多域電子電氣架構(gòu)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

隨著汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的電子電氣架構(gòu)已經(jīng)無(wú)法滿足未來(lái)車路云網(wǎng)一體化發(fā)展的新需求。本文聚焦于未來(lái)智能網(wǎng)聯(lián)汽車的多域電子電氣架構(gòu)，并從總體設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)四個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的綜述，并展望了我國(guó)電子電氣架構(gòu)的發(fā)展前景。

前言

隨著車輛電氣化與智能化的快速發(fā)展，汽車工業(yè)與移動(dòng)計(jì)算、泛在車聯(lián)、人工智能等ICT技術(shù)的深度融合加速，引發(fā)了汽車數(shù)字化以及軟件定義汽車的新浪潮，孕育了一種能夠?qū)崿F(xiàn)“人-車-路-云-網(wǎng)”一體化運(yùn)行的全新智能交通系統(tǒng)，有望極大地提升未來(lái)交通系統(tǒng)的運(yùn)力、能效、安全性和駕乘體驗(yàn)。智能網(wǎng)聯(lián)汽車（intelligent connected vehicle，ICV）已經(jīng)成為“人-車-路-云-網(wǎng)”一體化系統(tǒng)中汽車產(chǎn)業(yè)升級(jí)的必然趨勢(shì)。ICV配備了智能感知系統(tǒng)、智能決策控制系統(tǒng)和智能執(zhí)行系統(tǒng)，與通信網(wǎng)絡(luò)、人工智能緊密結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)車輛與多領(lǐng)域（車輛、道路、行人、云等）間的信息交互。ICV是汽車由傳統(tǒng)運(yùn)輸工具向新一代智能終端轉(zhuǎn)型的物理載體，對(duì)汽車電子電氣架構(gòu)（electrical/electronic architecture，后文簡(jiǎn)稱E/E架構(gòu)）的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論和方法提出了新挑戰(zhàn)和新要求，催生了E/E架構(gòu)技術(shù)的新變革。E/E架構(gòu)技術(shù)作為ICV系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)之一，對(duì)整車軟硬件系統(tǒng)的集成、功能實(shí)現(xiàn)、開(kāi)發(fā)成本以及車輛綜合性能具有決定性的影響。

汽車E/E架構(gòu)定義為實(shí)現(xiàn)整車功能的汽車電子電氣組件的組織結(jié)構(gòu)及其軟硬件系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)各組件之間以及組件與整車環(huán)境之間的相互作用和相互依賴關(guān)系，以及指導(dǎo)設(shè)計(jì)和演變的原則。作為ICV系統(tǒng)本身及功能構(gòu)成的頂層設(shè)計(jì)，現(xiàn)有E/E架構(gòu)面臨著一些不足之處，未來(lái)的E/E架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該如何滿足ICV的復(fù)雜需求和適應(yīng)新技術(shù)趨勢(shì)是汽車領(lǐng)域關(guān)注的重要問(wèn)題。

ICV的E/E架構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)面臨以下挑戰(zhàn)：

（1）在總體架構(gòu)設(shè)計(jì)上，現(xiàn)有基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)流程難以支持全開(kāi)發(fā)周期的高精度設(shè)計(jì)，需要建立基于模型的設(shè)計(jì)理論和評(píng)估體系，以多元化需求為導(dǎo)向，加強(qiáng)架構(gòu)軟硬綜合匹配、功能安全、數(shù)據(jù)安全和信息安全設(shè)計(jì)。

（2）在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，結(jié)合車輛功能設(shè)計(jì)ICV專用的智能控制器，實(shí)現(xiàn)高計(jì)算能力和低能耗；優(yōu)化電源系統(tǒng)和線束系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，降低整車成本和質(zhì)量。

（3）在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，現(xiàn)有的通信機(jī)制難以適應(yīng)急劇增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需求，急需設(shè)計(jì)高帶寬、強(qiáng)實(shí)時(shí)性和低時(shí)延抖動(dòng)的車載通信機(jī)制，加強(qiáng)通信網(wǎng)絡(luò)的可配置性和多通信協(xié)議的可擴(kuò)展性。

（4）在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，軟件功能的差異化和快速迭代將成為核心競(jìng)爭(zhēng)力。軟件定義汽車（software defined vehicle，SDV）和基于服務(wù)的軟件設(shè)計(jì)理念成為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的基石，設(shè)計(jì)可解耦、可升級(jí)、易配置、高安全性和個(gè)性化的軟件將成為整車企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的主戰(zhàn)場(chǎng)。

上述挑戰(zhàn)對(duì)E/E架構(gòu)技術(shù)發(fā)展提出了重大需求，如何引導(dǎo)E/E架構(gòu)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展是ICV架構(gòu)設(shè)計(jì)亟需解決的重大問(wèn)題。

本文總體架構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)四個(gè)角度對(duì)ICV多域E/E架構(gòu)研究的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入分析，并展望了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

多域電子電氣架構(gòu)技術(shù)現(xiàn)狀

根據(jù)算力集中程度，本文將E/E架構(gòu)劃分為分布式架構(gòu)、域集中式架構(gòu)和中央集中式架構(gòu)，并詳細(xì)論述各個(gè)架構(gòu)的特點(diǎn)如下。

1.1 分布式架構(gòu)

分布式E/E架構(gòu)根據(jù)汽車功能的不同進(jìn)行劃分，每個(gè)電子控制單元（electronic control unit，ECU）的設(shè)計(jì)都基于特定的功能需求展開(kāi)。在該架構(gòu)中，各個(gè)ECU通過(guò)CAN總線進(jìn)行信息傳遞，以實(shí)現(xiàn)整車的功能。典型的硬件拓?fù)淙鐖D1所示。在這種架構(gòu)中，每個(gè)ECU只負(fù)責(zé)單一功能的實(shí)現(xiàn)，一輛車通常分布著上百個(gè)ECU，它們不僅直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器和傳感器，還承擔(dān)著復(fù)雜的業(yè)務(wù)功能控制邏輯。這種架構(gòu)的軟硬件緊密耦合，每次擴(kuò)展一個(gè)功能，都需要增加相應(yīng)的ECU和通信信號(hào)。然而，由于ECU的計(jì)算能力有限，通信帶寬受限，功能升級(jí)困難等問(wèn)題，這種架構(gòu)存在制約架構(gòu)升級(jí)和影響汽車安全性能的瓶頸效應(yīng)。此外，隨著ECU的增加，車內(nèi)的線束也會(huì)變得更長(zhǎng)，增加了整車的質(zhì)量和成本，同時(shí)也給整車的布置和裝配帶來(lái)了很大的困擾。

圖1 分布式架構(gòu)

1.2域集中式架構(gòu)

隨著車載以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用和高算力芯片的低成本大帶寬，域集中架構(gòu)逐漸擺脫了分布式架構(gòu)在安全性、可擴(kuò)展性等方面的困境。域集中架構(gòu)的基本思路是根據(jù)功能將多個(gè)電控單元（ECU）的功能進(jìn)行聚類，整車只部署幾個(gè)域控制器（DCU）作為主控。典型的基于中央網(wǎng)關(guān)的域集中架構(gòu)如圖2所示，各DCU負(fù)責(zé)完成各個(gè)域的數(shù)據(jù)處理與功能決策，并對(duì)該域下屬的傳感器與執(zhí)行器進(jìn)行控制管理。域之間通過(guò)中央網(wǎng)關(guān)交換所需數(shù)據(jù)，這種架構(gòu)不僅保證了域間的通信和互操作性，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了信息安全和功能安全。

