隨著汽車智能化和網(wǎng)聯(lián)化技術的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的電子電氣架構已經(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，并從總體設計、硬件系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)四個方面對現(xiàn)有技術進行了詳細的綜述，并展望了我國電子電氣架構的發(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，孕育了一種能夠實現(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、人工智能緊密結合，可實現(xiàn)車輛與多領域（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型的物理載體，對汽車電子電氣架構（electrical/electronic architecture，后文簡稱E/E架構）的基礎設計理論和方法提出了新挑戰(zhàn)和新要求，催生了E/E架構技術的新變革。E/E架構技術作為ICV系統(tǒng)設計技術之一，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架構定義為實現(xiàn)整車功能的汽車電子電氣組件的組織結構及其軟硬件系統(tǒng)，強調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系，以及指導設計和演變的原則。作為ICV系統(tǒng)本身及功能構成的頂層設計，現(xiàn)有E/E架構面臨著一些不足之處，未來的E/E架構設計應該如何滿足ICV的復雜需求和適應新技術趨勢是汽車領域關注的重要問題。

ICV的E/E架構設計技術面臨以下挑戰(zhàn)：

（1）在總體架構設計上，現(xiàn)有基于經(jīng)驗的設計流程難以支持全開發(fā)周期的高精度設計，需要建立基于模型的設計理論和評估體系，以多元化需求為導向，加強架構軟硬綜合匹配、功能安全、數(shù)據(jù)安全和信息安全設計。

（2）在硬件系統(tǒng)設計上，結合車輛功能設計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)設計理念，降低整車成本和質量。

（3）在通信系統(tǒng)設計上，現(xiàn)有的通信機制難以適應急劇增長的數(shù)據(jù)傳輸需求，急需設計高帶寬、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）和基于服務的軟件設計理念成為系統(tǒng)軟件設計的基石，設計可解耦、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架構技術發(fā)展提出了重大需求，如何引導E/E架構技術的進一步發(fā)展是ICV架構設計亟需解決的重大問題。

本文總體架構設計、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架構研究的關鍵技術進行了深入分析，并展望了未來的發(fā)展趨勢。

多域電子電氣架構技術現(xiàn)狀

根據(jù)算力集中程度，本文將E/E架構劃分為分布式架構、域集中式架構和中央集中式架構，并詳細論述各個架構的特點如下。

1.1 分布式架構

分布式E/E架構根據(jù)汽車功能的不同進行劃分，每個電子控制單元（electronic control unit，ECU）的設計都基于特定的功能需求展開。在該架構中，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，它們不僅直接驅動執(zhí)行器和傳感器，還承擔著復雜的業(yè)務功能控制邏輯。這種架構的軟硬件緊密耦合，每次擴展一個功能，都需要增加相應的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，這種架構存在制約架構升級和影響汽車安全性能的瓶頸效應。此外，隨著ECU的增加，車內的線束也會變得更長，增加了整車的質量和成本，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

1.2域集中式架構

隨著車載以太網(wǎng)的廣泛應用和高算力芯片的低成本大帶寬，域集中架構逐漸擺脫了分布式架構在安全性、可擴展性等方面的困境。域集中架構的基本思路是根據(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)關的域集中架構如圖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)關交換所需數(shù)據(jù)，這種架構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

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，從而提高了系統(tǒng)的功能集成度。單個ECU的作用被弱化，復雜的數(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，域集中架構代表了架構設計思想從信號驅動模式轉向服務導向架構（SOA）的分水嶺。在域集中架構中，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，從而支持零部件的標準化生產(chǎn)。

