未來(lái)的車(chē)載電氣系統(tǒng)：區(qū)域架構(gòu)與軟件定義車(chē)輛

從域架構(gòu)到區(qū)域架構(gòu)——軟件定義車(chē)輛（SWdV）和對(duì)未來(lái)數(shù)據(jù)線的要求

目前有兩個(gè)術(shù)語(yǔ)在閱讀汽車(chē)專業(yè)文章時(shí)是繞不開(kāi)的。其一是大家總是不斷讀到的所謂“區(qū)域架構(gòu)”?，在與之相關(guān)的文章中也經(jīng)常閱讀到“軟件定義車(chē)輛（SWdV）”。

那么這些術(shù)語(yǔ)是怎么回事呢？它們將如何影響未來(lái)幾代汽車(chē)？這些正是我們?cè)谶@篇博客文章中要探討的問(wèn)題。

1

回顧過(guò)去：布線復(fù)雜、重量大

那么“區(qū)域架構(gòu)”和“軟件定義車(chē)輛（SWdV）”?這些術(shù)語(yǔ)是怎么回事呢？它們將如何影響未來(lái)幾代汽車(chē)？為了能夠回答這些問(wèn)題，我們簡(jiǎn)短地回顧一下過(guò)去。車(chē)載電氣系統(tǒng)拓?fù)涞牡谝环N形式被稱為“分布式”或“模塊化架構(gòu)”。在這種形式中，所有傳感器和執(zhí)行器都被單獨(dú)直接連接到一個(gè)控制單元。每個(gè)傳感器或執(zhí)行器都具有功能所需的智能，只將控制信號(hào)和已經(jīng)制備的測(cè)量信號(hào)通過(guò)電纜和總線系統(tǒng)（通常是Lin或Can總線）傳輸?shù)娇刂茊卧?。每輛車(chē)上都安裝了幾百個(gè)傳感器和多達(dá)一百個(gè)控制單元。個(gè)別電纜的長(zhǎng)度可達(dá)16.5米。這使得車(chē)內(nèi)電纜總長(zhǎng)度迅速超過(guò)公里極限的情況屢見(jiàn)不鮮。其結(jié)果是布線非常復(fù)雜，線束重量也很大。

模塊化架構(gòu)

每個(gè)控制單元都必須使用專門(mén)針對(duì)其功能的軟件（固件）進(jìn)行編程。固件更新通常只能用特殊的編程電纜直接在設(shè)備上進(jìn)行。這樣就必須去專業(yè)的修理廠，而且只有在極少數(shù)情況下才進(jìn)行更新。

出廠后通過(guò)附加功能擴(kuò)展車(chē)輛功能是非常困難的，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)。每個(gè)功能至少需要在車(chē)輛上安裝一條連接到控制單元的額外電纜。通常需要更新控制單元上的固件來(lái)給新功能提供支持。這種情況下的花費(fèi)很快就超過(guò)了所獲得的收益。

隨著車(chē)輛功能數(shù)量的增加，特別是在安全和舒適領(lǐng)域，這種布線形式很快就達(dá)到了極限。

這就是“域架構(gòu)”的誕生時(shí)刻。

2

當(dāng)前技術(shù)狀況：域架構(gòu)：

與“模塊化架構(gòu)“不同，域架構(gòu)遵循的方法是根據(jù)傳感器和執(zhí)行器的功能和任務(wù)來(lái)劃分它們（領(lǐng)域）。在車(chē)輛中定義了各種功能域，例如驅(qū)動(dòng)器、舒適或信息娛樂(lè)。它們中的每一個(gè)都由一個(gè)更高級(jí)的控制單元，域控制器（DCU：Domain Control Unit，控制單元）進(jìn)行監(jiān)視和控制。與傳感器/執(zhí)行器的連接可以通過(guò)低成本總線連接（例如Lin或Can總線）來(lái)實(shí)現(xiàn)。控制單元本身被連接到一個(gè)性能強(qiáng)勁且面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，即所謂的網(wǎng)關(guān)（例如以太網(wǎng)）。因此隨時(shí)都可以用新功能例如ADAS（Advanced Driver Assist System，高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)）毫無(wú)問(wèn)題地改造附加的域或控制單元。

域架構(gòu)

但是如果一個(gè)域的功能不能在物理上安裝在車(chē)輛的同一位置，那么這種技術(shù)的缺點(diǎn)就很快就顯現(xiàn)出來(lái)。這反過(guò)來(lái)又導(dǎo)致從控制單元到傳感器或執(zhí)行器的電纜過(guò)長(zhǎng)。此時(shí)可以引用“轉(zhuǎn)向燈”功能這個(gè)簡(jiǎn)單示例：在車(chē)輛的不同角落至少應(yīng)當(dāng)給6個(gè)轉(zhuǎn)向燈布線，但所有轉(zhuǎn)向燈都由一個(gè)控制單元觸發(fā)。這種類型的車(chē)輛拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)體現(xiàn)了當(dāng)前的技術(shù)狀況！

