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淺析軟件定義下汽車行業(yè)結(jié)構(gòu)的變化與影響

2022-02-18 09:58王馨郁淑聰李亞楠
時(shí)代汽車 2022年3期

王馨 郁淑聰 李亞楠

摘 要:隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展,汽車的用途不止是作為一種交通工具,因此涉及到的領(lǐng)域已經(jīng)超過了硬件方面,軟件定義汽車的時(shí)代正式來臨。為了更好地理解軟件定義汽車的深刻內(nèi)涵,本文將從汽車電子電氣架構(gòu)的發(fā)展歷程以及對涉及到的各個(gè)供應(yīng)廠商所產(chǎn)生的影響進(jìn)行探討,經(jīng)過討論發(fā)現(xiàn):在軟件定義汽車的時(shí)代背景下,汽車行業(yè)想要更快的發(fā)展就需要在互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)上投入更大的精力,設(shè)計(jì)出更加完善的電子電氣架構(gòu),軟件發(fā)展在汽車行業(yè)種所占的比重也將會(huì)越來越高。

關(guān)鍵詞:軟件定義汽車 電子電氣架構(gòu) Tire1 Tire2 OEM

1 軟件定義汽車時(shí)代的到來

隨著汽車技術(shù)的成熟,汽車行業(yè)已經(jīng)經(jīng)歷了最初“機(jī)械定義汽車”、“電氣定義汽車”和“電子定義汽車”三大階段,汽車的價(jià)值不斷由“實(shí)”到“虛”,這意味著,由淺表硬件到深層軟件的主導(dǎo)演變,我們的可以定義的內(nèi)容逐步深化和自由,發(fā)揮的空間愈廣。近些年,智能化和網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展、高級別自動(dòng)駕駛的落地確立了軟件的重要地位,傳統(tǒng)的E/E架構(gòu)漸漸無法滿足車內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸、感知計(jì)算、軟件升級等功能和性能要求,整車架構(gòu)被重新定義,進(jìn)入到了“軟件定義汽車”階段。軟件定義汽車(software defined vehicles,SDV)具體指的是,依靠模塊化和通用化硬件平臺(tái),借助以人工智能為核心的軟件技術(shù),從而對未來智能汽車整車功能進(jìn)行決策。軟件定義汽車整車信息結(jié)構(gòu)可分為三層,分別是整車電子電氣架構(gòu)和車載網(wǎng)絡(luò)、軟件架構(gòu)以及車聯(lián)網(wǎng)[1],其中整車電子電氣架構(gòu)(Electrical/Electronic Architecture,EEA)處于關(guān)鍵地位。關(guān)注整車電子電氣架構(gòu)的進(jìn)化,實(shí)質(zhì)是關(guān)注前裝量產(chǎn)高級別自動(dòng)駕駛功能的落地節(jié)奏,以及汽車數(shù)字化、軟件化的推進(jìn)節(jié)奏[2]。在軟件定義汽車的大背景下,企業(yè)面臨的是向軟件驅(qū)動(dòng)開發(fā)全面轉(zhuǎn)型,汽車產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)面臨圍繞硬件而生的理念、組織、流程和工具等全面的挑戰(zhàn),如何在新的定義時(shí)代找準(zhǔn)定位,延續(xù)產(chǎn)業(yè)或者轉(zhuǎn)型而上成為企業(yè)要思考的重要問題。因此,本文將從電子電氣架構(gòu)的發(fā)展情況出發(fā)本文,通過對整車電子架構(gòu)的演進(jìn)研究、結(jié)合典型企業(yè)的轉(zhuǎn)型案例,對軟件定義汽車下的汽車行業(yè)的變化與影響進(jìn)行論述。

2 整車電子架構(gòu)的發(fā)展

2.1 整車電子架構(gòu)發(fā)展概述

整車電子電氣架構(gòu)(EEA)經(jīng)歷了分布式ECU架構(gòu)、域集中式電子電器架構(gòu)以及中央集中式電子電器架構(gòu)三個(gè)步驟,一共包括模塊化,集成化,中央域化,跨域融合,車載中央電腦以及車載云計(jì)算六個(gè)階段。

在分布式階段,汽車電子單元、電器單元與執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別獨(dú)立,由專門的ECU承擔(dān)較為獨(dú)立的的決策功能,單車能達(dá)到上百個(gè)ECU,必然伴隨著線束設(shè)計(jì)和邏輯控制。隨著汽車向“智能終端”轉(zhuǎn)換以及“軟件定義汽車”O(jiān)TA升級的需要,對ECU的承載能力以及協(xié)同能力提出更高的要求,由不同的供應(yīng)商開發(fā)ECU獨(dú)立負(fù)責(zé)各個(gè)功能的模式已明顯落后,多個(gè)ECU難以統(tǒng)一,較低的整合能力和集成性無法滿足軟件定義新功能,分布式EEA向集中式演進(jìn)。

