軟件定義車(chē)輛加速推進(jìn)汽車(chē)電子技術(shù)的未來(lái)發(fā)展

本文將討論具有區(qū)域架構(gòu)的軟件定義車(chē)輛如何推動(dòng)開(kāi)發(fā)更智能、更安全、更節(jié)能的車(chē)輛。通過(guò)集中管理軟件并將硬件與軟件分離，這種車(chē)輛可以更輕松地進(jìn)行更新、降低成本并提供新功能。

引言

汽車(chē)原始設(shè)備制造商 (OEM) 持續(xù)致力于改善乘員體驗(yàn)、簡(jiǎn)化無(wú)線(xiàn)更新、降低設(shè)計(jì)和制造成本、收集更多車(chē)輛數(shù)據(jù)并創(chuàng)造新的收入來(lái)源。然而，當(dāng)今基于域的車(chē)輛架構(gòu)無(wú)法輕松有效地滿(mǎn)足這些需求，這也促使制造商轉(zhuǎn)向軟件定義車(chē)輛和區(qū)域架構(gòu)。通過(guò)集中管理軟件并將硬件與軟件分離，軟件定義車(chē)輛成為實(shí)現(xiàn)更智能、更安全和更節(jié)能車(chē)輛過(guò)程中的下一階段目標(biāo)。

基于域的車(chē)輛和軟件定義車(chē)輛

如今，基于域的架構(gòu)在提供可擴(kuò)展軟件方面效率低下，而汽車(chē)制造商可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)更新輕松維護(hù)這些軟件。域架構(gòu)將車(chē)輛功能的控制細(xì)分為車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)和高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 等域，如圖 1 所示。

圖 1. 車(chē)輛基于域的架構(gòu)圖。

如果車(chē)輛功能可能需要跨多個(gè)域進(jìn)行通信和控制，對(duì)車(chē)輛功能的控制進(jìn)行細(xì)分將使軟件開(kāi)發(fā)變得復(fù)雜化。更新這些系統(tǒng)的軟件具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫@些系統(tǒng)是由不同的一級(jí)供應(yīng)商設(shè)計(jì)和制造的，這些供應(yīng)商都使用不同半導(dǎo)體供應(yīng)商提供的各種處理器和微控制器。用于控制車(chē)輛功能的軟件也與硬件緊密耦合。OEM 將安裝電子控制單元 (ECU) 來(lái)執(zhí)行特定功能（座椅調(diào)節(jié)、泊車(chē)輔助），并在每個(gè) ECU 微控制器上運(yùn)行應(yīng)用特定固件。這些 ECU 也會(huì)因車(chē)型和飾件而異，從而導(dǎo)致制造和設(shè)計(jì)成本更高。因此，對(duì)所有車(chē)型、飾件和各個(gè) ECU 進(jìn)行軟件管理是一項(xiàng)艱巨的工作，這需要OEM 與多個(gè)一級(jí)供應(yīng)商合作，甚至可能與半導(dǎo)體供應(yīng)商合作來(lái)實(shí)施新的軟件更新。

相比之下，采用區(qū)域架構(gòu)的軟件定義車(chē)輛通過(guò)集中軟件簡(jiǎn)化了無(wú)線(xiàn)更新，通過(guò)將車(chē)輛硬件與高層應(yīng)用軟件分離來(lái)實(shí)現(xiàn)通過(guò)軟件添加新功能的靈活性，并在不同車(chē)型和飾件之間提供了更具成本效益的可擴(kuò)展性。

圖 2 展示了一個(gè)區(qū)域架構(gòu)示例，該架構(gòu)將軟件集中在中央計(jì)算系統(tǒng)中，并實(shí)施區(qū)域控制模塊以匯總數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)負(fù)載和執(zhí)行本地配電。如需區(qū)域架構(gòu)的更多信息，請(qǐng)參閱“區(qū)域架構(gòu)如何為完全由軟件定義的車(chē)輛鋪平道路”。

