鄒 淵，孫文景，張旭東，劉佳慧，溫 雅，馬文斌

（1. 北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081；2. 北京理工大學，電動車輛國家工程研究中心，北京 100081）

前言

隨著車輛電氣化與智能化的長足發(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“人-車-路-云-網”一體化運行的新一代智能交通系統(tǒng)，有望極大地提升未來交通系統(tǒng)的運力、能效、安全與駕乘體驗［1］。智能網聯(lián)汽車（intelligent connected vehicle， ICV）已經成為“人-車-路-云-網”一體化系統(tǒng)中汽車產業(yè)升級的必然趨勢［2］。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［3］。ICV 是汽車由傳統(tǒng)運輸工具向新一代智能終端的轉型的物理載體，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)集成、功能實現(xiàn)、開發(fā)成本以及車輛綜合性能有著決定性的影響［4］。

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 架構存在何種不足、未來E/E架構應該如何設計才能滿足ICV的未來復雜需求和適應新技術趨勢是汽車領域關注的重要問題。目前已有眾多學者對此展開了深入研究。Jiang 等［5］研究了E/E 架構的演變趨勢，討論了電氣化、自動駕駛和連接功能對E/E 架構的影響，提出了E/E 架構設計的指導方針、內容和實施過程。Navale 等［6］討論了自動駕駛和網絡安全等功能日益增加導致車載通信網絡、供電系統(tǒng)、硬件連接、安全方面的E/E架構變革以及現(xiàn)有E/E架構瓶頸，主要是通信帶寬和V2X 通信能力、不同需求靈活配置性、算力可擴展性及可行性。Bandur等［7］分析了傳統(tǒng)分布式架構的優(yōu)缺點，從汽車功能的可擴展性、架構通信性能、成本和功能安全等方面論述了E/E 架構由分布式向集中式演進的趨勢。Zeng等［8］對車載通信網絡架構展開研究，從系統(tǒng)成本、傳輸能力和容錯性等對LIN、CAN、FlexRay、Ethernet 和MOST 多種車載通信協(xié)議對比分析。Zhu 等［9］基于需求驅動分析了E/E 架構的演變過程，展示了當前先進的E/E 架構，包括網絡拓撲、通信標準、操作系統(tǒng)以及仿真平臺，提出基于軟件定義的分層可重構定制的E/E 架構的趨勢。崔明陽等［10］提出ICV的架構要從新概念車輛平臺架構和與車路云融合系統(tǒng)架構多維考慮，不僅要優(yōu)化自車架構功能，更要滿足架構共用、信息融合與控制協(xié)同的要求。總的來說，電氣化、智能化、網聯(lián)化技術快速發(fā)展與應用催生的汽車功能多元化、定制化需求是E/E 架構升級的源動力，也是當前架構設計面臨的新挑戰(zhàn)。

綜合來看，ICV的E/E架構設計技術亟須突破以下挑戰(zhàn)：（1）在總體架構設計上，現(xiàn)有基于經驗的設計流程難以支撐全開發(fā)周期高精度設計，構建基于模型的設計理論和評估體系，以多元化需求為導向，強化架構軟硬綜合匹配、功能安全、數(shù)據安全、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 專用智能控制器，實現(xiàn)提算力、降能耗；優(yōu)化電源系統(tǒng)與線束系統(tǒng)設計理念，降低整車成本與質量。（3）在通信系統(tǒng)設計上，現(xiàn)有通信機制難以適應暴漲的數(shù)據傳輸需求，亟須設計高帶寬、強實時、低時延抖動的車載通信機制，強化通信網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）與基于服務（service-oriented architecture， SOA）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、個性化的軟件將成為整車企業(yè)角力的主戰(zhàn)場。上述挑戰(zhàn)形成了E/E 架構技術發(fā)展的重大需求牽引，如何引導E/E 架構技術進一步發(fā)展迭代是ICV 架構設計亟須解決的重大問題。本文在充分綜合大量國內外文獻的基礎上，從總體架構設計、硬件系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)4 個角度對ICV 多域E/E 架構研究的關鍵技術進行研究分析，并展望未來發(fā)展趨勢。

