摘要：本文針對專用汽車電控系統(tǒng)集成優(yōu)化問題展開研究。傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)集成方案存在模塊化程度低、冗余嚴重以及實時性差等不足。文章提出了一種基于域控制器的新型集成架構(gòu)，采用面向服務的設計理念，構(gòu)建標準化接口，實現(xiàn)軟硬件解耦，極大地提高了系統(tǒng)模塊化水平。在此基礎上，運用實時操作系統(tǒng)與多核異構(gòu)計算平臺，并引入安全隔離機制，全面提升系統(tǒng)實時性與可靠性，為專用汽車電控系統(tǒng)發(fā)展提供新思路。

關鍵詞：專用汽車；電控系統(tǒng)；域控制器；實時操作系統(tǒng)；多核異構(gòu)

中圖分類號：U469.6 文獻標識碼：A

0 引言

專用汽車因其特殊的任務需求，其所搭載的電控系統(tǒng)在復雜度和關鍵性方面遠超普通車輛。而當前專用汽車電控系統(tǒng)面臨著多方面的挑戰(zhàn)，這些問題嚴重制約了系統(tǒng)的整體性能和效率。首要問題是模塊化程度低，不同功能模塊之間的高度耦合導致系統(tǒng)難以進行獨立升級或替換，限制了系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。其次是系統(tǒng)存在嚴重的冗余問題，各子系統(tǒng)的獨立設計造成硬件資源的重復配置，整體復雜度高。第三是系統(tǒng)的實時性差，傳統(tǒng)架構(gòu)難以滿足多任務并發(fā)處理的需求，這直接影響了系統(tǒng)的響應速度，尤其在需要快速反應的特殊工況下表現(xiàn)不佳。最后，安全隔離機制的不足也是一個值得關注的問題，關鍵任務與非關鍵任務的混合處理增加了相互干擾的風險，可能導致系統(tǒng)不穩(wěn)定或故障。

在傳統(tǒng)專用汽車電控系統(tǒng)的典型架構(gòu)中，各功能模塊如發(fā)動機控制單元（ECU）、變速器控制單元（TCU）、制動防抱死系統(tǒng)（ABS）等，都是獨立設計的。這些模塊通過CAN 總線互連，形成了一個分布式的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。這種架構(gòu)難以滿足現(xiàn)代專用汽車對高度集成、高效協(xié)同的需求，亟須進行優(yōu)化和改進。為破解上述難題，須盡快探索出一種全新的系統(tǒng)集成優(yōu)化方案。本文擬從體系架構(gòu)、服務化設計、軟硬件分離、多核實時處理以及安全隔離等角度入手，系統(tǒng)闡述專用汽車電控系統(tǒng)的集成優(yōu)化策略，以期為相關領域提供有益參考。

1 專用汽車電控系統(tǒng)集成綜述

1.1 現(xiàn)有集成方案分析

目前，專用汽車電控系統(tǒng)主要采用中央集中式和聯(lián)邦分布式兩種集成方案。中央集中式架構(gòu)將所有功能集中于一個中央控制器，優(yōu)點是集成度高、成本低，但缺乏靈活性與冗余，一旦故障后果嚴重[1]。聯(lián)邦分布式架構(gòu)按照域劃分控制器，各自實現(xiàn)本域功能，優(yōu)點是容錯性高、響應快，但存在重復開發(fā)、系統(tǒng)復雜度高等問題。兩種方案均難以滿足專用汽車日益增長的智能化、網(wǎng)聯(lián)化需求。

1.2 亟待解決的關鍵問題

現(xiàn)有專用汽車電控系統(tǒng)集成方案，亟待解決以下四個關鍵問題：一是體系架構(gòu)渴求創(chuàng)新突破，以適應功能安全、智能化的新需求；二是軟硬件高度耦合，接口不統(tǒng)一，導致模塊化程度低、可移植性差；三是關鍵任務缺乏安全隔離機制，存在相互干擾的風險隱患；四是實時多任務處理能力不足，難以應對苛刻工況。這些問題制約了專用汽車電控系統(tǒng)的發(fā)展，迫切需要新的集成優(yōu)化方案來破解。