圖 2. 車(chē)輛區(qū)域架構(gòu)圖。

軟件定義車(chē)輛中的集中式軟件的主要優(yōu)勢(shì)是減少了托管應(yīng)用軟件的 ECU，并通過(guò)減少需要更改固件的處理器和微控制器的數(shù)量簡(jiǎn)化了無(wú)線(xiàn)更新。添加新功能和應(yīng)用程序只需要更新中央計(jì)算機(jī)或區(qū)域控制模塊軟件，因?yàn)橄掠?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E4%BC%A0%E6%84%9F%E5%99%A8/">傳感器和控制機(jī)械驅(qū)動(dòng)（前照燈、車(chē)門(mén)模塊、音頻放大器）的其余 ECU 已從應(yīng)用軟件中抽象出來(lái)。因此，執(zhí)行機(jī)械驅(qū)動(dòng)的ECU 和車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)邊緣的傳感器需要的固件更簡(jiǎn)單，未來(lái)可能將實(shí)時(shí)控制完全轉(zhuǎn)移到中央計(jì)算機(jī)。

此外，可以將最初為特定應(yīng)用設(shè)計(jì)的傳感器和執(zhí)行器重新用于其他用途，從而創(chuàng)建新功能。例如，對(duì)于最初設(shè)計(jì)用于乘員監(jiān)控的車(chē)內(nèi)雷達(dá)傳感器，可以添加新的應(yīng)用來(lái)提供入侵或盜竊檢測(cè)和安全帶提醒功能。從本質(zhì)上講，OEM 可以更靈活地利用車(chē)輛中已有的硬件和傳感器實(shí)現(xiàn)新的功能。

最后，軟件可以跨所有汽車(chē)平臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)展（如圖 3 所示），從而進(jìn)一步降低開(kāi)發(fā)成本。經(jīng)濟(jì)型車(chē)輛可以采用與豪華品牌相同的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)遙控免鑰匙進(jìn)入、車(chē)窗升降器和后視攝像頭等功能。

豪華型車(chē)輛可通過(guò)軟件在基本功能之上提供高級(jí)功能。盡管仍可能需要更換硬件，但整體方法是模塊化的，并可跨車(chē)輛實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展。添加或移除處理器和微控制器可以提升或降低中央計(jì)算機(jī)或區(qū)域控制模塊中的計(jì)算能力。

圖 3. 低端和高端車(chē)型的計(jì)算能力比較。

軟件定義車(chē)輛支持的新技術(shù)

軟件定義車(chē)輛為 OEM 提供了新技術(shù)和收入來(lái)源。隨著車(chē)輛不斷集成更多的電子器件和傳感器，車(chē)輛性能、故障場(chǎng)景和駕駛員偏好數(shù)據(jù)比以往任何時(shí)候都更容易獲得。軟件定義車(chē)輛可以簡(jiǎn)化車(chē)輛數(shù)據(jù)收集過(guò)程并安全共享車(chē)輛數(shù)據(jù)，有助于進(jìn)一步改善數(shù)字孿生和車(chē)聯(lián)網(wǎng) (V2X) 功能。

利用數(shù)字孿生功能（真實(shí)系統(tǒng)的虛擬表示），軟件定義車(chē)輛可將數(shù)據(jù)共享到云端以記錄真實(shí)性能數(shù)據(jù)，如電動(dòng)汽車(chē)電池隨時(shí)間變化的健康狀態(tài)、各種行駛條件下的 ADAS 傳軟件定義車(chē)輛加速推進(jìn)汽車(chē)電子技術(shù)的未來(lái)發(fā)展 3 October 2024感器信息，甚至車(chē)輛功能使用情況，如圖 4 所示。這些數(shù)據(jù)可以幫助 OEM 優(yōu)化車(chē)輛功能，并縮短解決新挑戰(zhàn)所需的時(shí)間，尤其是對(duì)于 ADAS 和自動(dòng)駕駛等技術(shù)而言。此外，OEM 能夠識(shí)別特定車(chē)型的常見(jiàn)問(wèn)題，并在出現(xiàn)重大問(wèn)題之前提供修復(fù)方案。

圖 4. 軟件定義車(chē)輛連接到云和 V2X。

除了數(shù)字孿生技術(shù)外，車(chē)輛數(shù)據(jù)對(duì) V2X 通信也很有價(jià)值，因?yàn)樗蓪?shí)現(xiàn)車(chē)輛、人員和基礎(chǔ)設(shè)施之間的信息共享，從而提高安全性和交通流暢性。將車(chē)道偏離和車(chē)速等信息從中央計(jì)算機(jī)安全地共享到其他車(chē)輛，有助于提高防撞能力。