1 多域電子電氣架構技術現(xiàn)狀

按照算力集中程度，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，各架構特點論述如下。

1.1 分布式架構

分布式E/E 架構主要根據汽車功能劃分為不同的控制器網段。每個電子控制單元（electronic control unit，ECU）的設計都基于特定功能需求展開的，ECU之間主要通過CAN 總線傳遞彼此間的信息，以此來實現(xiàn)整車的功能，典型的硬件拓撲如圖1 所示。在該架構中，單一ECU 只負責單一功能的實現(xiàn)，一輛車往往分布著上百個ECU，各個ECU 不但直接驅動執(zhí)行器和傳感器，而且承擔了業(yè)務功能的復雜控制邏輯。該架構的軟硬件緊密耦合，每擴展一個功能，很大程度上就需要增加相應的ECU 和通信信號。由于ECU 擴展計算能力不足、通信帶寬較受限、功能升級困難等問題，制約架構升級、影響汽車安全性能的瓶頸效應明顯。此外，隨著ECU 部署增多，車內的線束也會隨之延長，不僅增加了整車質量和成本，同時也給整車布置及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

隨著高算力芯片低成本大帶寬的車載以太網的應用，域集中架構的出現(xiàn)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功能將多個ECU 的功能進行聚類，整車只部署幾個域控制器（domain control unit， DCU）主控。典型的基于中央網關的域集中架構如圖2所示，該架構各DCU 負責完成各域的數(shù)據處理與功能決策，對該域下屬的傳感器與執(zhí)行器進行控制管理。域間通過中央網關交換所需數(shù)據，這種架構形式不僅保證了域間可以根據需求進行通信和互操作，同時也實現(xiàn)了信息安全與功能安全。

圖2 域集中式架構

與傳統(tǒng)ECU 相比，DCU 具有強大的硬件計算能力和豐富的軟件接口支持，使得更多核心功能模塊集中于DCU 內，域內算力集中，提高了系統(tǒng)功能集成度。單個ECU 的作用弱化，復雜的數(shù)據處理和控制功能被統(tǒng)一安排在DCU 中，ECU 逐步退化為DCU命令的執(zhí)行器。在通信方面，以太網成為域間通信的骨干網，通信速率得以顯著提升。得益于軟硬件解耦、接口標準化以及信訊性能升級，域集中架構是架構設計思想由信號驅動模式轉向為SOA 模式的分水嶺。在域集中架構中軟件與硬件具備分層解耦可行性，系統(tǒng)耦合度降低，軟件的遠程升級（OTA）與硬件部署更加便捷，同時標準化接口也使得傳感器與執(zhí)行器模塊無須與具體ECU 相對應，從而支持零部件標準化生產。

1.3 中央集中式架構

為進一步降低車內結構連接的復雜度，提高算力的利用率，降低器件的綜合成本，提高冗余安全性，中央集中式架構將域集中架構中的多個DCU 進一步的融合，形成一個或多個擁有算力更強的多核異構SoC 芯片以及多種操作系統(tǒng)組合的中央計算平臺（central computing platform， CCP）。車載傳感器與執(zhí)行器等不再按照功能去部署，而是按照物理位置劃分就近接入區(qū)域控制器（zonal control unit，ZCU）。中央集中架構典型的拓撲如圖3 和圖4 所示。在該架構中，各采集、執(zhí)行節(jié)點將原始數(shù)據通過ZCU 傳輸?shù)蕉鄠€或一個CCP 中處理，所有數(shù)據處理與決策都在CCP 中完成。ZCU 更多地承擔數(shù)據采集、通信協(xié)議轉化與數(shù)據傳輸?shù)裙δ堋６鄠€ZCU 之間通過以太網組成環(huán)形網絡，進一步提高了通信冗余及可靠性。按照區(qū)域進行傳感器與執(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，架構將整車控制計算功能全部集中到一個CCP中，但是從目前的技術能力來看，圖3 所代表的多CCP 架構，從硬件設計、軟件開發(fā)以及安全冗余都比單CCP要求更低，是當前架構的主流方案。

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 架構實現(xiàn)分布式架構→域集中式架構→中央集中式架構發(fā)展帶來了以下優(yōu)勢：（1）算力集中化，算力利用率更高。汽車在實際運行過程中，大部分時間僅部分芯片執(zhí)行計算工作，導致分散的各個獨立功能的ECU 運算處理能力處于閑置中，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)分布式架構從執(zhí)行器、傳感器、控制器、軟件算法等都是緊耦合設計，造成跨部件跨ECU 級特性設計和開發(fā)效率低、升級困難等問題。集中式架構（后文代指域集中式架構和中央集中式架構）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)分布式ECU 造成線束較長、錯綜復雜以及導致電磁干擾，故障率較高。集中式架構實現(xiàn)執(zhí)行器、傳感器等部件區(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，支撐軟件定義汽車。分布式軟硬件緊密耦合而難以解耦，集中式架構實現(xiàn)了功能和算力的集中，為軟硬解耦、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)標準化和通用化，域控制器和區(qū)域控制器可根據需求調整配置以匹配不同的傳感器和執(zhí)行器方案。

