浅析软件定义下汽车行业结构的变化与影响

2022-02-18王馨郁淑聪李亚楠

时代汽车 2022年3期

王馨　郁淑聪　李亚楠

摘要：随着汽车智能化、网联化的发展，汽车的用途不止是作为一种交通工具，因此涉及到的领域已经超过了硬件方面，软件定义汽车的时代正式来临。为了更好地理解软件定义汽车的深刻内涵，本文将从汽车电子电气架构的发展历程以及对涉及到的各个供应厂商所产生的影响进行探讨，经过讨论发现：在软件定义汽车的时代背景下，汽车行业想要更快的发展就需要在互联网和计算机上投入更大的精力，设计出更加完善的电子电气架构，软件发展在汽车行业种所占的比重也将会越来越高。

关键词：软件定义汽车电子电气架构 Tire1 Tire2 OEM

1 软件定义汽车时代的到来

随着汽车技术的成熟，汽车行业已经经历了最初“机械定义汽车”、“电气定义汽车”和“电子定义汽车”三大阶段，汽车的价值不断由“实”到“虚”，这意味着，由浅表硬件到深层软件的主导演变，我们的可以定义的内容逐步深化和自由，发挥的空间愈广。近些年，智能化和网联化的发展、高级别自动驾驶的落地确立了软件的重要地位，传统的E/E架构渐渐无法满足车内数据传输、感知计算、软件升级等功能和性能要求，整车架构被重新定义，进入到了“软件定义汽车”阶段。软件定义汽车（software defined vehicles，SDV）具体指的是，依靠模块化和通用化硬件平台，借助以人工智能为核心的软件技术，从而对未来智能汽车整车功能进行决策。软件定义汽车整车信息结构可分为三层，分别是整车电子电气架构和车载网络、软件架构以及车联网[1]，其中整车电子电气架构（Electrical/Electronic Architecture，EEA）处于关键地位。关注整车电子电气架构的进化，实质是关注前装量产高级别自动驾驶功能的落地节奏，以及汽车数字化、软件化的推进节奏[2]。在软件定义汽车的大背景下，企业面临的是向软件驱动开发全面转型，汽车产业链上下游企业面临围绕硬件而生的理念、组织、流程和工具等全面的挑战，如何在新的定义时代找准定位，延续产业或者转型而上成为企业要思考的重要问题。因此，本文将从电子电气架构的发展情况出发本文，通过对整车电子架构的演进研究、结合典型企业的转型案例，对软件定义汽车下的汽车行业的变化与影响进行论述。

2 整车电子架构的发展

2.1 整车电子架构发展概述

整车电子电气架构（EEA）经历了分布式ECU架构、域集中式电子电器架构以及中央集中式电子电器架构三个步骤，一共包括模塊化，集成化，中央域化，跨域融合，车载中央电脑以及车载云计算六个阶段。

在分布式阶段，汽车电子单元、电器单元与执行机构分别独立，由专门的ECU承担较为独立的的决策功能，单车能达到上百个ECU，必然伴随着线束设计和逻辑控制。随着汽车向“智能终端”转换以及“软件定义汽车”OTA升级的需要，对ECU的承载能力以及协同能力提出更高的要求，由不同的供应商开发ECU独立负责各个功能的模式已明显落后，多个ECU难以统一，较低的整合能力和集成性无法满足软件定义新功能，分布式EEA向集中式演进。

在域集中式阶段，芯片算力快速提升，整车控制功能迅速集中，基于不同的域划分进一步优化EE架构，独立的ECU被控制范围更广、算力更强的域控制器取代，ECU和线束的增长趋势放缓甚至呈减少趋势，每个域由一个高性能ECU控制，全车由上百ECU减少到5个DCU，EEA网络拓扑的复杂程度降低，进一步地，智能座舱域与智能驾驶域不再是两个独立个体，二者逐渐出现交集，仅仅依靠一颗AI芯片即可实现车内外、融合等边缘侧计算[2]。

步入中央集中式阶段：车载中央计算机形成，实现多域覆盖，包括车身、动力、地盘、座舱、智能驾驶等领域，计算芯片呈现出一体化发展的趋势。通过将计算资源加以集中，引入超高算例的中央计算单元负责整车高算力任务，独立出中央计算机，并引入区域控制器负责通用控制层。软硬件彻底解耦，硬件外设化，为整车持续升级提供了充足条件。

2.2 集中式EEA

如今，随着智能化的发展，汽车的产品体验越来越由软件的性能来决定，用户对于车的需求也越来越和对智能手机的需求有相似之处。为了顺应用户需求的变化，整车电子电器架构需要进行一定的变革，即以“域”为单位，尽可能将从属或相关的车载模块整合起来，这就是集中式EEA。集中式EEA主要包括域集中式EEA和中央集中式EEA两种。

