本文由李春，聶石啟，司炎鑫，劉明春聯(lián)合創(chuàng)作

摘要

對(duì)汽車(chē)電子電氣架構(gòu)進(jìn)行概念綜述；分析“深藍(lán)”車(chē)型的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)和電子電氣架構(gòu)；總結(jié)歸納汽車(chē)行業(yè)電子電氣架構(gòu)的演進(jìn)趨勢(shì)，并結(jié)合汽車(chē)向智能化、網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展的趨勢(shì)，對(duì)未來(lái)汽車(chē)電子電氣架構(gòu)進(jìn)行展望。

隨著人工智能、計(jì)算機(jī)、5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等新一代技術(shù)與汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的深度融合，自動(dòng)駕駛汽車(chē)的重要性日益凸顯，正逐漸成為全球汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，世界各國(guó)正在加速布局。當(dāng)前，智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動(dòng)化和共享化是汽車(chē)技術(shù)演進(jìn)的重要特征和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，是解決交通安全、道路擁堵、能源消耗等問(wèn)題的重要手段，是自動(dòng)駕駛汽車(chē)發(fā)展的核心基礎(chǔ)技術(shù)。自動(dòng)駕駛汽車(chē)在對(duì)感知系統(tǒng)、決策系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、高精度組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等關(guān)鍵系統(tǒng)深入探討研究的同時(shí)，伴隨著新一代高性能計(jì)算單元、各類(lèi)型感知部件等硬件設(shè)備布置在車(chē)輛上，以及裝載運(yùn)行自動(dòng)駕駛操作系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件、功能軟件和向上支撐的應(yīng)用軟件。為應(yīng)對(duì)日趨復(fù)雜的汽車(chē)電子電氣系統(tǒng)，對(duì)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的電子電氣架構(gòu)研究是非常必要的，亦是非常重要的。自動(dòng)駕駛汽車(chē)電子電氣架構(gòu)的技術(shù)研究不僅促進(jìn)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，也可以延長(zhǎng)汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)鏈和拓展汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的涉及面。

1 EEA概述

1.1 EEA綜述

電子電氣架構(gòu) （Electrical and Electronic Architecture， 簡(jiǎn)稱(chēng)EEA） 概念最早來(lái)源于IT行業(yè)，是由美國(guó)DELPHI公司首 先提出的，主體思路是按整車(chē)各功能域類(lèi)型劃分并集成多個(gè) 功能ECU進(jìn)行控制。隨著汽車(chē)技術(shù)和行業(yè)的發(fā)展，EEA概念 已基本清晰，但鑒于“架構(gòu)”一詞外延較廣，也屬于一種抽象化概念，致使各OEM電子電氣架構(gòu)工程師不像整車(chē)電氣設(shè)計(jì)工程師、電氣部件研發(fā)工程師和電氣測(cè)試工程師等工作邊界那么清晰。在電氣與電子工程協(xié)會(huì)制定的IEEE Std1471-2000 《Recommended Practice for Architectural De-scription of Software-Intensive Systems》 標(biāo)準(zhǔn)中第3.5條款定義了Architecture （架構(gòu)） 一詞：The fundamental organization of a system embodied in its components，their relationships to each other，and to the environment，and the principles guiding its design and evolution。從標(biāo)準(zhǔn)定義“架構(gòu)”分析， 架構(gòu)是一種抽象化的概念描述，用來(lái)描述物理功能和信息功能之間的關(guān)聯(lián)以及形式元素之間的分配。總體來(lái)說(shuō)，架構(gòu)是系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)表現(xiàn)，是一種關(guān)系的體現(xiàn)，是一種分配原則。?

