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軟件定義汽車(chē)技術(shù)體系研究

2021-09-12 20:02:41·  來(lái)源：汽車(chē)材料網(wǎng)  
　
當(dāng)今，智能汽車(chē)已成為全球汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)展方向，汽車(chē)技術(shù)與工程核心逐漸從傳統(tǒng)硬件層面轉(zhuǎn)移到軟件層面，軟件定義汽車(chē)成為未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的重要趨勢(shì)。本文中通過(guò)
當(dāng)今，智能汽車(chē)已成為全球汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)展方向，汽車(chē)技術(shù)與工程核心逐漸從傳統(tǒng)硬件層面轉(zhuǎn)移到軟件層面，軟件定義汽車(chē)成為未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的重要趨勢(shì)。本文中通過(guò)對(duì)比分析傳統(tǒng)汽車(chē)與軟件定義汽車(chē)，提出軟件定義汽車(chē)整車(chē)開(kāi)發(fā)、整車(chē)物理結(jié)構(gòu)和整車(chē)信息結(jié)構(gòu)，以及技術(shù)體系。
 
關(guān)鍵詞：軟件定義汽車(chē)；技術(shù)體系；整車(chē)開(kāi)發(fā)；整車(chē)物理結(jié)構(gòu)；整車(chē)信息結(jié)構(gòu)
 
前言：新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革方興未艾，作為新技術(shù)集成應(yīng)用最佳載體之一的汽車(chē)正加速向智能化轉(zhuǎn)型，智能汽車(chē)已成為全球汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略方向。
 
整車(chē)電子系統(tǒng)功能復(fù)雜度呈指數(shù)級(jí)上升，軟件占比持續(xù)增大。有數(shù)據(jù)顯示，2010 年主流車(chē)型約含1 000 萬(wàn)源代碼行數(shù)，而2016 年達(dá)到約1.5 億行。2018 年軟件約占D 級(jí)車(chē)或大型乘用車(chē)整車(chē)價(jià)值的10%，據(jù)摩根士丹利估算，未來(lái)軟件價(jià)值占比將達(dá)到60%左右。整車(chē)技術(shù)與工程核心正從傳統(tǒng)硬件層面轉(zhuǎn)移到軟件，大眾汽車(chē)表示，軟件創(chuàng)新將占未來(lái)汽車(chē)創(chuàng)新的90%左右。
 
車(chē)輛架構(gòu)正朝著以通用計(jì)算平臺(tái)為基礎(chǔ)、面向服務(wù)架構(gòu)的方向發(fā)展。未來(lái)車(chē)輛差異化將更多體現(xiàn)在軟件和先進(jìn)電子技術(shù)賦能的用戶(hù)交互界面和體驗(yàn)層面，軟件將帶動(dòng)汽車(chē)技術(shù)革新，引領(lǐng)產(chǎn)品差異化。軟件定義汽車(chē)（software defined vehicles，SDV）是大勢(shì)所趨。
 
軟件定義汽車(chē)具體是指在模塊化和通用化硬件平臺(tái)支撐下，以人工智能為核心的軟件技術(shù)決定整車(chē)功能的未來(lái)汽車(chē)。
軟件定義汽車(chē)功能的增加與升級(jí)可通過(guò)軟件的遠(yuǎn)程部署與更新來(lái)實(shí)現(xiàn)，汽車(chē)硬件將成為模塊化、通用化的平臺(tái)和資源池，支撐整車(chē)軟件多樣化開(kāi)發(fā)與部署。
軟件定義汽車(chē)已引起業(yè)內(nèi)外廣泛關(guān)注，但尚未有文獻(xiàn)提出軟件定義汽車(chē)的整車(chē)開(kāi)發(fā)、整車(chē)物理結(jié)構(gòu)、整車(chē)信息結(jié)構(gòu)，軟件定義汽車(chē)技術(shù)體系也無(wú)明確架構(gòu)。本文中提出軟件定義汽車(chē)整車(chē)開(kāi)發(fā)、整車(chē)物理結(jié)構(gòu)以及整車(chē)信息結(jié)構(gòu)，并總結(jié)提出軟件定義汽車(chē)技術(shù)體系。
本文內(nèi)容結(jié)構(gòu)如下：第1 章討論軟件定義汽車(chē)整車(chē)開(kāi)發(fā)；第2 章討論軟件定義汽車(chē)整車(chē)物理結(jié)構(gòu)；第3章討論軟件定義汽車(chē)整車(chē)信息結(jié)構(gòu)；第4章提出軟件定義汽車(chē)技術(shù)體系；第5章進(jìn)行總結(jié)。
1 整車(chē)開(kāi)發(fā)
1.1 整車(chē)開(kāi)發(fā)流程
 