最后，OEM 正在繼續(xù)想方設(shè)法創(chuàng)造新的收入來(lái)源。軟件定義車(chē)輛使 OEM 能夠完全控制其車(chē)輛內(nèi)的軟件，因此能夠?qū)崿F(xiàn)與眾不同的用戶(hù)體驗(yàn)。針對(duì)可通過(guò)軟件啟用的特定功能，OEM 可以提供訂閱模型。功能可以很簡(jiǎn)單（例如加熱座椅），也可以更復(fù)雜（例如高級(jí)駕駛安全功能）。盡管訂閱可能對(duì)消費(fèi)者沒(méi)有吸引力，但新功能可以通過(guò)軟件更新添加到現(xiàn)有車(chē)輛中，而不需要消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)最新款的車(chē)型。

軟件定義車(chē)輛和區(qū)域架構(gòu)方法的差異

每家汽車(chē)制造商都采用獨(dú)特的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件定義車(chē)輛。上一代車(chē)輛平臺(tái)的遺留問(wèn)題將迫使許多 OEM 逐步轉(zhuǎn)向更適合其集中式軟件方法的電氣和電子區(qū)域架構(gòu)。

如圖 5 所示，雖然大多數(shù) OEM 都在開(kāi)發(fā)區(qū)域架構(gòu)，但在決定控制車(chē)輛功能的軟件的位置時(shí)，卻有不同的方法。

集中軟件控制有三種選擇：中央計(jì)算機(jī)；在中央計(jì)算機(jī)和區(qū)域控制模塊之間共享；或分布到幾個(gè)域控制器和區(qū)域控制模塊中。有些 OEM 會(huì)集中高性能計(jì)算域（如 ADAS 和車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)），并為其他域增加額外的應(yīng)用處理。

在 ADAS 和車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)域之外，實(shí)時(shí)控制在區(qū)域控制模塊或邊緣 ECU 中實(shí)現(xiàn)。

從 OEM 的角度來(lái)看，集中計(jì)算方法可能最具吸引力，因?yàn)閱闻_(tái)計(jì)算機(jī)可控制所有車(chē)輛功能。如果通信鏈路出現(xiàn)故障，實(shí)時(shí)控制環(huán)路延遲（主動(dòng)懸架、車(chē)窗防夾）和功能安全方面可能還存在其他挑戰(zhàn)。

分布式計(jì)算方法逐步向集中式軟件邁進(jìn)，在區(qū)域控制模塊中甚至在單獨(dú)的域控制器中維護(hù)某些應(yīng)用程序和實(shí)時(shí)控制軟件。在所有架構(gòu)中，即使是在同一車(chē)輛內(nèi)，區(qū)域控制模塊要求也會(huì)因 OEM 而異。一個(gè)區(qū)域可以處理一些車(chē)身實(shí)時(shí)控制、暖通空調(diào)以及底盤(pán)功能，而另一個(gè)區(qū)域可以處理額外的車(chē)身、照明和車(chē)輛控制單元應(yīng)用軟件。最終，OEM必須平衡硬件和機(jī)械驅(qū)動(dòng)控制延遲、車(chē)載網(wǎng)絡(luò)功能、功能安全、信息安全以及如何根據(jù)所選架構(gòu)及其特定區(qū)域控制模塊要求來(lái)構(gòu)建軟件。

軟件定義車(chē)輛加速推進(jìn)汽車(chē)電子技術(shù)的未來(lái)發(fā)展 4 October 2024

圖 5. 車(chē)輛架構(gòu)類(lèi)型比較。

結(jié)語(yǔ)

軟件定義車(chē)輛正不斷為汽車(chē)制造商帶來(lái)新的機(jī)遇，幫助他們減少開(kāi)發(fā)新車(chē)和新功能所需的時(shí)間和成本，在車(chē)輛整個(gè)生命周期內(nèi)持續(xù)改善駕駛體驗(yàn)，并創(chuàng)造新的收入來(lái)源。盡管有多種方法可供選擇，但集中管理車(chē)輛軟件并將車(chē)輛硬件與軟件分離將是重中之重。總體而言，OEM 可通過(guò)區(qū)域架構(gòu)和軟件定義車(chē)輛加快開(kāi)發(fā)更智能、更安全、更節(jié)能的車(chē)輛。