李理

摘要：隨著城市智慧化的快速發(fā)展，傳統(tǒng)客車一直在不斷提升電氣自動化水平，但是智能車輛不只是電子 設備的堆疊，也要從根本上適應各種智能設備的加載，并通過有效的組織架構來協(xié)調多種智能設備運行。 基于智能汽車的區(qū)域控制理念，闡述了新一代智能網(wǎng)聯(lián)客車的電氣架構，該架構不僅適用于智能網(wǎng)聯(lián)及自 動駕駛車輛的需求，同時也滿足當前新能源客車的智能電器設計與應用，解決了傳統(tǒng)客車電氣架構臃腫和 效率低下等問題。

關鍵詞：區(qū)域控制；智能網(wǎng)聯(lián)；自動駕駛；新能源客車；電氣架構

中圖分類號：TN915；U463.6文獻標識碼：A

0 引言

傳統(tǒng)汽車的電氣架構按照功能可分為車控系統(tǒng) 和車載系統(tǒng)。其中，車控系統(tǒng)可細分為動力系統(tǒng) （發(fā)動機、變速箱等）、車身系統(tǒng)（燈光、中控鎖、 電動后視鏡等）、舒適系統(tǒng)（電動座椅）等，而車 載系統(tǒng)可細分為安全氣囊、信息顯示系統(tǒng)（儀表）、 信息娛樂系統(tǒng)（導航）[1-4]。

商用客車因為車內空間較大和客戶定制化的市 場需求，其電氣架構比傳統(tǒng)汽車的電氣架構更復 雜。在電氣分類上，既有車載和車控的功能分類， 又有方位上的分類（車輛前端、車輛底端、車輛尾 端、車輛頂端）。針對不同客戶需求還會對多個功 能采用集成或刪減的方式來降低成本。

如圖 1 所示，在傳統(tǒng)客車電氣架構中各個電子 設備采用無中心的分布式管理，即所有電子設備的 地位相同。例如，儀表系統(tǒng)包含儀表顯示、前控模 塊、頂控模塊、后控模塊等多個電子設備，分別安 裝在車輛儀表臺、前圍、頂棚、底盤等不同部位。 每個電子設備根據(jù)功能需求自行控制附近的燈、門 等功率電器，但是當儀表系統(tǒng)內各個電子設備之間 需要進行交互時，則需要將通信信號傳遞到車輛多 個位置。其通信節(jié)點過多和通信線路過長的問題會 導致通信易受到外部干擾，從而出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失等異 ?，F(xiàn)象。而且車輛上每個系統(tǒng)之間的通信也非常復 雜，如車載電腦管理系統(tǒng)不僅需要與智能系統(tǒng)進行 信息交互，還需要與車輛的空調 / 暖風系統(tǒng)、動力系統(tǒng)進行互控，以及與儀表系統(tǒng)進行信息傳遞。

在汽車非智能化時代，車載電子設備數(shù)量少， 所以上述電氣架構具有布局靈活、管理便捷等特 點，但是隨著汽車智能化發(fā)展，車載電子設備被 大量使用，傳統(tǒng)的全分布式管理方式的弊端逐漸 顯現(xiàn)，最明顯的缺點就是拓撲結構的復雜度非 常高。

通過關注各大車企和互聯(lián)網(wǎng)公司對未來智能網(wǎng) 聯(lián)汽車的定義可以發(fā)現(xiàn)，未來車輛的電氣架構將趨 于集成化。不僅是硬件的集成化，更多的是功能的 集中，即同類功能會聚集在一起形成區(qū)域效應，由 基于車載控制器局域網(wǎng)（controller area network， CAN）總線通信的整車分布式協(xié)調管理變?yōu)橐攒囕d 以太網(wǎng)通信為主的區(qū)域自治管理。

鑒于此，本文設計了適合智能網(wǎng)聯(lián)客車的新型 電氣架構。考慮到商用客車自身特點，本設計保 留了網(wǎng)關這一模塊，雖然在功能融合上會有所弱 化，但是相較于無網(wǎng)關架構，實施的成本會大幅 降低。