2.2.1 域集中式EEA概述

典型的域一般包括安全、车辆运动、娱乐信息、辅助驾驶和车身电子5个方面，具体分别对应动力域、底盘域、座舱域/智能信息域、自动驾驶域和车身域。域与域之间以高速总线或者车载以太网互联，可以确保硬件之间信息的互通无阻和资源共享，硬件和传感器具有可更换性，并且可以对功能进行扩展或整合域控制器。域控制实现了整车电气系统的模块化，有利于加强各个子系统的功能和网络安全、简化自动化算法的开发和部署，为后续扩展各个子系统的功能提供便利。在域集中式阶段，汽车在智能化方面的发展的关键途径是要把更多的精力投放在芯片算力的提高以及软件算法的提升上。近些年，从2018年丰田的“Central & Zone 架构”、2019年华为的“CC架构”，到2020年安波福的“SVA架构”，再到大众、宝马等全新的EEA[3]，已经陆续有多家企业提出全新的E/E架构，见图2。

2.2.2 中央集中式EEA

中央集中式EEA，即Zonal EEA，主要组成有车载中央计算机（VCC）负责实现智能驾驶和智能座舱相关的业务逻辑和车端（边缘侧）、云端网联;区控制器（ZCU）充当网关、交换机和智能接线盒。中央集中式最突出的一个特征就是部分域之间开始进行融合，逐步发展为中央计算机，中央计算机主要有云端、车端计算功能，其中车端计算实现的是实时处理车内部的作用，而云计算主要用来弥补车端计算方面的空缺，即实现智能汽车非实时性一些数据处理，例如可以存在微秒级误差延迟的数据交互和运算处理[4]。中央计算单元标准化设计之后，便于软硬件分离，中央计算机独立负责计算任务，算力充足，为后续软件升级赋能;中央计算单元硬件设计与具体功能解耦，通过一系列良好的平台化设计，硬件单元也具备通过持续升级优化算力的能力。例如，丰田TNGA架构采用中央集中+区域控制器相结合（按物理空间将整车对称分为多个区域），属于典型的Zona-EEA，硬件上通过ECU集成降低成本，软件上使用基于Adaptive AUTOSAR和 Classic AUTOSAR的SOA架构，实现便捷的软件迭代和功能的可扩展性[5]。

3 自动驾驶域控制器竞争格局

随着汽车E/E架构从分布式向集中式演化、汽车软硬件解耦，與整车电子电气架构演变趋势类似，域控制器（DCU，Domain Control Unit）的价值逐步凸显。随着自动驾驶的概念越来越普及化，实现自动驾驶操作需要将感知、控制等系统相互连结，汽车的各个子系统之间的信息交换以及控制的频率也越来越高，其难度更高更复杂，因此，用于实现自动驾驶域的域控制器逐渐兴起并且快速发展。与此同时，汽车整车厂和汽车电子供应商的供应关系也相应地发生了巨大的变化，Tier2、Tier1以及OEM的链条和顺序层级被打破，各自角色出现转型与重叠，合作模式、销售模式发生变化，其共性在于，整车厂以及供应商转向可实现整车内部功能相同的模块集成、简化汽车内部软件架构甚至实现未来软硬件复用的域控制器领域，开发自动驾驶域控软件、自研域控制器、搭建域控软件平台等。

3.1 Tier1（系统集成商）

在“软件定义汽车”阶段，汽车将从硬件主导变成软件主导，软硬件彻底解耦，软件供应商的价值将进一步凸显。Tire1作为域控制器的提出者，刚提出域控制器时主要用于解决信息安全问题以及在ECU上遇到的瓶颈问题。

但目前为了应对供应关系发生变化这一趋势，Tier1 必须作出一些创新。一方面，Tire1搭建独立的软件平台产品以应对竞争;另一方面自研域控制器，构建自动驾驶全栈解决方案，为客户提供软硬一体的解决方案，通过充足的资源支撑来完成客户的需求，使其具有性能性、兼容性、集成性等方面的优势。

自动驾驶域控软件（中间件）介于汽车操作系统和软件应用程序之间，其核心思想在于“统一标准、分散实现、集中配置”。因为汽车功能的复杂程度增加，软件数量呈爆发式增长，中间件的出现为各个厂商不同模块提供了通用、集中、开放的平台。所有中间件方案中，最著名的是AUTOSAR经典平台，由全球的主要汽车生产厂商、零部件供应商、软硬件和电子工业等企业共同制定的汽车开放式系统架构标准。

