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)無法滿足未來車路云網(wǎng)一體化發(fā)展的新需求。本文聚焦于未來智能網(wǎng)聯(lián)汽車的多域電子電氣架構(gòu)，并從總體設(shè)計、硬件系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)四個方面對現(xiàn)有技術(shù)進行了詳細的綜述，并展望了我國電子電氣架構(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)與移動計算、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)”一體化運行的全新智能交通系統(tǒng)，有望極大地提升未來交通系統(tǒng)的運力、能效、安全性和駕乘體驗。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)升級的必然趨勢。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)運輸工具向新一代智能終端轉(zhuǎn)型的物理載體，對汽車電子電氣架構(gòu)（electrical/electronic architecture，后文簡稱E/E架構(gòu)）的基礎(chǔ)設(shè)計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)計技術(shù)之一，對整車軟硬件系統(tǒng)的集成、功能實現(xiàn)、開發(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，現(xiàn)有E/E架構(gòu)面臨著一些不足之處，未來的E/E架構(gòu)設(shè)計應(yīng)該如何滿足ICV的復(fù)雜需求和適應(yīng)新技術(shù)趨勢是汽車領(lǐng)域關(guān)注的重要問題。

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

（1）在總體架構(gòu)設(shè)計上，現(xiàn)有基于經(jīng)驗的設(shè)計流程難以支持全開發(fā)周期的高精度設(shè)計，需要建立基于模型的設(shè)計理論和評估體系，以多元化需求為導(dǎo)向，加強架構(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。

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

（3）在通信系統(tǒng)設(shè)計上，現(xiàn)有的通信機制難以適應(yīng)急劇增長的數(shù)據(jù)傳輸需求，急需設(shè)計高帶寬、強實時性和低時延抖動的車載通信機制，加強通信網(wǎng)絡(luò)的可配置性和多通信協(xié)議的可擴展性。

（4）在軟件系統(tǒng)設(shè)計上，軟件功能的差異化和快速迭代將成為核心競爭力。軟件定義汽車（software defined vehicle，SDV）和基于服務(wù)的軟件設(shè)計理念成為系統(tǒng)軟件設(shè)計的基石，設(shè)計可解耦、可升級、易配置、高安全性和個性化的軟件將成為整車企業(yè)競爭的主戰(zhàn)場。

上述挑戰(zhàn)對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)的進一步發(fā)展是ICV架構(gòu)設(shè)計亟需解決的重大問題。

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

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)，并詳細論述各個架構(gòu)的特點如下。

1.1 分布式架構(gòu)

分布式E/E架構(gòu)根據(jù)汽車功能的不同進行劃分，每個電子控制單元（electronic control unit，ECU）的設(shè)計都基于特定的功能需求展開。在該架構(gòu)中，各個ECU通過CAN總線進行信息傳遞，以實現(xiàn)整車的功能。典型的硬件拓撲如圖1所示。在這種架構(gòu)中，每個ECU只負責單一功能的實現(xiàn)，一輛車通常分布著上百個ECU，它們不僅直接驅(qū)動執(zhí)行器和傳感器，還承擔著復(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，每次擴展一個功能，都需要增加相應(yīng)的ECU和通信信號。然而，由于ECU的計算能力有限，通信帶寬受限，功能升級困難等問題，這種架構(gòu)存在制約架構(gòu)升級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)的線束也會變得更長，增加了整車的質(zhì)量和成本，同時也給整車的布置和裝配帶來了很大的困擾。