1 新一代電氣架構模型

如圖 2 所示，新一代電氣架構模型主要是以多功能網(wǎng)關為中心的集中化管理，其把整個車輛分為 數(shù)據(jù)域、座艙域、車身—動力域和自動駕駛域 4 個 區(qū)域，4 個區(qū)域通過車載以太網(wǎng)和多功能網(wǎng)關進行 互聯(lián)互通。其中，多功能網(wǎng)關作為新架構的中心模 塊，主要起到橋梁的作用，為區(qū)域與區(qū)域的通信提 供最基礎、便捷的信息通道。其通信協(xié)議主要采用 車載以太網(wǎng)通信協(xié)議，協(xié)議框架遵循基于網(wǎng)際協(xié)議 （internet protocol，IP）的面向服務的可擴展性通 信中間件協(xié)議（scalable service-oriented middleware over IP，Some/IP）的要求 [5]，但是具體的通信內容 由車廠自主定義。此外，為了兼容傳統(tǒng)客車的通信 協(xié)議，多功能網(wǎng)關還保留車載局域網(wǎng) CAN 的通信 接口，主要遵循 SAE J1939 協(xié)議 [6]。

更進一步，如果在這一模型中去掉網(wǎng)關功能， 數(shù)據(jù)域、座艙域、車身—動力域和自動駕駛域 4 個 區(qū)域之間實現(xiàn)兩兩直接互聯(lián)，即實現(xiàn)區(qū)域內的集中 管理和區(qū)域與區(qū)域之間的分布式管理。這種管理方 式在實現(xiàn)區(qū)域內集中管理的前提下，可以極大地提 高區(qū)域與區(qū)域之間的通信效率，但是商用客車的市 場模式?jīng)Q定了商用客車的生產制造采用客戶定制化 的生產方式。該方式使得每個區(qū)域內的功能不停地 變化，從而導致區(qū)域與區(qū)域之間的管理變得更復 雜，因此模型中去掉網(wǎng)關功能的電氣架構暫時還不 適用于當前商用客車的智能化推進。

2 區(qū)域模型設計

2.1 數(shù)據(jù)域模型

如圖 3 所示，數(shù)據(jù)域模型是新一代智能網(wǎng)聯(lián)中 最重要的區(qū)域模型，以數(shù)據(jù)域控制器為核心負責車 輛內外的信息交互。一方面，對外管理所有無線通 信，為車端提供移動通信 4G/5G 的無線通道，實現(xiàn) 車輛與云端服務器之間的通信、車輛與路側端智能 設備之間的通信、車輛與車輛之間的通信，以及車 輛與管理者之間的通信。具體的通信功能為：①車 輛與云端服務器之間的通信遵循 JT/T 808—2019 協(xié) 議標準把車端的所有狀態(tài)按照一定采樣間隔上傳到 車廠本身的云端服務器，其主要是為客戶提供服務， 幫助客戶分析行車狀態(tài)并確保行車安全。②車輛與 路側端智能設備之間的通信是為了實現(xiàn)車路協(xié)同功 能 [7-8]，其主要是實現(xiàn)蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（cellular vehicle[1]to-everything，C-V2X）中的綠波通行功能，該功能 能夠探測到超遠距離路口紅綠燈的狀態(tài)和路口擁堵 狀態(tài)，從而提前控制車速確保車輛到達路口時無須 停車等待，這有助于提高城市通勤效率、減少碳排 放。③車輛與車輛之間的通信主要是解決商用客車 駕駛時的盲區(qū)問題，商用客車體積大，因此駕駛員 的盲區(qū)范圍也比較大，如果能夠實現(xiàn)車輛與車輛之 間的通信，就可以準確探測附近車輛的位置，從而 避免盲區(qū)碰撞等交通事故。④車輛與管理者之間的 通信主要是為了提供更智能化、便捷的管理手段， 如遠程控制車內的燈光和空調、遠程駕駛車輛等。

另一方面，根據(jù)國家法規(guī)要求，數(shù)據(jù)域控制器 還負責監(jiān)管第三方行車記錄儀。第三方行車記錄儀 依據(jù)國家有關標準需要實時上傳車輛關鍵信息，包 括車輛常規(guī)狀態(tài)信息、新能源狀態(tài)信息、國六發(fā)動 機排放信息等，主要遵守GB/T 32960—2016協(xié)議、 GB/T 19056—2021 協(xié)議、GB 17691—2018 協(xié)議。

2.2 其他域模型

除了數(shù)據(jù)域模型外，車輛還有座艙域模型、車 身—動力域模型和自動駕駛域模型。

座艙域為駕乘人員提供更智能、豐富的人機交 互功能，包括中控顯示、中控控制、智能調度等 功能。其中，中控顯示的內容包括 360° 全景環(huán)視、 車路協(xié)同信息、空調狀態(tài)信息、車內外視頻監(jiān)控影 像、影音娛樂狀態(tài)信息、胎壓信息、車輛車速信 息、集中潤滑信息以及空中下載技術（over the air， OTA）狀態(tài)信息等；中控控制包括控制車內外環(huán)境 監(jiān)控器、空調、影音娛樂、OTA 遠程升級、電動后 視鏡、中控屏幕上的虛擬按鍵以及儀表臺上的實體 按鍵等；智能調度主要為公共交通服務，一般由客 戶自行安裝，所以與座艙域中的其他電氣設備無交 互，包括刷卡機、投幣機、報站器以及車內外路牌 和廣告牌等。

