Our journals
Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

TECHNICAL AND LEGISLATIVE ASPECTS OF AUTOMOTIVE ON- BOARD DIAGNOSTIC SYSTEMS

Research article
Zavoykin V.A.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.118.4.010
Issue: № 4 (118), 2022
Published:
2022/04/18
PDF

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.118.4.010

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ЗАКОНОДАТЕЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ АВТОМОБИЛЬНЫХ СИСТЕМ БОРТОВОЙ ДИАГНОСТИКИ

Обзорная статья

Завойкин В.А.*

ORCID: 0000-0002-2624-9280,

Центральный научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт «НАМИ», Москва, Россия

*Корреспондирующий автор (vlad.zavoykin[at]nami.ru)

Аннотация

В работе систематизированы и обобщены сведения по имеющимся международным стандартам с целью реализация глобальной задачи по унификации диагностических процедур для широкой номенклатуры автомобильной техники. Рассмотрены принципы построения бортовой диагностики, отвечающей всемирным (глобальным) техническим Правилам (GTR №5) по бортовой диагностике колесных транспортных средств. Описаны требования, предъявляемые к линии связи, диагностическому разъему, формату кода неисправностей, функции протокола унифицированных диагностических сервисов UDS (ISO 14229) и их служб прикладного уровня. Определены основные функции и требования, предъявляемые разработчикам со стороны группы стандартов расширенных диагностических сервисов в рамках реализации современного диагностического протокола UDS при построении диагностической системы для отечественных автотранспортных средств различного назначения. Даны рекомендации по совершенствованию и расширению диагностических функций для перспективных отечественных разработок. Выполненный анализ позволяет наметить актуальные направления при реализации принципиально нового направления в бортовой диагностике в РФ, способствуя повышению конкурентоспособности отечественных разработок в данной области.

Ключевые слова: бортовая диагностика, автомобильная диагностика, унифицированные диагностические сервисы.

TECHNICAL AND LEGISLATIVE ASPECTS OF AUTOMOTIVE ON- BOARD DIAGNOSTIC SYSTEMS

Review article

Zavoykin V.A.*

ORCID: 0000-0002-2624-9280,

Central Scientific Research Automobile and Automotive Engines Institute (FSUE “NAMI”), Moscow, Russia

* Corresponding author (vlad.zavoykin[at]nami.ru)

Abstract

Information about available international standards has been structured and summarized in the present work in order to implement a global task of unifying diagnostic procedures for a wide range of automotive vehicles. We have considered working principles of on-board diagnostics and its compliance with world (global) technical Regulations (GTR No. 5) applied for on-board diagnostics of wheeled vehicles. Requirements concerning the communication line, diagnostic connector, the format of diagnostic trouble code, functions of UDS (unified diagnostic services) protocol and their application-level services have been described in the work. We have defined the main functions and requirements demanded to be fulfilled by the developers to comply with a number of standards for extended diagnostic services within the framework of implementation of modern UDS diagnostic protocol when designing a diagnostic system for domestic automotive vehicles of multi-purpose use. Recommendations for improving and expanding diagnostic functions for promising domestic developments have been given in the present work. The conducted research and analysis allows us to outline up-to-date approaches for implementation of a fundamentally new direction in on-board diagnostics systems in the RF with the aim to increase market competitiveness of domestic developments in this area.

Key words: OBD, On Board Diagnostics, automotive diagnostics, UDS, Unified Diagnostic Services.

Введение

Важной задачей при создании систем диагностики для отечественных автомобилей является анализ и обобщение имеющегося мирового опыта по построению и реализации таких систем. Проведя анализ обзоров отечественной литературы в сфере автомобильных систем бортовой диагностики, замечено, что авторы [1] описывают систему диагностики в целом, с подробным описанием её структуры. И рассматривают протокол гармонизированных систем бортовой диагностики. А автор [2] описывает бортовую информационно-управляемую систему, знакомя с преимуществами CAN-шины, как физической среды, но не определённых стандартов. Авторы [3] делают упор на систему диагностики грузовых автомобилей, объясняя общие понятия о бортовой диагностике транспортных средств (ТС), затрагивая основные направления стандартизации в области диагностики, широко освещая модель данных ODX. Анализируя зарубежную литературу можно выделить авторов [4], которые проводят глобальный обзор ключевых понятий диагностической системы, работающей по OBD протоколу. Исходя из проведённого анализа был сделан вывод о необходимости написания данного обзора в связи с актуальностью темы и отсутствия в мировой практике подобных обзоров. А существующие источники информации требуют дополнений и уточнений. Цель данной работы состоит в выполнении аналитического обзора основных этапов развития систем бортовой диагностики, определяющих их особенности нормативных документов, рассмотрении содержания современного диагностического протокола UDS в рамках его реализации при построении диагностической системы отечественных ТС с целью её унификации для широкой номенклатуры транспортных средств, выработка рекомендаций по расширению диагностических функций для отечественных перспективных разработок.

