汽车电子电气架构软件关键技术解析

1. 汽车电子电气架构与车载计算平台技术趋势

汽车电子电气架构从传统分布式架构正在朝向域架构、中央计算架构转变，车内控制系统趋于形成统一的架构标准及通用的软硬件平台，各类控制功能逐渐演变为统一平台下的各类应用。其技术演进有四个关键趋势：计算集中化、软硬件解耦化、平台标准化以及功能开发生态化。智能化与网联化共同推动了汽车电子电气架构的变革，一方面是车内网络拓扑的优化和实时、高速网络的启用，另一方面是ECU（电子控制单元）的功能进一步集成到域控制器甚至中央计算单元。

图1 汽车电子电气架构转变趋势示意图

汽车电子底层硬件不再是由实现单一功能的单一芯片提供简单的逻辑计算，而是需要提供更为强大的算力支持；软件也不再是基于某一固定硬件开发，而是要具备可移植、可迭代和可拓展等特性。汽车原有以ECU为单元的研发组织将发生转变，形成通用硬件平台、基础软件平台以及各类应用软件的新型研发组织形态。

图2 汽车电子电气架构开发方式转变趋势示意图

车载计算平台目前整体的技术发展趋势的共识为软件可升级，可以做到跨车型、跨软件，跨车企的软件重用；硬件可扩展、可更换，传感器的即插即用。软硬件解耦的大趋势下，加速软硬件迭代的周期，做到可扩展的车载计算平台，东软集团提出了可插拔硬件架构的设想（如图3），以模块化架构作为切入点，通过对芯片的冗余处理、容灾容错实现故障的检测、隔离、阻断，以及基于服务容器、分布式计算和面向服务架构进行算力流动的设置。华为则通过计算与通信架构来驱动软件定义汽车入手（如图4），构建可信的体系，优化单车成本，基于可扩展架构降低整车开发周期，平滑推进智能驾驶，将车打造成能持续创造价值的平台。

图3 东软集团汽车车载计算平台解决方案示意图

图4 华为汽车车载计算平台解决方案示意图

2. 系统层软件

关键技术分析

系统软件即操作系统，是管理和控制智能汽车硬件与软件资源的底层，提供运行环境、运行机制、通信机制和安全机制等。目前车载操作系统可分为四个层次：基础型操作系统、定制型操作系统、ROM型操作系统和中间件。

基础型操作系统包括系统内核、底层驱动等，提供操作系统最基本的功能，负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性；目前底层操作系统为开源框架，暂不受版权和知识产权的影响，一般不属于企业考虑开发的技术范围。定制版操作系统则是在基础型操作系统之上进行深度定制化开发，如修改内核、硬件驱动、运行时环境、应用程序框架等，属于自主研发的独立操作系统。ROM则是基于发行版修改后的系统服务与系统 UI。ROM型汽车操作系统是基于Linux或安卓等基础型操作系统进行有限的定制化开发，不涉及系统内核更改，一般只修改更新操作系统自带的应用程序等。大部分的主机厂一般都选择开发ROM型操作系统，国外主机厂多选用Linux作为底层操作系统，国内主机厂则偏好Android应用生态。中间件是处于应用和操作系统之间的软件，实现异构网络环境下软件互联和互操作等共性和问题，提供标准接口、协议，并具有较高的移植性。目前国内厂商在中间件上的发展较为先进，致力于在E/E电子架构变革中提供可过渡的解决方案。

图5 系统层软件架构示意图

3. 自动驾驶软件

关键技术分析

自动驾驶的基本过程分为三部分：感知、决策、控制。其关键技术为自动驾驶的软件算法与模型，通过融合各个传感器的数据，不同的算法和支撑软件计算得到所需的自动驾驶方案。自动驾驶中的环境感知指对于环境的场景理解能力，例如障碍物的类型、道路标志及标线、行车车辆的检测、交通信息等数据的分类。定位是对感知结果的后处理，通过定位功能帮助车辆了解其相对于所处环境的位置。环境感知需要通过多传感器获取大量的周围环境信息，确保对车辆周围环境的正确理解，并基于此做出相应的规划和决策。目前两种主流技术路线，一种是以特斯拉为代表的以摄像头为主导的多传感器融合方案；另一种是以谷歌、百度为代表的以激光雷达为主导，其他传感器为辅助的技术方案。决策是依据驾驶场景认知态势图，根据驾驶需求进行任务决策，接着能够在避开存在的障碍物前提之下，通过一些特定的约束条件，规划出两点之间多条可以选择的安全路径，并在这些路径当中选择一条最优的路径，决策出车辆行驶轨迹。执行系统则为执行驾驶指令、控制车辆状态，如车辆的纵向控制及车辆的驱动和制动控制，横向控制是方向盘角度的调整以及轮胎力的控制，实现了纵向和横向自动控制，就可以按给定目标和约束自动控制车运行。 

