本等。指標包括用戶學習時間、學習曲線和用戶滿意度等。

3.10 愉悅性驗證

3.10.1 測試方法

（1）用戶場景測試：通過模擬用戶在不同場景下的使用情況，測試用戶在使用系統過程中的情緒感受和滿意度，包括測量用戶的心率、皮膚電反應和呼吸頻率等生理指標，評估用戶在使用系統過程中的情緒感受。

（2）用戶調查：通過用戶調查、用戶訪談等方式，了解用戶對系統的使用體驗和情感感受，了解用戶的滿意度及對系統的推薦度、使用體驗和改進建議等。

3.10.2 測試指標

（1）用戶情緒感受：測試用戶在使用系統過程中的情緒感受，包括用戶的信任感、趣味性和認同感等。指標包括用戶滿意度、信任度和認同感等。

（2）用戶滿意度：測試用戶對系統的滿意度，包括系統的功能、操作和界面設計等方面。指標包括用戶滿意度、用戶體驗度和用戶推薦度等。

4 結束語

目前，汽車的網聯化和智能化已進入快速發展和產品競爭深水區[5]，優秀的架構設計及其高效的驗證體系已成為各主機廠的基礎能力。本文通過建立網聯系統的架構設計原則，提練關鍵特性，建立了覆蓋系統設計、產品視角和用戶體驗的全面驗證體系，期望能給相關機構或單位提供參考。

【參考文獻】

[1] 周曉翠， 崔長軍， 鐘濤等. 基于Aspice 的汽車軟件開發流程實踐[J]. 汽車實用技術，2020（01）：109-110+125.

[2] 中國汽車工程學會. 汽車智能座艙分級與綜合評價白皮書[EB/OL].（2023-04-20）[2023-06-06]. https：//www.xdyanbao.com/doc/p0xyjhgghk？bd_vid=11535586730414578067.

[3] 鄭茂寬. 智能產品服務生態系統理論與方法研究[D]. 上海： 上海交通大學，2018.

[4] 武翔宇， 趙德華， 郝鐵亮. 淺談汽車OTA 的現狀與未來發展趨勢[J]. 汽車實用技術，2019（03）：214-216.

[5] 呂釗鳳. 李克強教授：中國智能網聯汽車產業化的五大挑戰及八條建議[J]. 智能網聯汽車，2019（04）：16-20.

作者簡介：

姜洪亮，碩士，高級工程師，研究方向為智能網聯汽車架構、智能座艙技術、車載通信技術、車載計算平臺技術及云控基礎平臺等。