2 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E/E 架構設計主要是對E/E 元器件進行合理的排布以達到性能最優(yōu)、成本最低［11］，而多域E/E 架構不僅要滿足傳統(tǒng)目標，還須成為智能網聯(lián)汽車軟硬件搭載的基礎設施、汽車系統(tǒng)功能與性能的支撐載體。ICV 多域E/E 架構設計的主要任務包括：（1）根據車輛功能需求合理劃分各子系統(tǒng)功能，明確功能邏輯連接關系，實現(xiàn)軟硬件映射。（2）權衡功能交互、成本、供配電等因素設計硬件空間拓撲、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)重復性，提高系統(tǒng)可驗證性、高集成性、高安全性與可擴展性。

2.2 架構總體設計與評估方法

ICV 功能配置的復雜性與多樣性引發(fā)了E/E 架構設計理論與方法的相應變革。目前基于模型（model based systems engineering，MBSE）的汽車E/E架構設計開發(fā)方法逐步引起重視。MBSE 從E/E 架構設計伊始即以模型的形式進行表達，對各復雜系統(tǒng)的需求、結構與行為等進行基于圖的無二義性說明、分析、設計等，從而在相關設計人員間建立統(tǒng)一的交流平臺。MBSE 方法可解決整車E/E 架構研發(fā)過程中的工程數(shù)據不一致性、可驗證性、可追溯性等問題，降低整車產品開發(fā)難度、盡早發(fā)現(xiàn)和避免潛在風險，進而提升開發(fā)效率和降低開發(fā)成本以及后期維護成本。圖5 為基于MBSE 的汽車E/E 架構V 字型設計開發(fā)流程。

圖5 V字型設計開發(fā)流程

E/E 架構設計是整車設計核心任務之一，E/E 架構評估是架構方案再優(yōu)化的直接參考依據。綜合目前E/E 架構的主流開發(fā)設計流程及面向ICV 的E/E架構需求，確定多域E/E 架構總體設計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E/E 架構開發(fā)，都必須從市場需求角度出發(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)及各個子系統(tǒng)的需求，并同時制定出整車驗證測試規(guī)范［12］。分析開發(fā)需求的最終目的是確定系統(tǒng)的內部框架，滿足外部系統(tǒng)需求，歸納出汽車電子系統(tǒng)必須實現(xiàn)的功能與非功能需求。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［13］。

2.2.2 架構功能設計

根據架構的需求定義完成架構的總體功能設計。為降低E/E 架構的復雜性，對總體功能進行細分切割，對軟硬件進行解耦。常用的功能設計方法首先將整車功能劃分為一級功能域級別，再對功能域進行詳細的二級功能劃分，以實現(xiàn)將二級網絡中控制器的功能移至域控制器，為后續(xù)高級的功能落地提供基礎，支持更高級的功能實現(xiàn)［14］。功能架構設計階段須完成初版網絡拓撲、電子電氣方案、子系統(tǒng)技術規(guī)范、功能方案等設計工作。

2.2.3 架構拓撲設計

根據架構功能，提取架構的基本拓撲結構，具體包括硬件拓撲架構、連接拓撲架構、通信拓撲架構。通過對拓撲架構細化優(yōu)化，輸出最優(yōu)拓撲方案，為其他設計部門進行軟硬件開發(fā)提供設計規(guī)范。硬件拓撲架構主要涉及硬件部件的整車安裝布局、內部構成及其對外接口的詳細信息，包括部件與其它部件的組合關系，以及部件的內部細節(jié)。連接拓撲架構描述了各部件之間的邏輯連接方式及實現(xiàn)情況，包括具體的導線、線纜連接方式、保險繼電器盒的內部結構等。通信拓撲基于域間/域內不同通信需求，完成通信組網以及協(xié)議確定。

2.2.4 架構系統(tǒng)設計

根據上述階段制定的電源分配圖、接地點、整車Planview 以及供應商提供的接口控制文件，架構系統(tǒng)設計須完成整車原理、接口定義及功能規(guī)范設計，并搭建整體架構模型。通過拓撲層信息、已有開發(fā)數(shù)據庫、經驗輸入等條件的支撐，實現(xiàn)正確的邏輯和算法定義。完成系統(tǒng)級E/E 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)功能下發(fā)，更新到產品部件設計中加以落實和驗證［15］。

