智能電動(dòng)汽車(chē)永遠(yuǎn)在線(xiàn)系統(tǒng)分析與研究

彭方強(qiáng)

（1.極氪汽車(chē) （寧波杭州灣新區(qū)） 有限公司， 浙江 寧波 315336；2.吉利汽車(chē)研究院 （寧波） 有限公司， 浙江 寧波 315336）

1 前言

積極應(yīng)對(duì)碳達(dá)峰、碳中和這場(chǎng)硬仗大考，是新能源汽車(chē)以及整個(gè)新能源產(chǎn)業(yè)不可推卸的重大責(zé)任。發(fā)展新能源汽車(chē)已被確定為推進(jìn)節(jié)能減排的重點(diǎn)，其中一方面是推進(jìn)新能源汽車(chē)技術(shù)創(chuàng)新，特別是推進(jìn)電動(dòng)化與網(wǎng)聯(lián)化、智能化并行發(fā)展［1］。

據(jù)麥肯錫調(diào)研，61%的中國(guó)消費(fèi)者會(huì)因?yàn)橹悄芫W(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)而更換汽車(chē)品牌［2］。智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)不僅在駕駛模式下給用戶(hù)帶來(lái)安全、舒適、便利，通過(guò)降低交通事故率，提高道路通行效率促進(jìn)節(jié)能減排，而且在非駕駛模式也拓展了豐富的功能場(chǎng)景，如遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻查看、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)、整車(chē)哨兵模式等，對(duì)整車(chē)電子電氣架構(gòu)和整車(chē)電源管理帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)，如何在當(dāng)前電子電氣架構(gòu)中開(kāi)發(fā)集成這些功能并滿(mǎn)足電源消耗的目標(biāo)，減輕用戶(hù)續(xù)航里程焦慮，還能快速響應(yīng)用戶(hù)功能請(qǐng)求，提升用戶(hù)功能體驗(yàn)。

智能電動(dòng)汽車(chē)永遠(yuǎn)在線(xiàn)指的是車(chē)輛隨時(shí)可以通過(guò)智能終端被用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)；這里的永遠(yuǎn)在線(xiàn)功能從工作類(lèi)別分為兩類(lèi)：一類(lèi)是功能激活的同時(shí)，系統(tǒng)持續(xù)耗電，直到關(guān)斷為止。如哨兵模式開(kāi)啟后，車(chē)載攝像頭和相關(guān)控制器在運(yùn)行，持續(xù)監(jiān)測(cè)周?chē)h(huán)境中的危險(xiǎn)因素。國(guó)外某主流車(chē)型自2019年初推出哨兵模式以來(lái)，因其為用戶(hù)避免了在車(chē)輛停放期間的意外損失，所以深受?chē)?guó)內(nèi)外用戶(hù)一致好評(píng)，有數(shù)據(jù)顯示：哨兵模式開(kāi)啟6h，消耗10km的續(xù)航里程［3］；另一類(lèi)是開(kāi)啟后系統(tǒng)等待激活，系統(tǒng)能耗與用戶(hù)開(kāi)啟頻率相關(guān)，當(dāng)任務(wù)結(jié)束后，系統(tǒng)又進(jìn)入休眠，直到下次功能被再次激活。除以上兩類(lèi)功能外，將來(lái)是否還有其余功能場(chǎng)景需要永遠(yuǎn)在線(xiàn)？答案是肯定的，如地下智慧停車(chē)場(chǎng)，車(chē)輛通過(guò)近場(chǎng)通信與智慧城市大腦交互，可以解決沒(méi)有4G/5G信號(hào)區(qū)域智慧物聯(lián)網(wǎng)控制，所以未來(lái)的功能拓展和部署也需要考慮。

2 永遠(yuǎn)在線(xiàn)系統(tǒng)組成及原理

永遠(yuǎn)在線(xiàn)系統(tǒng)總體包含車(chē)輛端永遠(yuǎn)在線(xiàn)功能子系統(tǒng)、TSP （Telematics Service Provider） 云端、智慧城市大腦和智能終端四大部分，如圖1所示。其中智能終端通過(guò)4G/5G信號(hào)與TSP云端通信，并將控制指令下發(fā)到車(chē)輛，車(chē)輛執(zhí)行指令后，將狀態(tài)信號(hào)通過(guò)TSP云端反饋到智能終端。而智慧城市大腦則是通過(guò)NFC、RFID、藍(lán)牙、WIFI等協(xié)議與車(chē)輛進(jìn)行通信，再將處理的信息傳給TSP云端，移動(dòng)智能終端直接與TSP云端進(jìn)行通信交互，如智慧停車(chē)場(chǎng)的車(chē)輛托管模式、定時(shí)、托管服務(wù)等。

