未來汽車電子架構(gòu)的趨勢(shì)是什么

今天我們大多數(shù)傳統(tǒng)的車型尚處于功能集成階段。

今天，汽車上數(shù)以百計(jì)的ECU（電子控制單元）， MCU（微控制處理器單元）及其上面運(yùn)行著的大量的嵌入式軟件代碼以及復(fù)雜的整車網(wǎng)絡(luò)注定了汽車不同于其他的IOT設(shè)備和智能手機(jī)能夠快速得追趕上信息技術(shù)發(fā)展的步伐。事實(shí)上汽車上的電子電氣架構(gòu)也一直在朝著為智能化體驗(yàn)服務(wù)這個(gè)方向在演化著，只是這個(gè)過程相比消費(fèi)電子行業(yè)需要更長(zhǎng)的時(shí)間。

博世集團(tuán)2017年在德國(guó)的一個(gè)汽車行業(yè)會(huì)議上曾分享過其在整車電子電氣架構(gòu)方面的戰(zhàn)略圖。如下圖，整車電子電氣架構(gòu)的發(fā)展被分為了6個(gè)階段：模塊化階段（一個(gè)功能一個(gè)ECU硬件），功能集成階段，中央域控制器階段，跨域融合階段，車載中央電腦和區(qū)域控制器，車載云計(jì)算階段。

今天我們大多數(shù)傳統(tǒng)的車型尚處于功能集成階段，而新興的造車企業(yè)（如Telsa）及傳統(tǒng)車企重點(diǎn)投入的一些未來車型的研發(fā)則有機(jī)會(huì)丟掉一些歷史包袱從而設(shè)計(jì)更先進(jìn)的整車電子電氣架構(gòu)。

近期，大眾汽車的CEO也宣布了計(jì)劃通過將其現(xiàn)有汽車搭載來自200個(gè)不同供應(yīng)商的70個(gè)ECU“減少到三臺(tái)中央車載電腦”來減少整車軟件的復(fù)雜性從而為智能化提供基礎(chǔ)。而這個(gè)舉措將通過“收購(gòu)過去向我們交付軟件的供應(yīng)商”來實(shí)現(xiàn)。

Volkswagen plans to improve its software’s robustness by reducing its cars’ 70 electronic control units “to three or four central on-board computers”. Herbert Diess announced restructure its software operations achieved by “taking over suppliers that in the past have delivered software to us”

Automotive 《VW Cutting ECUs From 70 to “3 or 4”》

寶馬的Matthias Traub, Alexander Maier和Kai Barbeh?n 2017年在IEEE Software上發(fā)表了寶馬對(duì)汽車電子和IT的發(fā)展論文《Future Automotive Architecture and the Impact of IT Trends》其中關(guān)于車載中央電腦，面向服務(wù)的電子電氣架構(gòu)等思想一定程度上也在影響著汽車行業(yè)的發(fā)展，周末找來這篇文章拜讀一下。譯文如下：

未來汽車架構(gòu)和IT趨勢(shì)的影響

摘要

信息技術(shù)和消費(fèi)電子技術(shù)向汽車領(lǐng)域的轉(zhuǎn)移將提供重大機(jī)會(huì)。然而，這些技術(shù)和汽車工業(yè)都需要大量的適應(yīng)。汽車電子架構(gòu)正在迅速變化。能源效率正在推動(dòng)傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)向高壓混合動(dòng)力和電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展。自動(dòng)駕駛對(duì)分散于功能隔離的控制單元的多傳感器提出了融合的要求。網(wǎng)絡(luò)連接和信息娛樂已經(jīng)把汽車變成了一個(gè)分布式的IT系統(tǒng)：可以訪問云，OTA升級(jí)，高速接入地圖服務(wù)、多媒體內(nèi)容、與其他交通工具和周邊基礎(chǔ)設(shè)施交互。

數(shù)字化正在創(chuàng)造機(jī)會(huì)，這將改變我們對(duì)移動(dòng)生活的理解。汽車作為網(wǎng)絡(luò)世界的一部分，不僅將為用戶提供信息和娛樂的新的可能性，而且還將通過提高舒適性和輔助功能的自動(dòng)化程度，向自動(dòng)駕駛汽車的方向發(fā)展。