針對上述問題，本文提出的集成優(yōu)化方案具有很強的針對性。首先，創(chuàng)新的域控制器架構(gòu)通過功能域劃分，既保留了分布式的優(yōu)點，又降低了系統(tǒng)復雜度，使架構(gòu)能夠靈活適應新需求。其次，面向服務的軟件設計實現(xiàn)了軟硬件解耦，大大提高了模塊化和可移植性。再次，硬件隔離和RTOS 相結(jié)合，構(gòu)建了完善的安全隔離機制，可有效防止任務干擾。最后，多核異構(gòu)平臺充分挖掘計算潛力，配合RTOS 精妙的任務調(diào)度，為苛刻工況下的實時多任務處理提供了有力保障[2]。

2 面向未來的集成優(yōu)化方案

2.1 全新的域控制器架構(gòu)

本文給專用汽車提出新的電控系統(tǒng)集成架構(gòu)，即域控制器架構(gòu)，它是對傳統(tǒng)中央集中式和聯(lián)邦分布式方案的創(chuàng)新突破（圖1）。該架構(gòu)引入“域”的概念，根據(jù)專用汽車的不同功能域（如車身、底盤、動力和輔助駕駛等）設置多個域控制器。每個域控制器集成管理本域內(nèi)的傳感器、執(zhí)行器等硬件設備，實現(xiàn)本域的特定功能。域內(nèi)采用主從式架構(gòu)，域控制器作為主控，協(xié)調(diào)從控單元。各個域通過標準化的車載以太網(wǎng)互聯(lián)，進行跨域信息交互和資源共享。這種架構(gòu)一方面保留了分布式的優(yōu)點，提高了系統(tǒng)的容錯能力和響應速度。另一方面通過劃分功能域簡化了系統(tǒng)集成的復雜度，不同域的變化可以隔離，從而提高了系統(tǒng)的可擴展性。域控制器的引入為專用汽車電控系統(tǒng)集成開辟了一條全新的路徑[3]。

2.2 面向服務的軟件設計理念

為進一步提高專用汽車電控系統(tǒng)的模塊化和可移植性水平，本文采用面向服務的軟件設計理念。傳統(tǒng)的軟件與硬件高度耦合，不同模塊間接口不統(tǒng)一，導致了重復開發(fā)和移植困難等問題。面向服務的設計理念將軟件功能封裝成一個個標準化的服務，不同服務通過定義統(tǒng)一的接口規(guī)范實現(xiàn)解耦。服務對硬件屏蔽，可以部署在不同的硬件單元上（圖2）。這種松耦合的架構(gòu)使得軟件開發(fā)可以獨立于硬件而進行，提高了軟件的重復利用和可移植性。

在專用汽車電控系統(tǒng)中，將不同功能模塊（如導航規(guī)劃、目標識別、故障診斷等）開發(fā)為一組標準服務，部署在域控制器上。當硬件平臺升級或功能需求變更時，只需替換或新增相應的服務，而無需修改整個系統(tǒng)，從而顯著提高了系統(tǒng)的柔性和擴展性。服務化的軟件設計思路是專用汽車電控系統(tǒng)軟硬件分離的關鍵舉措。

2.3 基于多核異構(gòu)平臺的實時處理技術

專用汽車對電控系統(tǒng)的實時性提出了極高要求，特別是在復雜工況下需要處理大量的多任務并發(fā)。針對這一挑戰(zhàn)，本文提出基于多核異構(gòu)平臺的實時處理技術。傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)采用單核MCU，很難滿足日益增長的計算需求。多核異構(gòu)平臺集成了多個不同架構(gòu)、不同性能的處理器核心，可以針對不同類型的任務靈活調(diào)度，充分發(fā)掘計算潛力。本方案選擇了實時操作系統(tǒng)（RTOS）作為多核異構(gòu)平臺的軟件支撐[4]。RTOS 可以嚴格保證任務的執(zhí)行時限，動態(tài)調(diào)度任務，合理分配異構(gòu)核心，從而在有限的硬件資源下實現(xiàn)最優(yōu)的實時多任務處理。

