汽車電子電氣架構(gòu)軟件關(guān)鍵技術(shù)解析

1.?汽車電子電氣架構(gòu)與車載計(jì)算平臺技術(shù)趨勢

汽車電子電氣架構(gòu)從傳統(tǒng)分布式架構(gòu)正在朝向域架構(gòu)、中央計(jì)算架構(gòu)轉(zhuǎn)變，車內(nèi)控制系統(tǒng)趨于形成統(tǒng)一的架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)及通用的軟硬件平臺，各類控制功能逐漸演變?yōu)榻y(tǒng)一平臺下的各類應(yīng)用。其技術(shù)演進(jìn)有四個(gè)關(guān)鍵趨勢：計(jì)算集中化、軟硬件解耦化、平臺標(biāo)準(zhǔn)化以及功能開發(fā)生態(tài)化。智能化與網(wǎng)聯(lián)化共同推動了汽車電子電氣架構(gòu)的變革，一方面是車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)化和實(shí)時(shí)、高速網(wǎng)絡(luò)的啟用，另一方面是ECU（電子控制單元）的功能進(jìn)一步集成到域控制器甚至中央計(jì)算單元。

圖1 汽車電子電氣架構(gòu)轉(zhuǎn)變趨勢示意圖

汽車電子底層硬件不再是由實(shí)現(xiàn)單一功能的單一芯片提供簡單的邏輯計(jì)算，而是需要提供更為強(qiáng)大的算力支持；軟件也不再是基于某一固定硬件開發(fā)，而是要具備可移植、可迭代和可拓展等特性。汽車原有以ECU為單元的研發(fā)組織將發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成通用硬件平臺、基礎(chǔ)軟件平臺以及各類應(yīng)用軟件的新型研發(fā)組織形態(tài)。

圖2 汽車電子電氣架構(gòu)開發(fā)方式轉(zhuǎn)變趨勢示意圖

車載計(jì)算平臺目前整體的技術(shù)發(fā)展趨勢的共識為軟件可升級，可以做到跨車型、跨軟件，跨車企的軟件重用；硬件可擴(kuò)展、可更換，傳感器的即插即用。軟硬件解耦的大趨勢下，加速軟硬件迭代的周期，做到可擴(kuò)展的車載計(jì)算平臺，東軟集團(tuán)提出了可插拔硬件架構(gòu)的設(shè)想（如圖3），以模塊化架構(gòu)作為切入點(diǎn)，通過對芯片的冗余處理、容災(zāi)容錯(cuò)實(shí)現(xiàn)故障的檢測、隔離、阻斷，以及基于服務(wù)容器、分布式計(jì)算和面向服務(wù)架構(gòu)進(jìn)行算力流動的設(shè)置。華為則通過計(jì)算與通信架構(gòu)來驅(qū)動軟件定義汽車入手（如圖4），構(gòu)建可信的體系，優(yōu)化單車成本，基于可擴(kuò)展架構(gòu)降低整車開發(fā)周期，平滑推進(jìn)智能駕駛，將車打造成能持續(xù)創(chuàng)造價(jià)值的平臺。

圖3 東軟集團(tuán)汽車車載計(jì)算平臺解決方案示意圖

圖4 華為汽車車載計(jì)算平臺解決方案示意圖

2.?系統(tǒng)層軟件

關(guān)鍵技術(shù)分析

系統(tǒng)軟件即操作系統(tǒng)，是管理和控制智能汽車硬件與軟件資源的底層，提供運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行機(jī)制、通信機(jī)制和安全機(jī)制等。目前車載操作系統(tǒng)可分為四個(gè)層次：基礎(chǔ)型操作系統(tǒng)、定制型操作系統(tǒng)、ROM型操作系統(tǒng)和中間件。

基礎(chǔ)型操作系統(tǒng)包括系統(tǒng)內(nèi)核、底層驅(qū)動等，提供操作系統(tǒng)最基本的功能，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的進(jìn)程、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動程序、文件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性；目前底層操作系統(tǒng)為開源框架，暫不受版權(quán)和知識產(chǎn)權(quán)的影響，一般不屬于企業(yè)考慮開發(fā)的技術(shù)范圍。定制版操作系統(tǒng)則是在基礎(chǔ)型操作系統(tǒng)之上進(jìn)行深度定制化開發(fā)，如修改內(nèi)核、硬件驅(qū)動、運(yùn)行時(shí)環(huán)境、應(yīng)用程序框架等，屬于自主研發(fā)的獨(dú)立操作系統(tǒng)。ROM則是基于發(fā)行版修改后的系統(tǒng)服務(wù)與系統(tǒng) UI。ROM型汽車操作系統(tǒng)是基于Linux或安卓等基礎(chǔ)型操作系統(tǒng)進(jìn)行有限的定制化開發(fā)，不涉及系統(tǒng)內(nèi)核更改，一般只修改更新操作系統(tǒng)自帶的應(yīng)用程序等。大部分的主機(jī)廠一般都選擇開發(fā)ROM型操作系統(tǒng)，國外主機(jī)廠多選用Linux作為底層操作系統(tǒng)，國內(nèi)主機(jī)廠則偏好Android應(yīng)用生態(tài)。中間件是處于應(yīng)用和操作系統(tǒng)之間的軟件，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下軟件互聯(lián)和互操作等共性和問題，提供標(biāo)準(zhǔn)接口、協(xié)議，并具有較高的移植性。目前國內(nèi)廠商在中間件上的發(fā)展較為先進(jìn)，致力于在E/E電子架構(gòu)變革中提供可過渡的解決方案。