圖2 域集中式架構(gòu)

與傳統(tǒng)的ECU相比，DCU具備了強(qiáng)大的硬件計(jì)算能力和豐富的軟件接口支持，使得更多的核心功能模塊集中在DCU內(nèi)，從而提高了系統(tǒng)的功能集成度。單個(gè)ECU的作用被弱化，復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和控制功能被統(tǒng)一安排在DCU中，ECU逐步演變?yōu)镈CU命令的執(zhí)行器。在通信方面，以太網(wǎng)成為域間通信的骨干網(wǎng)，從而大大提高了通信速率。得益于軟硬件解耦、接口標(biāo)準(zhǔn)化以及信號(hào)性能的升級(jí)，域集中架構(gòu)代表了架構(gòu)設(shè)計(jì)思想從信號(hào)驅(qū)動(dòng)模式轉(zhuǎn)向服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu)（SOA）的分水嶺。在域集中架構(gòu)中，軟件與硬件具備了分層解耦的可行性，系統(tǒng)的耦合度降低，軟件的遠(yuǎn)程升級(jí)（OTA）和硬件部署變得更加便捷，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化的接口也使得傳感器和執(zhí)行器模塊無(wú)需與具體的ECU相對(duì)應(yīng)，從而支持零部件的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。

1.3中央集中式架構(gòu)

為了降低車內(nèi)結(jié)構(gòu)連接的復(fù)雜度、提高算力利用率、降低成本、提高安全性，中央集中式架構(gòu)進(jìn)一步將域集中架構(gòu)中的多個(gè)DCU融合為一個(gè)或多個(gè)擁有更強(qiáng)算力的多核異構(gòu)SoC芯片和多種操作系統(tǒng)組合的中央計(jì)算平臺(tái)（CCP）。車載傳感器和執(zhí)行器不再按照功能部署，而是按照物理位置劃分就近接入?yún)^(qū)域控制器（ZCU）。中央集中式架構(gòu)的典型拓?fù)淙鐖D3和圖4所示。在這種架構(gòu)中，各采集和執(zhí)行節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZCU將原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€(gè)或多個(gè)CCP中進(jìn)行處理，所有數(shù)據(jù)處理和決策都在CCP中完成。

ZCU主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、通信協(xié)議轉(zhuǎn)化和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。多個(gè)ZCU之間通過(guò)以太網(wǎng)構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提高通信冗余和可靠性。按照區(qū)域進(jìn)行傳感器和執(zhí)行器的就近接入簡(jiǎn)化了構(gòu)型布置，縮短了線束長(zhǎng)度。如圖4所示，該架構(gòu)將整車控制計(jì)算功能全部集中到一個(gè)CCP中。然而，從目前的技術(shù)能力來(lái)看，圖3所代表的多CCP架構(gòu)在硬件設(shè)計(jì)、軟件開(kāi)發(fā)和安全冗余等方面都要求更高，因此單CCP架構(gòu)是當(dāng)前主流方案。

圖3 多中央計(jì)算單元的中央集中式架構(gòu)

圖4 單中央計(jì)算單元的中央集中式架構(gòu)

綜合來(lái)看，E/E架構(gòu)從分布式架構(gòu)到域集中式架構(gòu)再到中央集中式架構(gòu)的發(fā)展帶來(lái)以下優(yōu)勢(shì)：

（1）算力集中化，提高算力利用率。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，汽車的大部分時(shí)間只有部分芯片在執(zhí)行計(jì)算工作，導(dǎo)致分散的獨(dú)立功能ECU的計(jì)算能力處于閑置狀態(tài)。采用計(jì)算集中架構(gòu)方式可以在綜合情況下最大化利用處理器算力。

（2）統(tǒng)一交互，實(shí)現(xiàn)整車功能協(xié)同。傳統(tǒng)的分布式架構(gòu)中，執(zhí)行器、傳感器、控制器、軟件算法等都是緊耦合設(shè)計(jì)，導(dǎo)致跨部件和跨ECU級(jí)別特性的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)效率低，升級(jí)困難等問(wèn)題。集中式架構(gòu)為軟硬件解耦提供基礎(chǔ)，減少ECU數(shù)量，實(shí)現(xiàn)真正意義上的整車級(jí)特性開(kāi)發(fā)，便于快速迭代和上市，大幅降低開(kāi)發(fā)和升級(jí)成本。

（3）縮短整車線束長(zhǎng)度和質(zhì)量，降低故障率。傳統(tǒng)的分布式ECU導(dǎo)致線束較長(zhǎng)、復(fù)雜糾結(jié)，并引發(fā)電磁干擾，故障率較高。集中式架構(gòu)通過(guò)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器、傳感器等部件的區(qū)域接入，縮短線束長(zhǎng)度，降低整車質(zhì)量。

（4）為軟硬件解耦奠定基礎(chǔ)，支持軟件定義汽車。分布式軟硬件緊密耦合，難以解耦，而集中式架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了功能和算力的集中，為軟硬解耦和軟件分層提供了條件。

（5）車輛易于平臺(tái)化，擴(kuò)展性增強(qiáng)。集中式架構(gòu)下，ECU的功能被弱化，傳感器和執(zhí)行器接口實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，域控制器和區(qū)域控制器可以根據(jù)需求進(jìn)行配置調(diào)整，以適應(yīng)不同的傳感器和執(zhí)行器方案。

多域電子電氣架構(gòu)總體設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 架構(gòu)總體設(shè)計(jì)的主要任務(wù)

傳統(tǒng)汽車電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)主要關(guān)注元器件的合理布局，以實(shí)現(xiàn)最佳性能和最低成本。然而，多域電子電氣架構(gòu)不僅要滿足傳統(tǒng)目標(biāo)，還需要成為智能網(wǎng)聯(lián)汽車軟硬件的基礎(chǔ)設(shè)施，支撐汽車系統(tǒng)的功能和性能。ICV多域電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)包括：

（1）根據(jù)車輛功能需求合理劃分各子系統(tǒng)功能，明確功能之間的邏輯連接關(guān)系，并實(shí)現(xiàn)軟硬件映射。

（2）在功能交互、成本和供配電等因素之間進(jìn)行權(quán)衡，設(shè)計(jì)硬件空間拓?fù)洹⑦B接拓?fù)浜屯ㄐ磐負(fù)洹?/p>

（3）形成集成控制器、傳感器、處理器、線束、功能軟件等軟硬件的多維度整車系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

（4）最終降低系統(tǒng)的重復(fù)性，提高系統(tǒng)的可驗(yàn)證性、高集成性、高安全性和可擴(kuò)展性。

2.2 架構(gòu)總體設(shè)計(jì)與評(píng)估方法

ICV功能配置的復(fù)雜性和多樣性引發(fā)了電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)理論和方法的變革。目前，基于模型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工程（MBSE）的汽車電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方法逐漸受到重視。MBSE從電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)的起始階段就以模型的形式進(jìn)行表達(dá)，對(duì)各復(fù)雜系統(tǒng)的需求、結(jié)構(gòu)和行為等進(jìn)行基于圖形的無(wú)歧義說(shuō)明、分析和設(shè)計(jì)，從而在相關(guān)設(shè)計(jì)人員之間建立統(tǒng)一的交流平臺(tái)。MBSE方法可以解決整車電子電氣架構(gòu)研發(fā)過(guò)程中的工程數(shù)據(jù)不一致性、可驗(yàn)證性和可追溯性等問(wèn)題，降低整車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的難度，盡早發(fā)現(xiàn)和避免潛在風(fēng)險(xiǎn)，提高開(kāi)發(fā)效率，降低開(kāi)發(fā)成本和后期維護(hù)成本。圖5展示了基于MBSE的汽車電子電氣架構(gòu)V字型設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程。