Развитие бортовых диагностических систем “OBD” на автомобильной технике началось в 80-х годах прошлого века. В результате у автопроизводителей появились оригинальные и несочетаемые средства диагностики. Революция в данной области произошла в 1994 году, когда в США были сформулированы требования OBD II. Основная задача требований OBD II - недопущение бесконтрольной эксплуатации автомобиля с превышением норм на выброс вредных веществ, позволившие унифицировать диагностические процедуры для широкой номенклатуры автомобильной техники. Реализации данной задачи привели к созданию всемирно-гармонизированной системы бортовой диагностики (WWH-OBD), отвечающей сформулированным в 2006 году в рамках ООН глобальными техническими Правилами (GTR №5) по бортовой диагностике колесных ТС[1], [3], [4].

Первым стандартом на линию связи между электронным блоком управления (ЭБУ) и внешним диагностическим оборудованием стал SAE J1850, принятый 01.11.1988г., предусматривал два варианта линии связи: однопроводную при скорости обмена информацией 10,4 кб/с и уровне сигнала 5-20В, а также двухпроводную при скорости 41,4 кб/с и уровне сигнала 5В[5]. Содержание передаваемой диагностической информации данным стандартом не регламентировалось. А в 1989 году, принят международный стандарт ISO 9141, предусматривающий однопроводную линию передачи информации («К» -линия) при скорости 10,4 кб/с и уровне сигнала 12В и вторую линию («L»-линия) для передачи дискретных команд, используемая для «запроса» диагностики со стороны внешнего оборудования [6]. В 1988 году был принят стандарт SAE J1930 (аналог ISO 15031-2 от20.08.2010г), регламентирующий использование технической терминологии в области бортовой диагностики [7].

В 1991-1992гг. впервые были описаны требования к:

  • формату и наименованию диагностических кодов, стандарт SAE J2012 в последняя редакция 01.02.2016г[1];
  • универсальному диагностическому разъему, стандарт SAE J1962 (международный аналог ISO 15031-3от 15.04.2016г)[1], [8].
  • универсальному диагностическому оборудованию, стандарт SAE J1978 (аналог ISO 15031-4в последней редакции от 05.02.2014г)[1], [9].
  • содержанию диагностических процедур (сервисов), стандарт SAE J1979(международный аналог ISО15031-5 в последней редакции от 28.07.2015г)[1], [10].

В 1993г. стандартом SAE J2190 введены требования к дополнительным диагностическим процедурам, не связанным с выбросами токсичных веществ, однако позволяющим расширить функциональные возможности универсального диагностического оборудования путем взаимодействия с имеющимися на автомобиле ЭБУ при помощи линий связи по SAE J1850 и ISO 9141-2 [11].

Группа международных стандартов ISO 15765 (части 1-7), начиная с 1998 года, регламентируют основные требования к двухпроводной линии CAN(ControllerAreaNetwork) обмена информацией с внешним диагностическим оборудованием, а также внешним оборудованием для загрузки программного обеспечения (ПО) [2], [3], [4], [12].

Стандарты на передачу информации по диагностической линии между ЭБУ и внешним диагностическим устройством подразделяются на семь уровней в соответствии с так называемой моделью взаимодействия открытых систем (OSI), описываемой группой стандартов ISO 7498 (части 1- 4), а также группой стандартов ISO 10731 [13], [14].

С 2006 годаначалось принятие группы международных стандартов ISО 14229 (части 1-7) описывающие унифицированные диагностические сервисы (UDS), позволяющие производить не только чтение диагностической информации из всех имеющихся на автомобиле ЭБУ, но также выполнять процедуры их программирования[15]. В качестве физических линий связи используются: CAN по ISO 11898, TCP/IP по ISO 13400, FlexRay по ISO 17458[1], [2], [3].