圖5 系統(tǒng)層軟件架構(gòu)示意圖

3.?自動駕駛軟件

關(guān)鍵技術(shù)分析

自動駕駛的基本過程分為三部分：感知、決策、控制。其關(guān)鍵技術(shù)為自動駕駛的軟件算法與模型，通過融合各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，不同的算法和支撐軟件計(jì)算得到所需的自動駕駛方案。自動駕駛中的環(huán)境感知指對于環(huán)境的場景理解能力，例如障礙物的類型、道路標(biāo)志及標(biāo)線、行車車輛的檢測、交通信息等數(shù)據(jù)的分類。定位是對感知結(jié)果的后處理，通過定位功能幫助車輛了解其相對于所處環(huán)境的位置。環(huán)境感知需要通過多傳感器獲取大量的周圍環(huán)境信息，確保對車輛周圍環(huán)境的正確理解，并基于此做出相應(yīng)的規(guī)劃和決策。目前兩種主流技術(shù)路線，一種是以特斯拉為代表的以攝像頭為主導(dǎo)的多傳感器融合方案；另一種是以谷歌、百度為代表的以激光雷達(dá)為主導(dǎo)，其他傳感器為輔助的技術(shù)方案。決策是依據(jù)駕駛場景認(rèn)知態(tài)勢圖，根據(jù)駕駛需求進(jìn)行任務(wù)決策，接著能夠在避開存在的障礙物前提之下，通過一些特定的約束條件，規(guī)劃出兩點(diǎn)之間多條可以選擇的安全路徑，并在這些路徑當(dāng)中選擇一條最優(yōu)的路徑，決策出車輛行駛軌跡。執(zhí)行系統(tǒng)則為執(zhí)行駕駛指令、控制車輛狀態(tài)，如車輛的縱向控制及車輛的驅(qū)動和制動控制，橫向控制是方向盤角度的調(diào)整以及輪胎力的控制，實(shí)現(xiàn)了縱向和橫向自動控制，就可以按給定目標(biāo)和約束自動控制車運(yùn)行。?

圖6 自動駕駛關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)

4.?智能座艙軟件

關(guān)鍵技術(shù)

分析智能座艙主要涵蓋座艙內(nèi)飾和座艙電子領(lǐng)域的創(chuàng)新與聯(lián)動，從消費(fèi)者應(yīng)用場景角度出發(fā)而構(gòu)建的人機(jī)交互(HMI)體系。智能座艙通過對數(shù)據(jù)的采集，上傳到云端進(jìn)行處理和計(jì)算，從而對資源進(jìn)行最有效的適配，增加座艙內(nèi)的安全性、娛樂性和實(shí)用性。當(dāng)前智能座艙主要滿足座艙功能需求，在原有的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有的功能或是分散信息進(jìn)行整合，提升座艙性能，改善人機(jī)交互方式，提供數(shù)字化服務(wù)。智能座艙的未來形態(tài)是“智能移動空間”。在5G和車聯(lián)網(wǎng)高度普及的前提下，智能座艙與高級別的自動駕駛相融合，逐漸進(jìn)化成集“家居、娛樂、工作、社交”為一體的智能空間。