1.1.1 傳統(tǒng)汽車(chē)整車(chē)開(kāi)發(fā)流程
整車(chē)開(kāi)發(fā)流程界定一輛汽車(chē)從概念設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)到制造、最后轉(zhuǎn)化為商品的整個(gè)過(guò)程中各業(yè)務(wù)部門(mén)的責(zé)任和活動(dòng)，是構(gòu)建汽車(chē)研發(fā)體系的核心。
傳統(tǒng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)流程一般包含策劃階段、概念設(shè)計(jì)階段、工程設(shè)計(jì)階段、樣車(chē)試驗(yàn)階段和量產(chǎn)階段。目前，國(guó)際汽車(chē)廠商的研發(fā)流程已有成熟模板，圖1展示了通用汽車(chē)的全球整車(chē)開(kāi)發(fā)流程。
 
圖1 通用汽車(chē)全球整車(chē)開(kāi)發(fā)流程
1.1.2 軟件定義汽車(chē)整車(chē)開(kāi)發(fā)流程
軟件定義汽車(chē)整車(chē)開(kāi)發(fā)流程在整體上仍包含上述5個(gè)階段，但具備以下顯著不同點(diǎn)。
軟件開(kāi)發(fā)比重將大幅增加。據(jù)摩根士丹利估計(jì)，未來(lái)軟件價(jià)值占比可能達(dá)60%左右。此外，大眾汽車(chē)表示，到2030 年軟件開(kāi)發(fā)成本將占整車(chē)開(kāi)發(fā)成本的一半左右。
軟硬件開(kāi)發(fā)解耦，但持續(xù)協(xié)同，如圖2 所示。軟件定義汽車(chē)通過(guò)軟硬件開(kāi)發(fā)的有效解耦與持續(xù)協(xié)同，使軟件開(kāi)發(fā)、驗(yàn)證、交付等不依賴(lài)于整車(chē)硬件開(kāi)發(fā)進(jìn)度，在開(kāi)發(fā)各個(gè)階段都能即時(shí)釋放軟件產(chǎn)品。
 
圖2 軟硬件解耦、持續(xù)協(xié)同
硬件開(kāi)發(fā)向架構(gòu)化、模塊化、工具箱策略趨勢(shì)發(fā)展，如圖3所示。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外主要車(chē)企在整車(chē)開(kāi)發(fā)上都注重發(fā)展平臺(tái)化，將不同產(chǎn)品的子系統(tǒng)、零部件通用化。架構(gòu)化、模塊化的概念則基于平臺(tái)化，當(dāng)平臺(tái)數(shù)量過(guò)多時(shí)會(huì)導(dǎo)致冗余浪費(fèi)，通過(guò)研究平臺(tái)間的關(guān)系，形成統(tǒng)一架構(gòu)整合各平臺(tái)。平臺(tái)化的概念側(cè)重于物理上的共用零件，而架構(gòu)化的概念側(cè)重于設(shè)計(jì)過(guò)程上的同方法和制造過(guò)程中的模塊化。工具箱策略則是指不論車(chē)輛尺寸和性能，各種車(chē)型都可以通過(guò)已有整車(chē)開(kāi)發(fā)工具箱內(nèi)的模塊集成拼裝組成。
 
圖3 大眾汽車(chē)平臺(tái)模塊化戰(zhàn)略（圖片來(lái)自大眾）
從開(kāi)發(fā)策略與汽車(chē)等級(jí)的關(guān)系角度來(lái)看，平臺(tái)化是單汽車(chē)等級(jí)的協(xié)同增效，底盤(pán)件共用等策略化僅適用于特定汽車(chē)等級(jí)的開(kāi)發(fā)，架構(gòu)化和模塊化適用于多汽車(chē)等級(jí)的開(kāi)發(fā)，工具箱策略則覆蓋所有汽車(chē)等級(jí)的開(kāi)發(fā)需求。
用戶(hù)需求導(dǎo)向的定制化開(kāi)發(fā)。軟件定義汽車(chē)將從單一交通工具轉(zhuǎn)變?yōu)橛脩?hù)的第三生活空間，整車(chē)開(kāi)發(fā)將更加注重用戶(hù)需求，以用戶(hù)需求為導(dǎo)向。
總體上，軟件定義汽車(chē)整車(chē)開(kāi)發(fā)流程是雙閉環(huán)開(kāi)發(fā)流程，包括車(chē)輛開(kāi)發(fā)與軟件迭代兩個(gè)層面，如圖4 所示。車(chē)輛開(kāi)發(fā)主要是指新車(chē)的開(kāi)發(fā)階段，總體上包括策劃階段、概念設(shè)計(jì)階段、工程設(shè)計(jì)階段、樣車(chē)試驗(yàn)階段、量產(chǎn)階段等；軟件迭代主要是指在用戶(hù)使用階段，通過(guò)交互評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)采集、用戶(hù)畫(huà)像構(gòu)建指導(dǎo)軟件開(kāi)發(fā)，利用OTA 遠(yuǎn)程升級(jí)等技術(shù)進(jìn)行軟件遠(yuǎn)程更新迭代。
 