1.2 汽車(chē)EEA定義

結(jié)合汽車(chē)屬性和汽車(chē)電氣系統(tǒng)的功能及性能法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要 求，汽車(chē)EEA可以定義為：汽車(chē)上電氣部件之間的相互關(guān)系，以及包括汽車(chē)各電氣硬件設(shè)計(jì)、軟件開(kāi)發(fā)測(cè)試和各功能/性能實(shí)現(xiàn)等所有電氣部件和電氣系統(tǒng)所共同承載邏輯功能之間的關(guān)系，以及未來(lái)研發(fā)設(shè)計(jì)、維護(hù)保養(yǎng)和監(jiān)測(cè)電氣系統(tǒng)所規(guī)定的諸項(xiàng)原則。

汽車(chē)EEA工程師職責(zé)主要是在整車(chē)功能需求、法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求等特定約束條件下，對(duì)功能、性能、工藝、裝配、服務(wù)甚至成本等各方面進(jìn)行分析研究，輸出最優(yōu)化的整車(chē)電氣系統(tǒng)模型和電氣總布置規(guī)劃書(shū)。汽車(chē)EEA的開(kāi)發(fā)包括需求定義、邏輯功能架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件/服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)、線束設(shè)計(jì)等不同層面的開(kāi)發(fā)活動(dòng)。汽車(chē)EEA設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是：對(duì)汽車(chē)上的電子電氣元器件排布合理、控制 策略有效實(shí)施和信息交互通暢，以達(dá)到整車(chē)設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)、性能最優(yōu)、總體成本控制最低。

1.3 EEA法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)汽車(chē)EEA設(shè)計(jì)和要求標(biāo)準(zhǔn)，目前在國(guó)際上還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)汽車(chē)電子電氣架構(gòu)的指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)。但隨著ISO 26262《Road Vehicles-Functional Safety》 和GB/T 34590 《道路車(chē)輛功能安全》 標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，可作為汽車(chē)EEA設(shè)計(jì)與優(yōu)化參考依據(jù)。

2 自動(dòng)駕駛汽車(chē)EEA

隨著汽車(chē)智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動(dòng)化和電子化等技術(shù)的演進(jìn)，傳統(tǒng)汽車(chē)EEA已不能滿足汽車(chē)技術(shù)發(fā)展需要，全新一代自動(dòng)駕駛汽車(chē)EEA 對(duì)整車(chē)的安全性、可靠性和擴(kuò)展性至關(guān)重要。以蘇州金龍MiniBus“深藍(lán)”自動(dòng)駕駛車(chē)型為例探討新一代自動(dòng)駕駛汽車(chē)EEA，如圖1所示。

圖1 蘇州金龍MiniBus“深藍(lán)”自動(dòng)駕駛車(chē)型

2.1 “深藍(lán)”自動(dòng)駕駛系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

?“深藍(lán)”自動(dòng)駕駛系統(tǒng)框架劃分為環(huán)境感知、決策規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制、定位導(dǎo)航、整車(chē)通信和車(chē)聯(lián)網(wǎng)等6個(gè)模塊，采用高算力、高性能的車(chē)規(guī)級(jí)域控制器作為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的車(chē)載 智能計(jì)算平臺(tái)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 “深藍(lán)” 自動(dòng)駕駛系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

環(huán)境感知模塊主要為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)提供周?chē)系K物的位置信息，以及與周?chē)?chē)輛、道路設(shè)置或行人等障礙物的相對(duì)距離、相對(duì)速度和相對(duì)加速度等信息，進(jìn)而為控制決策提供信息依據(jù)，主要包括激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)和攝像頭等感知設(shè)備，并綜合各傳感器的工作原理、檢測(cè)范圍、工作條件及性能特點(diǎn)等對(duì)感知融合技術(shù)開(kāi)發(fā)。決策規(guī)劃模塊作為衡量和評(píng)價(jià)自動(dòng)駕駛能力的最核心的指標(biāo)之一，其主要任務(wù)是接收環(huán)境感知模塊發(fā)出的當(dāng)前感知信息并對(duì)環(huán)境做出分析，然后對(duì)運(yùn)動(dòng)控制模塊下達(dá)指令。較典型的決策規(guī)劃模塊可分為全局路徑規(guī)劃、行為決策層和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃3層，涉及到如Dijkstra算法、Filed D*算法 、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等自動(dòng)駕駛的核心算法。