Принятыми в 2006 году в рамках ООН глобальными техническими Правилами (GTR) №5 были регламентированы гармонизированные глобальные требования к системам бортовой диагностики ТС (WWH-OBD). Требования GTR №5 были учтены в группах стандартов ISO 14229 (унифицированные диагностические сервисы UDS) и ISO 27145 (реализация требований WWH-OBD)[1].

В данных стандартах каждому диагностическому коду, обнаруженному системой диагностики, предусматривается присвоение специфических признаков (атрибутов), характеризующих их следующие особенности [15], [16], [17], [18]:

  • принадлежность нарушения к описанной стандартами группе систем автомобиля;
  • значимость диагностического кода с точки зрения необходимого характера реагирования системы диагностики и действий водителя на факт появления неисправности;
  • класс диагностического кода с точки зрения степени его влияния на выброс вредных веществ;
  • статус диагностического кода в отношении характера проявления характеризуемой им неисправности, результатов контрольных тестов, выполняемых системой диагностики с целью обнаружения неисправности, а также состояния индикатора неисправностей;
  • используемый формат отображения диагностических кодов.

Протокол UDS использует прикладной и сеансовый уровень в модели OSI, а UDS сервисы определены в спецификации ISO 14229-1. Службы диагностики прикладного уровня подразделяются на шесть групп, в соответствии с их функциями [18]:

1) Диагностика и управление связью: основная функция протокола UDS. Определяет функционал ЭБУ, управляет системой диагностики, определяет доступ пользователя и контролирует передачу данных.

2) Передача данных: это функциональный блок, который имеет возможность доступа к текущим параметрам и данным. Данные должны быть прочитаны или записаны сразу после каждого запроса.

3) Запрос сохраненных данных: эта группа функциональных блоков позволяет диагностическим инструментам получать доступ к данным записанным в памяти ЭБУ. Инструменты диагностики могут читать и очищать диагностическую информацию, записанную в “базе данных” памяти ЭБУ.

4) Управление входными и выходными параметрами: эта функциональная группа используется для управления исполнительными механизмами, датчиками, устройствами и оборудованием, подключенным к ЭБУ. Все эти входы и выходы должны быть определены производителем ТС и иметь свой идентификатор данных, в соответствии со стандартом ISO 14229.

5) Удаленная активация подпрограмм и управление адаптацией: этот функциональный блок конфигурирует поведение ЭБУ. Для использования данного сервиса, стандартный идентификатор определяется индивидуально производителем ТС или поставщиком системы.

6) Выгрузка-загрузка: данная группа используется для запроса и согласования передачи данных между диагностическим устройством и ЭБУ. Функциональная группа содержит службы для запроса начала передачи, подготовки данных в памяти ЭБУ, для дальнейшей передачи данных, а также запроса на прекращение передачи данных.

Группа стандартов ISO 14229 получает все большее распространение в системах диагностики современных легковых автомобилей, сертифицируемых по Правилам ЕЭК ООН №83. Данный диагностический протокол представляет наибольший интерес и значение в связи с его универсальностью для производителей современных автомобилей. В отечественном промышленном комплексе история становления и использования диагностического протокола UDS началась с появлением в НАМИ производства автомобилей представительского класса.

Проанализировав стандарты, в рамках данной работы, унифицированная система диагностики должно соответствовать требованиям и обеспечивать:

  • связь со всеми входящими в состав ТС ЭБУ, непосредственно подключенными к диагностической шине CAN, или подключенными к ней через межсетевые интерфейсы (по ISO14299-3);
  • оценку работоспособности линии связи с каждым из входящими в состав ТС ЭБУ;
  • конфигурирование состава (упорядочивание списка и идентификационных признаков) ЭБУ, объединенных шиной CAN на конкретном ТС;
  • инициализацию (сброс адаптивных и пользовательских настроек к исходным значениям) для каждого по выбору из входящих в состав ТС ЭБУ;
  • выполнение адаптивных настроек систем и компонентов на автомобиле (например, исходного положения педали акселератора и дроссельной заслонки, расхода воздуха на холостом ходу и т.п.);
  • чтение пользовательских настроек, содержащихся в части ЭБУ на ТС (по выбору);
  • редактирование пользовательских настроек для имеющих данную функцию ЭБУ на ТС (по выбору);
  • осуществление иных пользовательских функций и принудительно-выполняемых корректирующих процедур (например, программирование ключей системы доступа и т.п.);
  • чтение в защищенном режиме содержимого основной, условно разрешенной для модифицирования, части ПО каждого по выбору из входящих в состав ТС ЭБУ;
  • запись в защищенном режиме условно разрешенного для модифицирования ПО в каждый по выбору из входящих в состав ТС ЭБУ;
  • чтение диагностической информации (диагностические коды и их статусы, признаки значимости и класса, параметры, коды готовности, содержимое сохраненных «стоп-кадров», содержимое диагностических счетчиков и т.д.), а также иной справочной информации от каждого из входящих в состав ТС ЭБУ.