华为MDC智能驾驶计算平台，硬件和软件分别为自主研发的AI芯片、相关算法和鸿蒙OS，在自动驾驶域控制器方面输出了全栈解决方案。此外，德赛西威、宏景智驾、小马智行、智行者、经纬恒润、英博超算等纷纷与主机厂开展合作，布局自动驾驶域控制器。

3.2 自动驾驶域控软件平台厂商

随着通信架构由“面向信号”向“面向服务”转变，域控中间件价值将愈发凸显，尤其从单域到跨域（车身域、座舱域、自动驾驶域），复杂度更是指数级上升，跨域（多域融合）高性能计算软件平台的重要性也将愈发凸显[6]。Tier 1.5即域控软件平台供应商弥补了这一市场空白，这一类供应商上游承接整车厂和Tier 1的软件，下游连接Tier 2的硬件，将计算机硬件从软件应用程序中抽象出来，同时也作为应用程序间通信的桥梁。

Tire1.5引伸而出的这个新的开发模式，推动域控软件平台供应商本身成为汽车行业中的重要角色，如映驰科技、东软睿驰等。

3.3 OEM厂商

尽管多年来整车厂与零部件厂商的供-给系统运作已非常成熟，在新的软件定义汽车的模式下，软件供应商逐步成为主导，并掌握了话语权来掌舵整个汽车行业的发展。但如果主机厂的供应商系统过于庞大，反而会“绑架”转移其硬件自主权，影响主机厂对行业判断的敏锐度。因此，为了应对这一状况，OEM厂商在新形势下会通过自建或与供应商合作组建软件研发团队，提升软件开发能力。例如：国外以特斯拉为代表，国内以蔚来、理想、小鹏等造车新势力、上汽集团零束软件分公司、广汽研究院-中科创达智能汽车软件技术联合创新中心、长安汽车软件科技公司等自主企业分公司或合资公司为代表，自主开发域控制器硬件以及相应的配套软件，以其拥有底层的硬件自主权，去实现更加强大的OTA升级能力。

4 结论

软件带动着汽车技术的革新，引领汽车产品差异化发展潮流，正逐渐成为汽车信息化、智能化发展的基础和核心[7]。本文着眼于电子电气架构的发展情况，分析软件定义汽车的背景下，汽车行业的变化及影响。

随着技术的不断变革，电子电气架构从最初的分布式发展到如今的集中式架构，本文认为，在未来几年中电子电气架构升级仍是主要发展方向。一方面，域控制器是未来各厂商的关注重点，其作为整车层级软件功能集成平台，主要用于整车层级软件的集中化和支持智能网联软件创新两个方面[8];一方面，在电子电气架构中融入大数据技术，如机器学习算法等，能够有效地提高车辆性能检测的准确度[9]，使得架构更加丰富完善;另一方面，当前，汽车电子电气架构主流形式是采用多域型控制器，未来会逐渐向拓展域和复合域过渡。而EEA发展中存在的功能安全、通讯架构升级以及算例黑洞等问题，也会随着互联网和计算机技术的发展得到解决[10]。

除此之外，EEA的演变使得传统汽车供应链的各个角色出现转型与合作，尽管主机厂组件研发团队，但其仍会依赖供应商提供硬件设计制造，以及更标准化的“中间件”[11]。硬件成本降低，软件成本提高，硬件供应商角色弱化，软件及技术或自动驾驶全栈解决方案的供应商对主机厂发展起到越来越重要的支撑。

国家863项目（2011AA11A207）资助或中心重点课题（13130230）资助。

参考文献：

[1]孟天闯，李佳幸，黄晋，杨殿阁，钟志华.软件定义汽车技术体系的研究[J].汽车工程，2021，43（04）：459-468.

[2]杜莎.软件定义汽车趋势下，整车厂与供应商的关系将有何变化？[J].汽车与配件，2020，No.1291（21）：35-36.

[3]张霖郁.软件定义汽车现状与挑战[J].经营者（汽车商业评论），2020，No.596（10）：278-297.

[4]凡几.软件定义汽车：未来的发展之道[J].宁波经济（财经视点），2020，No.527（09）：18-19.

[5]赵世佳.汽车产业进入“软件定义”时代[J]. 中国工业和信息化，2018.

[6]陈琦，采埃孚.以创新技术推动汽车智能化发展.

[7]方祥毅，张永嘉. 大数据背景下软件定义安全的服务架构研究与分析[J]. 数码世界， 2018， 000（011）：108-109

[8]刘佳熙，丁锋.面向未来汽车电子电气架构的域控制器平台[J].中国集成电路，2019，28（09）：82-87.

[9]华一丁，龚进峰，戎辉，唐风敏，王文扬，赵洪林.国外智能汽车电子电气架构综述及分析[J].汽车电器，2018（12）：6-13.