圖4 軟件定義汽車(chē)雙閉環(huán)整車(chē)開(kāi)發(fā)流程
軟件定義汽車(chē)整車(chē)開(kāi)發(fā)流程形成雙閉環(huán)，第一個(gè)閉環(huán)是指通過(guò)交互評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)采集、用戶(hù)畫(huà)像構(gòu)建可指導(dǎo)新車(chē)開(kāi)發(fā)，另一個(gè)閉環(huán)是指用戶(hù)使用階段可以借助OTA技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟件持續(xù)更新迭代。
在車(chē)輛全生命周期中，軟件迭代過(guò)程持續(xù)進(jìn)行，因此整車(chē)開(kāi)發(fā)也成為具備生命力的持續(xù)開(kāi)發(fā)過(guò)程，直至車(chē)輛報(bào)廢。
1.2 整車(chē)開(kāi)發(fā)模式
 
1.2.1 傳統(tǒng)汽車(chē)整車(chē)開(kāi)發(fā)模式
傳統(tǒng)汽車(chē)整車(chē)開(kāi)發(fā)模式是一種V 型開(kāi)發(fā)模式，如圖5所示。V型左側(cè)涵蓋需求分析，右側(cè)對(duì)應(yīng)模塊測(cè)試，可在軟硬件模型完整構(gòu)建前完成集成測(cè)試方案設(shè)計(jì)，并有效保證測(cè)試方法與對(duì)應(yīng)模塊的兼容性，高效定位測(cè)試問(wèn)題。但傳統(tǒng)V型開(kāi)發(fā)模式中“整車(chē)-系統(tǒng)-子系統(tǒng)-軟硬件”的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)順序局限于有明確需求導(dǎo)向的整車(chē)開(kāi)發(fā)，難以適應(yīng)軟件定義汽車(chē)功能快速迭代的需求。
1.2.2 軟件定義汽車(chē)整車(chē)開(kāi)發(fā)模式
 
圖5 傳統(tǒng)汽車(chē)整車(chē)開(kāi)發(fā)模式
軟件開(kāi)發(fā)對(duì)軟件定義汽車(chē)整車(chē)開(kāi)發(fā)模式的構(gòu)建舉足輕重。傳統(tǒng)迭代式軟件開(kāi)發(fā)模式下，每一次迭代都遍歷需求分析、分析設(shè)計(jì)和測(cè)試等流程，并產(chǎn)生最終產(chǎn)品的一個(gè)子集。多期不間斷的迭代使產(chǎn)品更適應(yīng)多變的需求。此外，敏捷開(kāi)發(fā)、螺旋式開(kāi)發(fā)等軟件開(kāi)發(fā)模式也能提升軟件產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率。
軟件定義汽車(chē)整車(chē)開(kāi)發(fā)模式如圖6 所示，將結(jié)合傳統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)和整車(chē)V 型開(kāi)發(fā)模式的優(yōu)點(diǎn)，具備快速迭代、持續(xù)集成、并行開(kāi)發(fā)、多平臺(tái)適用及用戶(hù)個(gè)性化等特點(diǎn)。
軟件定義汽車(chē)開(kāi)發(fā)模式中，首先進(jìn)行系統(tǒng)解耦分析，將整車(chē)解耦為子系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，然后進(jìn)入持續(xù)集成開(kāi)發(fā)階段，按照“設(shè)計(jì)-開(kāi)發(fā)-測(cè)試-發(fā)布”循環(huán)往復(fù)進(jìn)行，持續(xù)將軟硬件集成至系統(tǒng)主干上，最終完成發(fā)布。在持續(xù)集成開(kāi)發(fā)階段，各類(lèi)開(kāi)發(fā)工具平臺(tái)如CarSim、PreScan、CARLA 等的適用性可使整車(chē)開(kāi)發(fā)效率大大提升。
 
圖6 軟件定義汽車(chē)整車(chē)開(kāi)發(fā)模式
整車(chē)投入使用后，根據(jù)用戶(hù)反饋情況進(jìn)行快速迭代，再次遍歷“系統(tǒng)需求分析-持續(xù)集成”的流程并通過(guò)OTA技術(shù)完成功能發(fā)布。
軟件定義汽車(chē)整車(chē)開(kāi)發(fā)模式繼承了傳統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)模式的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)并行開(kāi)發(fā)、持續(xù)集成，高效利用多開(kāi)發(fā)工具平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，可極大提升整車(chē)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和測(cè)試效率。同時(shí)，利用快速迭代的軟件開(kāi)發(fā)模式可使用戶(hù)個(gè)性化需求得到最大程度的滿(mǎn)足，使整車(chē)開(kāi)發(fā)貫穿全產(chǎn)品使用周期。
2 整車(chē)物理結(jié)構(gòu)
整車(chē)物理結(jié)構(gòu)具體是指車(chē)輛中的物理硬件機(jī)械結(jié)構(gòu)，包括動(dòng)力系統(tǒng)硬件、底盤(pán)硬件、傳感器、控制器、執(zhí)行器、車(chē)身和座艙等。
2.1 傳統(tǒng)汽車(chē)整車(chē)物理結(jié)構(gòu)
 
傳統(tǒng)汽車(chē)的整車(chē)物理結(jié)構(gòu)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)、電氣設(shè)備、車(chē)身等4個(gè)部分組成，如圖7所示。
 
