基于AUTOSAR的智能網(wǎng)聯(lián)汽車分層式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

潘霞　張慶余　張?zhí)K林

摘 要：中國的智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展已上升至國家戰(zhàn)略層面，在頂層設(shè)計(jì)方面，我國制定了一系列等指導(dǎo)性文件，從產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面推動(dòng)智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。在標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)方面，國家發(fā)改委發(fā)布、工信部均發(fā)布響應(yīng)指導(dǎo)性文件，指出分階段實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的目標(biāo)。隨著智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)的日益成熟，合理的分層式結(jié)構(gòu)成為必然趨勢。

關(guān)鍵詞：智能網(wǎng)聯(lián)汽車;分層式結(jié)構(gòu);AUTOSAR架構(gòu)

1 引言

我國已積極開展智能網(wǎng)聯(lián)汽車共性基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)、行業(yè)產(chǎn)業(yè)急需的標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)法律法規(guī)的研究制定。國內(nèi)主要整車企業(yè)已開始在量產(chǎn)車上裝備了L2級輔助駕駛系統(tǒng)產(chǎn)品，并積極進(jìn)行更高級自動(dòng)駕駛技術(shù)及產(chǎn)品的開發(fā)。整車企業(yè)的列裝計(jì)劃也促進(jìn)了我國自主輔助駕駛系統(tǒng)企業(yè)的快速發(fā)展。

在汽車產(chǎn)業(yè)智能化、聯(lián)網(wǎng)化不斷推進(jìn)的大背景下，積極推進(jìn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車自動(dòng)駕駛技術(shù)研究已成為行業(yè)當(dāng)前的工作主體，當(dāng)前在智能網(wǎng)聯(lián)汽車相關(guān)業(yè)務(wù)方面仍有很多關(guān)鍵性行業(yè)問題有待突破和解決。智能網(wǎng)聯(lián)汽車，在車輛動(dòng)力系統(tǒng)方向?qū)②呄螂妱?dòng)化發(fā)展;底盤系統(tǒng)方向?qū)⒏幼⒅刂悄芑刂埔詽M足高級自動(dòng)駕駛需求;而汽車電控及軟件架構(gòu)也將因?yàn)樾碌男枨蟀l(fā)生巨大的革新。汽車產(chǎn)業(yè)將迎來由傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)時(shí)代（發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、變速箱）轉(zhuǎn)移為智能驅(qū)動(dòng)時(shí)代（數(shù)據(jù)、架構(gòu)、人工智能）的時(shí)代變革。伴隨著感知、融合、控制決策、高精地圖與高精定位、車聯(lián)網(wǎng)（V2X）等技術(shù)的不斷突破，自動(dòng)駕駛車輛在汽車的占比將逐年增加，先在某些地區(qū)到達(dá)某個(gè)臨界點(diǎn)，在其他相關(guān)技術(shù)、法規(guī)政策的加持下，超前其他地區(qū)實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)駕駛，汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)入部分自動(dòng)駕駛與完全自動(dòng)駕駛共存階段。最后，隨著完全自動(dòng)駕駛地區(qū)數(shù)量的不斷增加，從點(diǎn)到線，由線到面，最終實(shí)現(xiàn)全區(qū)域的完全自動(dòng)駕駛。

基于AUTOSAR架構(gòu)設(shè)計(jì)的智能網(wǎng)聯(lián)汽車分層式結(jié)構(gòu)，形成車輛底層控制、核心自動(dòng)駕駛系統(tǒng)以及上層應(yīng)用的模塊化和平臺化，進(jìn)一步促進(jìn)核心系統(tǒng)層和底層數(shù)據(jù)接口、硬件接口，以及核心系統(tǒng)層和上層應(yīng)用的數(shù)據(jù)接口和軟件接口定義的標(biāo)準(zhǔn)化，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同項(xiàng)目、不同車型、不同功能配置和不同硬件選擇相應(yīng)的軟件模塊，進(jìn)行裁剪、移植和集成，從而縮短項(xiàng)目的軟件開發(fā)周期并降低開發(fā)成本，大幅提升車輛與系統(tǒng)的靈活適配性，進(jìn)而積極推動(dòng)自動(dòng)駕駛車輛的大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用。