圖5 V字型設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程

電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)是整車設(shè)計(jì)的核心任務(wù)之一，而電子電氣架構(gòu)評(píng)估則是架構(gòu)方案優(yōu)化的直接參考依據(jù)。綜合目前電子電氣架構(gòu)的主流開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程和面向ICV的電子電氣架構(gòu)需求，確定多域電子電氣架構(gòu)總體設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容主要包括以下5個(gè)方面：架構(gòu)需求定義、架構(gòu)功能設(shè)計(jì)、架構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)、架構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、架構(gòu)分析評(píng)估。

2.2.1 架構(gòu)需求定義

無(wú)論是傳統(tǒng)還是多域電子電氣架構(gòu)的開(kāi)發(fā)，都必須從市場(chǎng)需求的角度出發(fā)，進(jìn)行全面的需求分析?；诜治鲈u(píng)估，架構(gòu)需求定義需要確定功能方案實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，制定開(kāi)發(fā)車型的整車需求，明確整車系統(tǒng)和各個(gè)子系統(tǒng)的需求，并同時(shí)制定出整車驗(yàn)證測(cè)試規(guī)范。通過(guò)需求分析，識(shí)別出開(kāi)發(fā)目標(biāo)和開(kāi)發(fā)約束，是整個(gè)架構(gòu)設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。

2.2.2 架構(gòu)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)架構(gòu)的需求定義，完成架構(gòu)的總體功能設(shè)計(jì)。為了降低電子電氣架構(gòu)的復(fù)雜性，需要對(duì)總體功能進(jìn)行細(xì)分和切割，并將軟硬件進(jìn)行解耦。常用的功能設(shè)計(jì)方法是首先將整車功能劃分為一級(jí)功能域級(jí)別，然后對(duì)功能域進(jìn)行詳細(xì)的二級(jí)功能劃分，以實(shí)現(xiàn)將二級(jí)網(wǎng)絡(luò)中的控制器功能移至域控制器，為后續(xù)高級(jí)功能的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)，支持更高級(jí)的功能實(shí)現(xiàn)。在功能架構(gòu)設(shè)計(jì)階段，需要完成初版網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、電子電氣方案、子系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范和功能方案的設(shè)計(jì)工作。

2.2.3 架構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

根據(jù)架構(gòu)功能，提取架構(gòu)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括硬件拓?fù)浼軜?gòu)、連接拓?fù)浼軜?gòu)和通信拓?fù)浼軜?gòu)。通過(guò)對(duì)拓?fù)浼軜?gòu)的細(xì)化優(yōu)化，輸出最優(yōu)的拓?fù)浞桨福瑸槠渌O(shè)計(jì)部門提供軟硬件開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)規(guī)范。硬件拓?fù)浼軜?gòu)主要涉及硬件部件的整車安裝布局、內(nèi)部構(gòu)成以及對(duì)外接口的詳細(xì)信息，包括部件之間的組合關(guān)系和部件的內(nèi)部細(xì)節(jié)。連接拓?fù)浼軜?gòu)描述了各部件之間的邏輯連接方式和實(shí)現(xiàn)情況，包括具體的導(dǎo)線、線纜連接方式以及保險(xiǎn)繼電器盒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。通信拓?fù)浠谟蜷g/域內(nèi)不同的通信需求，完成通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)以及協(xié)議的確定。

2.2.4 架構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)前面階段制定的電源分配圖、接地點(diǎn)、整車布局以及供應(yīng)商提供的接口控制文件，架構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要完成整車原理、接口定義和功能規(guī)范的設(shè)計(jì)，并建立整體架構(gòu)模型。通過(guò)拓?fù)鋵有畔?、已有的開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)和經(jīng)驗(yàn)輸入等條件的支持，實(shí)現(xiàn)正確的邏輯和算法定義。完成系統(tǒng)級(jí)電子電氣架構(gòu)的解決方案制定和系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證測(cè)試規(guī)范制定。最終實(shí)現(xiàn)功能的下發(fā)，更新到產(chǎn)品部件設(shè)計(jì)中進(jìn)行落實(shí)和驗(yàn)證。

2.2.5 架構(gòu)分析評(píng)估

傳統(tǒng)的車輛電子電氣架構(gòu)很難在裝車前實(shí)現(xiàn)整車級(jí)別的仿真，大多數(shù)只能完成部件級(jí)別的仿真。但隨著RTaW、CANoe和VEOS等商業(yè)化架構(gòu)評(píng)估軟件的發(fā)展，行業(yè)已逐步采用更全面的架構(gòu)仿真評(píng)估軟件進(jìn)行功能、通信和安全等方面的迭代驗(yàn)證與優(yōu)化。在多域車輛電子電氣架構(gòu)的分析評(píng)估中，除了傳統(tǒng)的硬件成本、開(kāi)發(fā)成本、生產(chǎn)成本、保修成本、車輛性能和燃油經(jīng)濟(jì)性等目標(biāo)外，還需要關(guān)注以下新問(wèn)題：

（1）是否能夠滿足用戶個(gè)性化需求以及未來(lái)可能的需求變化，尤其是能否滿足自動(dòng)駕駛L3級(jí)及以上車輛架構(gòu)的需求變化；

（2）平臺(tái)是否具有良好的可沿用性和公用性，能否滿足高等級(jí)自動(dòng)駕駛和智能網(wǎng)聯(lián)的基本技術(shù)需求，具備領(lǐng)先的技術(shù)先進(jìn)性。

多域電子電氣架構(gòu)的硬件系統(tǒng)

3.1 功能域控制器及關(guān)鍵技術(shù)

為了減少總線長(zhǎng)度和ECU數(shù)量，以實(shí)現(xiàn)減輕電子部件質(zhì)量和降低整車制造成本的目標(biāo)，將分散的ECU按照功能進(jìn)行劃分，集成為具有更強(qiáng)運(yùn)算能力和更豐富接口的功能域控制器（DCU）。現(xiàn)有的技術(shù)方案通常將整車劃分為車控域、智駕域和座艙域。車控域控制器負(fù)責(zé)整車動(dòng)力系統(tǒng)控制、底盤系統(tǒng)控制和車身系統(tǒng)控制。智駕域控制器配置豐富的接口，以滿足多種傳感器信號(hào)的采集，集成高算力異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)來(lái)支持復(fù)雜的傳感器數(shù)據(jù)融合算法，結(jié)合高精度地圖和導(dǎo)航等信息進(jìn)行環(huán)境識(shí)別和路徑規(guī)劃，并輸出整車控制指令，從而實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的智能駕駛功能。典型的智駕域控制器如圖6所示，計(jì)算平臺(tái)上集成了通用計(jì)算單元、AI計(jì)算單元、實(shí)時(shí)控制單元和多種接口。

