從域架構到區(qū)域架構——軟件定義車輛（SWdV）和對未來數(shù)據(jù)線的要求

目前有兩個術語在閱讀汽車專業(yè)文章時是繞不開的。其一是大家總是不斷讀到的所謂“區(qū)域架構”?，在與之相關的文章中也經(jīng)常閱讀到“軟件定義車輛（SWdV）”。

那么這些術語是怎么回事呢？它們將如何影響未來幾代汽車？這些正是我們在這篇博客文章中要探討的問題。

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回顧過去：布線復雜、重量大

那么“區(qū)域架構”和“軟件定義車輛（SWdV）”?這些術語是怎么回事呢？它們將如何影響未來幾代汽車？為了能夠回答這些問題，我們簡短地回顧一下過去。車載電氣系統(tǒng)拓撲的第一種形式被稱為“分布式”或“模塊化架構”。在這種形式中，所有傳感器和執(zhí)行器都被單獨直接連接到一個控制單元。每個傳感器或執(zhí)行器都具有功能所需的智能，只將控制信號和已經(jīng)制備的測量信號通過電纜和總線系統(tǒng)（通常是Lin或Can總線）傳輸?shù)娇刂茊卧?。每輛車上都安裝了幾百個傳感器和多達一百個控制單元。個別電纜的長度可達16.5米。這使得車內(nèi)電纜總長度迅速超過公里極限的情況屢見不鮮。其結果是布線非常復雜，線束重量也很大。

模塊化架構

每個控制單元都必須使用專門針對其功能的軟件（固件）進行編程。固件更新通常只能用特殊的編程電纜直接在設備上進行。這樣就必須去專業(yè)的修理廠，而且只有在極少數(shù)情況下才進行更新。

出廠后通過附加功能擴展車輛功能是非常困難的，甚至無法實現(xiàn)。每個功能至少需要在車輛上安裝一條連接到控制單元的額外電纜。通常需要更新控制單元上的固件來給新功能提供支持。這種情況下的花費很快就超過了所獲得的收益。

隨著車輛功能數(shù)量的增加，特別是在安全和舒適領域，這種布線形式很快就達到了極限。

這就是“域架構”的誕生時刻。

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當前技術狀況：域架構：

與“模塊化架構“不同，域架構遵循的方法是根據(jù)傳感器和執(zhí)行器的功能和任務來劃分它們（領域）。在車輛中定義了各種功能域，例如驅動器、舒適或信息娛樂。它們中的每一個都由一個更高級的控制單元，域控制器（DCU：Domain Control Unit，控制單元）進行監(jiān)視和控制。與傳感器/執(zhí)行器的連接可以通過低成本總線連接（例如Lin或Can總線）來實現(xiàn)?？刂茊卧旧肀贿B接到一個性能強勁且面向服務的網(wǎng)絡，即所謂的網(wǎng)關（例如以太網(wǎng)）。因此隨時都可以用新功能例如ADAS（Advanced Driver Assist System，高級駕駛輔助系統(tǒng)）毫無問題地改造附加的域或控制單元。

域架構

但是如果一個域的功能不能在物理上安裝在車輛的同一位置，那么這種技術的缺點就很快就顯現(xiàn)出來。這反過來又導致從控制單元到傳感器或執(zhí)行器的電纜過長。此時可以引用“轉向燈”功能這個簡單示例：在車輛的不同角落至少應當給6個轉向燈布線，但所有轉向燈都由一個控制單元觸發(fā)。這種類型的車輛拓撲結構體現(xiàn)了當前的技術狀況！

然而汽車世界目前正處于一個極端的轉變之中。除了用替代驅動器取代內(nèi)燃機外，“自動駕駛”的大趨勢正在充斥在整個行業(yè)中，這就需要給未來的車載電氣系統(tǒng)提供新的設計。

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未來的車載電氣系統(tǒng)：區(qū)域架構與軟件定義車輛：

域架構當然也有一些優(yōu)點。但是為了應對現(xiàn)代車輛的復雜性并滿足未來的要求，需要一種不同的方法，那就是區(qū)域架構。

區(qū)域方法（區(qū)域架構）與面向域的解決方案不同，其功能根據(jù)它們在車輛中的位置而不是根據(jù)它們的任務來安排。在一輛簡單的車輛中可能只有四個區(qū)域，每個角落一個。物理區(qū)域中的所有設備都由區(qū)域控制器，也稱為區(qū)域網(wǎng)關或控制單元（電子控制單元）來控制。這些區(qū)域控制器又通過主干鏈路（高速數(shù)據(jù)鏈路）連接到中央計算單元。

物理區(qū)域中由區(qū)域控制單元監(jiān)控的所有任務都被分配給該區(qū)域。這樣照明、圖像傳感器、轉向燈、制動器、轉向、懸架等就可以組合成一個共同的區(qū)域。

區(qū)域架構

除了簡化布線以外，模塊化和靈活性對于充分發(fā)揮該解決方案的優(yōu)勢起著非常重要的作用。

這里的模塊化意味著可以用相同的硬件（例如相同的控制單元）實現(xiàn)不同的任務。

靈活性是更新、錯誤修復、配置和擴展的能力，而不會讓駕駛員花費太多。有了所謂的“Over the Air”（OTA，空中下載技術）功能，就可以通過連接到互聯(lián)網(wǎng)來執(zhí)行這些操作，而不必去修理廠。車輛檢查是否有更新，并完全獨立地在其控制單元上加載或更新安裝這些軟件。選配和擴展可以由車主購買和安裝，原則上類似于知名移動設備操作系統(tǒng)提供商的應用商店。