1.3中央集中式架構

為了降低車內結構連接的復雜度、提高算力利用率、降低成本、提高安全性，中央集中式架構進一步將域集中架構中的多個DCU融合為一個或多個擁有更強算力的多核異構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）。中央集中式架構的典型拓撲如圖3和圖4所示。在這種架構中，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)議轉化和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。多個ZCU之間通過以太網(wǎng)構成環(huán)形網(wǎng)絡，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型布置，縮短了線束長度。如圖4所示，該架構將整車控制計算功能全部集中到一個CCP中。然而，從目前的技術能力來看，圖3所代表的多CCP架構在硬件設計、軟件開發(fā)和安全冗余等方面都要求更高，因此單CCP架構是當前主流方案。

圖3 多中央計算單元的中央集中式架構

圖4 單中央計算單元的中央集中式架構

綜合來看，E/E架構從分布式架構到域集中式架構再到中央集中式架構的發(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)的分布式架構中，執(zhí)行器、傳感器、控制器、軟件算法等都是緊耦合設計，導致跨部件和跨ECU級別特性的設計和開發(fā)效率低，升級困難等問題。集中式架構為軟硬件解耦提供基礎，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量，降低故障率。傳統(tǒng)的分布式ECU導致線束較長、復雜糾結，并引發(fā)電磁干擾，故障率較高。集中式架構通過實現(xiàn)執(zhí)行器、傳感器等部件的區(qū)域接入，縮短線束長度，降低整車質量。

（4）為軟硬件解耦奠定基礎，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)需求進行配置調整，以適應不同的傳感器和執(zhí)行器方案。

多域電子電氣架構總體設計技術

2.1 架構總體設計的主要任務

傳統(tǒng)汽車電子電氣架構設計主要關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)汽車軟硬件的基礎設施，支撐汽車系統(tǒng)的功能和性能。ICV多域電子電氣架構設計的主要任務包括：

（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衡，設計硬件空間拓撲、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)設計方案。

（4）最終降低系統(tǒng)的重復性，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 架構總體設計與評估方法

ICV功能配置的復雜性和多樣性引發(fā)了電子電氣架構設計理論和方法的變革。目前，基于模型驅動系統(tǒng)工程（MBSE）的汽車電子電氣架構設計開發(fā)方法逐漸受到重視。MBSE從電子電氣架構設計的起始階段就以模型的形式進行表達，對各復雜系統(tǒng)的需求、結構和行為等進行基于圖形的無歧義說明、分析和設計，從而在相關設計人員之間建立統(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V字型設計開發(fā)流程。

圖5 V字型設計開發(fā)流程

電子電氣架構設計是整車設計的核心任務之一，而電子電氣架構評估則是架構方案優(yōu)化的直接參考依據(jù)。綜合目前電子電氣架構的主流開發(fā)設計流程和面向ICV的電子電氣架構需求，確定多域電子電氣架構總體設計的重點內容主要包括以下5個方面：架構需求定義、架構功能設計、架構拓撲設計、架構系統(tǒng)設計、架構分析評估。

2.2.1 架構需求定義

無論是傳統(tǒng)還是多域電子電氣架構的開發(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，是整個架構設計的起點。

2.2.2 架構功能設計

根據(jù)架構的需求定義，完成架構的總體功能設計。為了降低電子電氣架構的復雜性，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，支持更高級的功能實現(xiàn)。在功能架構設計階段，需要完成初版網(wǎng)絡拓撲、電子電氣方案、子系統(tǒng)技術規(guī)范和功能方案的設計工作。

2.2.3 架構拓撲設計

根據(jù)架構功能，提取架構的基本拓撲結構，包括硬件拓撲架構、連接拓撲架構和通信拓撲架構。通過對拓撲架構的細化優(yōu)化，輸出最優(yōu)的拓撲方案，為其他設計部門提供軟硬件開發(fā)的設計規(guī)范。硬件拓撲架構主要涉及硬件部件的整車安裝布局、內部構成以及對外接口的詳細信息，包括部件之間的組合關系和部件的內部細節(jié)。連接拓撲架構描述了各部件之間的邏輯連接方式和實現(xiàn)情況，包括具體的導線、線纜連接方式以及保險繼電器盒的內部結構等。通信拓撲基于域間/域內不同的通信需求，完成通信網(wǎng)絡的組網(wǎng)以及協(xié)議的確定。