然而汽車(chē)世界目前正處于一個(gè)極端的轉(zhuǎn)變之中。除了用替代驅(qū)動(dòng)器取代內(nèi)燃機(jī)外，“自動(dòng)駕駛”的大趨勢(shì)正在充斥在整個(gè)行業(yè)中，這就需要給未來(lái)的車(chē)載電氣系統(tǒng)提供新的設(shè)計(jì)。

3

未來(lái)的車(chē)載電氣系統(tǒng)：區(qū)域架構(gòu)與軟件定義車(chē)輛：

域架構(gòu)當(dāng)然也有一些優(yōu)點(diǎn)。但是為了應(yīng)對(duì)現(xiàn)代車(chē)輛的復(fù)雜性并滿足未來(lái)的要求，需要一種不同的方法，那就是區(qū)域架構(gòu)。

區(qū)域方法（區(qū)域架構(gòu)）與面向域的解決方案不同，其功能根據(jù)它們?cè)谲?chē)輛中的位置而不是根據(jù)它們的任務(wù)來(lái)安排。在一輛簡(jiǎn)單的車(chē)輛中可能只有四個(gè)區(qū)域，每個(gè)角落一個(gè)。物理區(qū)域中的所有設(shè)備都由區(qū)域控制器，也稱為區(qū)域網(wǎng)關(guān)或控制單元（電子控制單元）來(lái)控制。這些區(qū)域控制器又通過(guò)主干鏈路（高速數(shù)據(jù)鏈路）連接到中央計(jì)算單元。

物理區(qū)域中由區(qū)域控制單元監(jiān)控的所有任務(wù)都被分配給該區(qū)域。這樣照明、圖像傳感器、轉(zhuǎn)向燈、制動(dòng)器、轉(zhuǎn)向、懸架等就可以組合成一個(gè)共同的區(qū)域。

區(qū)域架構(gòu)

除了簡(jiǎn)化布線以外，模塊化和靈活性對(duì)于充分發(fā)揮該解決方案的優(yōu)勢(shì)起著非常重要的作用。

這里的模塊化意味著可以用相同的硬件（例如相同的控制單元）實(shí)現(xiàn)不同的任務(wù)。

靈活性是更新、錯(cuò)誤修復(fù)、配置和擴(kuò)展的能力，而不會(huì)讓駕駛員花費(fèi)太多。有了所謂的“Over the Air”（OTA，空中下載技術(shù)）功能，就可以通過(guò)連接到互聯(lián)網(wǎng)來(lái)執(zhí)行這些操作，而不必去修理廠。車(chē)輛檢查是否有更新，并完全獨(dú)立地在其控制單元上加載或更新安裝這些軟件。選配和擴(kuò)展可以由車(chē)主購(gòu)買(mǎi)和安裝，原則上類似于知名移動(dòng)設(shè)備操作系統(tǒng)提供商的應(yīng)用商店。

為了在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)這種模塊化和靈活性，將來(lái)需要在軟件中而不是通過(guò)硬件中生成這種功能。現(xiàn)代智能手機(jī)的模式就是這方面的一個(gè)很好示例，在智能手機(jī)中能夠通過(guò)應(yīng)用程序給用戶提供了各種各樣的任務(wù)和應(yīng)用。除了打電話，還可以通過(guò)智能手機(jī)拍照或?qū)Ш?。如果愿意，甚至可以完成銀行業(yè)務(wù)或者在社交媒體上獲取信息。

這種方法在汽車(chē)中被稱為“軟件定義車(chē)輛”。車(chē)輛中的幾乎所有功能不再通過(guò)基于硬件的控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，而是由程序（App）在通用控制計(jì)算機(jī)（區(qū)域控制器）上解決這些任務(wù)。優(yōu)點(diǎn)是許多應(yīng)用程序同時(shí)運(yùn)行（多任務(wù)處理），因此一個(gè)區(qū)域的所有功能都可以在一個(gè)區(qū)域控制器上實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，這需要非常高的計(jì)算能力，但也需要大量安裝在區(qū)域控制器中，與傳感器/執(zhí)行器連接的接口。這些區(qū)域控制器的任務(wù)還包括與中央計(jì)算單元通信。發(fā)送到該中心的那些數(shù)據(jù)因此由區(qū)域控制器預(yù)先過(guò)濾并確定優(yōu)先級(jí)。系統(tǒng)復(fù)雜性因而顯著降低，中央計(jì)算單元可以專注于重要數(shù)據(jù)的處理（例如：ADAS功能，評(píng)估圖像數(shù)據(jù)等）。

區(qū)域控制器和中央計(jì)算單元之間的數(shù)據(jù)連接需要可靠且快速的通信。汽車(chē)以太網(wǎng)解決方案（例如MultiGiG）是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的手段。