2.2.5 架構分析評估

傳統(tǒng)的E/E 架構在裝車前實現(xiàn)整車仿真較難，多數(shù)只完成部件級仿真。隨著RTaW［16］、CANoe［17］和VEOS［18］等架構評估商業(yè)化軟件的發(fā)展，業(yè)界已經逐步使用更加全面的架構仿真評估軟件進行功能、通信、安全等方面的迭代驗證與優(yōu)化［19］。多域E/E 架構的分析評估，除硬件成本、開發(fā)成本、生產成本、保修成本、車輛性能燃油經濟性、質量等傳統(tǒng)目標外，還需要關注以下新問題：（1）是否滿足用戶個性化需求及未來可能的需求變化，主要在于能夠滿足自動駕駛L3 等級及以上車輛架構需求變化。（2）平臺是否具有良好的沿用性以及平臺公用性，能否滿足高等級自動駕駛和智能網聯(lián)的基本技術需求，具有超前的技術先進性［20］。

3 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

為了減少總線長度與ECU 數(shù)量，以達到減輕電子部件質量、降低整車制造成本的目的，將分散的ECU按照功能劃分，集成為運算能力更強、接口更為豐富的DCU?，F(xiàn)有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)控制以及車身系統(tǒng)控制。智駕域控制器配置豐富的接口以滿足多種類傳感器信號的采集，集成高算力異構計算平臺以支撐復雜的傳感器數(shù)據融合算法，結合高精地圖和導航等信息進行環(huán)境識別、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［21］。典型的自駕域控制器如圖6 所示，計算平臺上集成有通用計算單元、AI計算單元、實時控制單元以及多種接口。

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)網以及遠程信息等，同時也是人與車技系統(tǒng)交互的接口［22］。智能座艙域控制器須具備強大的處理能力以及復雜的操作系統(tǒng)，由主控芯片、實時微處理器、數(shù)字信號處理器、CAN、以太網口等組成，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

ZCU 主要有區(qū)域數(shù)據中心、區(qū)域IO 中心以及區(qū)域配電中心3 大功能，如圖8 所示。作為區(qū)域數(shù)據中心配備有ETH、CAN、LIN 等豐富網絡接口，充當區(qū)域網關、交換機功能實現(xiàn)網絡通信與路由。區(qū)域IO 中心支持各類型的傳感器、執(zhí)行器以及顯示器接口。ZCU 作為區(qū)域配電中心負責將電力向下輸送到控制器、執(zhí)行器等用電設備，現(xiàn)階段趨向于用電子保險絲（eFuse）替代傳統(tǒng)的繼電器加熔斷絲的方案，以實現(xiàn)智能管理。同時ZCU 具備吸收區(qū)內其他ECU功能的能力，將區(qū)內的功能在服務層面進行抽象，控制I/O虛擬化。因涉及到對安全性、實時性以及可靠性要求較高車控功能，ZCU 主控芯片一般會配備ASIL-D的MCU，后續(xù)發(fā)展有引入高算力計算單元的趨勢［23］。

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提供足夠的算力以支撐智能駕駛和智能座艙相關的業(yè)務邏輯，同時須具高帶寬低時延的通信能力支撐與區(qū)域控制器之間的數(shù)據交換，并且具備網聯(lián)功能，連接到車端和云端［24］。中央計算單元硬件層面上大多會采用多顆異構多核SoC 芯片，芯片間采用高速串行通信或者PCIe。其中SoC 芯片架構主要有硬件隔離式和軟件隔離式兩種形態(tài)，均是采用虛擬化方案同時運行多個操作系統(tǒng)。硬件隔離式是在軟件設計階段劃定各個核心運行的操作系統(tǒng)，各個系統(tǒng)依然在硬件上進行隔離，擁有專屬硬件資源；而軟件虛擬式中操作系統(tǒng)沒有專屬的硬件資源，硬件資源由Hypervisor層動態(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、半導體技術的突破，電源系統(tǒng)設計已從電源部件的組合轉型為電源網絡的系統(tǒng)設計和電源網絡的控制設計。傳統(tǒng)車載電源系統(tǒng)多采用中央電氣盒的方案，電路的控制與保護采用繼電器與熔斷器，存在繼電器燒蝕以及熔斷器損毀后無法再利用的問題。現(xiàn)階段電源系統(tǒng)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［25］。單個芯片集成驅動、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。

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要充分考慮各相關的邊界條件，充分考慮各相關件對線束布置可能產生的影響，并對相關件的設計提出相應合理的要求。陳華夢［26］分析了汽車線束的設計準則，基于數(shù)學層次模型和優(yōu)化模型來達到線束設計的優(yōu)化目的。周濤［27］和鄭繼翔［28］提出了基于PREEvision 的線束系統(tǒng)開發(fā)方法，設定了線束回路數(shù)、平均線徑、質量、成本、總線負載率、可擴展性和可靠性等方面的評估標準，對線束系統(tǒng)進行全面評估。目前線束系統(tǒng)的設計趨向于成熟化、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。