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)功能將多個電控單元（ECU）的功能進行聚類，整車只部署幾個域控制器（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負責完成各個域的數(shù)據(jù)處理與功能決策，并對該域下屬的傳感器與執(zhí)行器進行控制管理。域之間通過中央網(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，同時也實現(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具備了強大的硬件計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、接口標準化以及信號性能的升級，域集中架構(gòu)代表了架構(gòu)設(shè)計思想從信號驅(qū)動模式轉(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，軟件的遠程升級（OTA）和硬件部署變得更加便捷，同時標準化的接口也使得傳感器和執(zhí)行器模塊無需與具體的ECU相對應(yīng)，從而支持零部件的標準化生產(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)進一步將域集中架構(gòu)中的多個DCU融合為一個或多個擁有更強算力的多核異構(gòu)SoC芯片和多種操作系統(tǒng)組合的中央計算平臺（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)的典型拓撲如圖3和圖4所示。在這種架構(gòu)中，各采集和執(zhí)行節(jié)點通過ZCU將原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€或多個CCP中進行處理，所有數(shù)據(jù)處理和決策都在CCP中完成。

ZCU主要負責數(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ZCU之間通過以太網(wǎng)構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，進一步提高通信冗余和可靠性。按照區(qū)域進行傳感器和執(zhí)行器的就近接入簡化了構(gòu)型布置，縮短了線束長度。如圖4所示，該架構(gòu)將整車控制計算功能全部集中到一個CCP中。然而，從目前的技術(shù)能力來看，圖3所代表的多CCP架構(gòu)在硬件設(shè)計、軟件開發(fā)和安全冗余等方面都要求更高，因此單CCP架構(gòu)是當前主流方案。

圖3 多中央計算單元的中央集中式架構(gòu)

圖4 單中央計算單元的中央集中式架構(gòu)

綜合來看，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)展帶來以下優(yōu)勢：

（1）算力集中化，提高算力利用率。在實際運行過程中，汽車的大部分時間只有部分芯片在執(zhí)行計算工作，導(dǎo)致分散的獨立功能ECU的計算能力處于閑置狀態(tài)。采用計算集中架構(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，導(dǎo)致跨部件和跨ECU級別特性的設(shè)計和開發(fā)效率低，升級困難等問題。集中式架構(gòu)為軟硬件解耦提供基礎(chǔ)，減少ECU數(shù)量，實現(xiàn)真正意義上的整車級特性開發(fā)，便于快速迭代和上市，大幅降低開發(fā)和升級成本。

（3）縮短整車線束長度和質(zhì)量，降低故障率。傳統(tǒng)的分布式ECU導(dǎo)致線束較長、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)通過實現(xiàn)執(zhí)行器、傳感器等部件的區(qū)域接入，縮短線束長度，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）車輛易于平臺化，擴展性增強。集中式架構(gòu)下，ECU的功能被弱化，傳感器和執(zhí)行器接口實現(xiàn)了標準化和通用化，域控制器和區(qū)域控制器可以根據(jù)需求進行配置調(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)計技術(shù)

2.1 架構(gòu)總體設(shè)計的主要任務(wù)

傳統(tǒng)汽車電子電氣架構(gòu)設(shè)計主要關(guān)注元器件的合理布局，以實現(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，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行權(quán)衡，設(shè)計硬件空間拓撲、連接拓撲和通信拓撲。

（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)計方案。

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

2.2 架構(gòu)總體設(shè)計與評估方法

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)計理論和方法的變革。目前，基于模型驅(qū)動系統(tǒng)工程（MBSE）的汽車電子電氣架構(gòu)設(shè)計開發(fā)方法逐漸受到重視。MBSE從電子電氣架構(gòu)設(shè)計的起始階段就以模型的形式進行表達，對各復(fù)雜系統(tǒng)的需求、結(jié)構(gòu)和行為等進行基于圖形的無歧義說明、分析和設(shè)計，從而在相關(guān)設(shè)計人員之間建立統(tǒng)一的交流平臺。MBSE方法可以解決整車電子電氣架構(gòu)研發(fā)過程中的工程數(shù)據(jù)不一致性、可驗證性和可追溯性等問題，降低整車產(chǎn)品開發(fā)的難度，盡早發(fā)現(xiàn)和避免潛在風險，提高開發(fā)效率，降低開發(fā)成本和后期維護成本。圖5展示了基于MBSE的汽車電子電氣架構(gòu)V字型設(shè)計開發(fā)流程。

