物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在汽車(chē)電子設(shè)備中的應(yīng)用研究

摘要：針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在汽車(chē)電子設(shè)備應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)，分析了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議兼容性、數(shù)據(jù)傳輸帶寬受限、網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)缺陷、能耗與散熱管理困難等關(guān)鍵問(wèn)題，并從統(tǒng)一車(chē)載通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、升級(jí)車(chē)載數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、構(gòu)建多層次安全防護(hù)體系、開(kāi)展智能節(jié)能與熱管理優(yōu)化等方面提出了相應(yīng)的實(shí)施策略與優(yōu)化路徑，以期為車(chē)聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；汽車(chē)電子；車(chē)聯(lián)網(wǎng)；智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)

中圖分類號(hào)：U461? 收稿日期：2024-03-25

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405026

1 前言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，越來(lái)越多的電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通。作為現(xiàn)代社會(huì)的重要組成部分，汽車(chē)電子設(shè)備也開(kāi)始廣泛采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以提升駕駛體驗(yàn)、保障行車(chē)安全。然而，受限于汽車(chē)所處環(huán)境的特殊性，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在汽車(chē)電子設(shè)備中的應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。本文概述了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與汽車(chē)電子設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀，系統(tǒng)分析了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題，并提出了相應(yīng)的實(shí)施策略與優(yōu)化路徑，研究結(jié)論為車(chē)聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供依據(jù)。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述與汽車(chē)電子設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）技術(shù)通過(guò)將傳感器、執(zhí)行器、通信模塊等嵌入式設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)相連，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物理世界的感知、互聯(lián)與控制。根據(jù)Gartner的統(tǒng)計(jì)，2021年全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)已達(dá)到124億，預(yù)計(jì)到2030年將突破300億大關(guān)[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在汽車(chē)電子設(shè)備領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，一方面，車(chē)載傳感器可以實(shí)時(shí)采集車(chē)速、加速度、輪胎壓力等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)CAN總線傳輸至車(chē)載電子控制單元進(jìn)行融合處理，再通過(guò)4G/5G、WiFi等無(wú)線通信技術(shù)上傳至云端平臺(tái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，形成車(chē)輛健康狀態(tài)報(bào)告與預(yù)測(cè)性維護(hù)策略，大幅提升了汽車(chē)的安全性與可靠性；另一方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)促進(jìn)了車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)的發(fā)展，集成了導(dǎo)航、多媒體播放、語(yǔ)音交互等功能，并支持OTA遠(yuǎn)程升級(jí)，極大地豐富了駕乘體驗(yàn)。表1總結(jié)了典型車(chē)規(guī)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。然而，受限于汽車(chē)所處環(huán)境的特殊性，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在汽車(chē)電子設(shè)備中的應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，亟需從多方面入手予以優(yōu)化和改進(jìn)。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在汽車(chē)電子設(shè)備應(yīng)用中的挑戰(zhàn)

31 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議兼容性挑戰(zhàn)

汽車(chē)電子設(shè)備采用了多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）、局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（LIN）、FlexRay、媒體導(dǎo)向系統(tǒng)傳輸（MOST）等，它們?cè)趥鬏斔俾?、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒐?jié)點(diǎn)數(shù)量等方面存在顯著差異。例如，CAN總線數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1 Mbps，支持多主機(jī)通信，而LIN網(wǎng)絡(luò)速率僅為20 kbps，采用主從式架構(gòu)[2]。協(xié)議的多樣性導(dǎo)致車(chē)載設(shè)備間的互操作性和兼容性難以保證，不同協(xié)議的報(bào)文格式、編碼方式、優(yōu)先級(jí)機(jī)制等存在沖突，增加了網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)解析的復(fù)雜度。表2列舉了主要車(chē)載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的特性差異。

32 車(chē)載數(shù)據(jù)傳輸帶寬受限

隨著汽車(chē)電子設(shè)備的不斷發(fā)展，車(chē)載網(wǎng)絡(luò)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)。以自動(dòng)駕駛系統(tǒng)為例，單個(gè)激光雷達(dá)每秒產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量可達(dá)數(shù)百萬(wàn)字節(jié)，多個(gè)高清攝像頭的視頻流傳輸速率更是高達(dá)數(shù)百兆比特每秒。然而，受限于成本、布線空間、電磁兼容性等因素，當(dāng)前主流的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如CAN、LIN等的數(shù)據(jù)傳輸帶寬十分有限，難以滿足數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的需求。