圖1 永遠(yuǎn)在線(xiàn)系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)組成

車(chē)輛端永遠(yuǎn)在線(xiàn)功能關(guān)聯(lián)到整車(chē)較多子系統(tǒng)，如智能駕駛子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)環(huán)境偵測(cè)和識(shí)別、圖像的錄制；信息娛樂(lè)子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)視頻存儲(chǔ)、播放和報(bào)警聲音播放；車(chē)聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)，包含通信模組、各類(lèi)智能天線(xiàn)等，負(fù)責(zé)車(chē)端和TSP云端進(jìn)行通信；高、低壓能源子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)電源供給和管理。永遠(yuǎn)在線(xiàn)功能激活后，這些子系統(tǒng)都要持續(xù)工作，所以導(dǎo)致耗電量較大，參與工作的電器零部件有：高低壓電源、DC-DC轉(zhuǎn)換器、車(chē)載智能互聯(lián)終端、網(wǎng)關(guān)、集成式娛樂(lè)主機(jī)、智能駕駛控制器、車(chē)內(nèi)外攝像頭、相關(guān)傳感器和線(xiàn)束等。

2.2 系統(tǒng)原理

智能電動(dòng)汽車(chē)永遠(yuǎn)在線(xiàn)系統(tǒng)集車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)及傳感技術(shù)于一體，通過(guò)安裝在車(chē)內(nèi)、車(chē)外攝像頭和行車(chē)記錄儀中的重力傳感器，來(lái)感知車(chē)輛環(huán)境異常級(jí)別，從而錄制車(chē)內(nèi)、車(chē)外視頻，并發(fā)出警報(bào)提示，同時(shí)也提醒車(chē)主。永遠(yuǎn)在線(xiàn)功能主要分以下3類(lèi)。

2.2.1 遠(yuǎn)程車(chē)輛控制類(lèi)

通過(guò)智能終端App中的遠(yuǎn)程服務(wù)實(shí)現(xiàn)，即向車(chē)輛進(jìn)行遠(yuǎn)程控制信號(hào)發(fā)送，車(chē)聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)身份驗(yàn)證成功后，車(chē)端應(yīng)用程序接收到控制信號(hào)后執(zhí)行，并響應(yīng)其控制的過(guò)程，同時(shí)被控制端還會(huì)將執(zhí)行結(jié)果通過(guò)車(chē)聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)反饋給控制端的App，如通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程開(kāi)啟空調(diào)，車(chē)端開(kāi)啟空調(diào)后，手機(jī)App端會(huì)顯示空調(diào)狀態(tài)被打開(kāi)。

2.2.2 遠(yuǎn)程車(chē)輛數(shù)據(jù)類(lèi)

通過(guò)智能終端和車(chē)載集成式主機(jī)之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看、上傳和下載，包含照片、視頻、音樂(lè)、文檔、小說(shuō)等內(nèi)容，智能終端傳輸可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到車(chē)載娛樂(lè)主機(jī)，車(chē)載娛樂(lè)主機(jī)也可以將數(shù)據(jù)傳輸給智能終端，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包含遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻、拍照等，非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包含歷史視頻、集成式娛樂(lè)主機(jī)存儲(chǔ)的多媒體視頻等。如遠(yuǎn)程視頻實(shí)時(shí)查看，用戶(hù)通過(guò)智能終端，請(qǐng)求實(shí)時(shí)查看車(chē)內(nèi)遺留物品、車(chē)周邊環(huán)境狀況查看，方便尋車(chē)或查看車(chē)輛泊出的阻擋情況，此功能需要激活車(chē)內(nèi)、車(chē)外攝像頭，通過(guò)布置在車(chē)內(nèi)外攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻查看。

2.2.3 遠(yuǎn)程車(chē)輛監(jiān)控類(lèi)

遠(yuǎn)程車(chē)輛監(jiān)控類(lèi)如哨兵模式，其原理主要是通過(guò)前視攝像頭，左、右兩側(cè)攝像頭和后視攝像頭持續(xù)開(kāi)啟，利用自身無(wú)畸變，通過(guò)深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)被檢測(cè)的物體與車(chē)輛距離的準(zhǔn)確識(shí)別，可以根據(jù)車(chē)輛周?chē)l(fā)生不同類(lèi)型的潛在威脅而做出對(duì)應(yīng)級(jí)別的報(bào)警反應(yīng)，分為警惕模式和警報(bào)模式。