這些創(chuàng)新將需要電子、軟件和通信能力的更快增長(zhǎng)。物理結(jié)構(gòu)和功能電子電氣架構(gòu)都將是管理日益復(fù)雜的系統(tǒng)的關(guān)鍵。軟件質(zhì)量、遠(yuǎn)程軟件更新、不同廠商軟件的集成、內(nèi)部軟件開發(fā)和安全性，以及更高的數(shù)據(jù)速率、對(duì)各種數(shù)據(jù)格式的支持、網(wǎng)關(guān)概念、故障操作支持和能源效率，都將成為關(guān)鍵的成功因素。

在這里，我們將討論將信息技術(shù)和消費(fèi)電子技術(shù)轉(zhuǎn)移到汽車領(lǐng)域所帶來的主要機(jī)遇。對(duì)于每一個(gè)機(jī)會(huì)，我們都會(huì)顯示當(dāng)前的狀態(tài)及其可能帶來的好處。

汽車工業(yè)的機(jī)遇

來自數(shù)字世界的玩家（例如，谷歌、蘋果和亞馬遜）正在向我們展示可能適用于汽車領(lǐng)域的機(jī)會(huì)和解決方案。

這種解決方案的一種方法是面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA），包括操作系統(tǒng)（例如，蘋果的iOS）。這種方法允許開發(fā)人員創(chuàng)建高效的新功能（應(yīng)用程序），這些功能可以很容易地集成到設(shè)備的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中（例如，iPhone）。這種新功能的無縫集成可以幫助為每個(gè)用戶提供個(gè)性化。此外，遠(yuǎn)程更新支持功能優(yōu)化、質(zhì)量改進(jìn)和靈活的生命周期管理。其他的機(jī)會(huì)來自已經(jīng)在信息技術(shù)中使用的高性能處理器，以及清晰的設(shè)計(jì)模式，如層次結(jié)構(gòu)和可伸縮性。

高性能處理器使能更高程度的集成

高性能消費(fèi)電子處理器正在汽車電子架構(gòu)中使能新的集成平臺(tái)。這些處理器的使用為汽車領(lǐng)域引入了強(qiáng)大的操作系統(tǒng)——例如，Linux(參見圖1)。

圖1，消費(fèi)電子領(lǐng)域的高性能處理器將為汽車電子架構(gòu)使能新的集成平臺(tái)

GENIVI聯(lián)盟正在建立一個(gè)軟件架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，包括一個(gè)操作系統(tǒng)。在不久的將來，其他應(yīng)用（例如自動(dòng)駕駛）的ECU將需要這樣的軟件架構(gòu)。此外，AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)將得到增強(qiáng)，使用POSIX標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建AUTOSAR自適應(yīng)平臺(tái)（AUTOSARAdaptive Platform）。這些新技術(shù)將使得我們能夠用新的方式去設(shè)計(jì)汽車電子架構(gòu)。

無縫的分層架構(gòu)

到目前為止，E/E架構(gòu)的設(shè)計(jì)大多采用漸進(jìn)的方式，重點(diǎn)放在局部解決方案上。這意味著四件事:

功能的劃分集中在計(jì)算能力可用的地方

項(xiàng)目特定的和異構(gòu)的開發(fā)方法在各個(gè)E/E開發(fā)領(lǐng)域中是常見的

所有ECU都遵循OEM的通用系統(tǒng)需求，這常常導(dǎo)致ECU的過度設(shè)計(jì)

由于職責(zé)和目標(biāo)嚴(yán)格分離，ECU的發(fā)展集中在ECU的本地優(yōu)化。

為了解決這些問題，寶馬為下一代汽車的設(shè)計(jì)創(chuàng)建了一個(gè)分層的E/E架構(gòu)（見圖2）。具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

ECU分類是基于需求的

適用于每類ECU的統(tǒng)一開發(fā)方法替代了本地開發(fā)方法

每類ECU都有特定的系統(tǒng)需求

系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化是主要關(guān)注點(diǎn)，由系統(tǒng)架構(gòu)師驅(qū)動(dòng)