Заключение

Следование мировым тенденциям в части внедрения передовых методов и средств диагностики, позволяет на сегодняшний день говорить о развитии принципиально нового направления в бортовой диагностике в нашей стране. В рамках реализации отечественной диагностической системы необходимо развитие в направлении облачного (удалённого) сервера с диагностическими функциями, который будет обеспечивать безопасную эксплуатацию ТС, собирать и систематизировать данные по автомобилям. Реализация данной системы позволит перепрограммировать и калибровать ЭБУ в ходе работ сервисных центров. Автоматизированная программа через удаленный сервер будет безошибочно выбирать ПО и производить требуемые работы, получая всю необходимую информацию из VIN- номера автомобиля, что позволит избежать влияние человеческого фактора в сфере обслуживания эксплуатируемого транспорта. Для улучшения восприятия ПО необходимо создание новых интуитивно-понятных интерфейсов, а для упрощения использования и поиска неисправностей необходимы сервисы предписанной («ведомой») диагностики для расшифровки диагностических кодов для направления технического специалиста к сути не работающего оборудования с доступом к принципиальным и электрическим схемам автомобиля, для своевременного устранения неполадок в системах функционирования автомобиля. Все указанные задачи должны быть решены специалистами НАМИ с использованием собственных подходов к построению систем бортовой диагностики, с учетом имеющейся международной законодательной базы и на основе имеющегося опыта использования зарубежных систем.

Конфликт интересов Не указан. Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

  1. ФеренецА.В. Интеллектуальные системы диагностики автомобиля на основе современных мировых стандартов/ А.В.Ференец, А.А.Шевченко, С.В.Плетнев и др.// Вестник НЦБЖД. – 2016. – № 1(27). – с. 73-78.
  2. ЩербинА.М. Современные бортовые информационно-управляющие системы автомобильной техники /А. М. Щербин // Журнал автомобильных инженеров. – 2015. – № 3(92). – С. 26-29.
  3. ПлетневС.В. Диагностирование двигателя грузового автомобиля на основе технологии ODX /С. В. Плетнев, Ю. В. Крюков, А. В. Ференец и др. //Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. – 2014. – № 2. – С. 58-61.
  4. Posada F. Global overview of on-board diagnostic (OBD) systems for heavy duty vehicles, [Electronic resource]/F. Posada, A. Bandivadekar //The International Council on Clean Transportation. –2015. –URL: https://theicct.org/publication/ global-overview-of-on-board-diagnostic-obd-systems-for-heavy-duty-vehicles/.
  5. SAE J1850: Pulse-Width Modulation
  6. ISO 9141:1989 Road vehicles — Diagnostic systems — Requirements for interchange of digital information
  7. ISO 15031-2:2010 Road vehicles — Communication between vehicle and external equipment for emissions-related diagnostics — Part 2: Guidance on terms, definitions, abbreviations and acronyms;
  8. ISO 15031-3:2016 Road vehicles — Communication between vehicle and external equipment for emissions-related diagnostics — Part 3: Diagnostic connector and related electrical circuits: Specification and use;
  9. ISO 15031-4:2014 Road vehicles — Communication between vehicle and external equipment for emissions-related diagnostics — Part 4: External test equipment;
  10. ISO 15031-5:2015 Road vehicles — Communication between vehicle and external equipment for emissions-related diagnostics — Part 5: Emissions-related diagnostic services;
  11. SAE J2190: 2008 Enhanced E/E Diagnostic Test Modes;
  12. ISO 15765-3:2004 Road vehicles — Diagnostics on Controller Area Networks (CAN) — Part 3: Implementation of unified diagnostic services (UDS on CAN);
  13. ISO 7498-2:1989 Information processing systems — Open Systems Interconnection — Basic Reference Model — Part 2: Security Architecture;
  14. ISO/IEC 10731:1994 Information technology — Open Systems Interconnection — Basic Reference Model — Conventions for the definition of OSI services;
  15. ISO 14229-1:2020 Road vehicles — Unified diagnostic services (UDS) — Part 1: Application layer;
  16. ISO 27145-1:2012 Road vehicles — Implementation of World-Wide Harmonized On-Board Diagnostics (WWH-OBD) communication requirements — Part 1: General information and use case definition;
  17. ISO 27145-2:2012(en) Road vehicles — Implementation of World-Wide Harmonized On-Board Diagnostics (WWH-OBD) communication requirements — Part 2: Common data dictionary;
  18. ISO 27145-3:2012 Road vehicles — Implementation of World-Wide Harmonized On-Board Diagnostics (WWH-OBD) communication requirements — Part 3: Common message dictionary;
  19. UN GTR No. 5 - Technical requirements for on-board diagnostic systems (OBD) for road vehicles (ECE/TRANS/180/Add.5).