圖7 智能座艙關(guān)鍵技術(shù)分析

5. 車聯(lián)網(wǎng)軟件

關(guān)鍵技術(shù)分析

車聯(lián)網(wǎng)是以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，按照約定的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)，在“人-車-路-云”之間進(jìn)行無線通訊和信息交換的大系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，是能夠?qū)崿F(xiàn)智能化交通管理、智能動態(tài)信息服務(wù)和車輛智能化控制的一體化網(wǎng)絡(luò)，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在交通系統(tǒng)領(lǐng)域的典型應(yīng)用。在網(wǎng)聯(lián)化層面，按照網(wǎng)聯(lián)通信內(nèi)容的不同將其劃分為網(wǎng)聯(lián)輔助信息交互、網(wǎng)聯(lián)協(xié)同感知、網(wǎng)聯(lián)協(xié)同決策與控制三個(gè)等級。目前行業(yè)內(nèi)處于網(wǎng)聯(lián)輔助信息交互階段，即基于車-路、車-后臺通信，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航等輔助信息的獲取以及車輛行駛與駕駛?cè)瞬僮鞯葦?shù)據(jù)的上傳。因此現(xiàn)階段車聯(lián)網(wǎng)主要指基于網(wǎng)聯(lián)輔助信息交互技術(shù)衍生的信息服務(wù)等，如導(dǎo)航、娛樂、救援等，但廣義車聯(lián)網(wǎng)除信息服務(wù)外，還包含用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)聯(lián)協(xié)同感知和控制等功能的V2X相關(guān)技術(shù)和服務(wù)等。

圖8車聯(lián)網(wǎng)總體視圖

圖中展示了車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)主要的參與端，包括汽車上的通訊終端T-Box、相關(guān)控制器以及車機(jī)，也包括后臺TSP（車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)整合商）、手機(jī)APP、網(wǎng)頁端、內(nèi)容提供商和服務(wù)提供商，還包括與路端通信的OBU、RSU和基站。其中，T-Box是汽車上唯一與外界通訊的橋梁，既實(shí)現(xiàn)了車內(nèi)聯(lián)網(wǎng)，也實(shí)現(xiàn)了車外通信；TSP是后端的整合部分，通常它既要提供基礎(chǔ)能力的管理（如賬號和鑒權(quán)），又要與各面向個(gè)端對接，實(shí)現(xiàn)服務(wù)的整合以及信息的傳遞；手機(jī)APP、網(wǎng)頁端以及車機(jī)都是直接用戶的觸點(diǎn)，承擔(dān)著與用戶交互的任務(wù)，是各個(gè)服務(wù)的體現(xiàn)點(diǎn)；內(nèi)容和服務(wù)提供商是大部分?jǐn)?shù)據(jù)的提供來源，他們是互聯(lián)網(wǎng)細(xì)分領(lǐng)域?qū)I(yè)的提供者。

車載通訊模塊T-BOX架構(gòu)中通常含有雙路高速CAN收發(fā)器，4G/5G/V2X模組以及可實(shí)時(shí)處理的高性能微處理器芯片，主要負(fù)責(zé)車內(nèi)外通信服務(wù)，其中車聯(lián)網(wǎng)C-V2X技術(shù)應(yīng)用展開場景應(yīng)用類型與協(xié)同服務(wù)業(yè)務(wù)逐漸豐富，技術(shù)和應(yīng)用的演進(jìn)路線也從節(jié)點(diǎn)處理至更高級別復(fù)雜的應(yīng)用方向發(fā)展。?

圖9 東軟車載通訊模塊T-Box架構(gòu)示意圖

圖10東軟車聯(lián)網(wǎng)C-V2X技術(shù)應(yīng)用展開場景

6.?高精度地圖

關(guān)鍵技術(shù)分析

高精地圖是指絕對精度和相對精度均在分米級的高精度、高新鮮度、高豐富度的導(dǎo)航地圖，簡稱HD Map（High Definition Map）或HAD Map（Highly Automated Driving Map）。高精地圖所蘊(yùn)含的信息豐富，含有道路類型、曲率、車道線位置等道路信息，以及路邊基礎(chǔ)設(shè)施、障礙物、交通標(biāo)志等環(huán)境對象信息，同時(shí)包括交通流量、紅綠燈等實(shí)時(shí)動態(tài)信息。不同地圖信息的應(yīng)用場景和對實(shí)時(shí)性的要求不同，通過對信息進(jìn)行分級處理，能有效提高地圖的管理、采集效率及廣泛應(yīng)用。

與傳統(tǒng)車載電子地圖相比，高精地圖精細(xì)程度更高，動態(tài)要素更為豐富。且車載地圖的體積受到嵌入式系統(tǒng)的存儲容量限制。目前，自動駕駛用高精度地圖（厘米級），存儲密度非常高，整體容量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目前主流控制器方案的存儲容量，所以需要借助云儲存及云分發(fā)的形式才能得以實(shí)現(xiàn)。除此之外，傳統(tǒng)導(dǎo)航電子地圖的更新頻率為靜態(tài)數(shù)據(jù)（通常更新頻率為季度更新或月更新），準(zhǔn)靜態(tài)數(shù)據(jù)（頻率為日更新）。而高精度地圖對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求較高，更新頻率通常為準(zhǔn)動態(tài)數(shù)據(jù)（頻率為分鐘更新），實(shí)時(shí)動態(tài)數(shù)據(jù)（頻率為秒或毫秒更新）。

圖11 城市場景高精度地圖基本形態(tài)示意圖

編輯：黃飛

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