李理

摘要：隨著城市智慧化的快速發(fā)展，傳統(tǒng)客車一直在不斷提升電氣自動(dòng)化水平，但是智能車輛不只是電子 設(shè)備的堆疊，也要從根本上適應(yīng)各種智能設(shè)備的加載，并通過(guò)有效的組織架構(gòu)來(lái)協(xié)調(diào)多種智能設(shè)備運(yùn)行。 基于智能汽車的區(qū)域控制理念，闡述了新一代智能網(wǎng)聯(lián)客車的電氣架構(gòu)，該架構(gòu)不僅適用于智能網(wǎng)聯(lián)及自 動(dòng)駕駛車輛的需求，同時(shí)也滿足當(dāng)前新能源客車的智能電器設(shè)計(jì)與應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)客車電氣架構(gòu)臃腫和 效率低下等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：區(qū)域控制；智能網(wǎng)聯(lián)；自動(dòng)駕駛；新能源客車；電氣架構(gòu)

中圖分類號(hào)：TN915；U463.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

傳統(tǒng)汽車的電氣架構(gòu)按照功能可分為車控系統(tǒng) 和車載系統(tǒng)。其中，車控系統(tǒng)可細(xì)分為動(dòng)力系統(tǒng) （發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等）、車身系統(tǒng)（燈光、中控鎖、 電動(dòng)后視鏡等）、舒適系統(tǒng)（電動(dòng)座椅）等，而車 載系統(tǒng)可細(xì)分為安全氣囊、信息顯示系統(tǒng)（儀表）、 信息娛樂(lè)系統(tǒng)（導(dǎo)航）[1-4]。

商用客車因?yàn)檐噧?nèi)空間較大和客戶定制化的市 場(chǎng)需求，其電氣架構(gòu)比傳統(tǒng)汽車的電氣架構(gòu)更復(fù) 雜。在電氣分類上，既有車載和車控的功能分類， 又有方位上的分類（車輛前端、車輛底端、車輛尾 端、車輛頂端）。針對(duì)不同客戶需求還會(huì)對(duì)多個(gè)功 能采用集成或刪減的方式來(lái)降低成本。

如圖 1 所示，在傳統(tǒng)客車電氣架構(gòu)中各個(gè)電子 設(shè)備采用無(wú)中心的分布式管理，即所有電子設(shè)備的 地位相同。例如，儀表系統(tǒng)包含儀表顯示、前控模 塊、頂控模塊、后控模塊等多個(gè)電子設(shè)備，分別安 裝在車輛儀表臺(tái)、前圍、頂棚、底盤等不同部位。 每個(gè)電子設(shè)備根據(jù)功能需求自行控制附近的燈、門 等功率電器，但是當(dāng)儀表系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)電子設(shè)備之間 需要進(jìn)行交互時(shí)，則需要將通信信號(hào)傳遞到車輛多 個(gè)位置。其通信節(jié)點(diǎn)過(guò)多和通信線路過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題會(huì) 導(dǎo)致通信易受到外部干擾，從而出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失等異 ?，F(xiàn)象。而且車輛上每個(gè)系統(tǒng)之間的通信也非常復(fù) 雜，如車載電腦管理系統(tǒng)不僅需要與智能系統(tǒng)進(jìn)行 信息交互，還需要與車輛的空調(diào) / 暖風(fēng)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行互控，以及與儀表系統(tǒng)進(jìn)行信息傳遞。

在汽車非智能化時(shí)代，車載電子設(shè)備數(shù)量少， 所以上述電氣架構(gòu)具有布局靈活、管理便捷等特 點(diǎn)，但是隨著汽車智能化發(fā)展，車載電子設(shè)備被 大量使用，傳統(tǒng)的全分布式管理方式的弊端逐漸 顯現(xiàn)，最明顯的缺點(diǎn)就是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜度非 常高。

通過(guò)關(guān)注各大車企和互聯(lián)網(wǎng)公司對(duì)未來(lái)智能網(wǎng) 聯(lián)汽車的定義可以發(fā)現(xiàn)，未來(lái)車輛的電氣架構(gòu)將趨 于集成化。不僅是硬件的集成化，更多的是功能的 集中，即同類功能會(huì)聚集在一起形成區(qū)域效應(yīng)，由 基于車載控制器局域網(wǎng)（controller area network， CAN）總線通信的整車分布式協(xié)調(diào)管理變?yōu)橐攒囕d 以太網(wǎng)通信為主的區(qū)域自治管理。