圖6 智駕域控制器功能示意圖

座艙域控制器通常集成了全液晶儀表、抬頭顯示器、流媒體后視鏡、座艙娛樂(lè)系統(tǒng)、車聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程信息等功能，并同時(shí)充當(dāng)人機(jī)交互接口。智能座艙域控制器需要具備強(qiáng)大的處理能力和復(fù)雜的操作系統(tǒng)，由主控芯片、實(shí)時(shí)微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器、CAN和以太網(wǎng)口等組成，典型功能如圖7所示。

圖7 智能座艙域控制器功能示意圖

3.2 區(qū)域控制器及關(guān)鍵技術(shù)

區(qū)域控制器（ZCU）主要包括區(qū)域數(shù)據(jù)中心、區(qū)域IO中心和區(qū)域配電中心三大功能，如圖8所示。作為區(qū)域數(shù)據(jù)中心，ZCU配備了豐富的網(wǎng)絡(luò)接口，例如ETH、CAN和LIN，扮演區(qū)域網(wǎng)關(guān)和交換機(jī)的角色，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信和路由。區(qū)域IO中心支持各種類型的傳感器、執(zhí)行器和顯示器接口。作為區(qū)域配電中心，ZCU負(fù)責(zé)將電力傳輸?shù)娇刂破骱蛨?zhí)行器等用電設(shè)備。目前，傾向于使用電子保險(xiǎn)絲（eFuse）替代傳統(tǒng)的繼電器和熔斷絲方案，以實(shí)現(xiàn)智能管理。同時(shí)，ZCU具備吸收區(qū)域內(nèi)其他ECU功能的能力，在服務(wù)層面對(duì)區(qū)域內(nèi)的功能進(jìn)行抽象，實(shí)現(xiàn)控制I/O的虛擬化。由于涉及到對(duì)安全性、實(shí)時(shí)性和可靠性要求較高的車輛控制功能，ZCU的主控芯片通常配備ASIL-D級(jí)別的MCU，未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)是引入高算力計(jì)算單元。

圖8 區(qū)域控制器功能示意圖

3.3 中央計(jì)算單元及關(guān)鍵技術(shù)

中央計(jì)算單元的核心定位是提供充足的算力，以支持智能駕駛和智能座艙相關(guān)的業(yè)務(wù)邏輯。同時(shí)，它需要具備高帶寬和低時(shí)延的通信能力，以支持與區(qū)域控制器之間的數(shù)據(jù)交換，并能夠?qū)崿F(xiàn)車輛的網(wǎng)聯(lián)功能，連接到車端和云端。在硬件層面上，中央計(jì)算單元通常采用多顆異構(gòu)多核SoC芯片，芯片之間采用高速串行通信或者PCIe進(jìn)行連接。SoC芯片的架構(gòu)主要分為硬件隔離式和軟件隔離式兩種形態(tài)，都采用虛擬化方案來(lái)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)。硬件隔離式在軟件設(shè)計(jì)階段確定各個(gè)核心運(yùn)行的操作系統(tǒng)，并在硬件上進(jìn)行隔離，擁有專屬的硬件資源。而軟件隔離式中，操作系統(tǒng)沒(méi)有專屬的硬件資源，硬件資源由Hypervisor層進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)配。

3.4 電源系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)

隨著整車電氣負(fù)載的增加、電氣架構(gòu)的發(fā)展和半導(dǎo)體技術(shù)的突破，電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)從電源部件的組合轉(zhuǎn)變?yōu)殡娫淳W(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電源網(wǎng)絡(luò)的控制設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的車載電源系統(tǒng)通常采用中央電氣盒的方案，電路的控制和保護(hù)使用繼電器和熔斷器，但存在繼電器燒蝕和熔斷器損毀后無(wú)法再利用的問(wèn)題。目前，電源系統(tǒng)的主要技術(shù)路線是保護(hù)和控制的融合，使用基于MOSFET的eFuse進(jìn)行配電。單個(gè)芯片集成了驅(qū)動(dòng)、電流檢測(cè)、熱保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、EMC以及開(kāi)路短路等各種診斷功能。

3.5 線束系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)

線束對(duì)整車電器電子功能的實(shí)現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用，也是架構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn)。在線束布置的總體設(shè)計(jì)中，需要充分考慮各種相關(guān)的邊界條件，并充分考慮各個(gè)相關(guān)組件對(duì)線束布置可能產(chǎn)生的影響，并對(duì)相關(guān)組件的設(shè)計(jì)提出相應(yīng)合理的要求。目前，線束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)趨向于成熟化和全面化，基于PREEvision軟件展開(kāi)的多維度、多目標(biāo)線束建模、設(shè)計(jì)、評(píng)估和優(yōu)化方法極大地簡(jiǎn)化了線束系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，提高了設(shè)計(jì)效率，提升了設(shè)計(jì)效果。

多域電子電氣架構(gòu)的通信系統(tǒng)

4.1 車載通信系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀

車輛的電子電氣架構(gòu)依賴于通信系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件之間的信息傳遞。目前主要存在五種通信技術(shù)：控制器局域網(wǎng)（CAN）、局域互聯(lián)網(wǎng)（LIN）、面向多媒體的系統(tǒng)傳輸（MOST）、FlexRay總線和車載以太網(wǎng)（ETH）。5種通信技術(shù)的主要特征如表1所示。

表1 各通信技術(shù)特性表

除了這些通信技術(shù)之外，還有一些正在試驗(yàn)階段的新型車載通信技術(shù)。例如，第三代CAN通信技術(shù)CAN XL，它縮小了CAN與以太網(wǎng)之間傳輸速度和耦合的差距，能夠與以太網(wǎng)共同在基于信號(hào)的通信和面向服務(wù)的通信之間提供連接。在未來(lái)，車載通信系統(tǒng)的安全性和保密性將受到重視，光纖通信具有抗電磁干擾、無(wú)輻射、難以竊聽(tīng)等優(yōu)點(diǎn)，將在車載通信安全、故障診斷和高精度控制等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

隨著汽車智能駕駛等級(jí)的不斷提高，車載元器件數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，信息數(shù)據(jù)量不斷增多，對(duì)車載總線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率、實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)率和成本提出了更高的要求。

雖然CAN總線受到傳輸數(shù)據(jù)量少和時(shí)間不同步的限制，但其技術(shù)成熟度較高，目前仍然是車載總線技術(shù)的支柱。而LIN總線、MOST總線和FlexRay總線通常根據(jù)其自身特點(diǎn)作為局域網(wǎng)絡(luò)接入。以太網(wǎng)憑借其高帶寬和低成本的優(yōu)勢(shì)，將成為通信系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡(luò)，在未來(lái)引領(lǐng)下一代車載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。目前來(lái)看，要形成一個(gè)統(tǒng)一的車載總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)仍需要較長(zhǎng)時(shí)間。因此，在這之前，車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)仍然需要采用多總線并存的方式來(lái)滿足不同的傳輸需求，進(jìn)一步完善各種車載總線標(biāo)準(zhǔn)的兼容性和互操作性，以實(shí)現(xiàn)更好的數(shù)據(jù)交換和系統(tǒng)集成仍然是多域電子電氣架構(gòu)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