2.4 面向安全的隔離防護機制

專用汽車對安全性和可靠性有著極為嚴苛的要求，電控系統(tǒng)中任何一個細小的失誤都可能釀成重大事故。為確保電控系統(tǒng)的安全，尤其是在高度集成的架構(gòu)下避免不同任務相互干擾，本文提出引入面向安全的隔離防護機制。隔離是對安全關鍵域?qū)嵤┑闹鲃臃雷o策略，通過劃分安全隔離區(qū)，強制限制不同安全等級任務之間的資源訪問，杜絕低安全級的任務對高安全級任務的非法侵入，這需要軟件和硬件的協(xié)同。軟件方面，主要依靠操作系統(tǒng)和虛擬化技術，硬件上需要芯片廠商的支持（如ARMTrustZone）。

3 試驗驗證與結(jié)果分析

為驗證所提出的專用汽車電控系統(tǒng)集成優(yōu)化方案的有效性，本文搭建了一套試驗平臺，對優(yōu)化前后的系統(tǒng)性能進行了全面評估。

3.1 試驗平臺搭建

試驗平臺基于某型號專用汽車底盤，搭載了一套原始的電控系統(tǒng)。在此基礎上，按照新的域控制器架構(gòu)、面向服務設計等優(yōu)化策略，對電控系統(tǒng)軟硬件進行了全面重構(gòu)。

硬件方面，采用了高性能的域控制器取代原有的中央控制單元和分布式控制器。域控制器選用了TI C6657 多核DSP+ 雙核ARM A15 的異構(gòu)處理器，其中DSP 負責實時控制，ARM 負責高層決策和通信。每個域控制器配置了1GB DDR3 內(nèi)存和512 MBQSPI Flash。通過千兆以太網(wǎng)，所有域控制器互聯(lián)成環(huán)形拓撲。

軟件方面，域控制器的操作系統(tǒng)采用TI SYS/BIOS 6.5，這是一款成熟的工業(yè)級RTOS?？刂扑惴ê蜎Q策算法分別運行于DSP和ARM 上。車身域、動力域和轉(zhuǎn)向制動域是三大安全關鍵域，這些域的軟件按MISRA-C 編程規(guī)范開發(fā)。特別地，動力域和轉(zhuǎn)向制動域的安全任務在ARM Trust Zone 安全區(qū)運行。高層軟件功能被封裝為一組服務，通過TCP/IP 接口調(diào)用。還針對底盤控制回路、網(wǎng)絡通訊時延及故障診斷等關鍵場景，設計了一系列測試用例，用于考核系統(tǒng)性能。

3.2 優(yōu)化前后性能對比

為客觀評估優(yōu)化效果，本文選取了若干項關鍵性能指標，測試優(yōu)化前后電控系統(tǒng)的表現(xiàn)。各項指標對比結(jié)果如表1 所示。

優(yōu)化后，加速踏板響應時間從150 ms 降低到35 ms，控制響應大幅提速。循跡誤差從15.6 cm降到5.2 cm，控制精度顯著改善。同時，最大超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差也有明顯降低，可見新方案保證了更優(yōu)越的底層控制性能。

如表2 所示，優(yōu)化后，域控制器間通訊的平均時延從25 ms 降低到5 ms，滿足了控制系統(tǒng)的實時性需求。時延抖動也降至2 ms 以內(nèi)，通信質(zhì)量大為改善。同時，丟包率幾乎降至0，網(wǎng)絡可用性、可靠性大幅提升。值得一提的是，通過精簡冗余數(shù)據(jù)，冗余幀率從8.0% 降低到1.2%，減少了網(wǎng)絡負荷。