圖7 傳統(tǒng)汽車(chē)整車(chē)硬件架構(gòu)組成
發(fā)動(dòng)機(jī)是傳統(tǒng)汽車(chē)的心臟，為汽車(chē)提供動(dòng)力。底盤(pán)負(fù)責(zé)支承、安裝發(fā)動(dòng)機(jī)及其各部件、總成，形成汽車(chē)的整體造型，承受發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，保證正常行駛。電氣設(shè)備負(fù)責(zé)起動(dòng)控制、點(diǎn)火控制、照明與信號(hào)系統(tǒng)、電動(dòng)輔助控制等，主要包括蓄電池、發(fā)電機(jī)、起動(dòng)系、燈光與信號(hào)系統(tǒng)、信息顯示系統(tǒng)、輔助電氣系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)等。車(chē)身包括車(chē)窗、車(chē)門(mén)、駕駛艙、乘客艙、發(fā)動(dòng)機(jī)艙、行李艙等。
2.2 軟件定義汽車(chē)整車(chē)物理結(jié)構(gòu)
軟件定義汽車(chē)整車(chē)物理結(jié)構(gòu)主要包括動(dòng)力系統(tǒng)、環(huán)境感知系統(tǒng)、決策規(guī)劃系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、智能座艙等。
值得注意的是，軟件定義汽車(chē)整車(chē)物理結(jié)構(gòu)具有可被定義性與可被定義級(jí)別。軟件定義汽車(chē)整車(chē)物理結(jié)構(gòu)作為通用化的硬件資源池，支持各種軟件功能的實(shí)現(xiàn)。軟件定義依據(jù)軟件功能種類(lèi)、復(fù)雜度的不同具有不同級(jí)別，進(jìn)而對(duì)整車(chē)物理結(jié)構(gòu)的要求不同，因而整車(chē)物理結(jié)構(gòu)可被軟件定義。整車(chē)物理結(jié)構(gòu)的可被定義級(jí)別越高，整車(chē)能支持越多、越復(fù)雜的軟件功能。從整車(chē)開(kāi)發(fā)角度來(lái)看，整車(chē)物理結(jié)構(gòu)的可被定義級(jí)別將成為一個(gè)開(kāi)發(fā)選項(xiàng)，能夠針對(duì)不同需求的用戶(hù)群體進(jìn)行專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)，促進(jìn)整車(chē)硬件開(kāi)發(fā)的定制化。