2 AUTOSAR架構(gòu)簡析

AUTOSAR定義的軟件架構(gòu)，主要采用了分層式結(jié)構(gòu)，圍繞運(yùn)行時(shí)環(huán)境（RTE）展開，RTE層以上是應(yīng)用層部分，采用軟件組件（SWC）的形式定義。而RTE層的下方為基礎(chǔ)軟件層（BSW），其分層結(jié)構(gòu)見圖1，基礎(chǔ)軟件可分為兩個(gè)部分，分別是與硬件不相關(guān)的基礎(chǔ)軟件，包括操作系統(tǒng)、服務(wù)、通信等，以及和硬件相關(guān)的基礎(chǔ)軟件，包括微控制器抽象層MCAL和復(fù)雜驅(qū)動(dòng)CDD。應(yīng)用層與基礎(chǔ)軟件層的連接是通過RTE層，定義接口標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)層間的數(shù)據(jù)交互。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)接口定義

AUTOSAR共定義了三種類型的接口，分別是AUTOSAR接口、標(biāo)準(zhǔn)AUTOSAR接口以及標(biāo)準(zhǔn)接口。

AUTOSAR接口一方面描述軟件組件之間獲取和提供的數(shù)據(jù)和服務(wù)，另一方面描述軟件組件與ECU抽象層、復(fù)雜驅(qū)動(dòng)之間進(jìn)行的獲取和提供的服務(wù)。此種接口是按照AUTOSAR接口定義規(guī)則來定義的，這些接口中的一部分已經(jīng)由AUTOSAR定義，另外一部分需要整車企業(yè)自定義，通過這些接口實(shí)現(xiàn)了軟件組件在不同的ECU上的可重用性[1]。

標(biāo)準(zhǔn)AUTOSAR接口完全由AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)來定義，主要包括兩種類型的接口：基礎(chǔ)軟件提供給應(yīng)用程序的服務(wù)接口以及整車企業(yè)根據(jù)需要配置的標(biāo)準(zhǔn)接口。標(biāo)準(zhǔn)接口即標(biāo)準(zhǔn)API，一般由C語言定義，主要實(shí)現(xiàn)ECU內(nèi)部BSW模塊之間，以及運(yùn)行時(shí)環(huán)境和操作系統(tǒng)之間的函數(shù)調(diào)用關(guān)系。

2.2 虛擬功能總線VFB及運(yùn)行環(huán)境RTE

AUTOSAR將底層基礎(chǔ)軟件和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)抽象成虛擬的功能總線，即VFB，它是各類通信機(jī)制的一個(gè)集合。運(yùn)行時(shí)環(huán)境RTE是指單個(gè)ECU上對VFB接口的實(shí)現(xiàn)。由于各個(gè)軟件組件之間無法實(shí)現(xiàn)直接通信，因此，需要RTE進(jìn)行相應(yīng)的封裝，提供層間通信所需的API，進(jìn)而使用端口等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互。也就是說，軟件組件只需向VFB發(fā)送輸出信號[2]。

運(yùn)行時(shí)環(huán)境RTE類似于面向?qū)ο缶幊痰闹饕枷?，各個(gè)ECU和其所對應(yīng)的RTE都是特定的，RTE負(fù)責(zé)各個(gè)軟件組件與基礎(chǔ)軟件之間的通信。簡單來說，RTE可以看作是VFB的接口實(shí)現(xiàn)。

2.3 基礎(chǔ)軟件層BSW

基礎(chǔ)軟件可分為兩個(gè)部分，分別是與硬件不相關(guān)的基礎(chǔ)軟件，包括操作系統(tǒng)、服務(wù)、通信等，以及和硬件相關(guān)的基礎(chǔ)軟件，包括微控制器抽象層MCAL、ECU抽象層和復(fù)雜驅(qū)動(dòng)CDD。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中微控制器抽象層包括硬件驅(qū)動(dòng)程序，用于訪問內(nèi)存、通信等。ECU抽象層主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)通信、內(nèi)容或者I/O的訪問，為其提供統(tǒng)一的接口。

3 智能網(wǎng)聯(lián)汽車分層式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 智能網(wǎng)聯(lián)汽車關(guān)鍵技術(shù)

智能網(wǎng)聯(lián)汽車代表了未來汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展方向和戰(zhàn)略制高點(diǎn)，也是國際汽車產(chǎn)業(yè)未來競爭的重要陣地。為落實(shí)《中國制造2025》和《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，國家發(fā)改委在2018年發(fā)布了《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略（征求意見稿）》，指出了中國標(biāo)準(zhǔn)智能汽車全面發(fā)展的六大戰(zhàn)略任務(wù)。智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)是一個(gè)大的產(chǎn)業(yè)集群，關(guān)鍵核心技術(shù)的持續(xù)攻關(guān)是中國在智能網(wǎng)聯(lián)汽車領(lǐng)域引領(lǐng)世界汽車工業(yè)發(fā)展的重要因素。以接口引領(lǐng)自動(dòng)駕駛相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建立、建設(shè)各級別自動(dòng)駕駛產(chǎn)品準(zhǔn)入測試流程為主線，能夠有效地向產(chǎn)業(yè)鏈上下游延伸，貫徹標(biāo)準(zhǔn)先行方針，整合行業(yè)資源，推動(dòng)企業(yè)在環(huán)境感知、高精地圖與高精定位、V2X、多傳感器融合、控制決策等上下游關(guān)聯(lián)技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。