警惕模式下，當(dāng)檢測(cè)到行人靠近車(chē)輛特定值時(shí)，觸發(fā)“警惕”狀態(tài)。該狀態(tài)下，車(chē)內(nèi)屏幕會(huì)亮起警告標(biāo)識(shí)，警告接近者此時(shí)車(chē)內(nèi)視頻正在錄制，且車(chē)外雙閃燈也會(huì)閃爍，車(chē)主此時(shí)會(huì)在移動(dòng)端App接到觸發(fā)提醒。

警報(bào)模式則是利用整車(chē)本身防盜系統(tǒng)防盜機(jī)制做觸發(fā)報(bào)警，當(dāng)檢測(cè)到車(chē)輛遭受碰撞，車(chē)門(mén)被強(qiáng)行打開(kāi)，車(chē)玻璃被破壞，觸發(fā)“警報(bào)”狀態(tài)。該狀態(tài)下，不僅視頻在錄制，同時(shí)車(chē)輛安全警報(bào)被激活，車(chē)內(nèi)中控屏的亮度會(huì)增加，并以最大音量播放汽車(chē)音響系統(tǒng)的音樂(lè)。而且還可以推送信息給車(chē)主，車(chē)主可實(shí)時(shí)查看，也可歷史查看該視頻信息。

3 當(dāng)前系統(tǒng)存在的問(wèn)題

如上述2.1節(jié)所述，永遠(yuǎn)在線(xiàn)功能關(guān)聯(lián)到整車(chē)較多子系統(tǒng)和控制器，相關(guān)子系統(tǒng)耦合度高、控制復(fù)雜，如視頻傳輸，功能體驗(yàn)要求，其需求是高帶寬和低時(shí)延。

3.1 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

車(chē)輛架構(gòu)正朝著以通用計(jì)算平臺(tái)為基礎(chǔ)、面向服務(wù)架構(gòu)的方向發(fā)展，但當(dāng)前大多數(shù)OEM整車(chē)電子電氣架構(gòu)都處于分布式電子電氣架構(gòu)。如圖2所示，博世公司提出的漸進(jìn)式電子電氣架構(gòu)，藍(lán)框內(nèi)分布式架構(gòu)，邏輯處理分布在不同的控制器內(nèi)，各控制器間邏輯耦合度高，在此架構(gòu)上開(kāi)發(fā)的永遠(yuǎn)在線(xiàn)子系統(tǒng)與子系統(tǒng)間，控制器與控制器間信號(hào)接口多且復(fù)雜，如圖3所示，功能存在整體喚醒整車(chē)網(wǎng)絡(luò)的可能性，這會(huì)導(dǎo)致工作電流大，耗電量增加，影響車(chē)輛續(xù)航。且分布式架構(gòu)通信鏈路較長(zhǎng)，ECU底層代碼兼容性差、代碼冗余、代碼復(fù)用性差、維護(hù)更新困難［4］。

圖2 博世公司提出的漸進(jìn)式電子電氣架構(gòu)（圖源：博世公司）

圖3 分布式架構(gòu)挑戰(zhàn)

3.2 能耗管理&復(fù)雜系統(tǒng)

電動(dòng)汽車(chē)能耗直接關(guān)聯(lián)到續(xù)航里程，所以應(yīng)設(shè)立系統(tǒng)能耗目標(biāo)，降低能耗總體策略：①降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，簡(jiǎn)化系統(tǒng)；②減少系統(tǒng)內(nèi)工作ECU的數(shù)量，減少喚醒；③降低工作ECU的功耗需求；④提高DC-DC的轉(zhuǎn)化效率。

當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)電源是由高壓動(dòng)力電池組和12V低壓輔助電池組成，由于傳統(tǒng)燃油車(chē)的蓄電池除了維持整車(chē)熄火后暗電流的消耗，同時(shí)還要保證停放一段時(shí)間后整車(chē)能夠提供起動(dòng)機(jī)瞬間啟動(dòng)的大功率需求［5］。而純電動(dòng)汽車(chē)12V輔助蓄電池并不需要提供啟動(dòng)機(jī)大功率請(qǐng)求，只需要滿(mǎn)足車(chē)輛休眠后暗電流消耗為主，同時(shí)考慮到輔助蓄電池充放電循環(huán)壽命，一般選擇45Ah的鉛酸蓄電池或鋰離子電池，車(chē)輛低壓用電器由DC-DC轉(zhuǎn)換器和低壓蓄電池并聯(lián)供電。而45Ah的低壓電池不足以維持系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，所以需要整車(chē)高壓上電，來(lái)為低壓系統(tǒng)提供充足的能源。這時(shí)高壓能源域控制器也會(huì)參與，進(jìn)行智能補(bǔ)電或是直接供電。