即使是專為高帶寬應(yīng)用設(shè)計(jì)的FlexRay，其最大傳輸速率也僅為10 Mbps，與百兆以太網(wǎng)相比仍有數(shù)量級(jí)的差距[3]。帶寬瓶頸制約了先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)等數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用的性能提升，導(dǎo)致感知、決策、控制等任務(wù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性難以保證，進(jìn)而影響了自動(dòng)駕駛、車(chē)路協(xié)同等新興場(chǎng)景下的功能安全。

33 車(chē)載系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)缺陷

車(chē)載電子設(shè)備通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，其網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)急劇增加。一方面，車(chē)載以太網(wǎng)采用了標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議棧，易受到網(wǎng)絡(luò)層面的攻擊，如DoS攻擊可導(dǎo)致車(chē)載網(wǎng)絡(luò)癱瘓；另一方面，車(chē)載操作系統(tǒng)多基于Linux內(nèi)核，存在眾多已知漏洞，攻擊者可利用緩沖區(qū)溢出等漏洞實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程代碼執(zhí)行，甚至完全控制車(chē)輛。以Jeep Cherokee為例，研究人員通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程攻擊其車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)，成功切斷傳輸、剎車(chē)等關(guān)鍵系統(tǒng)，引發(fā)安全事故[2]。

根據(jù)IHS Markit的報(bào)告，全球汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)安全市場(chǎng)規(guī)模將從2021年的76億美元增長(zhǎng)到2031年的126億美元[4]，凸顯了車(chē)載系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)的迫切性。然而，傳統(tǒng)IT領(lǐng)域的安全防護(hù)手段難以直接應(yīng)用于車(chē)載場(chǎng)景，受限于車(chē)載電子設(shè)備的計(jì)算、存儲(chǔ)和能耗限制，入侵檢測(cè)、異常行為分析、密碼認(rèn)證等安全機(jī)制的實(shí)現(xiàn)難度大幅提升。車(chē)載系統(tǒng)缺乏縱深防御能力，難以有效抵御日益增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全威脅。

34 車(chē)載設(shè)備能耗與散熱管理困難

車(chē)載電子設(shè)備的功能日益豐富，其能耗與散熱問(wèn)題日漸突出。以自動(dòng)駕駛域控制器為例，英偉達(dá)（NVIDIA）推出的DRIVE AGX Pegasus平臺(tái)采用了雙Xavier SoC和雙Turing GPU，峰值功耗高達(dá)500 W[4]，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)車(chē)載ECU的功耗水平。高功耗不僅縮短了車(chē)輛的續(xù)航里程，也對(duì)車(chē)載電源系統(tǒng)提出了更高的要求。此外，車(chē)載設(shè)備的工作環(huán)境惡劣，溫度范圍可達(dá)-40～+85 ℃，而芯片、電容等元器件的可靠性對(duì)溫度高度敏感。以英飛凌的AURIX TC397系列MCU為例，其結(jié)溫高于150 ℃時(shí)，故障率將提高一個(gè)數(shù)量級(jí)[5]。傳統(tǒng)的風(fēng)冷、液冷方式難以有效抑制車(chē)載設(shè)備的溫升，而高溫環(huán)境下元器件加速老化，最終導(dǎo)致設(shè)備的可靠性與壽命大幅降低。

4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)施策略與優(yōu)化路徑

41 統(tǒng)一車(chē)載通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

針對(duì)車(chē)載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議兼容性挑戰(zhàn)，亟需制定統(tǒng)一的車(chē)載通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。具體而言，可采用分層設(shè)計(jì)思路，在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層等不同層面定義統(tǒng)一的接口與服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求。在物理層，可規(guī)定采用雙絞線、同軸電纜等標(biāo)準(zhǔn)傳輸介質(zhì)，并規(guī)定統(tǒng)一的傳輸速率、編碼方式、調(diào)制解調(diào)技術(shù)等參數(shù)；在數(shù)據(jù)鏈路層，可規(guī)定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)幀格式、尋址方式、介質(zhì)訪問(wèn)控制（MAC）機(jī)制等，保證不同協(xié)議的數(shù)據(jù)幀能夠在同一物理信道上傳輸；在網(wǎng)絡(luò)層，可規(guī)定統(tǒng)一的路由尋址、流量控制、擁塞控制等機(jī)制，實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。