圖5 V字型設(shè)計開發(fā)流程

電子電氣架構(gòu)設(shè)計是整車設(shè)計的核心任務(wù)之一，而電子電氣架構(gòu)評估則是架構(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)的主流開發(fā)設(shè)計流程和面向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)計的重點內(nèi)容主要包括以下5個方面：架構(gòu)需求定義、架構(gòu)功能設(shè)計、架構(gòu)拓撲設(shè)計、架構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計、架構(gòu)分析評估。

2.2.1 架構(gòu)需求定義

無論是傳統(tǒng)還是多域電子電氣架構(gòu)的開發(fā)，都必須從市場需求的角度出發(fā)，進行全面的需求分析?；诜治鲈u估，架構(gòu)需求定義需要確定功能方案實現(xiàn)的目標，制定開發(fā)車型的整車需求，明確整車系統(tǒng)和各個子系統(tǒng)的需求，并同時制定出整車驗證測試規(guī)范。通過需求分析，識別出開發(fā)目標和開發(fā)約束，是整個架構(gòu)設(shè)計的起點。

2.2.2 架構(gòu)功能設(shè)計

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

2.2.3 架構(gòu)拓撲設(shè)計

根據(jù)架構(gòu)功能，提取架構(gòu)的基本拓撲結(jié)構(gòu)，包括硬件拓撲架構(gòu)、連接拓撲架構(gòu)和通信拓撲架構(gòu)。通過對拓撲架構(gòu)的細化優(yōu)化，輸出最優(yōu)的拓撲方案，為其他設(shè)計部門提供軟硬件開發(fā)的設(shè)計規(guī)范。硬件拓撲架構(gòu)主要涉及硬件部件的整車安裝布局、內(nèi)部構(gòu)成以及對外接口的詳細信息，包括部件之間的組合關(guān)系和部件的內(nèi)部細節(jié)。連接拓撲架構(gòu)描述了各部件之間的邏輯連接方式和實現(xiàn)情況，包括具體的導(dǎo)線、線纜連接方式以及保險繼電器盒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)等。通信拓撲基于域間/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

根據(jù)前面階段制定的電源分配圖、接地點、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)計需要完成整車原理、接口定義和功能規(guī)范的設(shè)計，并建立整體架構(gòu)模型。通過拓撲層信息、已有的開發(fā)數(shù)據(jù)庫和經(jīng)驗輸入等條件的支持，實現(xiàn)正確的邏輯和算法定義。完成系統(tǒng)級電子電氣架構(gòu)的解決方案制定和系統(tǒng)級驗證測試規(guī)范制定。最終實現(xiàn)功能的下發(fā)，更新到產(chǎn)品部件設(shè)計中進行落實和驗證。

2.2.5 架構(gòu)分析評估

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

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

（2）平臺是否具有良好的可沿用性和公用性，能否滿足高等級自動駕駛和智能網(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)

為了減少總線長度和ECU數(shù)量，以實現(xiàn)減輕電子部件質(zhì)量和降低整車制造成本的目標，將分散的ECU按照功能進行劃分，集成為具有更強運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。車控域控制器負責整車動力系統(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的采集，集成高算力異構(gòu)計算平臺來支持復(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)航等信息進行環(huán)境識別和路徑規(guī)劃，并輸出整車控制指令，從而實現(xiàn)更高級別的智能駕駛功能。典型的智駕域控制器如圖6所示，計算平臺上集成了通用計算單元、AI計算單元、實時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、座艙娛樂系統(tǒng)、車聯(lián)網(wǎng)和遠程信息等功能，并同時充當人機交互接口。智能座艙域控制器需要具備強大的處理能力和復(fù)雜的操作系統(tǒng)，由主控芯片、實時微處理器、數(shù)字信號處理器、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)和交換機的角色，實現(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負責將電力傳輸?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絲（eFuse）替代傳統(tǒng)的繼電器和熔斷絲方案，以實現(xiàn)智能管理。同時，ZCU具備吸收區(qū)域內(nèi)其他ECU功能的能力，在服務(wù)層面對區(qū)域內(nèi)的功能進行抽象，實現(xiàn)控制I/O的虛擬化。由于涉及到對安全性、實時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級別的MCU，未來發(fā)展趨勢是引入高算力計算單元。