鑒于此，本文設(shè)計(jì)了適合智能網(wǎng)聯(lián)客車的新型 電氣架構(gòu)?？紤]到商用客車自身特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)保 留了網(wǎng)關(guān)這一模塊，雖然在功能融合上會(huì)有所弱 化，但是相較于無(wú)網(wǎng)關(guān)架構(gòu)，實(shí)施的成本會(huì)大幅 降低。

1 新一代電氣架構(gòu)模型

如圖 2 所示，新一代電氣架構(gòu)模型主要是以多功能網(wǎng)關(guān)為中心的集中化管理，其把整個(gè)車輛分為 數(shù)據(jù)域、座艙域、車身—?jiǎng)恿τ蚝妥詣?dòng)駕駛域 4 個(gè) 區(qū)域，4 個(gè)區(qū)域通過(guò)車載以太網(wǎng)和多功能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行 互聯(lián)互通。其中，多功能網(wǎng)關(guān)作為新架構(gòu)的中心模 塊，主要起到橋梁的作用，為區(qū)域與區(qū)域的通信提 供最基礎(chǔ)、便捷的信息通道。其通信協(xié)議主要采用 車載以太網(wǎng)通信協(xié)議，協(xié)議框架遵循基于網(wǎng)際協(xié)議 （internet protocol，IP）的面向服務(wù)的可擴(kuò)展性通 信中間件協(xié)議（scalable service-oriented middleware over IP，Some/IP）的要求 [5]，但是具體的通信內(nèi)容 由車廠自主定義。此外，為了兼容傳統(tǒng)客車的通信 協(xié)議，多功能網(wǎng)關(guān)還保留車載局域網(wǎng) CAN 的通信 接口，主要遵循 SAE J1939 協(xié)議 [6]。

更進(jìn)一步，如果在這一模型中去掉網(wǎng)關(guān)功能， 數(shù)據(jù)域、座艙域、車身—?jiǎng)恿τ蚝妥詣?dòng)駕駛域 4 個(gè) 區(qū)域之間實(shí)現(xiàn)兩兩直接互聯(lián)，即實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)的集中 管理和區(qū)域與區(qū)域之間的分布式管理。這種管理方 式在實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)集中管理的前提下，可以極大地提 高區(qū)域與區(qū)域之間的通信效率，但是商用客車的市 場(chǎng)模式?jīng)Q定了商用客車的生產(chǎn)制造采用客戶定制化 的生產(chǎn)方式。該方式使得每個(gè)區(qū)域內(nèi)的功能不停地 變化，從而導(dǎo)致區(qū)域與區(qū)域之間的管理變得更復(fù) 雜，因此模型中去掉網(wǎng)關(guān)功能的電氣架構(gòu)暫時(shí)還不 適用于當(dāng)前商用客車的智能化推進(jìn)。

2 區(qū)域模型設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)域模型

如圖 3 所示，數(shù)據(jù)域模型是新一代智能網(wǎng)聯(lián)中 最重要的區(qū)域模型，以數(shù)據(jù)域控制器為核心負(fù)責(zé)車 輛內(nèi)外的信息交互。一方面，對(duì)外管理所有無(wú)線通 信，為車端提供移動(dòng)通信 4G/5G 的無(wú)線通道，實(shí)現(xiàn) 車輛與云端服務(wù)器之間的通信、車輛與路側(cè)端智能 設(shè)備之間的通信、車輛與車輛之間的通信，以及車 輛與管理者之間的通信。具體的通信功能為：①車 輛與云端服務(wù)器之間的通信遵循 JT/T 808—2019 協(xié) 議標(biāo)準(zhǔn)把車端的所有狀態(tài)按照一定采樣間隔上傳到 車廠本身的云端服務(wù)器，其主要是為客戶提供服務(wù)， 幫助客戶分析行車狀態(tài)并確保行車安全。②車輛與 路側(cè)端智能設(shè)備之間的通信是為了實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同功 能 [7-8]，其主要是實(shí)現(xiàn)蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（cellular vehicle[1]to-everything，C-V2X）中的綠波通行功能，該功能 能夠探測(cè)到超遠(yuǎn)距離路口紅綠燈的狀態(tài)和路口擁堵 狀態(tài)，從而提前控制車速確保車輛到達(dá)路口時(shí)無(wú)須 停車等待，這有助于提高城市通勤效率、減少碳排 放。③車輛與車輛之間的通信主要是解決商用客車 駕駛時(shí)的盲區(qū)問(wèn)題，商用客車體積大，因此駕駛員 的盲區(qū)范圍也比較大，如果能夠?qū)崿F(xiàn)車輛與車輛之 間的通信，就可以準(zhǔn)確探測(cè)附近車輛的位置，從而 避免盲區(qū)碰撞等交通事故。④車輛與管理者之間的 通信主要是為了提供更智能化、便捷的管理手段， 如遠(yuǎn)程控制車內(nèi)的燈光和空調(diào)、遠(yuǎn)程駕駛車輛等。