在此基礎(chǔ)上，還可借鑒TCP/IP協(xié)議棧的設(shè)計(jì)理念，采用協(xié)議翻譯網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)協(xié)議的無(wú)縫轉(zhuǎn)換。例如，可設(shè)計(jì)CAN-Ethernet網(wǎng)關(guān)，將CAN總線數(shù)據(jù)幀封裝在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀中進(jìn)行傳輸，同時(shí)將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀解封裝為CAN數(shù)據(jù)幀供車(chē)載ECU處理，實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)的互通。類似地，還可設(shè)計(jì)FlexRay-Ethernet、LIN-Ethernet等網(wǎng)關(guān)，最終實(shí)現(xiàn)不同車(chē)載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的融合貫通?；诮y(tǒng)一的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可顯著降低車(chē)載異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的集成難度，提高通信效率和可靠性，為車(chē)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

42 車(chē)載數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)升級(jí)方案

為解決車(chē)載數(shù)據(jù)傳輸帶寬受限問(wèn)題，需要系統(tǒng)性地升級(jí)車(chē)載數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

a.可采用基于以太網(wǎng)的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，利用其固有的高帶寬、低成本、易擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)，顯著提升車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力。例如，采用100BASE-T1標(biāo)準(zhǔn)，可在單根雙絞線上提供100 Mbps的傳輸速率，滿足多路高清視頻流的同步傳輸需求。

b.可引入基于IP的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如汽車(chē)以太網(wǎng)AVB（Audio Video Bridging）協(xié)議，通過(guò)定義精確時(shí)間同步（IEEE 8021AS）、流量整形（IEEE 8021Qav）、預(yù)留傳輸帶寬（IEEE 8021Qat）等機(jī)制，保證多媒體數(shù)據(jù)的低延遲、低抖動(dòng)傳輸。

c.針對(duì)控制類應(yīng)用對(duì)確定性延遲的苛刻要求，可采用基于時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）的車(chē)載以太網(wǎng)方案。TSN通過(guò)定義時(shí)間感知整形（IEEE 8021Qbv）、幀搶占（IEEE 8021Qbu）、冗余管理（IEEE 8021CB）等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)端到端通信延遲，顯著提升車(chē)載控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性。

d.面向自動(dòng)駕駛等數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用，可部署車(chē)載光纖網(wǎng)絡(luò)，利用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)在單根光纖上多路復(fù)用數(shù)十乃至上百路10 Gbps量級(jí)的數(shù)據(jù)流，從而充分釋放光纖通信的帶寬潛力。基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）架構(gòu)，還可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的靈活配置與優(yōu)化，最大限度地滿足動(dòng)態(tài)變化的業(yè)務(wù)需求。

43 車(chē)載系統(tǒng)安全防護(hù)體系構(gòu)建

針對(duì)車(chē)載系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)缺陷，需要構(gòu)建縱深防御、多層次的安全防護(hù)體系。

a.在網(wǎng)絡(luò)接入層面，可采用基于硬件的安全網(wǎng)關(guān)，利用片上系統(tǒng)（SoC）集成防火墻、入侵檢測(cè)、數(shù)據(jù)加密等多種安全功能，對(duì)車(chē)內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行深度安全審計(jì)，有效防范網(wǎng)絡(luò)層面的攻擊。在操作系統(tǒng)層面，可采用基于ARM TrustZone、Intel SGX等可信執(zhí)行環(huán)境（TEE）技術(shù)的安全加固方案，實(shí)現(xiàn)安全啟動(dòng)、安全存儲(chǔ)、運(yùn)行時(shí)完整性保護(hù)等關(guān)鍵安全功能，防止惡意代碼篡改關(guān)鍵數(shù)據(jù)與程序邏輯。