4 多域電子電氣架構的通信系統(tǒng)

4.1 車載通信系統(tǒng)發(fā)展及現(xiàn)狀

E/E 架構依靠通信系統(tǒng)實現(xiàn)各個硬件間的信息傳遞。目前主要的通信技術有5 種：控制器局域網（CAN）［29］、局域互聯(lián)網（LIN）［30］、面向多媒體的系統(tǒng)傳輸（MOST）［31］、FlexRay 總線［32］和車載以太網（ETH）［33］。

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

除了上述外，還有一些處于試驗階段的新型車載通信技術。如第三代CAN 通信技術CAN XL［34］，該技術縮小了CAN 與ETH 之間的傳輸速度和耦合的差距，可與以太網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得到重視，光纖通信具有抗電磁干擾、無輻射、難以竊聽的優(yōu)點，在車載通信安全、故障診斷與高精度控制領域也有廣闊的應用空間。

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)級上升，信息數(shù)據量增多，對車載總線網絡在傳輸速率、實時性、容錯率以及成本方面都提出了更高的要求［35］。CAN 總線雖然受到傳輸數(shù)據量少和時間不同步的限制，但其技術成熟度高，目前仍是車載總線技術的支柱［36］；而LIN 總線、MOST 總線和FlexRay 通常根據其自身特點作為局域網絡接入；以太網憑借其高帶寬及低成本的優(yōu)勢將作為通信系統(tǒng)的骨干網絡在未來引領下一代車載網絡的發(fā)展。目前情況下，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)據交換和系統(tǒng)集成仍然是多域E/E架構需要解決的關鍵問題之一。

4.2 時間敏感網絡通信協(xié)議分析及研究

隨著高精度傳感器的廣泛部署和信息娛樂系統(tǒng)的功能不斷增強，車內數(shù)據量急劇增加，傳統(tǒng)的車載網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［37］。時間敏感網絡（time sensitive network，TSN）可實現(xiàn)數(shù)據在以太網中的確定性、實時性、低延時、高安全傳輸，被認為是解決以上問題的關鍵方案［38］。TSN 可實現(xiàn)低成本大帶寬傳輸，傳輸速率可達10 Mb/s 至10 Gb/s，而且使用非屏蔽單對雙絞線實現(xiàn)全雙工通信，成本比傳統(tǒng)的屏蔽線纜降低80%，質量減輕30%［39］。此外，TSN 具有良好的擴展性和通用性，可支持多種構型的車載網絡拓撲結構，實現(xiàn)不同應用數(shù)據的傳輸。

對車載通信具有重要影響的TSN 協(xié)議可以分為4 種類型：時間同步、流量控制、可靠性和資源管理，下文將對其進行詳細介紹。

4.2.1 時間同步類協(xié)議

部署了TSN 的E/E 架構的通信系統(tǒng)運行時，需要有一個統(tǒng)一的時間標度以保證時間同步的精度。TSN 的IEEE 802.1AS—2020 協(xié)議［40］對TSN 流的時間同步方法和過程進行了定義和解釋。通過時間戳機制保證所有組件受同一全局時鐘控制，同時允許網絡中存在不同時域。對該協(xié)議的研究主要包括同步精度的影響因素［41］，本地時鐘校正［42］和同步質量評估［43］等。在E/E 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。雖然目前有大量的研究針對工業(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)有很大的差異，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

流量控制機制是TSN實現(xiàn)流確定低時延傳輸?shù)年P鍵技術之一。TSN 流量控制過程可以分為：流量分類、流量整形、流量調度和流量搶占［44］，分別對應的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，主要研究包括：各類流量最大端到端時延分析［45］，TSN流量整形方法研究［46］和時間關鍵流的流量調度方法研究［47］。目前的研究大多集中在單一協(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)議在實際車載網絡場景下的應用開展。