如表3 所示，在引入新的故障診斷服務后，系統(tǒng)的故障檢出率從85% 升高到98%，而誤報率則從8.0% 降低到0.5%，診斷準確性得到極大提升。與此同時，平均診斷時間從3.5 s 降低到0.5s，為駕駛員爭取了寶貴的應對時間。

3.3 結(jié)果分析與討論

試驗數(shù)據(jù)表明，新的電控系統(tǒng)集成優(yōu)化方案在控制響應、通信實時性和故障診斷等多個維度取得了顯著的性能提升[6]。其根本原因在于，通過功能域劃分，該方案很好地平衡了集中與分布的優(yōu)缺點，在車載計算資源有限的約束下，實現(xiàn)局部信息全局共享、協(xié)同優(yōu)化，避免了不同控制任務爭搶資源而導致的響應時間波動。而面向服務的架構(gòu)使軟件復用更加靈活，新功能的增加或裁剪都變得非常便捷。

4 結(jié)束語

4.1 全文總結(jié)

本文針對專用汽車電控系統(tǒng)集成優(yōu)化問題展開了深入研究。傳統(tǒng)的集成方案存在模塊化程度低、冗余嚴重和實時性差等不足。文章提出了一種創(chuàng)新的域控制器架構(gòu)，通過功能域劃分，在車載資源約束下實現(xiàn)局部信息全局共享、協(xié)同優(yōu)化。在此基礎上，采用面向服務的軟件設計思想，將不同功能封裝為標準服務，極大提高了軟件的重用性和可移植性。新方案在控制響應、通信實時性及故障診斷等多個性能指標上實現(xiàn)了顯著提升。

4.2 未來工作展望

未來，專用汽車電控系統(tǒng)的集成優(yōu)化還有許多工作可以開展。一是考慮引入新興的人工智能算法，如深度學習，讓系統(tǒng)具備更強的環(huán)境感知和自主決策能力，提升專用車輛的智能化水平。二是探索“車—路—云”協(xié)同的信息物理系統(tǒng)架構(gòu)，通過車載終端、路側(cè)設施、云端平臺的融合，構(gòu)建全方位的信息感知和資源調(diào)度體系，發(fā)掘?qū)Ｓ密囕v的網(wǎng)聯(lián)化潛力。三是建立完善的測試評價標準，針對算法可解釋性、系統(tǒng)魯棒性等開展系統(tǒng)性研究，促進智能網(wǎng)聯(lián)專用汽車測試驗證技術的完善和規(guī)范。

【參考文獻】

[1] 方克魁， 李存榮. 專用汽車水力測試系統(tǒng)研究與運用[J]. 專用汽車，2023（07）：82-88.

[2] 邵可可， 范祥松. 一種新型純電動專用汽車輔驅(qū)控制系統(tǒng)[J]. 汽車電器，2023（02）：7-8+11.

[3] 張超， 趙穎淼， 郭卓識. 基于變頻調(diào)速的汽車專用液壓控制系統(tǒng)[J]. 汽車工藝與材料，2022（11）：61-64.

[4] 蓋立武， 李宗堂， 郭彩芬， 等. 汽車空調(diào)系統(tǒng)上蓋體零件專用夾具設計[J].現(xiàn)代制造工程，2021（11）：93-98.

[5] 劉娟娟. 電動專用汽車高壓電氣系統(tǒng)安全設計及故障分析[J]. 專用汽車，2021（07）：92-94.

[6] 于江江. 試析新能源技術在專用汽車底盤上的應用[J]. 時代汽車，2020（07）：84-85+88.

作者簡介：

汪茵，本科，講師，研究方向為汽車發(fā)動機構(gòu)造與維修、混合動力汽車發(fā)動機檢測與維修等。