b.在應(yīng)用軟件層面，可引入形式化驗(yàn)證方法，通過(guò)對(duì)軟件代碼進(jìn)行數(shù)學(xué)化建模分析，嚴(yán)格證明其符合預(yù)定的安全性與功能性需求，從源頭上消除潛在的軟件漏洞，提升車(chē)載應(yīng)用的本質(zhì)安全性。同時(shí)，還可借助可信虛擬機(jī)監(jiān)視器（Hypervisor）技術(shù)，在軟硬件協(xié)同的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)車(chē)載系統(tǒng)不同安全等級(jí)域的可信隔離，防止低安全域應(yīng)用（如信息娛樂(lè)系統(tǒng)）對(duì)高安全域（如駕駛控制系統(tǒng)）的非法訪問(wèn)。

c.在安全管理層面，可構(gòu)建車(chē)載PKI體系，采用符合AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的安全通信模塊（SecOC），實(shí)現(xiàn)車(chē)內(nèi)外設(shè)備的可信身份認(rèn)證、完整性校驗(yàn)、安全通信等，并支持安全密鑰的空中下發(fā)（OTA）與更新，提升車(chē)載系統(tǒng)應(yīng)對(duì)新型安全威脅的動(dòng)態(tài)防御能力。

44 智能節(jié)能與熱管理優(yōu)化方案

應(yīng)對(duì)車(chē)載設(shè)備能耗與散熱管理困難問(wèn)題，可從芯片、器件、系統(tǒng)等多個(gè)層面入手，開(kāi)展智能節(jié)能與熱管理優(yōu)化。

a.在芯片層面，可采用先進(jìn)的FinFET、FDSOI等工藝制程，在保證高性能的同時(shí)顯著降低芯片的漏電功耗。可以同時(shí)引入多種細(xì)致的動(dòng)態(tài)功耗管理機(jī)制，如多Vt（閾值電壓）、多VDD（供電電壓）、時(shí)鐘門(mén)控和電源門(mén)控等。根據(jù)車(chē)載電子設(shè)備的工作負(fù)載實(shí)時(shí)調(diào)整芯片的電壓和頻率，以最大限度地降低動(dòng)態(tài)功耗。

b.在器件層面，可采用寬禁帶半導(dǎo)體材料如碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等，大幅提升車(chē)載電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等功率器件的轉(zhuǎn)換效率與工作溫度上限。

c.在系統(tǒng)層面，可構(gòu)建多物理場(chǎng)耦合的電－熱－力學(xué)仿真分析平臺(tái)，對(duì)車(chē)載設(shè)備的功耗、溫度場(chǎng)、氣流場(chǎng)等進(jìn)行精準(zhǔn)建模，并據(jù)此優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)、風(fēng)道布局等，有效提升散熱效率。同時(shí)，還可研發(fā)集成溫度、濕度、氣壓等多種傳感器的智能熱管理單元，實(shí)時(shí)感知車(chē)載設(shè)備所處的環(huán)境參數(shù)，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)未來(lái)的功耗、溫度趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而前瞻性地調(diào)整散熱策略，將設(shè)備溫度控制在最優(yōu)區(qū)間。

此外，還可探索相變材料、熱超導(dǎo)材料、合金材料等新型散熱材料在車(chē)載電子散熱領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，通過(guò)材料結(jié)構(gòu)與性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，顯著增強(qiáng)其導(dǎo)熱性與熱容量，進(jìn)而提升車(chē)載物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的散熱能力。

5 結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在汽車(chē)電子設(shè)備中的應(yīng)用面臨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議兼容性、數(shù)據(jù)傳輸帶寬受限、網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)缺陷、能耗與散熱管理困難等諸多挑戰(zhàn)。為此，需要從多方面入手予以優(yōu)化和改進(jìn)。通過(guò)制定統(tǒng)一的車(chē)載通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，升級(jí)車(chē)載數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建多層次的安全防護(hù)體系，開(kāi)展智能節(jié)能與熱管理優(yōu)化，可有效解決上述技術(shù)瓶頸，加速物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在汽車(chē)電子領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。隨著5G、人工智能等新一代信息技術(shù)的深入發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與汽車(chē)電子的深度融合將進(jìn)一步拓展車(chē)聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛等應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)于提升交通效率、改善出行安全、促進(jìn)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要意義。

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作者簡(jiǎn)介：

高勇，男，1988年生，助教，研究方向?yàn)槠?chē)電工電子技術(shù)。