下面對(duì)軟件定義汽車(chē)整車(chē)物理結(jié)構(gòu)的主要組成部分進(jìn)行簡(jiǎn)要梳理。
（1）動(dòng)力系統(tǒng)
近年來(lái)，多國(guó)陸續(xù)出臺(tái)禁售燃油車(chē)或支持新能源汽車(chē)的政策，電動(dòng)化具有促進(jìn)能源多樣化、提高能量轉(zhuǎn)換效率、具備更大減排潛力等優(yōu)點(diǎn)，是汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。在我國(guó)，新能源汽車(chē)包括純電動(dòng)汽車(chē)、插電式混合動(dòng)力汽車(chē)與燃料電池汽車(chē)。相比傳統(tǒng)汽車(chē)以發(fā)動(dòng)機(jī)為主的動(dòng)力系統(tǒng)，未來(lái)軟件定義汽車(chē)將以上述電動(dòng)化動(dòng)力系統(tǒng)為主。
（2）環(huán)境感知系統(tǒng)
自動(dòng)駕駛技術(shù)是車(chē)輛智能化的核心體現(xiàn)，主要包括環(huán)境感知、決策規(guī)劃和車(chē)輛控制3 大部分，軟件定義汽車(chē)整車(chē)物理結(jié)構(gòu)將涵蓋環(huán)境感知系統(tǒng)、決策規(guī)劃系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。
環(huán)境感知系統(tǒng)主要包括車(chē)身狀態(tài)感知、交通狀態(tài)感知、車(chē)輛同所有交通參與者（vehicle to everything，V2X）網(wǎng)聯(lián)通信等。
車(chē)身狀態(tài)感知主要有車(chē)輛速度、角度傳感器、組合導(dǎo)航系統(tǒng)等，通過(guò)傳感器獲取車(chē)輛實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，并作為輸入信息提供給后續(xù)模塊。
交通狀態(tài)感知主要包括各種環(huán)境感知傳感器，如相機(jī)、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)等。多種傳感器可通過(guò)數(shù)據(jù)融合技術(shù)克服單一傳感器缺陷，提升感知綜合性能。
V2X網(wǎng)聯(lián)通信使自車(chē)能夠與外界車(chē)輛（車(chē)車(chē)通信，vehicle to vehicle，V2V）、道路設(shè)施（車(chē)路通信，vehicle to infrastructure，V2I）、行人（車(chē)人通信，vehicle to pedestrian，V2P）等進(jìn)行通信。V2X 網(wǎng)聯(lián)通信強(qiáng)調(diào)車(chē)輛、道路和使用者3 者之間的聯(lián)系，通過(guò)實(shí)時(shí)獲取交通信息，提升安全性和效率。
（3）決策規(guī)劃系統(tǒng)
決策規(guī)劃系統(tǒng)硬件主要是高性能的計(jì)算單元，如CPU、GPU、FPGA、ASIC 等。車(chē)輛在行駛過(guò)程中，計(jì)算單元負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)處理傳感器采集的數(shù)據(jù)。
在自動(dòng)駕駛算法初研階段可采用工控機(jī)集中計(jì)算。其集中式計(jì)算架構(gòu)有利于初期算法研發(fā)，但體積大、功耗高、不適于量產(chǎn)的缺點(diǎn)也限制了進(jìn)一步的應(yīng)用。
嵌入式域控制器是適用于算法較成熟后的自動(dòng)駕駛計(jì)算解決方案。軟件定義汽車(chē)內(nèi)部計(jì)算量顯著增大，通過(guò)將汽車(chē)劃分為功能域，各域包含一個(gè)域控制器負(fù)責(zé)該域的計(jì)算，可減少各模塊及功能間的相互干擾，提升安全性。
此外，融合固化的算法制作專(zhuān)用芯片，可有效集成傳感器和算法，直接處理原始數(shù)據(jù)，從而減輕后端計(jì)算平臺(tái)的計(jì)算負(fù)荷，降低芯片功耗。
（4）控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制車(chē)輛速度與轉(zhuǎn)向，使車(chē)輛跟蹤預(yù)先規(guī)劃的速度曲線與期望路徑。傳統(tǒng)控制方法包括PID 控制、滑?？刂?、模糊控制、模型預(yù)測(cè)控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制等。
與傳統(tǒng)車(chē)輛相比，線控技術(shù)將被更多地用來(lái)控制車(chē)輛轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、油門(mén)等，其主要特征是執(zhí)行機(jī)構(gòu)與操縱機(jī)構(gòu)沒(méi)有直接的機(jī)械連接，駕駛員的駕駛意圖將直接轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精確運(yùn)動(dòng)。線控系統(tǒng)技術(shù)要求對(duì)底盤(pán)進(jìn)行線控改裝，目前已具備自適應(yīng)巡航控制、緊急制動(dòng)、自動(dòng)泊車(chē)等功能的車(chē)輛可借用原有系統(tǒng)而不必過(guò)多改裝，通過(guò)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)控制。
（5）智能座艙
未來(lái)汽車(chē)座艙具備成為用戶(hù)的第三生活空間的巨大潛力。新一代通信技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)、人機(jī)交互、汽車(chē)芯片與操作系統(tǒng)等技術(shù)進(jìn)步將推動(dòng)智能座艙不斷發(fā)展，成為軟件定義汽車(chē)整車(chē)物理結(jié)構(gòu)的重要組成。
3 整車(chē)信息結(jié)構(gòu)
整車(chē)信息結(jié)構(gòu)具體是指車(chē)輛中涉及車(chē)內(nèi)外信息通信、軟件功能等的結(jié)構(gòu)，包括整車(chē)電子電氣架構(gòu)和車(chē)載網(wǎng)絡(luò)、軟件架構(gòu)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等。
軟件定義汽車(chē)整車(chē)信息結(jié)構(gòu)自下而上可分整車(chē)電子電氣架構(gòu)及車(chē)載網(wǎng)絡(luò)、軟件架構(gòu)和車(chē)聯(lián)網(wǎng)等3層，如圖8 所示。整車(chē)電子電氣架構(gòu)與車(chē)載網(wǎng)絡(luò)支撐車(chē)內(nèi)信息通信，軟件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)具體軟件功能，車(chē)聯(lián)網(wǎng)則實(shí)現(xiàn)車(chē)內(nèi)網(wǎng)、車(chē)際網(wǎng)與車(chē)載移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的融合。
 
圖8 軟件定義汽車(chē)整車(chē)信息結(jié)構(gòu)3層架構(gòu)
3.1 整車(chē)電子電氣架構(gòu)與車(chē)載網(wǎng)絡(luò)
 
3.1.1 傳統(tǒng)汽車(chē)電子電氣架構(gòu)與車(chē)載網(wǎng)絡(luò)
傳統(tǒng)汽車(chē)電子電氣架構(gòu)的發(fā)展主要經(jīng)歷了3 個(gè)階段，如圖9所示。
 
圖9 傳統(tǒng)汽車(chē)電子電氣架構(gòu)發(fā)展歷程
第1 代分布式電子電氣架構(gòu)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的鏈接方式，第2 代分布式電子電氣架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了功能模塊化，第3 代分布式電子電氣架構(gòu)增加了中央網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)更廣泛的不同功能子系統(tǒng)之間的通信，如圖10所示。
 
圖10 第3代分布式電子電氣架構(gòu)
車(chē)載網(wǎng)絡(luò)與電子電氣架構(gòu)的發(fā)展密切相關(guān)，現(xiàn)有主要車(chē)載網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型如表1所示。
表1 主要車(chē)載網(wǎng)絡(luò)
 