運(yùn)動(dòng)控制模塊是在保證車(chē)輛操縱安全性和穩(wěn)定性的前提下，使車(chē)輛精確跟蹤期望道路，還需具備良好的動(dòng)力性、平順性和乘坐舒適性。運(yùn)動(dòng)控制模塊分為縱向控制和橫向控制，縱向控制是通過(guò)油門(mén)、制動(dòng)的協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的車(chē)速和加速度精確控制，橫向控制是通過(guò)轉(zhuǎn)向的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的路徑控制。運(yùn)動(dòng)控制算法較多，目前應(yīng)用較多的有PID控制算法、MPC控制算法、LQR控制算法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法等，也可結(jié)合模糊邏輯和滑模控制理論綜合設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。車(chē)聯(lián)網(wǎng)模塊通過(guò)OBU和RSU實(shí)現(xiàn)C-V2X無(wú)線通信，結(jié)合部署MEC和建設(shè)云平臺(tái)，利用PC5模式和Uu模式將“人-車(chē)-路-云”等交通參與要素有機(jī)地聯(lián)系在一起，彌補(bǔ)單車(chē)智能在技術(shù)上的不足，實(shí)現(xiàn)更豐富的自動(dòng)駕駛運(yùn)行場(chǎng)景。

定位導(dǎo)航模塊對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)非常重要，定位是為了確定自動(dòng)駕駛車(chē)輛所在位置的相對(duì)或絕對(duì)坐標(biāo)，導(dǎo)航是為自動(dòng)駕駛車(chē)輛指示方向和路徑信息，“導(dǎo)航需要定位，定位為了導(dǎo)航”。GNSS或其差分補(bǔ)償RTK是最基本的定位方法，但單一技術(shù)難以滿足現(xiàn)實(shí)復(fù)雜環(huán)境中自動(dòng)駕駛車(chē)輛高精度定位穩(wěn) 定性的需求，采用慣性導(dǎo)航、高精度地圖、傳感器定位等多 種技術(shù)融合來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。自動(dòng)駕駛系統(tǒng)仿真可以對(duì)自動(dòng)駕駛部件、系統(tǒng)以及整車(chē)進(jìn)行不同層級(jí)的全鏈條測(cè)試評(píng)價(jià)，是實(shí)車(chē)測(cè)試的前提條件。通過(guò)仿真可以實(shí)現(xiàn)更多、更復(fù)雜的自動(dòng)駕駛場(chǎng)景測(cè)試，也可以提前發(fā)現(xiàn)軟件存在的BUG，并可以依據(jù)仿真結(jié)果對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高實(shí)車(chē)測(cè)試的安全性，節(jié)省測(cè)試時(shí)間和成本。?

2.2 “深藍(lán)”自動(dòng)駕駛汽車(chē)EEA

按照車(chē)載控制器集中化技術(shù)路線，結(jié)合模塊化設(shè)計(jì)思想和車(chē)載域控制器演進(jìn)發(fā)展趨勢(shì)開(kāi)發(fā)“深藍(lán)”自動(dòng)駕駛汽車(chē)EEA，該EEA采用底盤(pán)域控制平臺(tái)、車(chē)身控制平臺(tái)、車(chē)載智能計(jì)算平臺(tái)和車(chē)聯(lián)網(wǎng)控制平臺(tái)“Ⅳ平臺(tái)”方案。車(chē)載智能計(jì)算平臺(tái)通過(guò)傳輸速率為500kbit/s的高速CAN總線、傳輸速率為2Mbit/s的CAN FD總線和符合IEEE 802.3z標(biāo)準(zhǔn)的千兆以太網(wǎng)分別與車(chē)身控制平臺(tái)、底盤(pán)域控制平臺(tái)和車(chē)聯(lián)網(wǎng)控制平臺(tái)進(jìn)行信息交互。車(chē)身控制平臺(tái)通過(guò)傳輸速率為250kbit/s的低速CAN總線、傳輸速率為500kbit/s的高速CAN總線分別與底盤(pán)域控制平臺(tái)、車(chē)聯(lián)網(wǎng)控制平臺(tái)進(jìn)行信息交互，如圖3所示。