圖2，強(qiáng)大的集成平臺(tái)為汽車領(lǐng)域提供了無縫的分層的電子電氣架構(gòu)

在這個(gè)體系結(jié)構(gòu)中，中央計(jì)算平臺(tái)（圖2的頂層，第1類）劃分主要的軟件功能，這些功能主要在內(nèi)部開發(fā)。這些平臺(tái)提供高性能，并滿足最高的安全要求。集成ECU（第2類）填充了中央計(jì)算平臺(tái)和普通ECU（第3類）之間的差距——例如，部署需要直接訪問傳感器或執(zhí)行器的時(shí)間關(guān)鍵功能。對(duì)于簡(jiǎn)單和非特定于OEM的功能，可以接受普通ECU和傳感器和執(zhí)行器（第4類）。理想情況下，這些ECU、傳感器和執(zhí)行器基于常見的OEM或者一級(jí)供應(yīng)商的零件。

一個(gè)可伸縮的架構(gòu)

當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的開發(fā)，部分是以增加變種和復(fù)雜性為代價(jià)的。設(shè)計(jì)模式通?；诎l(fā)送方和接收方之間的通信，這常常導(dǎo)致了高依賴性和有限的可擴(kuò)展性。

對(duì)于下一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，中央通信服務(wù)器（CCS）將支持封裝，以便在本地處理可擴(kuò)展性。這些架構(gòu)將具有以下主要特性（參見圖3）：

中央信息服務(wù)器和代理將處理所有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)信息

E/E架構(gòu)將被封裝，以較小變化支持從基礎(chǔ)版到全功能版本的所有車輛

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通信將是結(jié)構(gòu)化和層次化的

信息在諸如LIN、CAN、FlexRay、以太網(wǎng)以及發(fā)展中的V2V無線協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換是流動(dòng)的

物理節(jié)點(diǎn)、信息和服務(wù)等級(jí)將是獨(dú)立的，包括防火墻功能

圖3，中央通信服務(wù)器將支持可伸縮的E/E架構(gòu)

在系統(tǒng)級(jí)別，CCS將為物理拓?fù)浜瓦壿嬐負(fù)涮峁﹥?yōu)化的可能性。例如，在物理級(jí)別上，可以用CCS的高性能路由引擎替換子網(wǎng)關(guān)。對(duì)于邏輯級(jí)別的優(yōu)化，CCS可以解耦發(fā)送方和接收方之間的依賴關(guān)系，并為逐步引入SOA打下基礎(chǔ)。

面向服務(wù)的架構(gòu)

汽車功能需要與IT和消費(fèi)電子行業(yè)的功能具有相同的創(chuàng)新水平。由于人們對(duì)汽車的依賴性越來越大，汽車的功能也變得越來越復(fù)雜。一個(gè)例子就是從簡(jiǎn)單的巡航控制，到自適應(yīng)巡航控制，再到自動(dòng)駕駛的演變。今天，系統(tǒng)的功能視圖是基于信號(hào)的。功能的劃分受到遺留系統(tǒng)、ECU資源和開發(fā)系統(tǒng)的組織架構(gòu)的顯著影響。只關(guān)注于ECU級(jí)別不足以掌握復(fù)雜性。

因此，我們?cè)贐MW為下一代E/E架構(gòu)引入了基于SOA的方案（見圖4）。SOA方案為整個(gè)系統(tǒng)提供了重要的服務(wù)抽象。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆庋b和分層結(jié)構(gòu)支持使用敏捷開發(fā)方法和針對(duì)接口進(jìn)行測(cè)試，并降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。將大大簡(jiǎn)化軟件組件在車輛更新?lián)Q代時(shí)的重用。

圖4，面向服務(wù)的架構(gòu)將幫助BMW掌握日益復(fù)雜的E/E功能網(wǎng)絡(luò)

車內(nèi)和云端架構(gòu)

車內(nèi)E/E架構(gòu)和云端架構(gòu)越來越接近。越來越多的汽車功能與云端交換數(shù)據(jù)或部分功能運(yùn)行在云端。因此，功能分離、編碼和防火墻等方面變得越來越重要。這些安全模式已經(jīng)存在于信息技術(shù)和消費(fèi)電子行業(yè)，并且可以轉(zhuǎn)移到汽車領(lǐng)域。