控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network，CAN）是汽車(chē)專(zhuān)用總線標(biāo)準(zhǔn)，主要用于控制數(shù)據(jù)傳輸，是目前在汽車(chē)行業(yè)應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)。本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（local interconnect network，LIN）是一種低成本通用串行總線，主要用于車(chē)門(mén)、天窗等控制。面向媒體的系統(tǒng)傳輸總線（media oriented system transport，MOST）主要用于多媒體流數(shù)據(jù)傳輸。FlexRay 車(chē)載網(wǎng)絡(luò)主要用于容錯(cuò)環(huán)境下的線控制動(dòng)等底盤(pán)系統(tǒng)應(yīng)用。
分布式電子電氣架構(gòu)使汽車(chē)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生了巨大變革，但目前該架構(gòu)的缺點(diǎn)和局限性也越來(lái)越明顯，如ECU 底層代碼兼容性差、代碼冗余、代碼復(fù)用性差、維護(hù)更新困難等，此外，軟件定義汽車(chē)對(duì)高帶寬與低延遲的需求顯著增長(zhǎng)，當(dāng)前總線網(wǎng)絡(luò)已不能滿(mǎn)足需求。
3.1.2 軟件定義汽車(chē)電子電氣架構(gòu)與車(chē)載網(wǎng)絡(luò)
目前正在發(fā)展中的新一代電子電氣架構(gòu)是基于域控制器和以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的集中式電子電氣架構(gòu)，如圖11 所示，這種架構(gòu)可改善傳統(tǒng)電子電氣架構(gòu)及車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題，適應(yīng)軟件定義汽車(chē)需求。
 
圖11 集中式電子電氣架構(gòu)
集中式電子電氣架構(gòu)仍劃分功能域，各功能域包含強(qiáng)大的域控制器（domain control unit，DCU），域控制器集成了復(fù)雜且相對(duì)集中的功能，并集成了網(wǎng)關(guān)功能。域控制器的核心優(yōu)勢(shì)是其芯片計(jì)算能力的大幅提升，強(qiáng)大的計(jì)算能力使域控制器能夠接管域內(nèi)ECU 的信息計(jì)算處理功能，集中匯總、統(tǒng)一處理運(yùn)算ECU 的數(shù)據(jù)信息，并將處理后的數(shù)據(jù)信息發(fā)回給ECU執(zhí)行，這也將促進(jìn)提升ECU的整合程度。
基于域控制器的集中式電子電氣架構(gòu)使用以太網(wǎng)作為主干通信網(wǎng)絡(luò)，在域控制器下面可保留如CAN、LIN等傳統(tǒng)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)，以節(jié)約成本。
以太網(wǎng)具備高帶寬，采用靈活的星型連接拓?fù)?，每條鏈路可專(zhuān)享100 Mb/s及以上的帶寬。以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放、簡(jiǎn)單，適應(yīng)未來(lái)汽車(chē)與外界大量通信和網(wǎng)絡(luò)連接的發(fā)展趨勢(shì)。以太網(wǎng)靈活、帶寬可擴(kuò)展，適合連接各個(gè)子系統(tǒng)，促進(jìn)車(chē)載系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)管理。以太網(wǎng)能夠降低時(shí)間、生產(chǎn)和服務(wù)成本，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)落地。
基于域控制器的集中式電子電氣架構(gòu)和基于車(chē)載以太網(wǎng)的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)能夠滿(mǎn)足軟件定義汽車(chē)對(duì)信息處理計(jì)算能力、網(wǎng)絡(luò)帶寬的新需求，實(shí)現(xiàn)高算力，支撐軟件應(yīng)用持續(xù)升級(jí)，并增強(qiáng)與云端配合的分布式計(jì)算能力。因此，基于域控制器的集中式電子電氣架構(gòu)和基于車(chē)載以太網(wǎng)的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)很適合成為軟件定義汽車(chē)的電子電氣架構(gòu)與車(chē)載網(wǎng)絡(luò)。
3.2 軟件架構(gòu)
 
3.2.1 傳統(tǒng)汽車(chē)軟件架構(gòu)及發(fā)展趨勢(shì)
傳統(tǒng)汽車(chē)電子系統(tǒng)的軟件和硬件耦合在一起，ECU 軟件的開(kāi)發(fā)測(cè)試依賴(lài)于硬件，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)測(cè)試難度較大、靈活性很差。
基于此，AUTOSAR Classic 標(biāo)準(zhǔn)被提出，可滿(mǎn)足日益復(fù)雜的汽車(chē)軟件需求，在不同的硬件平臺(tái)上使用相似的軟件方案，共享軟件組件。
AUTOSAR Classic 采用分層體系架構(gòu)，在微控制器層上分為3 層，即應(yīng)用軟件層、中間件RTE、基礎(chǔ)軟件，如圖12所示。
 