圖3 “深藍(lán)” 自動(dòng)駕駛汽車(chē)EEA框架圖

底盤(pán)域控制平臺(tái)作為線控行車(chē)制動(dòng)EHB、線控駐車(chē)制動(dòng)EPB、線控電機(jī)驅(qū)動(dòng)、線控轉(zhuǎn)向C-EPS的上位機(jī)，通過(guò)傳輸速率為500kbit/s的高速CAN總線實(shí)現(xiàn)對(duì)線控底盤(pán)的控制。底盤(pán)域控制平臺(tái)通過(guò)接收到的車(chē)身狀態(tài)信息、整車(chē)位姿信息以及線控底盤(pán)的開(kāi)關(guān)量、模擬量和頻率量等信息綜合運(yùn)算、研判后，響應(yīng)執(zhí)行自動(dòng)駕駛車(chē)輛的縱向和橫向運(yùn)動(dòng)。

車(chē)載智能計(jì)算平臺(tái)作為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的“大腦”是核心功能部件。“深藍(lán)”車(chē)型的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)采用高算力（集成CPU算力和AI算力）、高性能的車(chē)規(guī)級(jí)域控制器作為車(chē)載智能計(jì)算平臺(tái)，主要包括按異構(gòu)分布設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)、車(chē)載操作系統(tǒng)和功能軟件3部分，并支撐應(yīng)用軟件和算法的開(kāi)發(fā)，硬件接口包括電源、GMSL、CAN、CANFD、以太網(wǎng)、UART和GPIO接口等，功能軟件為基于SOA架構(gòu)，遵循AUTOSAR規(guī)范的開(kāi)放接口。其中超聲波雷達(dá)適配傳輸速率為250kbit/s的低速CAN總線，毫米波雷達(dá)采用傳輸速率為500kbit/s的高速CAN總線，激光雷達(dá)適配1000BASE-T1以太網(wǎng)，攝像頭采用GMSL數(shù)據(jù)傳輸接口，基于RTK技術(shù)的厘米級(jí)GNSS/IMU組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)適配傳輸速率為500kbit/s的高速CAN總線，分別與車(chē)載智能計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。基于各傳感器的不同感知特性，通過(guò)對(duì)周?chē)h(huán)境包括其它交通參與者信息在數(shù)字世界中的準(zhǔn)確重建，將各傳感器對(duì)環(huán)境感知信息融合，且進(jìn)行時(shí)鐘同步、置信度更新等處理，并結(jié)合厘米級(jí)高精度地圖，為規(guī)劃決策控制模塊提供精準(zhǔn)的感知道路環(huán)境信息，最終驅(qū)動(dòng)“深藍(lán)”的執(zhí)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。

車(chē)身控制平臺(tái)主要基于傳輸速率為250kbit/s的低速CAN 總線對(duì)車(chē)身電器系統(tǒng)通信和實(shí)施控制，如空調(diào)、燈光、娛樂(lè)、人機(jī)交互 （HMI）、除霜、門(mén)控等系統(tǒng)。在自動(dòng)駕駛過(guò)程中，通過(guò)車(chē)身控制平臺(tái)為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的規(guī)劃決策提供車(chē)身電器系統(tǒng)的參數(shù)依據(jù)，同時(shí)控制執(zhí)行車(chē)身電器系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。

車(chē)聯(lián)網(wǎng)控制平臺(tái)采用第Ⅳ代5G版G-BOS（智慧運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)），該系統(tǒng)不僅具備“智能運(yùn)營(yíng)調(diào)度、智能車(chē)輛監(jiān)控、智能安全防控、智能故障預(yù)警、智能充電運(yùn)營(yíng)、智能出行服務(wù)和OTA”等功能，還集成了5G模塊、V2X模塊、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、高精度定位等模塊，可擴(kuò)展 集成DSSAD（自動(dòng)駕駛汽車(chē)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)），并通過(guò)配置加密芯片模組嵌入Cyber SDK密碼開(kāi)發(fā)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡(luò)安全等信息安全管理。車(chē)聯(lián)網(wǎng)控制平臺(tái)通過(guò)V2X模塊，支持PC5接口 （直通鏈路接口）和Uu接口（空中接口）通信，可實(shí)現(xiàn)車(chē)路協(xié)同、 編隊(duì)行駛等功能場(chǎng)景。應(yīng)用5G“大帶寬、低時(shí)延、廣連接”的網(wǎng)絡(luò)特性，提升車(chē)聯(lián)網(wǎng)的上行/下行速率，響應(yīng) “深藍(lán)”自動(dòng)駕駛系統(tǒng)低時(shí)延、實(shí)時(shí)性要求較高的技術(shù)核心訴求。