圖8 區(qū)域控制器功能示意圖

3.3 中央計算單元及關(guān)鍵技術(shù)

中央計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，它需要具備高帶寬和低時延的通信能力，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同時運行多個操作系統(tǒng)。硬件隔離式在軟件設(shè)計階段確定各個核心運行的操作系統(tǒng)，并在硬件上進行隔離，擁有專屬的硬件資源。而軟件隔離式中，操作系統(tǒng)沒有專屬的硬件資源，硬件資源由Hypervisor層進行動態(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)計和電源網(wǎng)絡(luò)的控制設(shè)計。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法再利用的問題。目前，電源系統(tǒng)的主要技術(shù)路線是保護和控制的融合，使用基于MOSFET的eFuse進行配電。單個芯片集成了驅(qū)動、電流檢測、熱保護、過壓保護、過流保護、EMC以及開路短路等各種診斷功能。

3.5 線束系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)

線束對整車電器電子功能的實現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用，也是架構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究熱點。在線束布置的總體設(shè)計中，需要充分考慮各種相關(guān)的邊界條件，并充分考慮各個相關(guān)組件對線束布置可能產(chǎn)生的影響，并對相關(guān)組件的設(shè)計提出相應(yīng)合理的要求。目前，線束系統(tǒng)的設(shè)計趨向于成熟化和全面化，基于PREEvision軟件展開的多維度、多目標線束建模、設(shè)計、評估和優(yōu)化方法極大地簡化了線束系統(tǒng)的設(shè)計過程，提高了設(shè)計效率，提升了設(shè)計效果。

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)來實現(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)共同在基于信號的通信和面向服務(wù)的通信之間提供連接。在未來，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、無輻射、難以竊聽等優(yōu)點，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的不斷提高，車載元器件數(shù)量呈指數(shù)級增長，信息數(shù)據(jù)量不斷增多，對車載總線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率、實時性、容錯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，將成為通信系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡(luò)，在未來引領(lǐng)下一代車載網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。目前來看，要形成一個統(tǒng)一的車載總線協(xié)議標準仍需要較長時間。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滿足不同的傳輸需求，進一步完善各種車載總線標準的兼容性和互操作性，以實現(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)鍵問題之一。

4.2 時間敏感網(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系統(tǒng)功能的不斷增強，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的高速率、高帶寬通信需求。時間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Network，TSN）被認為是解決以上問題的關(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、實時性、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10 Mb/s至10 Gb/s，并且使用非屏蔽雙絞線實現(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還具有良好的擴展性和通用性，能夠支持多種構(gòu)型的車載網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)不同應(yīng)用數(shù)據(jù)的傳輸。

對車載通信具有重要影響的TSN協(xié)議可以分為四種類型：時間同步、流量控制、可靠性和資源管理。接下來將對這些協(xié)議進行詳細介紹。

4.2.1 時間同步類協(xié)議

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

在多域電子電氣架構(gòu)中，時鐘同步精度是保證各個傳感器實現(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工業(yè)TSN的時鐘同步，但缺乏專門針對車內(nèi)TSN時鐘同步特性的研究。車內(nèi)通信環(huán)境與工業(yè)自動化系統(tǒng)有很大差異，車輛的振動、溫度變化、電磁干擾等因素會對時鐘同步的精度造成干擾。因此，需要進一步研究車內(nèi)TSN時鐘同步精度的影響因素，以確保實現(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