在域集中式階段,芯片算力快速提升,整車控制功能迅速集中,基于不同的域劃分進(jìn)一步優(yōu)化EE架構(gòu),獨(dú)立的ECU被控制范圍更廣、算力更強(qiáng)的域控制器取代,ECU和線束的增長趨勢放緩甚至呈減少趨勢,每個(gè)域由一個(gè)高性能ECU控制,全車由上百ECU減少到5個(gè)DCU,EEA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膹?fù)雜程度降低,進(jìn)一步地,智能座艙域與智能駕駛域不再是兩個(gè)獨(dú)立個(gè)體,二者逐漸出現(xiàn)交集,僅僅依靠一顆AI芯片即可實(shí)現(xiàn)車內(nèi)外、融合等邊緣側(cè)計(jì)算[2]。

步入中央集中式階段:車載中央計(jì)算機(jī)形成,實(shí)現(xiàn)多域覆蓋,包括車身、動(dòng)力、地盤、座艙、智能駕駛等領(lǐng)域,計(jì)算芯片呈現(xiàn)出一體化發(fā)展的趨勢。通過將計(jì)算資源加以集中,引入超高算例的中央計(jì)算單元負(fù)責(zé)整車高算力任務(wù),獨(dú)立出中央計(jì)算機(jī),并引入?yún)^(qū)域控制器負(fù)責(zé)通用控制層。軟硬件徹底解耦,硬件外設(shè)化,為整車持續(xù)升級提供了充足條件。

2.2 集中式EEA

如今,隨著智能化的發(fā)展,汽車的產(chǎn)品體驗(yàn)越來越由軟件的性能來決定,用戶對于車的需求也越來越和對智能手機(jī)的需求有相似之處。為了順應(yīng)用戶需求的變化,整車電子電器架構(gòu)需要進(jìn)行一定的變革,即以“域”為單位,盡可能將從屬或相關(guān)的車載模塊整合起來,這就是集中式EEA。集中式EEA主要包括域集中式EEA和中央集中式EEA兩種。

2.2.1 域集中式EEA概述

典型的域一般包括安全、車輛運(yùn)動(dòng)、娛樂信息、輔助駕駛和車身電子5個(gè)方面,具體分別對應(yīng)動(dòng)力域、底盤域、座艙域/智能信息域、自動(dòng)駕駛域和車身域。域與域之間以高速總線或者車載以太網(wǎng)互聯(lián),可以確保硬件之間信息的互通無阻和資源共享,硬件和傳感器具有可更換性,并且可以對功能進(jìn)行擴(kuò)展或整合域控制器。域控制實(shí)現(xiàn)了整車電氣系統(tǒng)的模塊化,有利于加強(qiáng)各個(gè)子系統(tǒng)的功能和網(wǎng)絡(luò)安全、簡化自動(dòng)化算法的開發(fā)和部署,為后續(xù)擴(kuò)展各個(gè)子系統(tǒng)的功能提供便利。在域集中式階段,汽車在智能化方面的發(fā)展的關(guān)鍵途徑是要把更多的精力投放在芯片算力的提高以及軟件算法的提升上。近些年,從2018年豐田的“Central & Zone 架構(gòu)”、2019年華為的“CC架構(gòu)”,到2020年安波福的“SVA架構(gòu)”,再到大眾、寶馬等全新的EEA[3],已經(jīng)陸續(xù)有多家企業(yè)提出全新的E/E架構(gòu),見圖2。

2.2.2 中央集中式EEA

中央集中式EEA,即Zonal EEA,主要組成有車載中央計(jì)算機(jī)(VCC)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)智能駕駛和智能座艙相關(guān)的業(yè)務(wù)邏輯和車端(邊緣側(cè))、云端網(wǎng)聯(lián);區(qū)控制器(ZCU)充當(dāng)網(wǎng)關(guān)、交換機(jī)和智能接線盒。中央集中式最突出的一個(gè)特征就是部分域之間開始進(jìn)行融合,逐步發(fā)展為中央計(jì)算機(jī),中央計(jì)算機(jī)主要有云端、車端計(jì)算功能,其中車端計(jì)算實(shí)現(xiàn)的是實(shí)時(shí)處理車內(nèi)部的作用,而云計(jì)算主要用來彌補(bǔ)車端計(jì)算方面的空缺,即實(shí)現(xiàn)智能汽車非實(shí)時(shí)性一些數(shù)據(jù)處理,例如可以存在微秒級誤差延遲的數(shù)據(jù)交互和運(yùn)算處理[4]。中央計(jì)算單元標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)之后,便于軟硬件分離,中央計(jì)算機(jī)獨(dú)立負(fù)責(zé)計(jì)算任務(wù),算力充足,為后續(xù)軟件升級賦能;中央計(jì)算單元硬件設(shè)計(jì)與具體功能解耦,通過一系列良好的平臺(tái)化設(shè)計(jì),硬件單元也具備通過持續(xù)升級優(yōu)化算力的能力。例如,豐田TNGA架構(gòu)采用中央集中+區(qū)域控制器相結(jié)合(按物理空間將整車對稱分為多個(gè)區(qū)域),屬于典型的Zona-EEA,硬件上通過ECU集成降低成本,軟件上使用基于Adaptive AUTOSAR和 Classic AUTOSAR的SOA架構(gòu),實(shí)現(xiàn)便捷的軟件迭代和功能的可擴(kuò)展性[5]。