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Ferenec A.V. Intellektual'nye sistemy diagnostiki avtomobilya na osnove sovremennyh mirovyh standartov[Intelligent vehicle diagnostic system based on actual international standards]/ A.V.Ferenec, A. A. Shevchenko, S.V.Pletnev et al. // Vestnik NCBZHD [Bulletin of the NCSL]. – 2016. – № 1(27). – p. 73-78. [in Russian]
  2. Shcherbin A.M. Sovremennye bortovye informacionno-upravlyayushchie sistemy avtomobil'noj tekhniki [Modern board information and control systems for automotive vehicles]/ A. M. Shcherbin // Zhurnal avtomobil'nyh inzhenerov. [Journal of Automotive Engineers]– 2015. – № 3(92). – p. 26-29. [in Russian]
  3. Pletnev S.V. Diagnostirovanie dvigatelya gruzovogo avtomobilya na osnove tekhnologii ODX [Diagnostics of a truck engine based on ODX technology] / S. V. Pletnev, YU. V. Kryukov, A. V. Ferenec et al. // Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. A.N. Tupoleva. [Bulletin of Kazan technological university] – 2014. – № 2. – p. 58-61. [in Russian]
  4. Posada F. Global overview of on-board diagnostic (OBD) systems for heavy duty vehicles, [Electronic resource]/F. Posada, A. Bandivadekar //The International Council on Clean Transportation, –2015,–URL: https://theicct.org/publication/ global-overview-of-on-board-diagnostic-obd-systems-for-heavy-duty-vehicles/.
  5. SAE J1850: Pulse-Width Modulation
  6. ISO 9141:1989 Road vehicles — Diagnostic systems — Requirements for interchange of digital information
  7. ISO 15031-2:2010 Road vehicles — Communication between vehicle and external equipment for emissions-related diagnostics — Part 2: Guidance on terms, definitions, abbreviations and acronyms;
  8. ISO 15031-3:2016 Road vehicles — Communication between vehicle and external equipment for emissions-related diagnostics — Part 3: Diagnostic connector and related electrical circuits: Specification and use;
  9. ISO 15031-4:2014 Road vehicles — Communication between vehicle and external equipment for emissions-related diagnostics — Part 4: External test equipment;
  10. ISO 15031-5:2015 Road vehicles — Communication between vehicle and external equipment for emissions-related diagnostics — Part 5: Emissions-related diagnostic services;
  11. SAE J2190: 2008 Enhanced E/E Diagnostic Test Modes;
  12. ISO 15765-3:2004 Road vehicles — Diagnostics on Controller Area Networks (CAN) — Part 3: Implementation of unified diagnostic services (UDS on CAN);
  13. ISO 7498-2:1989 Information processing systems — Open Systems Interconnection — Basic Reference Model — Part 2: Security Architecture;
  14. ISO/IEC 10731:1994 Information technology — Open Systems Interconnection — Basic Reference Model — Conventions for the definition of OSI services;
  15. ISO 14229-1:2020 Road vehicles — Unified diagnostic services (UDS) — Part 1: Application layer;
  16. ISO 27145-1:2012 Road vehicles — Implementation of World-Wide Harmonized On-Board Diagnostics (WWH-OBD) communication requirements — Part 1: General information and use case definition;
  17. ISO 27145-2:2012(en) Road vehicles — Implementation of World-Wide Harmonized On-Board Diagnostics (WWH-OBD) communication requirements — Part 2: Common data dictionary;
  18. ISO 27145-3:2012 Road vehicles — Implementation of World-Wide Harmonized On-Board Diagnostics (WWH-OBD) communication requirements – Part 3: Common message dictionary;
  19. UN GTR No. 5 – Technical requirements for on-board diagnostic systems (OBD) for road vehicles (ECE/TRANS/180/Add.5).