流量控制是實現(xiàn)TSN低時延傳輸和流確定性的關(guān)鍵技術(shù)之一。TSN的流量控制過程包括流量分類、流量整形、流量調(diào)度和流量搶占，對應(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)議的研究熱點領(lǐng)域主要包括：各類流量最大端到端時延分析，TSN流量整形方法研究和時間關(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)同作用機制以及協(xié)議在實際車載網(wǎng)絡(luò)場景下的應(yīng)用開展。

4.2.3 可靠性協(xié)議

TSN的可靠性指的是網(wǎng)絡(luò)對故障的預(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）機制，降低了流傳輸時幀擁堵或故障帶來的影響。主要針對控制類幀，嚴格限制丟包率，保證傳輸?shù)目煽啃浴EEE802.1Qci設(shè)置了幀的過濾與報錯（PSFP）機制，針對網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時流的處理問題，避免了流量的過載和錯誤交付，提高了系統(tǒng)的魯棒性。TSN可靠性問題的研究主要包括冗余機制、故障檢測以及同步故障下的可靠性。后續(xù)研究應(yīng)重點關(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網(wǎng)絡(luò)資源進行管理和配置，以及對性能數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和分析等。IEEE802.1Qat流預(yù)留協(xié)議解決了流的注冊與預(yù)留問題，是進行整形、調(diào)度和傳輸?shù)冗^程的前提。IEEE802.1Qcc協(xié)議解決了TSN網(wǎng)絡(luò)的集中管控問題，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)模型的實現(xiàn)和部署方案展開。這些研究成果為車輛TSN網(wǎng)絡(luò)資源管理的實現(xiàn)提供了重要的技術(shù)支持和借鑒。后續(xù)研究應(yīng)重點關(guān)注如何實現(xiàn)車載TSN的管理與配置，重點突破事件觸發(fā)流等隨機流的管理、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)遷移過程中，存在幾個亟待解決的難點：

（1）場景構(gòu)建問題：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，難以對事件觸發(fā)的隨機信號流進行建模。

（2）功能匹配問題：如何設(shè)計軟件來實現(xiàn)TSN的相關(guān)標準，以及TSN協(xié)議在車載場景下的執(zhí)行情況和效果如何，需要進行實驗驗證。

（3）硬件支持問題：目前支持TSN以太網(wǎng)的芯片相對較少，也沒有針對車載TSN的專業(yè)測試設(shè)備，搭建硬件實驗平臺較為困難。盡管面臨重重困難，但無法否定TSN在車載實時通信應(yīng)用方面的潛力。未來，TSN的帶寬優(yōu)勢有望進一步提高；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；隨著自動駕駛等級的提升，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一步提升；TSN協(xié)議的開放性也為學(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)存在以下問題：流量負載分布不均衡、報文發(fā)送延遲大、網(wǎng)絡(luò)吞吐量低、網(wǎng)絡(luò)模塊兼容性差和開放性低。這些問題不利于進一步的開發(fā)和創(chuàng)新，也不利于未來各車型智能車載系統(tǒng)的互聯(lián)互通。為了解決這個問題，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來，然后將所有的控制平面集中到一個邏輯上集中的控制器中，最后利用這個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、簡化網(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、移動性、服務(wù)效率、部署和標準化等方面還有許多亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。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景。