4.2.3 可靠性協(xié)議

TSN 的可靠性指網絡對故障的預防以及恢復能力，主要包括IEEE802.1CB 和IEEE802.1Qci 協(xié)議。IEEE802.1CB［48］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?。IEEE802.1Qci［49］設置了幀的過濾與報錯（PSFP）機制，針對網絡出現(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 可靠性問題研究主要包括冗余機制［50］、故障檢測［51］以及同步故障下的可靠性［52］。后續(xù)研究應當重點關注車輛TSN網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絡資源進行管理和配置及對性能數(shù)據進行監(jiān)測和分析等。IEEE802.1Qat［53］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［54］協(xié)議解決了TSN 網絡的集中管控問題，提出了分布式、集中式和集中網絡分布用戶式3 種TSN 網絡管控模型。目前研究主要圍繞架構模型的實現(xiàn)部署方案展開［55-56］。這些研究成果為車輛TSN網絡資源管理的實現(xiàn)提供了重要的技術支持和借鑒。后續(xù)研究應該重點關注如何實現(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得到了充分的重視。但目前對TSN的研究主要集中在工業(yè)互聯(lián)網領域，在車載TSN 網絡的研究還不夠深入，在技術的遷移中主要存在幾大難點亟待解決：（1）場景構建問題，大數(shù)據、多種類的車載TSN 網絡模型的構建較為復雜，事件觸發(fā)的隨機信號流建模困難。（2）功能匹配問題，如何設計軟件去實現(xiàn)TSN的相關標準，以及TSN 協(xié)議在車載場景下的執(zhí)行情況和效果如何都有待實驗驗證。（3）硬件支持問題，目前支持TSN以太網的芯片相對較少且沒有針對車載TSN 的專業(yè)測試設備，硬件實驗平臺的搭建較為困難。雖然困難重重但是仍然無法否定TSN在車載實時通信的應用潛力。在未來，TSN 的帶寬優(yōu)勢有望進一步提高［57］；車載TSN 與IP 協(xié)議的結合，使更多更復雜的車載安全和多媒體應用成為了可能［58］；隨著自動駕駛等級的提升，TSN 的可靠性將隨著車載網絡信息安全性進一步得到提高；TSN 協(xié)議的開放性也為學術研究和工業(yè)部署提供了更開闊的空間。

4.3 基于服務的軟件定義網絡

傳統(tǒng)的車載網絡存在流量負載分布不均衡、報文發(fā)送延遲大、網絡吞吐量低、網絡模塊兼容性差和開放性低等問題，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， Ku 等［59］在2014 年最先提出了軟件定義車載網（software defined vehicular network， SDVN）的概念。SDVN 將軟件定義網絡技術（SDN）應用到車載網絡中，用軟件定義網絡的思想改造車載網絡的體系結構。SDVN 首先將車載網絡設備中的數(shù)據轉發(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絡中所有數(shù)據轉發(fā)平面報文的轉發(fā)行為［60］。SDVN 可有效提高網絡性能、降低網絡服務更新的代價、簡化網絡管理、加速網絡創(chuàng)新。在SDVN 的應用方面，He 等［61］提出了一種支持異構無線接口以提高網絡性能的SDVN 架構，使車載網絡的配置更加靈活。Ge等［62］提出了一種集成5G 移動通信技術、SDVN 以及云計算的車載網架構，提高了車載網絡可擴展性。Correia 等［63］提出了一個分層的SDVN 車載網絡架構，并基于Rawashde 等［64］提出的聚類算法設計了一種新的路由協(xié)議，實現(xiàn)了數(shù)據的快傳輸、低延遲和高吞吐量。大量研究人員都希望通過SDVN 來具體實現(xiàn)TSN 的集中式模型構想。Hackel 等［65］證明了TSN 與SDVN的結合能夠保障時間敏感流的傳輸質量，在汽車網絡中具有巨大的潛力。Gerhard 等［66］結合SDVN 提出了一種軟件定義流保留的體系架構并根據802.1Qcc 定義了一個功能完整的TSN 配置基礎設施。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很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-云彈性算力分配等諸多場景。

綜合上述，未來車載通信網絡將具有以下特點：（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)，車載網絡將實現(xiàn)更多的安全功能，SDVN 的應用將進一步提高網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。

5 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

隨著功能的豐富，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核心要素［67］。SDV 的概念已成為產業(yè)界的共識，軟件的開發(fā)、升級將成為貫穿設計、銷售和服務的車輛全生命周期關鍵組件?；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［68］?；诜盏能浖軜嬋鐖D9所示。該軟件架構一般被分為4層［69］。

圖9 基于服務軟件架構

SDV 的重要優(yōu)勢就是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)、驗證和售后都將產生舉足輕重的影響。首先，軟硬件的解耦使得數(shù)據被從一個個子系統(tǒng)中解放出來，整車廠對功能實現(xiàn)的控制能力增強，這將對產業(yè)分工產生重要影響。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［70］。