3.3 關(guān)鍵零部件啟動(dòng)時(shí)間

永遠(yuǎn)在線(xiàn)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間會(huì)直接影響到用戶(hù)體驗(yàn)，當(dāng)前車(chē)輛集成式娛樂(lè)主機(jī)里的安卓系統(tǒng)冷啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng) （通常15~25s），而錄制視頻、文件均存儲(chǔ)在集成式娛樂(lè)主機(jī)的硬盤(pán)中，所以如何縮短系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間，提高用戶(hù)體驗(yàn)也是開(kāi)發(fā)好永遠(yuǎn)在線(xiàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

4 永遠(yuǎn)在線(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)模型

永遠(yuǎn)在線(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)模型包含硬件架構(gòu)、軟件架構(gòu)、車(chē)輛永遠(yuǎn)在線(xiàn)功能、TSP云端和智能終端等，如圖4所示。

圖4 集中式的系統(tǒng)架構(gòu)模型

4.1 硬件架構(gòu)

永遠(yuǎn)在線(xiàn)系統(tǒng)硬件架構(gòu)包括車(chē)輛硬件和電子硬件。車(chē)輛硬件含整車(chē)控制、環(huán)境感知、自動(dòng)駕駛和智能座艙以及傳感器、執(zhí)行器、天線(xiàn)、顯示屏、攝像頭等；電子硬件含各類(lèi)SOC、MCU、以太網(wǎng)Switch等。

4.2 軟件架構(gòu)

由于車(chē)輛實(shí)時(shí)性、安全性和擴(kuò)展性的需求，無(wú)法用一個(gè)系統(tǒng)來(lái)滿(mǎn)足所有的應(yīng)用場(chǎng)景，所以在滿(mǎn)足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和安全性要求時(shí)，還要求保證系統(tǒng)魯棒性和擴(kuò)展性。系統(tǒng)軟件架構(gòu)主要包括服務(wù)層、中間件、基礎(chǔ)軟件層。服務(wù)層包含各類(lèi)服務(wù)，如自適應(yīng)服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)、邏輯服務(wù)、智能場(chǎng)景引擎和互聯(lián)服務(wù)；中間件則包含服務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)管理、通信管理、更新管理和診斷；基礎(chǔ)軟件層包含操作系統(tǒng)和操作系統(tǒng)內(nèi)核。

4.3 TSP云端

TSP云端主要是為車(chē)輛和智能終端提供內(nèi)容和流量轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，同時(shí)云端信息安全尤其重要，云端有安全通信信道，需要校驗(yàn)簽名證書(shū)等，管理應(yīng)用程序數(shù)據(jù)的生命周期，應(yīng)對(duì)車(chē)端和智能終端的威脅分析，脆弱性評(píng)估和應(yīng)急響應(yīng)等，這里的TSP云端進(jìn)行計(jì)算服務(wù)、存儲(chǔ)服務(wù)、數(shù)據(jù)智能以及訂閱服務(wù)、AI成長(zhǎng)平臺(tái)、安全和連接服務(wù)、OTA服務(wù)。

4.4 智能終端和車(chē)輛功能的永遠(yuǎn)在線(xiàn)

智能終端主要包括用戶(hù)計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、ipad和手機(jī)等，通過(guò)App連接到TSP云端服務(wù)平臺(tái)的安全通信通道，并校驗(yàn)簽名證書(shū)等；車(chē)輛功能永遠(yuǎn)在線(xiàn)主要包括遠(yuǎn)程車(chē)輛控制類(lèi)，如遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程車(chē)輛數(shù)據(jù)類(lèi)，如遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)、實(shí)時(shí)視頻等；還有遠(yuǎn)程車(chē)輛監(jiān)控類(lèi)，如整車(chē)哨兵模式等以及未來(lái)拓展的永遠(yuǎn)在線(xiàn)功能。

5 系統(tǒng)的改進(jìn)-最小系統(tǒng)

如上述第3節(jié)分析，永遠(yuǎn)在線(xiàn)系統(tǒng)功能復(fù)雜，與原有車(chē)聯(lián)網(wǎng)功能系統(tǒng)耦合度高，架構(gòu)復(fù)雜，啟動(dòng)時(shí)間慢，如何改進(jìn)系統(tǒng)？本節(jié)提出改進(jìn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和最小系統(tǒng)。

首先明確永遠(yuǎn)在線(xiàn)具體功能需求，將場(chǎng)景、人機(jī)交互、性能以功能需求為導(dǎo)向，明確最小系統(tǒng)的信號(hào)接口，將需求打散至各子系統(tǒng)中。