4.2 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的分析和研究

隨著高精度傳感器的廣泛部署和信息娛樂(lè)系統(tǒng)功能的不斷增強(qiáng)，車內(nèi)數(shù)據(jù)量急劇增加，傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)難以有效支持和處理不斷增長(zhǎng)的高速率、高帶寬通信需求。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Network，TSN）被認(rèn)為是解決以上問(wèn)題的關(guān)鍵方案，它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)中的確定性、實(shí)時(shí)性、低延遲和高安全傳輸。

TSN能夠?qū)崿F(xiàn)低成本大帶寬傳輸，傳輸速率可達(dá)10 Mb/s至10 Gb/s，并且使用非屏蔽雙絞線實(shí)現(xiàn)全雙工通信，相比傳統(tǒng)的屏蔽線纜成本降低了80%，質(zhì)量減輕了30%。此外，TSN還具有良好的擴(kuò)展性和通用性，能夠支持多種構(gòu)型的車載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用數(shù)據(jù)的傳輸。

對(duì)車載通信具有重要影響的TSN協(xié)議可以分為四種類型：時(shí)間同步、流量控制、可靠性和資源管理。接下來(lái)將對(duì)這些協(xié)議進(jìn)行詳細(xì)介紹。

4.2.1 時(shí)間同步類協(xié)議

在部署了TSN的多域電子電氣架構(gòu)的通信系統(tǒng)中，需要有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)度來(lái)保證時(shí)間同步的精度。TSN的IEEE 802.1AS-2020協(xié)議對(duì)TSN流的時(shí)間同步方法和過(guò)程進(jìn)行了定義和解釋。通過(guò)時(shí)間戳機(jī)制，所有組件受同一全局時(shí)鐘控制，同時(shí)允許網(wǎng)絡(luò)中存在不同時(shí)域。對(duì)該協(xié)議的研究主要包括同步精度的影響因素、本地時(shí)鐘校正和同步質(zhì)量評(píng)估等。

在多域電子電氣架構(gòu)中，時(shí)鐘同步精度是保證各個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)高精度響應(yīng)和定位外部環(huán)境的基礎(chǔ)。雖然目前有大量研究針對(duì)工業(yè)TSN的時(shí)鐘同步，但缺乏專門針對(duì)車內(nèi)TSN時(shí)鐘同步特性的研究。車內(nèi)通信環(huán)境與工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)有很大差異，車輛的振動(dòng)、溫度變化、電磁干擾等因素會(huì)對(duì)時(shí)鐘同步的精度造成干擾。因此，需要進(jìn)一步研究車內(nèi)TSN時(shí)鐘同步精度的影響因素，以確保實(shí)現(xiàn)車內(nèi)通信系統(tǒng)的高可靠性和高效性。

4.2.2 流量控制類協(xié)議

流量控制是實(shí)現(xiàn)TSN低時(shí)延傳輸和流確定性的關(guān)鍵技術(shù)之一。TSN的流量控制過(guò)程包括流量分類、流量整形、流量調(diào)度和流量搶占，對(duì)應(yīng)的TSN協(xié)議如表2所示。

表2 流量控制類協(xié)議表

目前流量控制類協(xié)議的研究熱點(diǎn)領(lǐng)域主要包括：各類流量最大端到端時(shí)延分析，TSN流量整形方法研究和時(shí)間關(guān)鍵流的流量調(diào)度方法研究。目前的研究主要集中在單一協(xié)議，下一階段需要圍繞協(xié)議間的協(xié)同作用機(jī)制以及協(xié)議在實(shí)際車載網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下的應(yīng)用開(kāi)展。

4.2.3 可靠性協(xié)議

TSN的可靠性指的是網(wǎng)絡(luò)對(duì)故障的預(yù)防和恢復(fù)能力，主要包括IEEE802.1CB和IEEE802.1Qci協(xié)議。IEEE802.1CB設(shè)置了幀的復(fù)制和消除（FRER）機(jī)制，降低了流傳輸時(shí)幀擁堵或故障帶來(lái)的影響。主要針對(duì)控制類幀，嚴(yán)格限制丟包率，保證傳輸?shù)目煽啃?。IEEE802.1Qci設(shè)置了幀的過(guò)濾與報(bào)錯(cuò)（PSFP）機(jī)制，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)流的處理問(wèn)題，避免了流量的過(guò)載和錯(cuò)誤交付，提高了系統(tǒng)的魯棒性。TSN可靠性問(wèn)題的研究主要包括冗余機(jī)制、故障檢測(cè)以及同步故障下的可靠性。后續(xù)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注車輛TSN網(wǎng)絡(luò)在各種故障情況下的可靠性，確保車輛在行駛過(guò)程中的安全性和穩(wěn)定性。

4.2.4 資源管理類協(xié)議

資源管理的主要功能包括對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行管理和配置，以及對(duì)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析等。IEEE802.1Qat流預(yù)留協(xié)議解決了流的注冊(cè)與預(yù)留問(wèn)題，是進(jìn)行整形、調(diào)度和傳輸?shù)冗^(guò)程的前提。IEEE802.1Qcc協(xié)議解決了TSN網(wǎng)絡(luò)的集中管控問(wèn)題，提出了分布式、集中式和集中網(wǎng)絡(luò)分布用戶式3種TSN網(wǎng)絡(luò)管控模型。目前的研究主要圍繞架構(gòu)模型的實(shí)現(xiàn)和部署方案展開(kāi)。這些研究成果為車輛TSN網(wǎng)絡(luò)資源管理的實(shí)現(xiàn)提供了重要的技術(shù)支持和借鑒。后續(xù)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注如何實(shí)現(xiàn)車載TSN的管理與配置，重點(diǎn)突破事件觸發(fā)流等隨機(jī)流的管理、車-云安全交互管理等關(guān)鍵難題。

TSN作為多域E/E架構(gòu)的重要組成部分已經(jīng)受到了充分的重視。然而，目前對(duì)TSN的研究主要集中在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，車載TSN網(wǎng)絡(luò)的研究還不夠深入。在技術(shù)遷移過(guò)程中，存在幾個(gè)亟待解決的難點(diǎn)：

（1）場(chǎng)景構(gòu)建問(wèn)題：大數(shù)據(jù)和多種類的車載TSN網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建較為復(fù)雜，難以對(duì)事件觸發(fā)的隨機(jī)信號(hào)流進(jìn)行建模。

（2）功能匹配問(wèn)題：如何設(shè)計(jì)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)TSN的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以及TSN協(xié)議在車載場(chǎng)景下的執(zhí)行情況和效果如何，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

（3）硬件支持問(wèn)題：目前支持TSN以太網(wǎng)的芯片相對(duì)較少，也沒(méi)有針對(duì)車載TSN的專業(yè)測(cè)試設(shè)備，搭建硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)較為困難。盡管面臨重重困難，但無(wú)法否定TSN在車載實(shí)時(shí)通信應(yīng)用方面的潛力。未來(lái)，TSN的帶寬優(yōu)勢(shì)有望進(jìn)一步提高；車載TSN與IP協(xié)議的結(jié)合將使更多更復(fù)雜的車載安全和多媒體應(yīng)用成為可能；隨著自動(dòng)駕駛等級(jí)的提升，TSN的可靠性將隨著車載網(wǎng)絡(luò)信息安全性的提高而得到進(jìn)一步提升；TSN協(xié)議的開(kāi)放性也為學(xué)術(shù)研究和工業(yè)部署提供了更廣闊的空間。