這種連接被稱為主干。

區(qū)域網(wǎng)關(guān)到中央計(jì)算機(jī)的通信

“軟件定義車(chē)輛”的方法不可避免地導(dǎo)致主機(jī)廠的重大范式轉(zhuǎn)移。雖然到目前為止，車(chē)輛制造商是車(chē)輛中所安裝技術(shù)設(shè)備（硬件）的專有技術(shù)承載者，但現(xiàn)在這些功能和價(jià)值創(chuàng)造幾乎完全從硬件轉(zhuǎn)移到軟件。重點(diǎn)不再是車(chē)輛本身，而更多的是功能，并根據(jù)客戶的要求對(duì)功能進(jìn)行個(gè)性化調(diào)整。然而到目前為止，軟件開(kāi)發(fā)還不是主機(jī)廠的核心能力。因此我們已經(jīng)可以在這方面看到不同的趨勢(shì)。一些公司（通常是較年輕的公司）傾向于向軟件服務(wù)提供商或完整的系統(tǒng)（例如來(lái)自谷歌的安卓）邁進(jìn)，而“傳統(tǒng)”主機(jī)廠則更傾向于試圖將專有技術(shù)保留在公司內(nèi)部，并投資建立自己的軟件部門(mén)。無(wú)論這些路線中的哪一個(gè)會(huì)長(zhǎng)期占上風(fēng)，都讓人興奮不已。

同樣有趣的是，全新的商業(yè)模式正在出現(xiàn)。

功能本身不再與車(chē)輛相關(guān)聯(lián)。二手車(chē)的經(jīng)銷(xiāo)商，甚至是客戶可以相對(duì)容易地改裝新功能，從而為車(chē)輛創(chuàng)造附加值。因此汽車(chē)的價(jià)值在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中保持不變，甚至可能增加。

現(xiàn)在還可以提供功能的臨時(shí)使用或訂閱解決方案。

另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是車(chē)輛可以與其周?chē)h(huán)境通信?？梢栽谲?chē)輛運(yùn)行過(guò)程中收集數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在例如云中。通過(guò)這種數(shù)據(jù)交換可以不斷改進(jìn)功能和服務(wù)，然后可以在車(chē)輛中實(shí)時(shí)更新這些功能和服務(wù)。多輛車(chē)之間的直接通信在技術(shù)方面也是可以想象的。所有這些可能性都是自動(dòng)駕駛道路上的又一個(gè)重要里程碑。

4

前景：對(duì)計(jì)算能力和數(shù)據(jù)線的巨大需求

要將車(chē)載電氣系統(tǒng)架構(gòu)轉(zhuǎn)換為區(qū)域架構(gòu)，當(dāng)然還需要一段時(shí)間。所需的25 Gbit/s或更高的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)線等挑戰(zhàn)仍然有待解決。但是估計(jì)大體上到2030年就有可能實(shí)現(xiàn)。世界各地的技術(shù)人員都在努力尋求解決方案。

MD ELEKTRONIK憑借其產(chǎn)品組合，成為聚焦于這些要求的，非常強(qiáng)大且稱職的合作伙伴。我們?yōu)橥S電纜、UTP和STP （*），以及USB產(chǎn)品，以及光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸提供恰當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。得益于高度自動(dòng)化的生產(chǎn)策略，我們的產(chǎn)品符合最高的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。?

5

總結(jié)：

汽車(chē)世界正在發(fā)生巨大的變化。給汽車(chē)制造商帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)的不僅是向電力驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。為“四輪智能手機(jī)”的想法提供解決方案也同樣重要。

這方面的一個(gè)重要的方法是用低成本網(wǎng)線（例如MultiGiG以太網(wǎng)）取代大量的單條“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”電纜，從而提高車(chē)載電氣系統(tǒng)的效率。這樣一方面帶來(lái)了顯著減輕重量的好處。這對(duì)控制單元制造商來(lái)說(shuō)也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樵S多以前在單個(gè)傳感器或執(zhí)行器中實(shí)現(xiàn)的功能，現(xiàn)在作為軟件解決方案集成到這些控制單元中。這兩種方法分別被描述為“區(qū)域架構(gòu)”和“軟件定義車(chē)輛”。

6

結(jié)論：

在計(jì)算能力和數(shù)據(jù)傳輸方面的要求非常高，目前還有很大的提升空間。未來(lái)的數(shù)據(jù)線必須被設(shè)計(jì)成可以進(jìn)行不超過(guò)25 Gbit/s或更快速率的可靠數(shù)據(jù)傳輸。光學(xué)數(shù)據(jù)線在這方面正日益成為銅基電纜的卓越替代品。

(*)UTP – Unshielded Twisted Pair，非屏蔽雙絞線STP – Shielded Twisted Pair，屏蔽雙絞線

?

編輯;hf?

?