3.2 智能網(wǎng)聯(lián)汽車分層式結(jié)構(gòu)

智能網(wǎng)聯(lián)汽車分層式結(jié)構(gòu)以自動(dòng)駕駛系統(tǒng)為核心中間層，系統(tǒng)層對下連接車輛底層（基礎(chǔ)層），包括車輛控制器、ECU、內(nèi)存驅(qū)動(dòng)、通信驅(qū)動(dòng)等，對上連接應(yīng)用層，主要包括面向用戶的智能座艙、車載信息娛樂系統(tǒng)等，具體分層形式及各層所包含內(nèi)容如圖3所示。

3.2.1 基礎(chǔ)層

智能網(wǎng)聯(lián)汽車自動(dòng)駕駛的執(zhí)行離不開車輛底層控制系統(tǒng)，自動(dòng)駕駛的落腳點(diǎn)仍然是在于“駕駛”，也就是執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在車輛具備線控的基礎(chǔ)上，通過自動(dòng)駕駛系統(tǒng)層的環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、智能控制等系列技術(shù)，輸出至車輛底層，進(jìn)而執(zhí)行轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、加速等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)真正意義上的自動(dòng)駕駛。

其中自動(dòng)駕駛系統(tǒng)層的第三層級——控制層，需要定義相應(yīng)的接口標(biāo)準(zhǔn)，包括數(shù)據(jù)接口、軟件接口，以能夠和不同的車輛底盤進(jìn)行靈活適配為目的，在盡可能少量的標(biāo)定工作需求下，完成底層的對接。

3.2.2 核心系統(tǒng)層

系統(tǒng)層即對應(yīng)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，分為感知、決策、控制三層，感知層以多傳感器融合感知算法為核心，結(jié)合深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)算法，能夠?qū)崿F(xiàn)對周邊環(huán)境、障礙物、交通標(biāo)識、行人等的準(zhǔn)確識別。決策層重點(diǎn)在于路徑規(guī)劃算法的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，依托于環(huán)境感知和導(dǎo)航子系統(tǒng)的輸出信息，并通過一些特定約束條件（如無碰撞、安全抵達(dá)終點(diǎn)等），規(guī)劃出汽車的行車路徑。控制層主要負(fù)責(zé)車輛的橫縱向精準(zhǔn)控制[3]。

系統(tǒng)層對接上下兩層的核心在于接口定義的標(biāo)準(zhǔn)化，也就是說系統(tǒng)層和底層數(shù)據(jù)接口、硬件接口，以及系統(tǒng)層和應(yīng)用層的數(shù)據(jù)接口和軟件接口定義的標(biāo)準(zhǔn)化，接口的標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)快速移植的關(guān)鍵?？筛鶕?jù)不同項(xiàng)目、不同車型、不同功能配置和不同硬件選擇相應(yīng)的軟件模塊，進(jìn)行裁剪、移植和集成，大幅提升車輛與系統(tǒng)的靈活適配性，進(jìn)而促進(jìn)自動(dòng)駕駛車輛的大規(guī)模生產(chǎn)與產(chǎn)業(yè)化落地，見圖4。

3.2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層是指通過搭載智能座艙、車載信息系統(tǒng)等應(yīng)用層設(shè)施，面向用戶需求形成多場景的應(yīng)用環(huán)境，此外，還包括特定場景下的自動(dòng)駕駛落地運(yùn)營車，如智能送餐車、智能安防巡邏車等等。其核心仍是基于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的場景應(yīng)用。

4 總結(jié)

隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的日益完善，具備靈活適配性的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)勢必成為支撐自動(dòng)駕駛升級和量產(chǎn)的必備產(chǎn)品。系統(tǒng)層對接基礎(chǔ)層與應(yīng)用層數(shù)據(jù)接口、軟件接口的標(biāo)準(zhǔn)化成為制約自動(dòng)駕駛技術(shù)量產(chǎn)的重要因素。因此，智能網(wǎng)聯(lián)汽車的分層式結(jié)構(gòu)定義也將成為必然發(fā)展趨勢。

參考文獻(xiàn)：

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[3]潘霞，張慶余，朱強(qiáng).高精度地圖在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的作用及意義解析[J].時(shí)代汽車，2019（04）：49-50+53.