車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)和后端之間的連接非常重要。主要方面有

LTE、Wi-Fi和未來5G等通信標(biāo)準(zhǔn)

提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)

足夠的帶寬及可用性

云端為各種應(yīng)用程序提供了基礎(chǔ)。功能可以在那里執(zhí)行（例如，自動(dòng)駕駛或多媒體）?？梢酝ㄟ^云端為司機(jī)提供移動(dòng)服務(wù)。可以對(duì)從汽車傳輸?shù)皆贫说男畔⑦M(jìn)行分析。

車內(nèi)和云端架構(gòu)的無縫結(jié)合，以及前面提到的構(gòu)建塊（CCS、SOA和分層的E/E體系結(jié)構(gòu)），將成為使我們的E/E基礎(chǔ)設(shè)施能夠處理即將到來的創(chuàng)新的重要一步。圖5顯示了可以在ECU或云端執(zhí)行的功能的總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)。

圖5，從車內(nèi)和云端架構(gòu)的總體角度來看，安全性和隱私等機(jī)制必須同時(shí)處理這兩種架構(gòu)，才能提供無縫的功能。AF =自動(dòng)駕駛功能，CD =人群數(shù)據(jù)

車內(nèi)和云端架構(gòu)的無縫設(shè)計(jì)和文檔是關(guān)鍵的成功因素。這包括數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程更新和為能夠在ECU或云端執(zhí)行的功能的軟件設(shè)計(jì)。我們將在下一節(jié)中討論這些方面。

流程、方法和工具的改變

目前，整個(gè)E/E開發(fā)過程使用了許多不同的方法和工具。通常來說，軟件項(xiàng)目中的每個(gè)部門都有自己的設(shè)計(jì)原則、工作流和工具。將來，IT行業(yè)設(shè)計(jì)E/E架構(gòu)的最先進(jìn)的方法和工具將消除當(dāng)前異構(gòu)的情況，創(chuàng)建一個(gè)更加同構(gòu)的開發(fā)環(huán)境。圖6顯示了當(dāng)前和未來的狀態(tài)。這一技術(shù)進(jìn)步將提供：

從客戶交互到軟件架構(gòu)的無縫需求過程

基于SOA的E/E架構(gòu)的無縫、完整建模

使用SOA設(shè)計(jì)原則封裝分布式開發(fā)的內(nèi)容

啟動(dòng)敏捷開發(fā)流程、聯(lián)合Scrum團(tuán)隊(duì)和共享代碼存儲(chǔ)庫

持續(xù)集成和早期使用虛擬集成方法

圖6，汽車電子的發(fā)展(a)今天和(b)未來。車內(nèi)和云端架構(gòu)的無縫設(shè)計(jì)和文檔是關(guān)鍵的成功因素。ADD=架構(gòu)設(shè)計(jì)文檔，B&C =車身和舒適性，DA&S =駕駛員輔助和安全，HIL =硬件在環(huán)，I&C =信息和通信，P&C =動(dòng)力總成和底盤，SIL =軟件在環(huán)

數(shù)字化和互聯(lián)互通改變著用戶的期望，如功能的遠(yuǎn)程無縫更新，新的市場(chǎng)參與者（比如特斯拉），以及制定新法規(guī)的必要性（比如有關(guān)自動(dòng)駕駛責(zé)任的法律）。

汽車電子的發(fā)展將從信息技術(shù)和消費(fèi)電子標(biāo)準(zhǔn)中受益，但必須重新發(fā)明許多技術(shù)，以滿足嚴(yán)格的需求。汽車電子系統(tǒng)還將與傳統(tǒng)的軟件系統(tǒng)有所不同。對(duì)安全性、性能、可用性和信息安全的需求導(dǎo)致了對(duì)熟練程度和質(zhì)量的最高期望，而這在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中并不被認(rèn)為是必要的。聰明的采用和適應(yīng)信息技術(shù)和消費(fèi)電子方法和技術(shù)將帶來許多機(jī)會(huì)，同時(shí)避免削弱傳統(tǒng)軟件系統(tǒng)的陷阱。