4.3 基于服務(wù)的軟件定義網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)存在以下問(wèn)題：流量負(fù)載分布不均衡、報(bào)文發(fā)送延遲大、網(wǎng)絡(luò)吞吐量低、網(wǎng)絡(luò)模塊兼容性差和開(kāi)放性低。這些問(wèn)題不利于進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新，也不利于未來(lái)各車型智能車載系統(tǒng)的互聯(lián)互通。為了解決這個(gè)問(wèn)題，提出了軟件定義車載網(wǎng)（SDVN）的概念。SDVN將軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（SDN）應(yīng)用到車載網(wǎng)絡(luò)中，用軟件定義網(wǎng)絡(luò)的思想改造車載網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)。首先，SDVN將車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面與控制平面分離開(kāi)來(lái)，然后將所有的控制平面集中到一個(gè)邏輯上集中的控制器中，最后利用這個(gè)集中的控制器控制車載網(wǎng)絡(luò)中所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)行為。SDVN能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)性能、降低網(wǎng)絡(luò)服務(wù)更新的代價(jià)、簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理、加速網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新。目前，基于服務(wù)的SDVN還處于起步階段，在安全性、移動(dòng)性、服務(wù)效率、部署和標(biāo)準(zhǔn)化等方面還有許多亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。但SDVN作為一種可編程和高靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)仍具有很好的發(fā)展前景，可被應(yīng)用于高效帶寬分配、車-路-云彈性算力分配等多種場(chǎng)景。

綜合上述，未來(lái)車載通信網(wǎng)絡(luò)將具有以下特點(diǎn)：

（1）未來(lái)車載的通信協(xié)議將向著大帶寬、低成本、高安全的方向發(fā)展，車載TSN將成為骨干網(wǎng)絡(luò)，提供確定性、高帶寬和高安全的連接，現(xiàn)有總線形式在某些特定場(chǎng)景仍將保留。

（2）為應(yīng)對(duì)智能駕駛帶來(lái)的挑戰(zhàn)，車載網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)更多的安全功能，SDVN的應(yīng)用將進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的可配置性和靈活性。

（3）不同通信軟件組件之間的接口將進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化，軟件的互換性將顯著提高。

多域電子電氣架構(gòu)的軟件系統(tǒng)

5.1 軟件定義汽車

5.1.1 SDV的基本理念

隨著功能的不斷增加，車輛設(shè)計(jì)的核心逐漸從硬件設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到軟件開(kāi)發(fā)。軟件成為塑造整車廠競(jìng)爭(zhēng)力的核心要素。SDV的概念已成為產(chǎn)業(yè)界的共識(shí)，軟件的開(kāi)發(fā)和升級(jí)將成為貫穿設(shè)計(jì)、銷售和服務(wù)的車輛全生命周期的關(guān)鍵組件?；赟DV的汽車整車開(kāi)發(fā)流程將形成用戶交互評(píng)價(jià)信息指導(dǎo)新車開(kāi)發(fā)、OTA技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟件持續(xù)更新迭代的雙閉環(huán)模式?；诜?wù)的軟件架構(gòu)如圖9所示。該軟件架構(gòu)一般被分為4層。

圖9 基于服務(wù)軟件架構(gòu)

SDV的重要優(yōu)勢(shì)在于減少了硬件差異對(duì)軟件的影響，從設(shè)備抽象層與原子服務(wù)層的軟件設(shè)計(jì)追求多車復(fù)用與減少差異化。通過(guò)API標(biāo)準(zhǔn)化接口，減少重復(fù)勞動(dòng)，降低軟件的復(fù)雜度，提高軟件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)效率。在應(yīng)用層的設(shè)計(jì)則重點(diǎn)打造差異化與定制化功能，最終實(shí)現(xiàn)軟件組件的高附加值與個(gè)性化服務(wù)。同時(shí)，SDV和OTA技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)汽車整車開(kāi)發(fā)流程也帶來(lái)了新的變革。

5.1.2 軟硬件解耦與映射

SDV實(shí)現(xiàn)的重要前提是軟硬件解耦，它是指軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完全獨(dú)立于硬件，在軟件框架中通過(guò)對(duì)硬件接口進(jìn)行抽象化處理來(lái)兼容不同硬件設(shè)備。軟硬件解耦的關(guān)鍵在于接口定義的標(biāo)準(zhǔn)化，這需要整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)合理分工，通力配合，形成統(tǒng)一的軟硬件接口定義技術(shù)規(guī)范。實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦對(duì)未來(lái)汽車開(kāi)發(fā)、驗(yàn)證和售后都將產(chǎn)生重要影響。

首先，軟硬件的解耦使得數(shù)據(jù)被從一個(gè)個(gè)子系統(tǒng)中解放出來(lái)，整車廠對(duì)功能實(shí)現(xiàn)的控制能力增強(qiáng)，這將對(duì)產(chǎn)業(yè)分工產(chǎn)生重要影響。其次，軟件可以脫離硬件進(jìn)行獨(dú)立驗(yàn)證，原本需要通過(guò)硬件在環(huán)測(cè)試的功能可以通過(guò)集成硬件環(huán)境的軟件在環(huán)測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證，這將極大地加快整車開(kāi)發(fā)與測(cè)試速度，降低驗(yàn)證成本。另外，汽車全生命周期的可升級(jí)將有效提高汽車售后的可維護(hù)性和安全性，通過(guò)遠(yuǎn)程升級(jí)（OTA）軟件可以逐步解放功能，有效增強(qiáng)用戶體驗(yàn)和提高汽車保值能力。然而，目前受到傳統(tǒng)研發(fā)模式、企業(yè)轉(zhuǎn)型困難以及產(chǎn)業(yè)分工矛盾的影響，軟硬件的解耦仍然與理想狀態(tài)相去甚遠(yuǎn)。

伴隨著軟硬件解耦而來(lái)的是軟硬件映射問(wèn)題，由于DCU和CCP需要集成包括傳感器數(shù)據(jù)處理、智能人機(jī)交互和高精度控制決策等眾多功能于一體，數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜度驟增。如何將不同數(shù)據(jù)運(yùn)算特點(diǎn)的功能軟件映射到匹配的處理器，實(shí)現(xiàn)軟硬件的協(xié)同最優(yōu)是軟硬件映射需要解決的核心問(wèn)題。多域E/E架構(gòu)引入了多種微處理器、大量異構(gòu)計(jì)算資源與通信鏈路組合，使得需要考慮的因素進(jìn)一步復(fù)雜。早期的研究通常根據(jù)任務(wù)通信關(guān)系和屬性，考慮時(shí)間、成本以及功耗等因素對(duì)單核異構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件映射。隨著多核嵌入式芯片的發(fā)展，大量研究針對(duì)多核分布式異構(gòu)系統(tǒng)軟硬件映射問(wèn)題提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化目標(biāo)包括能耗優(yōu)化和硬件成本優(yōu)化等。車載多核異構(gòu)芯片對(duì)于成本、功耗、安全、算力和實(shí)時(shí)性等因素極其敏感，如何綜合考慮以上因素，根據(jù)功能設(shè)計(jì)專有芯片結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)易于解耦的軟硬件映射是未來(lái)車載主控芯片設(shè)計(jì)需要突破的關(guān)鍵難題。