為了在實踐中實現(xiàn)這種模塊化和靈活性，將來需要在軟件中而不是通過硬件中生成這種功能?，F(xiàn)代智能手機的模式就是這方面的一個很好示例，在智能手機中能夠通過應用程序給用戶提供了各種各樣的任務和應用。除了打電話，還可以通過智能手機拍照或導航。如果愿意，甚至可以完成銀行業(yè)務或者在社交媒體上獲取信息。

這種方法在汽車中被稱為“軟件定義車輛”。車輛中的幾乎所有功能不再通過基于硬件的控制器來實現(xiàn)，而是由程序（App）在通用控制計算機（區(qū)域控制器）上解決這些任務。優(yōu)點是許多應用程序同時運行（多任務處理），因此一個區(qū)域的所有功能都可以在一個區(qū)域控制器上實現(xiàn)。當然，這需要非常高的計算能力，但也需要大量安裝在區(qū)域控制器中，與傳感器/執(zhí)行器連接的接口。這些區(qū)域控制器的任務還包括與中央計算單元通信。發(fā)送到該中心的那些數(shù)據(jù)因此由區(qū)域控制器預先過濾并確定優(yōu)先級。系統(tǒng)復雜性因而顯著降低，中央計算單元可以專注于重要數(shù)據(jù)的處理（例如：ADAS功能，評估圖像數(shù)據(jù)等）。

區(qū)域控制器和中央計算單元之間的數(shù)據(jù)連接需要可靠且快速的通信。汽車以太網(wǎng)解決方案（例如MultiGiG）是實現(xiàn)這一目標的手段。

這種連接被稱為主干。

區(qū)域網(wǎng)關到中央計算機的通信

“軟件定義車輛”的方法不可避免地導致主機廠的重大范式轉移。雖然到目前為止，車輛制造商是車輛中所安裝技術設備（硬件）的專有技術承載者，但現(xiàn)在這些功能和價值創(chuàng)造幾乎完全從硬件轉移到軟件。重點不再是車輛本身，而更多的是功能，并根據(jù)客戶的要求對功能進行個性化調整。然而到目前為止，軟件開發(fā)還不是主機廠的核心能力。因此我們已經(jīng)可以在這方面看到不同的趨勢。一些公司（通常是較年輕的公司）傾向于向軟件服務提供商或完整的系統(tǒng)（例如來自谷歌的安卓）邁進，而“傳統(tǒng)”主機廠則更傾向于試圖將專有技術保留在公司內(nèi)部，并投資建立自己的軟件部門。無論這些路線中的哪一個會長期占上風，都讓人興奮不已。

同樣有趣的是，全新的商業(yè)模式正在出現(xiàn)。

功能本身不再與車輛相關聯(lián)。二手車的經(jīng)銷商，甚至是客戶可以相對容易地改裝新功能，從而為車輛創(chuàng)造附加值。因此汽車的價值在整個產(chǎn)品生命周期中保持不變，甚至可能增加。

現(xiàn)在還可以提供功能的臨時使用或訂閱解決方案。

另一個優(yōu)點是車輛可以與其周圍環(huán)境通信?？梢栽谲囕v運行過程中收集數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存儲在例如云中。通過這種數(shù)據(jù)交換可以不斷改進功能和服務，然后可以在車輛中實時更新這些功能和服務。多輛車之間的直接通信在技術方面也是可以想象的。所有這些可能性都是自動駕駛道路上的又一個重要里程碑。

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前景：對計算能力和數(shù)據(jù)線的巨大需求

要將車載電氣系統(tǒng)架構轉換為區(qū)域架構，當然還需要一段時間。所需的25 Gbit/s或更高的計算能力和數(shù)據(jù)線等挑戰(zhàn)仍然有待解決。但是估計大體上到2030年就有可能實現(xiàn)。世界各地的技術人員都在努力尋求解決方案。

MD ELEKTRONIK憑借其產(chǎn)品組合，成為聚焦于這些要求的，非常強大且稱職的合作伙伴。我們?yōu)橥S電纜、UTP和STP （*），以及USB產(chǎn)品，以及光學數(shù)據(jù)傳輸提供恰當?shù)慕鉀Q方案。得益于高度自動化的生產(chǎn)策略，我們的產(chǎn)品符合最高的質量標準。?

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總結：

汽車世界正在發(fā)生巨大的變化。給汽車制造商帶來巨大的挑戰(zhàn)的不僅是向電力驅動的轉換。為“四輪智能手機”的想法提供解決方案也同樣重要。

這方面的一個重要的方法是用低成本網(wǎng)線（例如MultiGiG以太網(wǎng)）取代大量的單條“點對點”電纜，從而提高車載電氣系統(tǒng)的效率。這樣一方面帶來了顯著減輕重量的好處。這對控制單元制造商來說也是一個巨大的挑戰(zhàn)，因為許多以前在單個傳感器或執(zhí)行器中實現(xiàn)的功能，現(xiàn)在作為軟件解決方案集成到這些控制單元中。這兩種方法分別被描述為“區(qū)域架構”和“軟件定義車輛”。

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結論：

在計算能力和數(shù)據(jù)傳輸方面的要求非常高，目前還有很大的提升空間。未來的數(shù)據(jù)線必須被設計成可以進行不超過25 Gbit/s或更快速率的可靠數(shù)據(jù)傳輸。光學數(shù)據(jù)線在這方面正日益成為銅基電纜的卓越替代品。

(*)UTP – Unshielded Twisted Pair，非屏蔽雙絞線STP – Shielded Twisted Pair，屏蔽雙絞線

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