綜合上述，未來車載通信網(wǎng)絡(luò)將具有以下特點：

（1）未來車載的通信協(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景仍將保留。

（2）為應(yīng)對智能駕駛帶來的挑戰(zhàn)，車載網(wǎng)絡(luò)將實現(xiàn)更多的安全功能，SDVN的應(yīng)用將進一步提高網(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一步標準化，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)計的核心逐漸從硬件設(shè)計轉(zhuǎn)移到軟件開發(fā)。軟件成為塑造整車廠競爭力的核心要素。SDV的概念已成為產(chǎn)業(yè)界的共識，軟件的開發(fā)和升級將成為貫穿設(shè)計、銷售和服務(wù)的車輛全生命周期的關(guān)鍵組件?；赟DV的汽車整車開發(fā)流程將形成用戶交互評價信息指導(dǎo)新車開發(fā)、OTA技術(shù)實現(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)勢在于減少了硬件差異對軟件的影響，從設(shè)備抽象層與原子服務(wù)層的軟件設(shè)計追求多車復(fù)用與減少差異化。通過API標準化接口，減少重復(fù)勞動，降低軟件的復(fù)雜度，提高軟件的設(shè)計開發(fā)效率。在應(yīng)用層的設(shè)計則重點打造差異化與定制化功能，最終實現(xiàn)軟件組件的高附加值與個性化服務(wù)。同時，SDV和OTA技術(shù)的出現(xiàn)對汽車整車開發(fā)流程也帶來了新的變革。

5.1.2 軟硬件解耦與映射

SDV實現(xiàn)的重要前提是軟硬件解耦，它是指軟件系統(tǒng)的設(shè)計完全獨立于硬件，在軟件框架中通過對硬件接口進行抽象化處理來兼容不同硬件設(shè)備。軟硬件解耦的關(guān)鍵在于接口定義的標準化，這需要整個汽車產(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。實現(xiàn)軟硬件解耦對未來汽車開發(fā)、驗證和售后都將產(chǎn)生重要影響。

首先，軟硬件的解耦使得數(shù)據(jù)被從一個個子系統(tǒng)中解放出來，整車廠對功能實現(xiàn)的控制能力增強，這將對產(chǎn)業(yè)分工產(chǎn)生重要影響。其次，軟件可以脫離硬件進行獨立驗證，原本需要通過硬件在環(huán)測試的功能可以通過集成硬件環(huán)境的軟件在環(huán)測試進行驗證，這將極大地加快整車開發(fā)與測試速度，降低驗證成本。另外，汽車全生命周期的可升級將有效提高汽車售后的可維護性和安全性，通過遠程升級（OTA）軟件可以逐步解放功能，有效增強用戶體驗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。

伴隨著軟硬件解耦而來的是軟硬件映射問題，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)運算特點的功能軟件映射到匹配的處理器，實現(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題。多域E/E架構(gòu)引入了多種微處理器、大量異構(gòu)計算資源與通信鏈路組合，使得需要考慮的因素進一步復(fù)雜。早期的研究通常根據(jù)任務(wù)通信關(guān)系和屬性，考慮時間、成本以及功耗等因素對單核異構(gòu)系統(tǒng)進行軟硬件映射。隨著多核嵌入式芯片的發(fā)展，大量研究針對多核分布式異構(gòu)系統(tǒng)軟硬件映射問題提出優(yōu)化設(shè)計方法，優(yōu)化目標包括能耗優(yōu)化和硬件成本優(yōu)化等。車載多核異構(gòu)芯片對于成本、功耗、安全、算力和實時性等因素極其敏感，如何綜合考慮以上因素，根據(jù)功能設(shè)計專有芯片結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)易于解耦的軟硬件映射是未來車載主控芯片設(shè)計需要突破的關(guān)鍵難題。

5.2 面向服務(wù)的軟件設(shè)計

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)引入的先進理念，以其可重用、易升級、易部署和松耦合的特點，被認為是ICV汽車軟件發(fā)展的重要方向。SOA的理念是通過靈活的接口使服務(wù)不再局限于特定的功能環(huán)境，實現(xiàn)服務(wù)共享。在這一理念中，接口的定義需要遵循SOA標準，獨立于操作系統(tǒng)與硬件平臺。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)，使之逐漸開放、開源。

目前，汽車產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進行了與SOA軟件設(shè)計相關(guān)的實踐，并提出了基于SOA的軟件開發(fā)模式，驗證了SOA可以顯著降低系統(tǒng)復(fù)雜度，簡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展，各服務(wù)模塊之間通過基于服務(wù)的中間件進行通信，從而改變了車內(nèi)通信方式。傳統(tǒng)的基于信號的通信方式在車輛設(shè)計時就完成了通信矩陣的定義，信號的數(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)的中間件則通過在應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)之間進行一定的抽象，建立起服務(wù)與應(yīng)用之間的網(wǎng)絡(luò)連接。這種通信過程通常是動態(tài)的，在運行時可以進行配置，而不需要在設(shè)計時進行固化。