車身—動力域是商用客車的一個重要區(qū)域，其 規(guī)劃直接關系到車輛的安全性和可靠性，所以為了 保證車輛的安全性和可靠性，對傳統(tǒng)動力部分進行 保留，即傳統(tǒng)動力設備的接口和通信方式都不變。 而新規(guī)劃的控制域控制器主要是為了滿足新能源、 底盤線控、智能儀表和 L2 級別及以下自動駕駛管 理。其中，新能源管理包括動力電機、新能源整車 控制器、多合一逆變器、高壓電池和新能源智能冷 卻等設備的管理；底盤線控管理包括線控轉向、線 控驅動、線控制動等設備的管理；智能儀表管理包 括智能化儀表顯示、儀表前控模塊、儀表后控模 塊、儀表頂控模塊的管理；L2級別及以下自動駕駛 管理包括緊急剎車輔助系統(tǒng)（advanced emergency braking system，AEBS）、車道保持輔助系統(tǒng)（lane keeping assist systems，LKAS）以及駕駛員疲勞監(jiān) 測等輔助自動駕駛功能管理。

自動駕駛域包括 L3 級別及以上自動駕駛功能 的區(qū)域，這是一個有別于傳統(tǒng)功能的全新區(qū)域。一 方面，自動駕駛功能是商用客車未來發(fā)展的主流方 向；另一方面，此區(qū)域內的電子設備相較于傳統(tǒng)汽 車電子設備，雖然在技術先進性上遙遙領先，但是 在功能安全等級上又普遍落后。自動駕駛域為未 來 L3 級別及以上的自動駕駛功能提供各種高精尖 技術服務，包括激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷 達、厘米級別的高精度定位、慣性導航、圖像識別 等?？紤]到 L3 級別及以上的自動駕駛對數(shù)據(jù)量及實 時性的要求，本區(qū)域會有獨立的無線數(shù)據(jù)上傳通道。 自動駕駛域是新一代電氣架構中一個重點區(qū) 域，是提升商用客車在市場上競爭力的關鍵部分。

3 網(wǎng)絡通信架構設計

如圖 4 所示，車輛與外部云端服務平臺主要 采用 4G/5G 通信方式，而車內通信網(wǎng)絡設計考慮 到與傳統(tǒng)電氣設備的兼容性問題，在保留部分車 載 CAN 總線通信基礎上引入車載以太網(wǎng)通信技術。 在車內網(wǎng)絡通信中，4 個區(qū)域控制器之間的主要通 信方式是車載以太網(wǎng)，同時 CAN 總線作為傳統(tǒng)商 用客車的主流通信方式也被保留下來，這既可以提 高通信容錯性，還能有效降低通信成本。

4 信息安全架構設計

新一代電氣架構采用最新的信息安全管理系統(tǒng)， 在通信設備數(shù)據(jù)域控制器內安置了一塊加密芯片， 同時云端服務平臺還支持安全證書的管理和基于證 書的安全車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務應用，具體內容包括：①公開 密鑰基礎建設（public key infrastructure，PKI）滿 足包括國密雙算法在內的多種加密算法；②支持證 書的管理，包括申請、下載、更新、凍結、解凍、 注銷、查詢等操作；③支持多種證書，包括 Web 服 務器證書、電子郵件證書、簽名證書、加密證書、 代碼簽名證書、設備證書、單位證書以及自定義用 途的數(shù)字證書；④支持證書模板化和主題自定義設 計；⑤支持分權設計，提供基于不同角色的權限管 理；⑥支持業(yè)務管理和審計管理分開管理，可以設 定只有審計管理員才能進行審計管理操作。

5 結語

本文全面闡述了新一代智能網(wǎng)聯(lián)客車電氣架構的設計方案，并且適用于自動駕駛汽車的未來發(fā)展 和 5G 通信技術的廣泛應用。在充分考慮客戶定制 化設計生產需求前提下，保留傳統(tǒng)客車的部分電氣 特性，在新技術發(fā)展與客車安全之間達到一個較 好的平衡，為客車新技術的應用提供有力的技術 支撐。

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