2.2.4 架構系統(tǒng)設計

根據(jù)前面階段制定的電源分配圖、接地點、整車布局以及供應商提供的接口控制文件，架構系統(tǒng)設計需要完成整車原理、接口定義和功能規(guī)范的設計，并建立整體架構模型。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)品部件設計中進行落實和驗證。

2.2.5 架構分析評估

傳統(tǒng)的車輛電子電氣架構很難在裝車前實現(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)化架構評估軟件的發(fā)展，行業(yè)已逐步采用更全面的架構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)的基本技術需求，具備領先的技術先進性。

多域電子電氣架構的硬件系統(tǒng)

3.1 功能域控制器及關鍵技術

為了減少總線長度和ECU數(shù)量，以實現(xiàn)減輕電子部件質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）?，F(xiàn)有的技術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，集成高算力異構計算平臺來支持復雜的傳感器數(shù)據(jù)融合算法，結合高精度地圖和導航等信息進行環(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)域控制器及關鍵技術

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)絡接口，例如ETH、CAN和LIN，扮演區(qū)域網(wǎng)關和交換機的角色，實現(xiàn)網(wǎng)絡通信和路由。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)域內其他ECU功能的能力，在服務層面對區(qū)域內的功能進行抽象，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 中央計算單元及關鍵技術

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的業(yè)務邏輯。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，并能夠實現(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)調配。

3.4 電源系統(tǒng)及關鍵技術

隨著整車電氣負載的增加、電氣架構的發(fā)展和半導體技術的突破，電源系統(tǒng)的設計已經(jīng)從電源部件的組合轉變?yōu)殡娫淳W(wǎng)絡的系統(tǒng)設計和電源網(wǎng)絡的控制設計。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)及關鍵技術

線束對整車電器電子功能的實現(xiàn)起著至關重要的作用，也是架構優(yōu)化設計的研究熱點。在線束布置的總體設計中，需要充分考慮各種相關的邊界條件，并充分考慮各個相關組件對線束布置可能產(chǎn)生的影響，并對相關組件的設計提出相應合理的要求。目前，線束系統(tǒng)的設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、設計、評估和優(yōu)化方法極大地簡化了線束系統(tǒng)的設計過程，提高了設計效率，提升了設計效果。

多域電子電氣架構的通信系統(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：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種通信技術的主要特征如表1所示。

表1 各通信技術特性表

除了這些通信技術之外，還有一些正在試驗階段的新型車載通信技術。例如，第三代CAN通信技術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域具有廣泛應用。

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，但其技術成熟度較高，目前仍然是車載總線技術的支柱。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，在未來引領下一代車載網(wǎng)絡的發(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需要解決的關鍵問題之一。

4.2 時間敏感網(wǎng)絡通信協(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，車內數(shù)據(jù)量急劇增加，傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡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（Time Sensitive Network，TSN）被認為是解決以上問題的關鍵方案，它能夠實現(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能夠實現(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，能夠支持多種構型的車載網(wǎng)絡拓撲結構，實現(xiàn)不同應用數(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量評估等。

在多域電子電氣架構中，時鐘同步精度是保證各個傳感器實現(xiàn)高精度響應和定位外部環(huán)境的基礎。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TSN時鐘同步特性的研究。車內通信環(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TSN時鐘同步精度的影響因素，以確保實現(xiàn)車內通信系統(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鍵技術之一。TSN的流量控制過程包括流量分類、流量整形、流量調度和流量搶占，對應的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鍵流的流量調度方法研究。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)絡場景下的應用開展。