图6 自动驾驶关键技术架构

4. 智能座舱软件

关键技术

分析智能座舱主要涵盖座舱内饰和座舱电子领域的创新与联动，从消费者应用场景角度出发而构建的人机交互(HMI)体系。智能座舱通过对数据的采集，上传到云端进行处理和计算，从而对资源进行最有效的适配，增加座舱内的安全性、娱乐性和实用性。当前智能座舱主要满足座舱功能需求，在原有的基础上，对现有的功能或是分散信息进行整合，提升座舱性能，改善人机交互方式，提供数字化服务。智能座舱的未来形态是“智能移动空间”。在5G和车联网高度普及的前提下，智能座舱与高级别的自动驾驶相融合，逐渐进化成集“家居、娱乐、工作、社交”为一体的智能空间。

图7 智能座舱关键技术分析

5. 车联网软件

关键技术分析

车联网是以车内网、车际网和车载移动互联网为基础，按照约定的通信协议和数据交互标准，在“人-车-路-云”之间进行无线通讯和信息交换的大系统网络，是能够实现智能化交通管理、智能动态信息服务和车辆智能化控制的一体化网络，是物联网技术在交通系统领域的典型应用。在网联化层面，按照网联通信内容的不同将其划分为网联辅助信息交互、网联协同感知、网联协同决策与控制三个等级。目前行业内处于网联辅助信息交互阶段，即基于车-路、车-后台通信，实现导航等辅助信息的获取以及车辆行驶与驾驶人操作等数据的上传。因此现阶段车联网主要指基于网联辅助信息交互技术衍生的信息服务等，如导航、娱乐、救援等，但广义车联网除信息服务外，还包含用于实现网联协同感知和控制等功能的V2X相关技术和服务等。

图8车联网总体视图

图中展示了车联网业务主要的参与端，包括汽车上的通讯终端T-Box、相关控制器以及车机，也包括后台TSP（车联网服务整合商）、手机APP、网页端、内容提供商和服务提供商，还包括与路端通信的OBU、RSU和基站。其中，T-Box是汽车上唯一与外界通讯的桥梁，既实现了车内联网，也实现了车外通信；TSP是后端的整合部分，通常它既要提供基础能力的管理（如账号和鉴权），又要与各面向个端对接，实现服务的整合以及信息的传递；手机APP、网页端以及车机都是直接用户的触点，承担着与用户交互的任务，是各个服务的体现点；内容和服务提供商是大部分数据的提供来源，他们是互联网细分领域专业的提供者。

车载通讯模块T-BOX架构中通常含有双路高速CAN收发器，4G/5G/V2X模组以及可实时处理的高性能微处理器芯片，主要负责车内外通信服务，其中车联网C-V2X技术应用展开场景应用类型与协同服务业务逐渐丰富，技术和应用的演进路线也从节点处理至更高级别复杂的应用方向发展。 

图9 东软车载通讯模块T-Box架构示意图

图10东软车联网C-V2X技术应用展开场景

6. 高精度地图

关键技术分析

高精地图是指绝对精度和相对精度均在分米级的高精度、高新鲜度、高丰富度的导航地图，简称HD Map（High Definition Map）或HAD Map（Highly Automated Driving Map）。高精地图所蕴含的信息丰富，含有道路类型、曲率、车道线位置等道路信息，以及路边基础设施、障碍物、交通标志等环境对象信息，同时包括交通流量、红绿灯等实时动态信息。不同地图信息的应用场景和对实时性的要求不同，通过对信息进行分级处理，能有效提高地图的管理、采集效率及广泛应用。

与传统车载电子地图相比，高精地图精细程度更高，动态要素更为丰富。且车载地图的体积受到嵌入式系统的存储容量限制。目前，自动驾驶用高精度地图（厘米级），存储密度非常高，整体容量已远远超出目前主流控制器方案的存储容量，所以需要借助云储存及云分发的形式才能得以实现。除此之外，传统导航电子地图的更新频率为静态数据（通常更新频率为季度更新或月更新），准静态数据（频率为日更新）。而高精度地图对数据的实时性要求较高，更新频率通常为准动态数据（频率为分钟更新），实时动态数据（频率为秒或毫秒更新）。

图11 城市场景高精度地图基本形态示意图

编辑：黄飞