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)據處理的復雜度驟增。如何將不同數(shù)據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［71-72］。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［73-74］，優(yōu)化目標包括能耗優(yōu)化［75-76］和硬件成本優(yōu)化［77-78］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）是汽車產業(yè)從IT產業(yè)引入的先進理念，憑借可重用、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［79］，其中接口的定義需要根據SOA 標準進行設計，獨立于操作系統(tǒng)與硬件平臺。這與上文提到的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。目前汽車產業(yè)對SOA 軟件設計已經做了相關實踐并提出基于SAO 的軟件開發(fā)模式［80-81］，驗證出SOA使系統(tǒng)復雜度大大降低，各代汽車之間的軟件組件的重復使用大大簡化。

為了保證了各系統(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，這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)據量、發(fā)送周期、路由路徑是固化的，靜態(tài)的。基于服務的中間件則是通過在應用程序和網絡之間進行一定的抽象，在服務與應用之間建立相應的網絡連接。這個通信過程通常是動態(tài)的，可在運行時配置，不需要在設計時進行固化［82］。目前主流的面向服務的中間件主要包括DDS（data distribution service）與SOME/IP（scalable serviceoriented 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。SOME/IP、DDS 和基于信號驅動的通信機制對比如表3所示。

表3 通信機制對比

5.3 車用操作系統(tǒng)

車用操作系統(tǒng)作為車內系統(tǒng)程序的集合，主要用來實現(xiàn)管理硬件資源、隱藏內部邏輯提供軟件平臺、提供用戶程序與系統(tǒng)交互接口、為上層應用提供基礎服務等功能，包含車控操作系統(tǒng)和車載操作系統(tǒng)兩大類［83］。

5.3.1 車控操作系統(tǒng)

車控操作系統(tǒng)主要包括安全車控以及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)主要面向實時性要求極高，并且安全等級要求須達到ASIL-D 的傳統(tǒng)車輛底盤、動力、車身等功能領域，目前主流的安全車控操作系統(tǒng)大多兼 容 OSEK 以 及 AUTOSAR Classic Platform（AUTOSAR CP）標準軟件架構，目前相關技術已經較為成熟［84］?；贏UTOSAR CP 的操作系統(tǒng)軟件的開發(fā)相較于傳統(tǒng)開發(fā)方式已經基本實現(xiàn)應用層和底層軟件以及軟件和硬件的解耦，從而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，對減少軟件開發(fā)周期和降低成本都起到了有益作用［85］。

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 架構升級背景下高算力、高性能、高安全性、高可靠性要求的智能駕駛功能，此種操作系統(tǒng)正處于發(fā)展機遇期，各國都在初步探索階段。對于智能駕駛操作系統(tǒng)AUTOSAR CP難以完全適應，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需求［86-87］。

對于車控操作系統(tǒng)，國內外大部分企業(yè)均基于AUTOSAR 開發(fā)各自的系統(tǒng)［88］，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?；贏UTOSAR 標準的軟件架構的實現(xiàn)離不開相應配置工具鏈解決方案的支持，當下主流工具鏈為德國Vector 公司的面向AUTOSAR CP 的DaVinci系列工具以及面向AP 的MICROSAR Adaptive；Bosch 旗下子公司ETAS 的面向CP 和AP 的RTACAR 以及RTA-VRTE。此外還有ElektroBit 公司下的EB tresos、EB corbos 系列CP 和AP 配置工具；Siemens 的Capital VSTAR，KPIT 的KSAR Classic、KSAR Adaptive 等。國內對于AUTOSAR 也積極布局，普華基礎軟件、東軟睿馳等都相繼推出各自的AUTOSR 解決方案，助力國產化工具鏈的實踐落地［89］。

5.3.2 車載操作系統(tǒng)

車載操作系統(tǒng)主要面向車輛上安全性、實時性要求相對較低的信息娛樂功能需要，發(fā)展較為迅速［90］?，F(xiàn)階段主流的車載操作系統(tǒng)在實時性、安全性、應用場景等方面的對比如表4所示［91］。

表4 各類車載操作系統(tǒng)功能屬性對比

伴隨著智能化、網聯(lián)化的深入發(fā)展，單個的車載操作系統(tǒng)已難以應對車上信息娛樂功能的不斷豐富，車載操作系統(tǒng)逐步向多操作系統(tǒng)架構過渡。多操作系統(tǒng)架構主要有兩種實現(xiàn)方式，基于硬件隔離的架構［92］以及基于虛擬化管理技術（Hypervisor）的架構［93］。硬件隔離架構由于在物理層面上進行了硬件分區(qū)，相應的資源分配管理問題得到了簡化，較容易開發(fā)，但是固定的硬件分區(qū)下可能導致其靈活性相對較差，并可能會造成一定程度的資源浪費；而基于Hypervisor 進行多操作系統(tǒng)隔離以管理多個操作系統(tǒng)平臺及其應用程序則可以避免系統(tǒng)資源的固定分配，提高資源利用率，并且其利用主機內存作為數(shù)據交互媒介，數(shù)據共享能力顯著提高，但同時也造成了系統(tǒng)開發(fā)復雜度和安全風險的提升［94］。