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）。它們在AutoSAR中都被集成為標準化模塊，因此被行業(yè)視為一流的解決方案。下表3對比了SOME/IP、DDS和基于信號驅(qū)動的通信機制。

表3 通信機制對比

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、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、動力、車身等功能領(lǐng)域，具有極高的實時性要求和ASIL-D級別的安全性要求。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）標準軟件架構(gòu)，相關(guān)技術(shù)已相對成熟?；贏UTOSAR CP的操作系統(tǒng)軟件開發(fā)相較傳統(tǒng)方式，實現(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了軟件的移植、復(fù)用、擴展、升級、安全和維護等能力，對于減少軟件開發(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)升級背景下，對高算力、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)展機遇期，各國都在初步探索階段。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)用程序之間標準編程接口規(guī)范的面向服務(wù)架構(gòu)的AUTOSAR Adaptive Platform（AUTOSAR AP）以應(yīng)對異構(gòu)芯片平臺上車輛智能駕駛服務(wù)的需求。

在車控操作系統(tǒng)領(lǐng)域，國內(nèi)外的大部分企業(yè)都基于AUTOSAR開發(fā)自己的系統(tǒng)，可以說AUTOSAR軟件架構(gòu)標準在車控操作系統(tǒng)領(lǐng)域起到了關(guān)鍵的引領(lǐng)和參考作用，是目前國際上主流的汽車標準軟件架構(gòu)。

基于AUTOSAR標準的軟件架構(gòu)實現(xiàn)離不開相應(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，助力國產(chǎn)化工具鏈的實踐落地。

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功能，對安全性和實時性要求相對較低，因此在這個領(lǐng)域的發(fā)展非常迅速。當前主流的車用操作系統(tǒng)在實時性、安全性和應(yīng)用場景等方面進行了比較，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)無法滿足不斷豐富的車內(nèi)信息娛樂功能需求，因此車用操作系統(tǒng)逐漸向多操作系統(tǒng)架構(gòu)過渡。多操作系統(tǒng)架構(gòu)主要有兩種實現(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)通過在物理層面上進行硬件分區(qū)，簡化了相應(yīng)的資源分配管理問題，易于開發(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。而基于Hypervisor進行多操作系統(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，同時也增加了系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜性和安全風險。

研究展望

當前，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。各國學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都在進行大量的研究，并且一些大型汽車制造商已經(jīng)在先進車型上進行了初步部署。然而，由于E/E架構(gòu)涉及的要素綜合性和復(fù)雜性，目前還沒有形成一套完備的E/E架構(gòu)設(shè)計理論、工程方法以及工具軟件。因此，建議進一步加強以下研究方向。

（1）加強架構(gòu)總體設(shè)計理論和方法的研究

目前業(yè)界的架構(gòu)開發(fā)仍然主要依賴于工程經(jīng)驗，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)驗很難得到最優(yōu)的設(shè)計效果。因此，需要盡快形成完整的設(shè)計理論和方法，從總體設(shè)計理論到工程實踐應(yīng)用，為架構(gòu)總體設(shè)計提供指導(dǎo)。未來的研究應(yīng)該從ICV的E/E架構(gòu)設(shè)計問題的本質(zhì)出發(fā)，研究實現(xiàn)安全性、經(jīng)濟性和可擴展性的設(shè)計機理。通過理論分析和試驗驗證，可以梳理汽車功能需求、安全需求與架構(gòu)設(shè)計之間的內(nèi)在聯(lián)系，完成需求的規(guī)范化建模和功能的準確分割?；诂F(xiàn)有的主流架構(gòu)和技術(shù)水平，可以開展架構(gòu)建模、系統(tǒng)優(yōu)化和分析的研究，形成架構(gòu)設(shè)計的理論和方法。