5.2 面向服務(wù)的軟件設(shè)計(jì)

面向服務(wù)的體系架構(gòu)（SOA）是汽車產(chǎn)業(yè)從IT產(chǎn)業(yè)引入的先進(jìn)理念，以其可重用、易升級(jí)、易部署和松耦合的特點(diǎn)，被認(rèn)為是ICV汽車軟件發(fā)展的重要方向。SOA的理念是通過(guò)靈活的接口使服務(wù)不再局限于特定的功能環(huán)境，實(shí)現(xiàn)服務(wù)共享。在這一理念中，接口的定義需要遵循SOA標(biāo)準(zhǔn)，獨(dú)立于操作系統(tǒng)與硬件平臺(tái)。這與之前提到的SDV原子服務(wù)層和設(shè)備抽象層的概念相輔相成。SOA的引入打破了傳統(tǒng)汽車軟件固化、封閉的生態(tài)，使之逐漸開(kāi)放、開(kāi)源。

目前，汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)行了與SOA軟件設(shè)計(jì)相關(guān)的實(shí)踐，并提出了基于SOA的軟件開(kāi)發(fā)模式，驗(yàn)證了SOA可以顯著降低系統(tǒng)復(fù)雜度，簡(jiǎn)化不同代汽車之間的軟件組件的重復(fù)使用。

為了保證各系統(tǒng)服務(wù)之間的信息互通和組合形式的擴(kuò)展，各服務(wù)模塊之間通過(guò)基于服務(wù)的中間件進(jìn)行通信，從而改變了車內(nèi)通信方式。傳統(tǒng)的基于信號(hào)的通信方式在車輛設(shè)計(jì)時(shí)就完成了通信矩陣的定義，信號(hào)的數(shù)據(jù)量、發(fā)送周期和路由路徑都是固化且靜態(tài)的。而基于服務(wù)的中間件則通過(guò)在應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行一定的抽象，建立起服務(wù)與應(yīng)用之間的網(wǎng)絡(luò)連接。這種通信過(guò)程通常是動(dòng)態(tài)的，在運(yùn)行時(shí)可以進(jìn)行配置，而不需要在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行固化。

目前主流的面向服務(wù)的中間件主要包括DDS（data distribution service）和SOME/IP（scalable service-oriented middleware over IP）。它們?cè)贏utoSAR中都被集成為標(biāo)準(zhǔn)化模塊，因此被行業(yè)視為一流的解決方案。下表3對(duì)比了SOME/IP、DDS和基于信號(hào)驅(qū)動(dòng)的通信機(jī)制。

表3 通信機(jī)制對(duì)比

5.3 車用操作系統(tǒng)

車用操作系統(tǒng)是車內(nèi)系統(tǒng)程序的集合，其主要功能包括管理硬件資源、隱藏內(nèi)部邏輯以提供軟件平臺(tái)、提供用戶程序與系統(tǒng)交互接口以及為上層應(yīng)用提供基礎(chǔ)服務(wù)等。它包括車控操作系統(tǒng)和車載操作系統(tǒng)兩大類。

5.3.1 車控操作系統(tǒng)

車控操作系統(tǒng)主要分為安全車控和智能駕駛兩個(gè)子類操作系統(tǒng)，其基本架構(gòu)如圖10所示。安全車控操作系統(tǒng)主要面向傳統(tǒng)車輛底盤、動(dòng)力、車身等功能領(lǐng)域，具有極高的實(shí)時(shí)性要求和ASIL-D級(jí)別的安全性要求。目前主流的安全車控操作系統(tǒng)大多兼容OSEK和AUTOSAR Classic Platform（AUTOSAR CP）標(biāo)準(zhǔn)軟件架構(gòu)，相關(guān)技術(shù)已相對(duì)成熟。基于AUTOSAR CP的操作系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)相較傳統(tǒng)方式，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用層和底層軟件以及軟件和硬件的解耦，從而在一定程度上增強(qiáng)了軟件的移植、復(fù)用、擴(kuò)展、升級(jí)、安全和維護(hù)等能力，對(duì)于減少軟件開(kāi)發(fā)周期和降低成本起到了有益作用。

圖10 車控操作系統(tǒng)基本架構(gòu)

智能駕駛操作系統(tǒng)則面向新一代集中式E/E架構(gòu)升級(jí)背景下，對(duì)高算力、高性能、高安全性和高可靠性的智能駕駛功能提出要求。此類操作系統(tǒng)目前正處于發(fā)展機(jī)遇期，各國(guó)都在初步探索階段。由于AUTOSAR CP難以完全適應(yīng)智能駕駛操作系統(tǒng)的需求，基于此，AUTOSAR組織在2017年發(fā)布了基于POSIX PSE51子集的操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序之間標(biāo)準(zhǔn)編程接口規(guī)范的面向服務(wù)架構(gòu)的AUTOSAR Adaptive Platform（AUTOSAR AP）以應(yīng)對(duì)異構(gòu)芯片平臺(tái)上車輛智能駕駛服務(wù)的需求。

在車控操作系統(tǒng)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外的大部分企業(yè)都基于AUTOSAR開(kāi)發(fā)自己的系統(tǒng)，可以說(shuō)AUTOSAR軟件架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)在車控操作系統(tǒng)領(lǐng)域起到了關(guān)鍵的引領(lǐng)和參考作用，是目前國(guó)際上主流的汽車標(biāo)準(zhǔn)軟件架構(gòu)。

基于AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的軟件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)相應(yīng)配置工具鏈解決方案的支持。目前主流的工具鏈包括德國(guó)Vector公司的面向AUTOSAR CP的DaVinci系列工具和面向AP的MICROSAR Adaptive；Bosch旗下子公司ETAS的面向CP和AP的RTACAR和RTA-VRTE。此外，還有ElektroBit公司的EB tresos、EB corbos系列CP和AP配置工具；Siemens的Capital VSTAR，KPIT的KSAR Classic、KSAR Adaptive等。國(guó)內(nèi)也積極布局AUTOSAR，普華基礎(chǔ)軟件、東軟睿馳等相繼推出各自的AUTOSAR解決方案，助力國(guó)產(chǎn)化工具鏈的實(shí)踐落地。

5.3.2 車用操作系統(tǒng)

車用操作系統(tǒng)主要應(yīng)用于車輛中的信息娛樂(lè)功能，對(duì)安全性和實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低，因此在這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展非常迅速。當(dāng)前主流的車用操作系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性、安全性和應(yīng)用場(chǎng)景等方面進(jìn)行了比較，如表4所示。

表4 各類車載操作系統(tǒng)功能屬性對(duì)比

隨著智能化和互聯(lián)化的不斷深入發(fā)展，單一的車用操作系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足不斷豐富的車內(nèi)信息娛樂(lè)功能需求，因此車用操作系統(tǒng)逐漸向多操作系統(tǒng)架構(gòu)過(guò)渡。多操作系統(tǒng)架構(gòu)主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是基于硬件隔離的架構(gòu)，另一種是基于虛擬化管理技術(shù)（Hypervisor）的架構(gòu)。硬件隔離架構(gòu)通過(guò)在物理層面上進(jìn)行硬件分區(qū)，簡(jiǎn)化了相應(yīng)的資源分配管理問(wèn)題，易于開(kāi)發(fā)。然而，固定的硬件分區(qū)可能導(dǎo)致靈活性較差，并且可能造成一定程度的資源浪費(fèi)。而基于Hypervisor進(jìn)行多操作系統(tǒng)隔離和管理可以避免系統(tǒng)資源的固定分配，提高資源利用率。此外，它利用主機(jī)內(nèi)存作為數(shù)據(jù)交互媒介，顯著提高了數(shù)據(jù)共享能力。但是，同時(shí)也增加了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性和安全風(fēng)險(xiǎn)。