3 汽車(chē)EEA演進(jìn)趨勢(shì)

隨著汽車(chē)電控技術(shù)的快速發(fā)展，整車(chē)電控單元的快速增長(zhǎng)促使數(shù)據(jù)交互量也在飛速增長(zhǎng)，這些海量數(shù)據(jù)也像人類(lèi)出行需求一樣要通過(guò)各種載體準(zhǔn)時(shí)、高效、安全地送達(dá)正確的地方，數(shù)據(jù)傳輸管理方法及數(shù)據(jù)計(jì)算控制策略顯得尤為重要。以功能劃分為主要特征的汽車(chē)EEA 逐漸轉(zhuǎn)化為以分區(qū)域管理為主體，同時(shí)分區(qū)域管理的思想， 在整車(chē)EEA中平臺(tái)化、模塊化、集成化、智能化逐漸占有越來(lái)越多的權(quán)重。

在很大程度上，未來(lái)汽車(chē)以性能、功能、成本和服務(wù)為主要競(jìng)爭(zhēng)重點(diǎn)，以上競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)均與整車(chē)EEA有著直接或間接的關(guān)聯(lián)，整車(chē)企業(yè)把EEA作為核心技術(shù)和競(jìng)爭(zhēng)力是必然趨勢(shì)。筆者通過(guò)分析研究整車(chē)EEA，總結(jié)出汽車(chē)行業(yè)電子電氣架構(gòu)演進(jìn)發(fā)展，如表1所示。

汽車(chē)EEA演進(jìn)趨勢(shì)的根本驅(qū)動(dòng)力是市場(chǎng)實(shí)際需求和用戶(hù)對(duì)性能/功能預(yù)期期望的不斷提升。伴隨著汽車(chē)電子電氣技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車(chē)行業(yè)紛紛對(duì)未來(lái)汽車(chē)EEA提出規(guī)劃，如BOSCH公司提出的“融合、集中、云平臺(tái)”EEA演進(jìn)趨勢(shì)，安波福提出的“大腦”+“神經(jīng)”EEA演進(jìn)趨勢(shì)，偉世通提出的“三域（VDC車(chē)控域控制器、ADC智能駕駛域控制器、CDC智能座艙域控制器）”EEA方案，華為提出的“計(jì)算+通信”CC架構(gòu)（CDC智能座艙、VDC整車(chē)控制、MDC智能駕駛）方案；又如整車(chē)企業(yè)大眾MEB平臺(tái)圍繞ICAS1? （網(wǎng)關(guān)服務(wù)單元）、ICAS2（ 信息娛樂(lè)單元）和ICAS3 （ 輔助駕駛單元） 3個(gè)中央電腦搭建整車(chē)EEA（E3架構(gòu)），豐田汽車(chē)提出未來(lái)EEA將采用Central &Zone? EEA方案，特斯拉Model? 3采用的中央計(jì)算模塊（CCM）、左車(chē)身控制模塊（BCM LH）、右車(chē)身控制模塊（BCM RH） 3大部分組成整車(chē)EEA等。綜上所述，未來(lái)汽車(chē)EEA將按照3層技術(shù)演進(jìn)：感知執(zhí)行層、計(jì)算與控制層、云服務(wù)層，并充分結(jié)合平臺(tái)化、模塊化和集中化的設(shè)計(jì)思想。

4 結(jié)論

隨著汽車(chē)智能化、網(wǎng)聯(lián)化以及自動(dòng)駕駛技術(shù)的迅速發(fā)展，以及市場(chǎng)對(duì)汽車(chē)舒適性和娛樂(lè)性的需求不斷提升，汽車(chē)將會(huì)配置越來(lái)越多的感知設(shè)備和執(zhí)行單元，這對(duì)汽車(chē)EEA會(huì)提出更高的要求，并且伴隨著計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和云平臺(tái)技術(shù)的愈發(fā)成熟，也將催生汽車(chē)EEA發(fā)生深刻變革。 以太網(wǎng)總線技術(shù)、云平臺(tái)和以智能車(chē)載計(jì)算平臺(tái)為主體的EEA將是未來(lái)汽車(chē)研究的重點(diǎn)方向。

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總結(jié)

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