圖12 AUTOSAR Classic體系架構(gòu)
AUTOSAR 分層體系架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了軟硬件模塊獨(dú)立。中間運(yùn)行環(huán)境RTE 有效隔離了上下層軟硬件，提升了軟件開(kāi)發(fā)測(cè)試效率。
面向自動(dòng)駕駛技術(shù)的電子電氣架構(gòu)要求配備具有高性能計(jì)算能力的控制器，當(dāng)前控制器的算力及通信的帶寬均需巨大升級(jí)。高性能計(jì)算能力（高吞吐量，高通信帶寬）除了需要硬件架構(gòu)上如異構(gòu)多核處理器、GPU加速等支持，也需要適配新的軟件架構(gòu)來(lái)支持跨平臺(tái)的計(jì)算處理能力、高性能微控制器的計(jì)算以及遠(yuǎn)程診斷等。此外，V2X 通信應(yīng)用涉及動(dòng)態(tài)通信及大量數(shù)據(jù)的有效分配，要求軟件架構(gòu)能夠支持云交互以及非AUTOSAR系統(tǒng)的集成。
AUTOSAR Classic 無(wú)法適應(yīng)這些新需求，因此在其基礎(chǔ)上又出現(xiàn)AUTOSAR Adaptive，基本架構(gòu)如圖13 所示，主要包括應(yīng)用層、運(yùn)行層、基礎(chǔ)服務(wù)層。
 
圖13 AUTOSAR Adaptive體系架構(gòu)
AUTOSAR Adaptive 面向高性能計(jì)算處理器架構(gòu)，其硬件層的算力更高，具有更高的吞吐量。在保證安全等級(jí)、降低小部分實(shí)時(shí)性的情況下，可滿(mǎn)足非實(shí)時(shí)性的架構(gòu)系統(tǒng)軟件的需求，并大大提高了高性能計(jì)算處理能力，支持大數(shù)據(jù)的并行處理、智能互聯(lián)應(yīng)用功能。
AUTOSAR Classic 及AUTOSAR Adaptive 架構(gòu)針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景可實(shí)現(xiàn)共存和協(xié)作，未來(lái)汽車(chē)很可能采用包含AUTOSAR Classic 以及AUTOSAR Adaptive的異構(gòu)軟件架構(gòu)。
3.2.2 軟件定義汽車(chē)軟件架構(gòu)
軟件定義汽車(chē)軟件架構(gòu)如圖14所示。軟件定義汽車(chē)軟件架構(gòu)將繼承AUTOSAR Classic 與AUTOSAR Adaptive的優(yōu)點(diǎn)，既支持高安全性、高實(shí)時(shí)性應(yīng)用場(chǎng)景，又支撐大數(shù)據(jù)并行處理、高性能計(jì)算應(yīng)用場(chǎng)景。在結(jié)構(gòu)上延續(xù)軟件分層架構(gòu)，按照解決方案設(shè)定、軟件開(kāi)發(fā)需求的不同，設(shè)置不同的概念層。
 
圖14 軟件定義汽車(chē)軟件架構(gòu)
軟件定義汽車(chē)的中間件將促進(jìn)應(yīng)用程序與硬件分離，承擔(dān)車(chē)輛重構(gòu)、軟件安裝升級(jí)的功能，推動(dòng)軟件抽象化和虛擬化，推動(dòng)汽車(chē)向面向服務(wù)的架構(gòu)轉(zhuǎn)變。
軟件定義汽車(chē)底層操作系統(tǒng)對(duì)車(chē)企來(lái)說(shuō)具有重要的戰(zhàn)略地位，未來(lái)缺少自己操作系統(tǒng)的車(chē)企可能只能成為代工性質(zhì)的企業(yè)。
3.3 車(chē)聯(lián)網(wǎng)
 
軟件定義汽車(chē)在車(chē)端將朝著完全自動(dòng)駕駛的智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)方向發(fā)展，如圖15 所示，智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)屬于智能汽車(chē)與車(chē)聯(lián)網(wǎng)的交集，因此車(chē)聯(lián)網(wǎng)將成為軟件定義汽車(chē)整車(chē)信息結(jié)構(gòu)里的重要一環(huán)。
 