6 研究展望

目前針對ICV 的多域E/E 架構研究日益增加，各國學術界和工業(yè)界均展開了大量的研究，各大型車企也都在先進車型上進行了初步部署，但是由于E/E 架構涉及要素的綜合性和復雜性，仍未形成一套完備的E/E 架構設計理論、工程方法以及工具軟件，建議進一步加強下述研究。

（1）加強架構總體設計理論和方法研究

業(yè)界現(xiàn)有架構開發(fā)仍然存在著大量的依靠工程經驗的設計，但是隨著功能的復雜化，需求的多元化和迭代的快速化，基于經驗的設計很難得到最優(yōu)的設計效果。因此必須盡快形成完整的設計理論和方法，為架構總體設計提供從總體設計理論到工程實踐應用自上而下的指導。后續(xù)研究需要從ICV 的E/E 架構的設計問題的本質出發(fā)，研究架構實現(xiàn)安全性、經濟性、可擴展性的設計機理。通過理論分析和試驗驗證，梳理汽車功能需求、安全需求與架構設計實現(xiàn)之間的內在聯(lián)系，完成需求的規(guī)范化建模與功能的準確分割。基于現(xiàn)有主流架構和技術水平，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、硬件和通信接口標準體系

架構設計在車內涵蓋軟件、硬件與通信系統(tǒng)，在車外互通車端、路端和云端，各類接口復雜多樣，單一廠商很難完成所有接口的端到端的設計。只有形成軟件、硬件和通信接口標準體系，才能讓產業(yè)鏈各方各抒己長，整車廠才能根據架構總體設計框架進行集成、靈活配置，從而推動ICV 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，應該使底層硬件設備能關注到不同車型差異，具備通過對配置的靈活更改以減小代碼差異化的能力。

（3）開發(fā)E/E架構仿真測試驗證體系

E/E 架構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。開展融合虛擬仿真、封閉場景、開放道路測試的多環(huán)境交互技術研究，研發(fā)適用于失效分析與風險評估的E/E 仿真場景庫挖掘與重構技術，開發(fā)實時性評估仿真分析平臺，實現(xiàn)架構評估與仿真測試的平臺化與標準化。面向硬件在環(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)網聯(lián)場景下的通信信號模擬裝置，開展E/E 架構測試驗證體系的多層級建設，形成部件級、系統(tǒng)級、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

為應對ICV 架構失效的隱蔽性和突發(fā)性難題，針對冗余架構體系下的傳感器、控制器、執(zhí)行器層面的故障檢測方法及主動重構控制理論進行研究，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，保證在一定故障下ICV 仍具有正常行駛的能力。為了保證高級別自動駕駛系統(tǒng)的網絡安全、數(shù)據安全和信息安全，需要從外部網聯(lián)安全、域間控制安全、車載網絡通信安全、控制器本體安全等多個維度出發(fā)，構造多層縱深防御體系，構建縱深防護技術理論，在保證系統(tǒng)安全的同時降低冗余度和系統(tǒng)復雜性。

（5）加速ICV核心部件產業(yè)鏈國產化進程

我國在ICV 領域已經具備了先發(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)了大量國產化方案，但其功能完整度和產業(yè)支持配套相對較弱，尚未形成完整的國產化產業(yè)鏈。因此，當前我國需要進一步加快關鍵技術的國產化研發(fā)，將先發(fā)優(yōu)勢轉化為領跑實力，努力發(fā)展出具有獨立自主特色的中國汽車產業(yè)，提高自主品牌競爭力，推動我國汽車產業(yè)向高質量發(fā)展邁進。

7 總結

多域E/E 架構對于未來ICV 能否普及并實現(xiàn)其預期功能有著重要意義。然而，在當前階段該領域還沒有形成完善的方法論、技術理論體系與工具鏈，行業(yè)仍然處在摸索與研究階段，仍然需要大量的研究與實踐投入。本文參考大量研究與產業(yè)實例，厘清了E/E架構的發(fā)展需求與挑戰(zhàn)，梳理了E/E架構的技術現(xiàn)狀，從總體設計、硬件系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)4 個角度對多域E/E 架構的關鍵技術及現(xiàn)有方案進行詳細的綜述，最后對未來架構研究進行了展望。