另一方面，根據(jù)國(guó)家法規(guī)要求，數(shù)據(jù)域控制器 還負(fù)責(zé)監(jiān)管第三方行車記錄儀。第三方行車記錄儀 依據(jù)國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)需要實(shí)時(shí)上傳車輛關(guān)鍵信息，包 括車輛常規(guī)狀態(tài)信息、新能源狀態(tài)信息、國(guó)六發(fā)動(dòng) 機(jī)排放信息等，主要遵守GB/T 32960—2016協(xié)議、 GB/T 19056—2021 協(xié)議、GB 17691—2018 協(xié)議。

2.2 其他域模型

除了數(shù)據(jù)域模型外，車輛還有座艙域模型、車 身—?jiǎng)恿τ蚰Ｐ秃妥詣?dòng)駕駛域模型。

座艙域?yàn)轳{乘人員提供更智能、豐富的人機(jī)交 互功能，包括中控顯示、中控控制、智能調(diào)度等 功能。其中，中控顯示的內(nèi)容包括 360° 全景環(huán)視、 車路協(xié)同信息、空調(diào)狀態(tài)信息、車內(nèi)外視頻監(jiān)控影 像、影音娛樂(lè)狀態(tài)信息、胎壓信息、車輛車速信 息、集中潤(rùn)滑信息以及空中下載技術(shù)（over the air， OTA）狀態(tài)信息等；中控控制包括控制車內(nèi)外環(huán)境 監(jiān)控器、空調(diào)、影音娛樂(lè)、OTA 遠(yuǎn)程升級(jí)、電動(dòng)后 視鏡、中控屏幕上的虛擬按鍵以及儀表臺(tái)上的實(shí)體 按鍵等；智能調(diào)度主要為公共交通服務(wù)，一般由客 戶自行安裝，所以與座艙域中的其他電氣設(shè)備無(wú)交 互，包括刷卡機(jī)、投幣機(jī)、報(bào)站器以及車內(nèi)外路牌 和廣告牌等。

車身—?jiǎng)恿τ蚴巧逃每蛙嚨囊粋€(gè)重要區(qū)域，其 規(guī)劃直接關(guān)系到車輛的安全性和可靠性，所以為了 保證車輛的安全性和可靠性，對(duì)傳統(tǒng)動(dòng)力部分進(jìn)行 保留，即傳統(tǒng)動(dòng)力設(shè)備的接口和通信方式都不變。 而新規(guī)劃的控制域控制器主要是為了滿足新能源、 底盤線控、智能儀表和 L2 級(jí)別及以下自動(dòng)駕駛管 理。其中，新能源管理包括動(dòng)力電機(jī)、新能源整車 控制器、多合一逆變器、高壓電池和新能源智能冷 卻等設(shè)備的管理；底盤線控管理包括線控轉(zhuǎn)向、線 控驅(qū)動(dòng)、線控制動(dòng)等設(shè)備的管理；智能儀表管理包 括智能化儀表顯示、儀表前控模塊、儀表后控模 塊、儀表頂控模塊的管理；L2級(jí)別及以下自動(dòng)駕駛 管理包括緊急剎車輔助系統(tǒng)（advanced emergency braking system，AEBS）、車道保持輔助系統(tǒng)（lane keeping assist systems，LKAS）以及駕駛員疲勞監(jiān) 測(cè)等輔助自動(dòng)駕駛功能管理。

自動(dòng)駕駛域包括 L3 級(jí)別及以上自動(dòng)駕駛功能 的區(qū)域，這是一個(gè)有別于傳統(tǒng)功能的全新區(qū)域。一 方面，自動(dòng)駕駛功能是商用客車未來(lái)發(fā)展的主流方 向；另一方面，此區(qū)域內(nèi)的電子設(shè)備相較于傳統(tǒng)汽 車電子設(shè)備，雖然在技術(shù)先進(jìn)性上遙遙領(lǐng)先，但是 在功能安全等級(jí)上又普遍落后。自動(dòng)駕駛域?yàn)槲?來(lái) L3 級(jí)別及以上的自動(dòng)駕駛功能提供各種高精尖 技術(shù)服務(wù)，包括激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷 達(dá)、厘米級(jí)別的高精度定位、慣性導(dǎo)航、圖像識(shí)別 等?？紤]到 L3 級(jí)別及以上的自動(dòng)駕駛對(duì)數(shù)據(jù)量及實(shí) 時(shí)性的要求，本區(qū)域會(huì)有獨(dú)立的無(wú)線數(shù)據(jù)上傳通道。 自動(dòng)駕駛域是新一代電氣架構(gòu)中一個(gè)重點(diǎn)區(qū) 域，是提升商用客車在市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵部分。