研究展望

當(dāng)前，關(guān)于智能網(wǎng)聯(lián)汽車（ICV）的多域電子/電氣（E/E）架構(gòu)研究正日益增多。各國(guó)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都在進(jìn)行大量的研究，并且一些大型汽車制造商已經(jīng)在先進(jìn)車型上進(jìn)行了初步部署。然而，由于E/E架構(gòu)涉及的要素綜合性和復(fù)雜性，目前還沒(méi)有形成一套完備的E/E架構(gòu)設(shè)計(jì)理論、工程方法以及工具軟件。因此，建議進(jìn)一步加強(qiáng)以下研究方向。

（1）加強(qiáng)架構(gòu)總體設(shè)計(jì)理論和方法的研究

目前業(yè)界的架構(gòu)開(kāi)發(fā)仍然主要依賴于工程經(jīng)驗(yàn)，但隨著功能的復(fù)雜化、需求的多元化和迭代的快速化，僅憑經(jīng)驗(yàn)很難得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)效果。因此，需要盡快形成完整的設(shè)計(jì)理論和方法，從總體設(shè)計(jì)理論到工程實(shí)踐應(yīng)用，為架構(gòu)總體設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。未來(lái)的研究應(yīng)該從ICV的E/E架構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題的本質(zhì)出發(fā)，研究實(shí)現(xiàn)安全性、經(jīng)濟(jì)性和可擴(kuò)展性的設(shè)計(jì)機(jī)理。通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，可以梳理汽車功能需求、安全需求與架構(gòu)設(shè)計(jì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，完成需求的規(guī)范化建模和功能的準(zhǔn)確分割?；诂F(xiàn)有的主流架構(gòu)和技術(shù)水平，可以開(kāi)展架構(gòu)建模、系統(tǒng)優(yōu)化和分析的研究，形成架構(gòu)設(shè)計(jì)的理論和方法。

（2）構(gòu)建軟件、硬件和通信接口的標(biāo)準(zhǔn)體系

架構(gòu)設(shè)計(jì)涉及到車內(nèi)的軟件、硬件和通信系統(tǒng)，以及與車外的車端、路端和云端的互通。各類接口復(fù)雜多樣，單一廠商很難完成所有接口的端到端設(shè)計(jì)。只有形成軟件、硬件和通信接口的標(biāo)準(zhǔn)體系，才能讓產(chǎn)業(yè)鏈各方充分發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，使整車廠能夠根據(jù)架構(gòu)總體設(shè)計(jì)框架進(jìn)行集成和靈活配置，推動(dòng)ICV的快速落地。在自頂向下的服務(wù)設(shè)計(jì)上，標(biāo)準(zhǔn)化接口應(yīng)使應(yīng)用層和通信層開(kāi)發(fā)專注于業(yè)務(wù)邏輯，不受限于硬件實(shí)現(xiàn)；在自底向上的抽象設(shè)計(jì)上，應(yīng)使底層硬件設(shè)備能夠關(guān)注不同車型差異，具備通過(guò)對(duì)配置的靈活更改以減小代碼差異的能力。

（3）開(kāi)發(fā)E/E架構(gòu)的仿真測(cè)試驗(yàn)證體系

E/E架構(gòu)的仿真評(píng)估技術(shù)是驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性和實(shí)現(xiàn)快速迭代更新的基礎(chǔ)。因此，需要建立多層級(jí)、一體化、虛實(shí)結(jié)合的E/E架構(gòu)測(cè)試驗(yàn)證體系?？梢蚤_(kāi)展融合虛擬仿真、封閉場(chǎng)景和開(kāi)放道路測(cè)試的多環(huán)境交互技術(shù)研究，研發(fā)適用于失效分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的E/E仿真場(chǎng)景庫(kù)挖掘和重構(gòu)技術(shù)，開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)性評(píng)估仿真分析平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)架構(gòu)評(píng)估和仿真測(cè)試的平臺(tái)化和標(biāo)準(zhǔn)化。同時(shí)，還需要針對(duì)硬件在環(huán)和實(shí)車在環(huán)測(cè)試的物理信號(hào)高保真和實(shí)時(shí)模擬技術(shù)，開(kāi)發(fā)網(wǎng)聯(lián)場(chǎng)景下的通信信號(hào)模擬裝置，逐步建設(shè)多層級(jí)的E/E架構(gòu)測(cè)試驗(yàn)證體系，形成部件級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和整車級(jí)多層次的測(cè)試評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)E/E架構(gòu)測(cè)試驗(yàn)證體系的一體化設(shè)計(jì)。

（4）加強(qiáng)多維度冗余架構(gòu)體系設(shè)計(jì)與信息安全縱深防護(hù)技術(shù)研究

為了應(yīng)對(duì)ICV架構(gòu)失效的隱蔽性和突發(fā)性難題，需要針對(duì)冗余架構(gòu)體系下的傳感器、控制器和執(zhí)行器層面進(jìn)行故障檢測(cè)方法和主動(dòng)重構(gòu)控制理論的研究，探索高效精準(zhǔn)的故障檢測(cè)方法，建立完善的主動(dòng)重構(gòu)控制機(jī)制，確保在一定故障下ICV仍具備正常行駛能力。為了確保高級(jí)別自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全和信息安全，需要從外部網(wǎng)聯(lián)安全、域間控制安全、車載網(wǎng)絡(luò)通信安全和控制器本體安全等多個(gè)維度出發(fā)，構(gòu)建多層縱深防御體系，構(gòu)建縱深防護(hù)技術(shù)理論，既保證系統(tǒng)安全，又降低冗余度和系統(tǒng)復(fù)雜性。

（5）加速ICV核心部件產(chǎn)業(yè)鏈的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程

我國(guó)在ICV領(lǐng)域已經(jīng)具備了先發(fā)優(yōu)勢(shì)，但在高算力芯片、車用操作系統(tǒng)和架構(gòu)設(shè)計(jì)工具軟件等方面，與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在一定差距。雖然出現(xiàn)了大量國(guó)產(chǎn)化方案，但其功能完整度和產(chǎn)業(yè)支持配套相對(duì)較弱，尚未形成完整的國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)鏈。因此，當(dāng)前我國(guó)需要進(jìn)一步加快關(guān)鍵技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)，將先發(fā)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為領(lǐng)跑實(shí)力，努力發(fā)展具有獨(dú)立自主特色的中國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)，提高自主品牌的競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)向高質(zhì)量發(fā)展邁進(jìn)。

總結(jié)

多領(lǐng)域電子/電氣(E/E)架構(gòu)對(duì)于智能連接車輛(ICV)的普及和實(shí)現(xiàn)其預(yù)期功能具有重要意義。然而，在目前階段，該領(lǐng)域仍然缺乏完善的方法論、技術(shù)理論體系和工具鏈，行業(yè)仍處于摸索和研究階段，需要進(jìn)行大量的研究和實(shí)踐。

編輯：黃飛