4.2.3 可靠性協(xié)議

TSN的可靠性指的是網(wǎng)絡對故障的預防和恢復能力，主要包括IEEE802.1CB和IEEE802.1Qci協(xié)議。IEEE802.1CB設置了幀的復制和消除（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設置了幀的過濾與報錯（PSFP）機制，針對網(wǎng)絡出現(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)研究應重點關注車輛TSN網(wǎng)絡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流預留協(xié)議解決了流的注冊與預留問題，是進行整形、調度和傳輸?shù)冗^程的前提。IEEE802.1Qcc協(xié)議解決了TSN網(wǎng)絡的集中管控問題，提出了分布式、集中式和集中網(wǎng)絡分布用戶式3種TSN網(wǎng)絡管控模型。目前的研究主要圍繞架構模型的實現(xiàn)和部署方案展開。這些研究成果為車輛TSN網(wǎng)絡資源管理的實現(xiàn)提供了重要的技術支持和借鑒。后續(xù)研究應重點關注如何實現(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鍵難題。

TSN作為多域E/E架構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)領域，車載TSN網(wǎng)絡的研究還不夠深入。在技術遷移過程中，存在幾個亟待解決的難點：

（1）場景構建問題：大數(shù)據(jù)和多種類的車載TSN網(wǎng)絡模型構建較為復雜，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：如何設計軟件來實現(xiàn)TSN的相關標準，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)議的結合將使更多更復雜的車載安全和多媒體應用成為可能；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)議的開放性也為學術研究和工業(yè)部署提供了更廣闊的空間。

4.3 基于服務的軟件定義網(wǎng)絡

傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡存在以下問題：流量負載分布不均衡、報文發(fā)送延遲大、網(wǎng)絡吞吐量低、網(wǎng)絡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)絡技術（SDN）應用到車載網(wǎng)絡中，用軟件定義網(wǎng)絡的思想改造車載網(wǎng)絡的體系結構。首先，SDVN將車載網(wǎng)絡設備中的數(shù)據(jù)轉發(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)絡中所有數(shù)據(jù)轉發(fā)平面報文的轉發(fā)行為。SDVN能夠有效提高網(wǎng)絡性能、降低網(wǎng)絡服務更新的代價、簡化網(wǎng)絡管理、加速網(wǎng)絡創(chuàng)新。目前，基于服務的SDVN還處于起步階段，在安全性、移動性、服務效率、部署和標準化等方面還有許多亟待解決的關鍵技術問題。但SDVN作為一種可編程和高靈活的網(wǎng)絡架構仍具有很好的發(fā)展前景，可被應用于高效帶寬分配、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，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）為應對智能駕駛帶來的挑戰(zhàn)，車載網(wǎng)絡將實現(xiàn)更多的安全功能，SDVN的應用將進一步提高網(wǎng)絡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，車輛設計的核心逐漸從硬件設計轉移到軟件開發(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計、銷售和服務的車輛全生命周期的關鍵組件?；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新車開發(fā)、OTA技術實現(xiàn)軟件持續(xù)更新迭代的雙閉環(huán)模式?；诜盏能浖軜嬋鐖D9所示。該軟件架構一般被分為4層。

圖9 基于服務軟件架構

SDV的重要優(yōu)勢在于減少了硬件差異對軟件的影響，從設備抽象層與原子服務層的軟件設計追求多車復用與減少差異化。通過API標準化接口，減少重復勞動，降低軟件的復雜度，提高軟件的設計開發(fā)效率。在應用層的設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。同時，SDV和OTA技術的出現(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備。軟硬件解耦的關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架構引入了多種微處理器、大量異構計算資源與通信鏈路組合，使得需要考慮的因素進一步復雜。早期的研究通常根據(jù)任務通信關系和屬性，考慮時間、成本以及功耗等因素對單核異構系統(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系統(tǒng)軟硬件映射問題提出優(yōu)化設計方法，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)功能設計專有芯片結構，并實現(xiàn)易于解耦的軟硬件映射是未來車載主控芯片設計需要突破的關鍵難題。