3 網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖 4 所示，車輛與外部云端服務(wù)平臺(tái)主要 采用 4G/5G 通信方式，而車內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)考慮 到與傳統(tǒng)電氣設(shè)備的兼容性問(wèn)題，在保留部分車 載 CAN 總線通信基礎(chǔ)上引入車載以太網(wǎng)通信技術(shù)。 在車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通信中，4 個(gè)區(qū)域控制器之間的主要通 信方式是車載以太網(wǎng)，同時(shí) CAN 總線作為傳統(tǒng)商 用客車的主流通信方式也被保留下來(lái)，這既可以提 高通信容錯(cuò)性，還能有效降低通信成本。

4 信息安全架構(gòu)設(shè)計(jì)

新一代電氣架構(gòu)采用最新的信息安全管理系統(tǒng)， 在通信設(shè)備數(shù)據(jù)域控制器內(nèi)安置了一塊加密芯片， 同時(shí)云端服務(wù)平臺(tái)還支持安全證書(shū)的管理和基于證 書(shū)的安全車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用，具體內(nèi)容包括：①公開(kāi) 密鑰基礎(chǔ)建設(shè)（public key infrastructure，PKI）滿 足包括國(guó)密雙算法在內(nèi)的多種加密算法；②支持證 書(shū)的管理，包括申請(qǐng)、下載、更新、凍結(jié)、解凍、 注銷、查詢等操作；③支持多種證書(shū)，包括 Web 服 務(wù)器證書(shū)、電子郵件證書(shū)、簽名證書(shū)、加密證書(shū)、 代碼簽名證書(shū)、設(shè)備證書(shū)、單位證書(shū)以及自定義用 途的數(shù)字證書(shū)；④支持證書(shū)模板化和主題自定義設(shè) 計(jì)；⑤支持分權(quán)設(shè)計(jì)，提供基于不同角色的權(quán)限管 理；⑥支持業(yè)務(wù)管理和審計(jì)管理分開(kāi)管理，可以設(shè) 定只有審計(jì)管理員才能進(jìn)行審計(jì)管理操作。

5 結(jié)語(yǔ)

本文全面闡述了新一代智能網(wǎng)聯(lián)客車電氣架構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，并且適用于自動(dòng)駕駛汽車的未來(lái)發(fā)展 和 5G 通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用。在充分考慮客戶定制 化設(shè)計(jì)生產(chǎn)需求前提下，保留傳統(tǒng)客車的部分電氣 特性，在新技術(shù)發(fā)展與客車安全之間達(dá)到一個(gè)較 好的平衡，為客車新技術(shù)的應(yīng)用提供有力的技術(shù) 支撐。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫德龍，付瑩瑩，程翠鋒，等 . 汽車電器架構(gòu)發(fā)展趨 勢(shì) [J]. 重型汽車，2021（6）：17-18.

[2] 陳靜相，張雷，李林峰 . 智能網(wǎng)聯(lián)汽車車載集成安全網(wǎng) 關(guān) [J]. 信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2018（9）：49-52，62.

[3] 陸彥達(dá) . 汽車電子電器構(gòu)架設(shè)計(jì)及優(yōu)化措施 [J]. 時(shí)代汽車，2018（6）：74-75.

[4] 黎嘉晨，蘭建平，周海鷹 . 面向集中域控的汽車電 子電氣架構(gòu)技術(shù)研究 [J]. 湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)， 2022，36（4）：23-28.

[5] 曹麗平，徐維，劉敏 . 車載以太網(wǎng) SOME/IP 協(xié)議 及一致性測(cè)試系統(tǒng)研究 [J]. 汽車電器，2023（6）： 55-58，62.

[6] 胡艷峰，唐鍵 . 基于 SAEJ1939 的增程式客車 CAN 總線設(shè)計(jì) [J]. 汽車電器，2015（6）：16-20.

[7] 梅芳芳，程莉蕓，周春梅 . C-V2X 車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀 及發(fā)展前景研究 [J]. 通信與信息技術(shù)，2022（增刊 2）：32-35.

[8] 江曉明，吳昊，叢瀅淇，等 . C-V2X 系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)信 道預(yù)測(cè)的 R-ATB 算法 [J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué) 版），2023，44（1）：62-66.