基于AUTOSAR的智能网联汽车分层式结构设计

潘霞　张庆余　张苏林

摘 要：中国的智能网联汽车产业发展已上升至国家战略层面，在顶层设计方面，我国制定了一系列等指导性文件，从产业规划、技术标准等方面推动智能网联汽车产业发展。在标准法规方面，国家发改委发布、工信部均发布响应指导性文件，指出分阶段实现智能网联汽车产业高质量发展的目标。随着智能网联汽车技术的日益成熟，合理的分层式结构成为必然趋势。

关键词：智能网联汽车;分层式结构;AUTOSAR架构

1 引言

我国已积极开展智能网联汽车共性基础、关键技术、行业产业急需的标准以及相关法律法规的研究制定。国内主要整车企业已开始在量产车上装备了L2级辅助驾驶系统产品，并积极进行更高级自动驾驶技术及产品的开发。整车企业的列装计划也促进了我国自主辅助驾驶系统企业的快速发展。

在汽车产业智能化、联网化不断推进的大背景下，积极推进智能网联汽车自动驾驶技术研究已成为行业当前的工作主体，当前在智能网联汽车相关业务方面仍有很多关键性行业问题有待突破和解决。智能网联汽车，在车辆动力系统方向将趋向电动化发展;底盘系统方向将更加注重智能化控制以满足高级自动驾驶需求;而汽车电控及软件架构也将因为新的需求发生巨大的革新。汽车产业将迎来由传统机械驱动时代（发动机、底盘、变速箱）转移为智能驱动时代（数据、架构、人工智能）的时代变革。伴随着感知、融合、控制决策、高精地图与高精定位、车联网（V2X）等技术的不断突破，自动驾驶车辆在汽车的占比将逐年增加，先在某些地区到达某个临界点，在其他相关技术、法规政策的加持下，超前其他地区实现完全自动驾驶，汽车产业进入部分自动驾驶与完全自动驾驶共存阶段。最后，随着完全自动驾驶地区数量的不断增加，从点到线，由线到面，最终实现全区域的完全自动驾驶。

基于AUTOSAR架构设计的智能网联汽车分层式结构，形成车辆底层控制、核心自动驾驶系统以及上层应用的模块化和平台化，进一步促进核心系统层和底层数据接口、硬件接口，以及核心系统层和上层应用的数据接口和软件接口定义的标准化，可实现根据不同项目、不同车型、不同功能配置和不同硬件选择相应的软件模块，进行裁剪、移植和集成，从而缩短项目的软件开发周期并降低开发成本，大幅提升车辆与系统的灵活适配性，进而积极推动自动驾驶车辆的大规模生产与应用。

2 AUTOSAR架构简析

AUTOSAR定义的软件架构，主要采用了分层式结构，围绕运行时环境（RTE）展开，RTE层以上是应用层部分，采用软件组件（SWC）的形式定义。而RTE层的下方为基础软件层（BSW），其分层结构见图1，基础软件可分为两个部分，分别是与硬件不相关的基础软件，包括操作系统、服务、通信等，以及和硬件相关的基础软件，包括微控制器抽象层MCAL和复杂驱动CDD。应用层与基础软件层的连接是通过RTE层，定义接口标准实现层间的数据交互。

2.1 标准接口定义

AUTOSAR共定義了三种类型的接口，分别是AUTOSAR接口、标准AUTOSAR接口以及标准接口。

AUTOSAR接口一方面描述软件组件之间获取和提供的数据和服务，另一方面描述软件组件与ECU抽象层、复杂驱动之间进行的获取和提供的服务。此种接口是按照AUTOSAR接口定义规则来定义的，这些接口中的一部分已经由AUTOSAR定义，另外一部分需要整车企业自定义，通过这些接口实现了软件组件在不同的ECU上的可重用性[1]。

标准AUTOSAR接口完全由AUTOSAR标准来定义，主要包括两种类型的接口：基础软件提供给应用程序的服务接口以及整车企业根据需要配置的标准接口。标准接口即标准API，一般由C语言定义，主要实现ECU内部BSW模块之间，以及运行时环境和操作系统之间的函数调用关系。

2.2 虚拟功能总线VFB及运行环境RTE

AUTOSAR将底层基础软件和网络结构抽象成虚拟的功能总线，即VFB，它是各类通信机制的一个集合。运行时环境RTE是指单个ECU上对VFB接口的实现。由于各个软件组件之间无法实现直接通信，因此，需要RTE进行相应的封装，提供层间通信所需的API，进而使用端口等方式进行数据信息交互。也就是说，软件组件只需向VFB发送输出信号[2]。