圖15 智能汽車(chē)、智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)與車(chē)聯(lián)網(wǎng)等的關(guān)系
車(chē)聯(lián)網(wǎng)是指車(chē)輛物聯(lián)網(wǎng)，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于智能交通領(lǐng)域的產(chǎn)物。車(chē)聯(lián)網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)車(chē)與車(chē)、車(chē)與路、車(chē)與人、車(chē)與服務(wù)平臺(tái)之間的全方位網(wǎng)絡(luò)連接，全面提升汽車(chē)智能化水平。
4 軟件定義汽車(chē)技術(shù)體系
本節(jié)提出軟件定義汽車(chē)技術(shù)體系，如圖16 所示，軟件定義汽車(chē)技術(shù)體系總體上包括整車(chē)物理結(jié)構(gòu)、整車(chē)信息結(jié)構(gòu)、整車(chē)功能層、軟件開(kāi)發(fā)、硬件開(kāi)發(fā)、評(píng)價(jià)體系等。
整車(chē)物理結(jié)構(gòu)層主要包括電子硬件、車(chē)輛硬件等，整車(chē)物理結(jié)構(gòu)層作為模塊化、通用化的平臺(tái)和資源池，為整車(chē)信息結(jié)構(gòu)以及整車(chē)功能層提供底層支持。軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程注重用戶(hù)分析、敏捷開(kāi)發(fā)、定制化開(kāi)發(fā)等，主要利用OTA 等技術(shù)進(jìn)行軟件遠(yuǎn)程部署與更新。整車(chē)信息結(jié)構(gòu)包括車(chē)聯(lián)網(wǎng)、軟件架構(gòu)、整車(chē)電子電氣架構(gòu)及車(chē)載網(wǎng)絡(luò)。軟件架構(gòu)為分層架構(gòu)，包括應(yīng)用軟件層、中間件、基礎(chǔ)軟件層等。整車(chē)功能層包含具體的整車(chē)功能，如信息娛樂(lè)功能、智能人機(jī)交互、自動(dòng)駕駛功能、系統(tǒng)更新升級(jí)等。用戶(hù)使用過(guò)程中，可通過(guò)評(píng)價(jià)體系對(duì)整車(chē)功能進(jìn)行評(píng)估，包括主觀評(píng)價(jià)與客觀評(píng)價(jià)等。通過(guò)用戶(hù)分析與評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)反饋，結(jié)合人工智能與大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，進(jìn)行用戶(hù)畫(huà)像構(gòu)建，進(jìn)一步指導(dǎo)軟件開(kāi)發(fā)。
軟硬件在結(jié)構(gòu)上和開(kāi)發(fā)上均實(shí)現(xiàn)了有效解耦。在整個(gè)過(guò)程中，整車(chē)功能的定義與實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)軟件驅(qū)動(dòng)，整車(chē)物理結(jié)構(gòu)不再與某個(gè)特定功能集成綁定，而是被抽象成可以被軟件和服務(wù)共享的資源池，從而使汽車(chē)由軟件來(lái)定義。
 
圖16 軟件定義汽車(chē)技術(shù)體系
總體上，軟件定義汽車(chē)技術(shù)體系具備以下關(guān)鍵特性：整車(chē)軟硬件的解耦性、整車(chē)物理結(jié)構(gòu)的通用支撐性、整車(chē)物理結(jié)構(gòu)的可被定義性、整車(chē)功能的軟件定義性、整車(chē)軟件的可遠(yuǎn)程迭代升級(jí)性和交互與評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)可采性。
整車(chē)軟硬件的解耦性是指軟硬件在結(jié)構(gòu)及開(kāi)發(fā)層面實(shí)現(xiàn)了解耦，從而解放軟件，提升軟件開(kāi)發(fā)效率。
整車(chē)物理結(jié)構(gòu)的通用支撐性是指整車(chē)物理結(jié)構(gòu)成為模塊化、通用化的平臺(tái)和資源池，具備支撐整車(chē)軟件多樣化開(kāi)發(fā)與部署的能力。
整車(chē)物理結(jié)構(gòu)的可被定義性使整車(chē)物理結(jié)構(gòu)根據(jù)其軟件定義程度的不同而不同，可被定義級(jí)別成為開(kāi)發(fā)選項(xiàng)，使整車(chē)物理結(jié)構(gòu)具備靈活性和可定制性，以滿(mǎn)足多樣化需求。
整車(chē)功能的軟件定義性是指整車(chē)功能將主要由軟件來(lái)定義和實(shí)現(xiàn)，也即軟件定義汽車(chē)的基本含義與目標(biāo)。
整車(chē)軟件的可遠(yuǎn)程迭代升級(jí)性是指軟件可通過(guò)OTA 等技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程迭代升級(jí)，從而改變產(chǎn)品使用模式以及整車(chē)開(kāi)發(fā)模式，使汽車(chē)具有全周期生命力。
交互與評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)可采性是指能夠采集用戶(hù)交互與評(píng)價(jià)體系數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)分析，滿(mǎn)足個(gè)性化定制需求。
5 結(jié)論
軟件定義汽車(chē)是大勢(shì)所趨，本文中分析提出軟件定義汽車(chē)整車(chē)開(kāi)發(fā)、整車(chē)物理結(jié)構(gòu)和整車(chē)信息結(jié)構(gòu)，并總結(jié)提出軟件定義汽車(chē)技術(shù)體系。
在軟件定義汽車(chē)技術(shù)體系中，軟件定義汽車(chē)雙閉環(huán)開(kāi)發(fā)流程與并行開(kāi)發(fā)模式深入滲透軟硬件開(kāi)發(fā)，使汽車(chē)成為具有生命力的產(chǎn)品，使整車(chē)開(kāi)發(fā)在車(chē)輛全生命周期持續(xù)迭代進(jìn)行，整車(chē)物理結(jié)構(gòu)與整車(chē)信息結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)有效解耦，整車(chē)功能的定義與實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)軟件驅(qū)動(dòng)，整車(chē)物理結(jié)構(gòu)不再與特定功能綁定，而是被抽象成可以被軟件和服務(wù)共享的資源池，支撐軟件多樣化開(kāi)發(fā)與部署，從而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)由軟件定義。
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