5.1 改進(jìn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

采用中央計(jì)算平臺(tái)與區(qū)域控制器結(jié)合的車(chē)輛集中式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，主干網(wǎng)使用高速以太網(wǎng)通信，為了滿(mǎn)足車(chē)輛控制實(shí)時(shí)性的要求，核心網(wǎng)絡(luò)采用如TSN等可靠協(xié)議通信，在其區(qū)域控制器下的局域網(wǎng)內(nèi)，CAN、LIN、CAN FD、GMSL、A2B等通信將會(huì)繼續(xù)存在，局域網(wǎng)內(nèi)仍以傳統(tǒng)的信號(hào)方式進(jìn)行通信，以降低成本，而在主干網(wǎng)中，將會(huì)以服務(wù)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。隨著整車(chē)集成化的程度越來(lái)越高，越來(lái)越多的ECU的邏輯將會(huì)被吸收到區(qū)域控制器當(dāng)中［6］，不僅如此，區(qū)域控制器還集成了網(wǎng)關(guān)功能。如圖5所示，永遠(yuǎn)在線(xiàn)系統(tǒng)是通過(guò)智能終端發(fā)送功能請(qǐng)求給TSP云端，TSP云端通過(guò)身份驗(yàn)證，驗(yàn)證成功后通過(guò)4G/5G信號(hào)將功能請(qǐng)求發(fā)送車(chē)載智能互聯(lián)終端，車(chē)載智能互聯(lián)終端再將收到的信息發(fā)送給車(chē)載計(jì)算平臺(tái)，車(chē)載計(jì)算平臺(tái)通過(guò)分析、決策、邏輯計(jì)算，并通知各域執(zhí)行、控制，并將最后執(zhí)行狀態(tài)反饋給智能終端的過(guò)程。

圖5 集中式的永遠(yuǎn)在線(xiàn)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

5.2 最小系統(tǒng)

為解決功耗影響，提出最小系統(tǒng)具有激活或?；钣肋h(yuǎn)在線(xiàn)功能的最小的硬件環(huán)境和軟件環(huán)境，失活時(shí)系統(tǒng)能快速休眠，從而降低系統(tǒng)能耗；硬件最小系統(tǒng)主要由高低壓電源、攝像頭、傳感器、區(qū)域控制器、中央計(jì)算平臺(tái)、車(chē)載智能互聯(lián)終端、TSP云平臺(tái)和智能終端組成，具備快速喚醒和休眠機(jī)制。

5.3 系統(tǒng)快速啟動(dòng)

改集成式娛樂(lè)主機(jī)安卓系統(tǒng)由冷啟動(dòng)變?yōu)闊釂?dòng)，降低保活控制器的能耗，利用Suspend to RAM （掛起到內(nèi)存） 技術(shù)，電源在系統(tǒng)休眠后繼續(xù)為內(nèi)存供電，以確保數(shù)據(jù)不丟失，而其他設(shè)備均處于關(guān)閉狀態(tài)，系統(tǒng)的耗電量很低 （百毫安級(jí)），一旦被永遠(yuǎn)在線(xiàn)功能喚醒，馬上從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)并恢復(fù)到STR之前的工作狀態(tài)。

6 總結(jié)

永遠(yuǎn)在線(xiàn)創(chuàng)新的功能場(chǎng)景非常豐富，本文中分析了永遠(yuǎn)在線(xiàn)系統(tǒng)的組成和原理，對(duì)電子電器架構(gòu)和整車(chē)電源管理帶來(lái)的沖擊，現(xiàn)階段存在的問(wèn)題，提出了集中式永遠(yuǎn)在線(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)模型，集中式的永遠(yuǎn)在線(xiàn)系統(tǒng)拓?fù)鋱D，并總結(jié)提出了：最小系統(tǒng)，系統(tǒng)快速啟動(dòng)方案，降低了原有系統(tǒng)的復(fù)雜度、耦合度，降低了能耗，縮短了系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間，得到如下結(jié)論。

1） 從系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)出發(fā)，相比其余永遠(yuǎn)在線(xiàn)方案通信鏈路短，安全性高，功能時(shí)延更短，提高了用戶(hù)體驗(yàn)。

2） 從能耗管理角度，相對(duì)于其余方案，本方案能耗更低，故對(duì)續(xù)航影響更小。

3） 在永遠(yuǎn)在線(xiàn)功能激活過(guò)程中，整體功能激活的效率提升了，從原來(lái)的13~25s提升到5s以?xún)?nèi)，功能激活更加高效。