5.2 面向服務的軟件設計

面向服務的體系架構（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不再局限于特定的功能環(huán)境，實現(xiàn)服務共享。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原子服務層和設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軟件設計相關的實踐，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)復雜度，簡化不同代汽車之間的軟件組件的重復使用。

為了保證各系統(tǒng)服務之間的信息互通和組合形式的擴展，各服務模塊之間通過基于服務的中間件進行通信，從而改變了車內通信方式。傳統(tǒng)的基于信號的通信方式在車輛設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。而基于服務的中間件則通過在應用程序和網(wǎng)絡之間進行一定的抽象，建立起服務與應用之間的網(wǎng)絡連接。這種通信過程通常是動態(tài)的，在運行時可以進行配置，而不需要在設計時進行固化。

目前主流的面向服務的中間件主要包括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)是車內系統(tǒng)程序的集合，其主要功能包括管理硬件資源、隱藏內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用提供基礎服務等。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，相關技術已相對成熟?；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

智能駕駛操作系統(tǒng)則面向新一代集中式E/E架構升級背景下，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)與應用程序之間標準編程接口規(guī)范的面向服務架構的AUTOSAR Adaptive Platform（AUTOSAR AP）以應對異構芯片平臺上車輛智能駕駛服務的需求。

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

基于AUTOSAR標準的軟件架構實現(xiàn)離不開相應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。國內也積極布局AUTOSAR，普華基礎軟件、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)架構過渡。多操作系統(tǒng)架構主要有兩種實現(xiàn)方式，一種是基于硬件隔離的架構，另一種是基于虛擬化管理技術（Hypervisor）的架構。硬件隔離架構通過在物理層面上進行硬件分區(qū)，簡化了相應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)的復雜性和安全風險。

研究展望

當前，關于智能網(wǎng)聯(lián)汽車（ICV）的多域電子/電氣（E/E）架構研究正日益增多。各國學術界和工業(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架構涉及的要素綜合性和復雜性，目前還沒有形成一套完備的E/E架構設計理論、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）加強架構總體設計理論和方法的研究

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

（2）構建軟件、硬件和通信接口的標準體系

架構設計涉及到車內的軟件、硬件和通信系統(tǒng)，以及與車外的車端、路端和云端的互通。各類接口復雜多樣，單一廠商很難完成所有接口的端到端設計。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)架構總體設計框架進行集成和靈活配置，推動ICV的快速落地。在自頂向下的服務設計上，標準化接口應使應用層和通信層開發(fā)專注于業(yè)務邏輯，不受限于硬件實現(xiàn)；在自底向上的抽象設計上，應使底層硬件設備能夠關注不同車型差異，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架構的仿真測試驗證體系

E/E架構的仿真評估技術是驗證設計合理性和實現(xiàn)快速迭代更新的基礎。因此，需要建立多層級、一體化、虛實結合的E/E架構測試驗證體系?？梢蚤_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技術，開發(fā)實時性評估仿真分析平臺，實現(xiàn)架構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，開發(fā)網(wǎng)聯(lián)場景下的通信信號模擬裝置，逐步建設多層級的E/E架構測試驗證體系，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架構測試驗證體系的一體化設計。

（4）加強多維度冗余架構體系設計與信息安全縱深防護技術研究

為了應對ICV架構失效的隱蔽性和突發(fā)性難題，需要針對冗余架構體系下的傳感器、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)絡通信安全和控制器本體安全等多個維度出發(fā)，構建多層縱深防御體系，構建縱深防護技術理論，既保證系統(tǒng)安全，又降低冗余度和系統(tǒng)復雜性。

（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)和架構設計工具軟件等方面，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鍵技術的國產(chǎn)化研發(fā)，將先發(fā)優(yōu)勢轉化為領跑實力，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)向高質量發(fā)展邁進。

總結

多領域電子/電氣(E/E)架構對于智能連接車輛(ICV)的普及和實現(xiàn)其預期功能具有重要意義。然而，在目前階段，該領域仍然缺乏完善的方法論、技術理論體系和工具鏈，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