3 自動(dòng)駕駛域控制器競爭格局

隨著汽車E/E架構(gòu)從分布式向集中式演化、汽車軟硬件解耦,與整車電子電氣架構(gòu)演變趨勢類似,域控制器(DCU,Domain Control Unit)的價(jià)值逐步凸顯。隨著自動(dòng)駕駛的概念越來越普及化,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛操作需要將感知、控制等系統(tǒng)相互連結(jié),汽車的各個(gè)子系統(tǒng)之間的信息交換以及控制的頻率也越來越高,其難度更高更復(fù)雜,因此,用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛域的域控制器逐漸興起并且快速發(fā)展。與此同時(shí),汽車整車廠和汽車電子供應(yīng)商的供應(yīng)關(guān)系也相應(yīng)地發(fā)生了巨大的變化,Tier2、Tier1以及OEM的鏈條和順序?qū)蛹壉淮蚱?,各自角色出現(xiàn)轉(zhuǎn)型與重疊,合作模式、銷售模式發(fā)生變化,其共性在于,整車廠以及供應(yīng)商轉(zhuǎn)向可實(shí)現(xiàn)整車內(nèi)部功能相同的模塊集成、簡化汽車內(nèi)部軟件架構(gòu)甚至實(shí)現(xiàn)未來軟硬件復(fù)用的域控制器領(lǐng)域,開發(fā)自動(dòng)駕駛域控軟件、自研域控制器、搭建域控軟件平臺(tái)等。

3.1 Tier1(系統(tǒng)集成商)

在“軟件定義汽車”階段,汽車將從硬件主導(dǎo)變成軟件主導(dǎo),軟硬件徹底解耦,軟件供應(yīng)商的價(jià)值將進(jìn)一步凸顯。Tire1作為域控制器的提出者,剛提出域控制器時(shí)主要用于解決信息安全問題以及在ECU上遇到的瓶頸問題。

但目前為了應(yīng)對供應(yīng)關(guān)系發(fā)生變化這一趨勢,Tier1 必須作出一些創(chuàng)新。一方面,Tire1搭建獨(dú)立的軟件平臺(tái)產(chǎn)品以應(yīng)對競爭;另一方面自研域控制器,構(gòu)建自動(dòng)駕駛?cè)珬=鉀Q方案,為客戶提供軟硬一體的解決方案,通過充足的資源支撐來完成客戶的需求,使其具有性能性、兼容性、集成性等方面的優(yōu)勢。

自動(dòng)駕駛域控軟件(中間件)介于汽車操作系統(tǒng)和軟件應(yīng)用程序之間,其核心思想在于“統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、分散實(shí)現(xiàn)、集中配置”。因?yàn)槠嚬δ艿膹?fù)雜程度增加,軟件數(shù)量呈爆發(fā)式增長,中間件的出現(xiàn)為各個(gè)廠商不同模塊提供了通用、集中、開放的平臺(tái)。所有中間件方案中,最著名的是AUTOSAR經(jīng)典平臺(tái), 由全球的主要汽車生產(chǎn)廠商、零部件供應(yīng)商、軟硬件和電子工業(yè)等企業(yè)共同制定的汽車開放式系統(tǒng)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。

華為MDC智能駕駛計(jì)算平臺(tái),硬件和軟件分別為自主研發(fā)的AI芯片、相關(guān)算法和鴻蒙OS,在自動(dòng)駕駛域控制器方面輸出了全棧解決方案。此外,德賽西威、宏景智駕、小馬智行、智行者、經(jīng)緯恒潤、英博超算等紛紛與主機(jī)廠開展合作,布局自動(dòng)駕駛域控制器。