（2）構(gòu)建軟件、硬件和通信接口的標準體系

架構(gòu)設(shè)計涉及到車內(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。只有形成軟件、硬件和通信接口的標準體系，才能讓產(chǎn)業(yè)鏈各方充分發(fā)揮自身優(yōu)勢，使整車廠能夠根據(jù)架構(gòu)總體設(shè)計框架進行集成和靈活配置，推動ICV的快速落地。在自頂向下的服務(wù)設(shè)計上，標準化接口應(yīng)使應(yīng)用層和通信層開發(fā)專注于業(yè)務(wù)邏輯，不受限于硬件實現(xiàn)；在自底向上的抽象設(shè)計上，應(yīng)使底層硬件設(shè)備能夠關(guān)注不同車型差異，具備通過對配置的靈活更改以減小代碼差異的能力。

（3）開發(fā)E/E架構(gòu)的仿真測試驗證體系

E/E架構(gòu)的仿真評估技術(shù)是驗證設(shè)計合理性和實現(xiàn)快速迭代更新的基礎(chǔ)。因此，需要建立多層級、一體化、虛實結(jié)合的E/E架構(gòu)測試驗證體系。可以開展融合虛擬仿真、封閉場景和開放道路測試的多環(huán)境交互技術(shù)研究，研發(fā)適用于失效分析和風險評估的E/E仿真場景庫挖掘和重構(gòu)技術(shù)，開發(fā)實時性評估仿真分析平臺，實現(xiàn)架構(gòu)評估和仿真測試的平臺化和標準化。同時，還需要針對硬件在環(huán)和實車在環(huán)測試的物理信號高保真和實時模擬技術(shù)，開發(fā)網(wǎng)聯(lián)場景下的通信信號模擬裝置，逐步建設(shè)多層級的E/E架構(gòu)測試驗證體系，形成部件級、系統(tǒng)級和整車級多層次的測試評價方法，實現(xiàn)E/E架構(gòu)測試驗證體系的一體化設(shè)計。

（4）加強多維度冗余架構(gòu)體系設(shè)計與信息安全縱深防護技術(shù)研究

為了應(yīng)對ICV架構(gòu)失效的隱蔽性和突發(fā)性難題，需要針對冗余架構(gòu)體系下的傳感器、控制器和執(zhí)行器層面進行故障檢測方法和主動重構(gòu)控制理論的研究，探索高效精準的故障檢測方法，建立完善的主動重構(gòu)控制機制，確保在一定故障下ICV仍具備正常行駛能力。為了確保高級別自動駕駛系統(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維度出發(fā)，構(gòu)建多層縱深防御體系，構(gòu)建縱深防護技術(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)鏈的國產(chǎn)化進程

我國在ICV領(lǐng)域已經(jīng)具備了先發(fā)優(yōu)勢，但在高算力芯片、車用操作系統(tǒng)和架構(gòu)設(shè)計工具軟件等方面，與歐美等發(fā)達國家相比仍存在一定差距。雖然出現(xiàn)了大量國產(chǎn)化方案，但其功能完整度和產(chǎn)業(yè)支持配套相對較弱，尚未形成完整的國產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)鏈。因此，當前我國需要進一步加快關(guān)鍵技術(shù)的國產(chǎn)化研發(fā)，將先發(fā)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為領(lǐng)跑實力，努力發(fā)展具有獨立自主特色的中國汽車產(chǎn)業(yè)，提高自主品牌的競爭力，推動我國汽車產(chǎn)業(yè)向高質(zhì)量發(fā)展邁進。

總結(jié)

多領(lǐng)域電子/電氣(E/E)架構(gòu)對于智能連接車輛(ICV)的普及和實現(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，需要進行大量的研究和實踐。

編輯：黃飛