运行时环境RTE类似于面向对象编程的主要思想，各个ECU和其所对应的RTE都是特定的，RTE负责各个软件组件与基础软件之间的通信。简单来说，RTE可以看作是VFB的接口实现。

2.3 基础软件层BSW

基础软件可分为两个部分，分别是与硬件不相关的基础软件，包括操作系统、服务、通信等，以及和硬件相关的基础软件，包括微控制器抽象层MCAL、ECU抽象层和复杂驱动CDD。其结构如图2所示。其中微控制器抽象层包括硬件驱动程序，用于访问内存、通信等。ECU抽象层主要负责实现通信、内容或者I/O的访问，为其提供统一的接口。

3 智能网联汽车分层式结构设计

3.1 智能网联汽车关键技术

智能网联汽车代表了未来汽车产业技术的发展方向和战略制高点，也是国际汽车产业未来竞争的重要阵地。为落实《中国制造2025》和《汽车产业中长期发展规划》，国家发改委在2018年发布了《智能汽车创新发展战略（征求意见稿）》，指出了中国标准智能汽车全面发展的六大战略任务。智能网联汽车产业是一个大的产业集群，关键核心技术的持续攻关是中国在智能网联汽车领域引领世界汽车工业发展的重要因素。以接口引领自动驾驶相关标准建立、建设各级别自动驾驶产品准入测试流程为主线，能够有效地向产业链上下游延伸，贯彻标准先行方针，整合行业资源，推动企业在环境感知、高精地图与高精定位、V2X、多传感器融合、控制决策等上下游关联技术领域实现突破。

3.2 智能网联汽车分层式结构

智能网联汽车分层式结构以自动驾驶系统为核心中间层，系统层对下连接车辆底层（基础层），包括车辆控制器、ECU、内存驱动、通信驱动等，对上连接应用层，主要包括面向用户的智能座舱、车载信息娱乐系统等，具体分层形式及各层所包含内容如图3所示。

3.2.1 基础层

智能网联汽车自动驾驶的执行离不开车辆底层控制系统，自动驾驶的落脚点仍然是在于“驾驶”，也就是执行机构。在车辆具备线控的基础上，通过自动驾驶系统层的环境感知、路径规划、智能控制等系列技术，输出至车辆底层，进而执行转向、制动、加速等动作，实现真正意義上的自动驾驶。

其中自动驾驶系统层的第三层级——控制层，需要定义相应的接口标准，包括数据接口、软件接口，以能够和不同的车辆底盘进行灵活适配为目的，在尽可能少量的标定工作需求下，完成底层的对接。

3.2.2 核心系统层

系统层即对应自动驾驶系统，分为感知、决策、控制三层，感知层以多传感器融合感知算法为核心，结合深度学习等先进算法，能够实现对周边环境、障碍物、交通标识、行人等的准确识别。决策层重点在于路径规划算法的准确性和实时性，依托于环境感知和导航子系统的输出信息，并通过一些特定约束条件（如无碰撞、安全抵达终点等），规划出汽车的行车路径。控制层主要负责车辆的横纵向精准控制[3]。

系统层对接上下两层的核心在于接口定义的标准化，也就是说系统层和底层数据接口、硬件接口，以及系统层和应用层的数据接口和软件接口定义的标准化，接口的标准化是实现自动驾驶系统快速移植的关键。可根据不同项目、不同车型、不同功能配置和不同硬件选择相应的软件模块，进行裁剪、移植和集成，大幅提升车辆与系统的灵活适配性，进而促进自动驾驶车辆的大规模生产与产业化落地，见图4。

3.2.3 应用层

应用层是指通过搭载智能座舱、车载信息系统等应用层设施，面向用户需求形成多场景的应用环境，此外，还包括特定场景下的自动驾驶落地运营车，如智能送餐车、智能安防巡逻车等等。其核心仍是基于自动驾驶系统的场景应用。

4 总结

随着自动驾驶技术的日益完善，具备灵活适配性的自动驾驶系统势必成为支撑自动驾驶升级和量产的必备产品。系统层对接基础层与应用层数据接口、软件接口的标准化成为制约自动驾驶技术量产的重要因素。因此，智能网联汽车的分层式结构定义也将成为必然发展趋势。

参考文献：

[1]王林，曹建华，王同景.基于AUTOSAR规范的BMS软件开发方法.[J].上海汽车，2019（07）：3-10.

[2]曾浩.基于AUTOSAR的主动安全带控制器软件构架设计. [C].中国汽车工程学会（China Society of Automotive Engineers）：中国汽车工程学会，2019：3.

[3]潘霞，张庆余，朱强.高精度地图在自动驾驶领域的作用及意义解析[J].时代汽车，2019（04）：49-50+53.