3.2 自動(dòng)駕駛域控軟件平臺(tái)廠商

隨著通信架構(gòu)由“面向信號(hào)”向“面向服務(wù)”轉(zhuǎn)變,域控中間件價(jià)值將愈發(fā)凸顯,尤其從單域到跨域(車身域、座艙域、自動(dòng)駕駛域),復(fù)雜度更是指數(shù)級上升,跨域(多域融合)高性能計(jì)算軟件平臺(tái)的重要性也將愈發(fā)凸顯[6]。Tier 1.5即域控軟件平臺(tái)供應(yīng)商彌補(bǔ)了這一市場空白,這一類供應(yīng)商上游承接整車廠和Tier 1的軟件,下游連接Tier 2的硬件,將計(jì)算機(jī)硬件從軟件應(yīng)用程序中抽象出來,同時(shí)也作為應(yīng)用程序間通信的橋梁。

Tire1.5引伸而出的這個(gè)新的開發(fā)模式,推動(dòng)域控軟件平臺(tái)供應(yīng)商本身成為汽車行業(yè)中的重要角色,如映馳科技、東軟睿馳等。

3.3 OEM廠商

盡管多年來整車廠與零部件廠商的供-給系統(tǒng)運(yùn)作已非常成熟,在新的軟件定義汽車的模式下,軟件供應(yīng)商逐步成為主導(dǎo),并掌握了話語權(quán)來掌舵整個(gè)汽車行業(yè)的發(fā)展。但如果主機(jī)廠的供應(yīng)商系統(tǒng)過于龐大,反而會(huì)“綁架”轉(zhuǎn)移其硬件自主權(quán),影響主機(jī)廠對行業(yè)判斷的敏銳度。因此,為了應(yīng)對這一狀況,OEM廠商在新形勢下會(huì)通過自建或與供應(yīng)商合作組建軟件研發(fā)團(tuán)隊(duì),提升軟件開發(fā)能力。例如:國外以特斯拉為代表,國內(nèi)以蔚來、理想、小鵬等造車新勢力、上汽集團(tuán)零束軟件分公司、廣汽研究院-中科創(chuàng)達(dá)智能汽車軟件技術(shù)聯(lián)合創(chuàng)新中心、長安汽車軟件科技公司等自主企業(yè)分公司或合資公司為代表,自主開發(fā)域控制器硬件以及相應(yīng)的配套軟件,以其擁有底層的硬件自主權(quán),去實(shí)現(xiàn)更加強(qiáng)大的OTA升級能力。

4 結(jié)論

軟件帶動(dòng)著汽車技術(shù)的革新,引領(lǐng)汽車產(chǎn)品差異化發(fā)展潮流,正逐漸成為汽車信息化、智能化發(fā)展的基礎(chǔ)和核心[7]。本文著眼于電子電氣架構(gòu)的發(fā)展情況,分析軟件定義汽車的背景下,汽車行業(yè)的變化及影響。

隨著技術(shù)的不斷變革,電子電氣架構(gòu)從最初的分布式發(fā)展到如今的集中式架構(gòu),本文認(rèn)為,在未來幾年中電子電氣架構(gòu)升級仍是主要發(fā)展方向。一方面,域控制器是未來各廠商的關(guān)注重點(diǎn),其作為整車層級軟件功能集成平臺(tái),主要用于整車層級軟件的集中化和支持智能網(wǎng)聯(lián)軟件創(chuàng)新兩個(gè)方面[8];一方面,在電子電氣架構(gòu)中融入大數(shù)據(jù)技術(shù),如機(jī)器學(xué)習(xí)算法等,能夠有效地提高車輛性能檢測的準(zhǔn)確度[9],使得架構(gòu)更加豐富完善;另一方面,當(dāng)前,汽車電子電氣架構(gòu)主流形式是采用多域型控制器,未來會(huì)逐漸向拓展域和復(fù)合域過渡。而EEA發(fā)展中存在的功能安全、通訊架構(gòu)升級以及算例黑洞等問題,也會(huì)隨著互聯(lián)網(wǎng)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展得到解決[10]。

除此之外,EEA的演變使得傳統(tǒng)汽車供應(yīng)鏈的各個(gè)角色出現(xiàn)轉(zhuǎn)型與合作,盡管主機(jī)廠組件研發(fā)團(tuán)隊(duì),但其仍會(huì)依賴供應(yīng)商提供硬件設(shè)計(jì)制造,以及更標(biāo)準(zhǔn)化的“中間件”[11]。硬件成本降低,軟件成本提高,硬件供應(yīng)商角色弱化,軟件及技術(shù)或自動(dòng)駕駛?cè)珬=鉀Q方案的供應(yīng)商對主機(jī)廠發(fā)展起到越來越重要的支撐。

國家863項(xiàng)目(2011AA11A207)資助或中心重點(diǎn)課題(13130230)資助。

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