[汽車之家 深評] 軟件定義汽車這個概念已經(jīng)提出來兩三年了,，對于汽車,，尤其是電動車來說，從來沒有一個時代對軟件如此的重視,。過去的2021年，汽車行業(yè)處于大變革之中，電動汽車?yán)^續(xù)高歌猛進,，市場占有率突破10%，比亞迪和新勢力交付創(chuàng)新高,。與此同時,，消費者在購買電動車的時候越來越看重智能化，而在智能化中,，軟件扮演的作用越來越大,。
自從上世紀(jì)90年代開始，汽車上開始有了軟件驅(qū)動,，到現(xiàn)在軟件開始重新定義汽車,，軟件的形態(tài)已經(jīng)發(fā)生了諸多變化，未來將如何發(fā)展,，下面我們來探討一下,。
電氣架構(gòu)向“中央集成式”進階
在汽車上，總是先有電氣架構(gòu),，才有軟件,，電氣架構(gòu)是根基，而軟件則是根基上的枝葉,。
簡單來說,，電氣架構(gòu)對于一輛車來說，就是整個汽車所有控制器,、傳感器,、線束的總布置方案，電氣架構(gòu)能實現(xiàn)整車功能,、運算,、資源的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,。
以前我們不怎么提到電子電氣架構(gòu)這個概念，是因為整個汽車可能也就幾個控制器,，用不上架構(gòu)來對他進行協(xié)調(diào)管理,。而且大部分的部件都是機械控制，眾多機械部件不需要控制器和軟件來驅(qū)動,，更不需要所謂架構(gòu)設(shè)計,，大家各干各的就能讓車跑起來。
而當(dāng)汽車智能化,，電動化來到之后,，控制器變多了：不僅僅是燃油車上控制器多了起來，電動車上的控制器更多：發(fā)動機,、變速箱,、ESP/ABS、車窗,、安全氣囊,、空調(diào)壓縮機等都需要控制器，現(xiàn)在傳統(tǒng)燃油車上大概有幾十個控制器,，比如寶馬7系大概有40多個,；而像蔚來這樣的智能電動車上,，則會有上百個大大小小的控制器,。
那么在這種情況下，原有的電氣架構(gòu)已經(jīng)不能滿足要求,，現(xiàn)在需要更合理,，更科學(xué)的電子電氣架構(gòu),。
談到電子電氣架構(gòu)的時候，就必須要說到這張圖：
這是博世對電子電氣架構(gòu)的升級過程預(yù)測,，基本上整個行業(yè)也都在按照這個架構(gòu)演化,。博世認為電子電氣架構(gòu)將從分布式ECU向域控制過渡，最終往中央集中架構(gòu)方向發(fā)展,。
分布式架構(gòu)是老平臺乘用車,，以及現(xiàn)在大部分商用車使用的架構(gòu)，一個控制器對應(yīng)控制一個部件,，大家各管各的,，相互之間的信號交互非常有限。這種架構(gòu)的不方便之處就是一旦控制器多了,，控制器之間的信號交互處理就很麻煩,，會導(dǎo)致整車線束變長，也給軟件的開發(fā)帶來很多難度。
比如一個班級里如果沒有組長,，僅僅有班長一個人,，他要跟所有學(xué)生交流信息和收發(fā)作業(yè)，那對于班長來說,，他的工作量就很大了,，他需要面對班里幾十個學(xué)生，溝通費時費力,。
此時域控制器概念出現(xiàn)了,。域集中式把整車分為幾個域，這種架構(gòu)在目前所有電動車（特斯拉除外）,，部分燃油乘用車上使用，是當(dāng)下比較主流的電子電器架構(gòu),。域集中式架構(gòu)把整車分為5-7個域（動力域,、底盤域、車身域,、信息娛樂域和ADAS域）,，但是也有部分廠商（華為和大眾方案）將整個汽車分為三個域（功能類似的合并為一個域），最高決策層還是域控制器,。
每個域都管理自己的一畝三分地,，各個域上由一個域控制器統(tǒng)一管理，各個域控制器通過以太網(wǎng)或者高速CAN進行連接,，而每個域的內(nèi)部,，各個控制器通過低速CAN進行連接。
比如混合動力汽車,，動力域上就有發(fā)動機,，變速箱，電機,，以及電池管理系統(tǒng)等部件,，這些部件除了自己會有一個控制器（ECU）控制，還會有一個域控制器（VCU）對他們統(tǒng)一進行協(xié)調(diào)管理,。
這就是一個班開始有了小組長（域控制器）作為各個組的接頭人,，組長負責(zé)組員之間的信息傳遞和收發(fā)作業(yè)。
但是在域集中式電子電器架構(gòu)里,，是沒有班長這個概念的,，只有小組長（域控制器）這一層級，而且整個架構(gòu)是按照功能為劃分的,，比如動力相關(guān)的都放在動力域,，智能駕駛相關(guān)的都放在ADAS域里。
而中央集成式電子架構(gòu)就有了班長這個概念，而且域的劃分也不再以功能為劃分,，而是以車輛物理界限為劃分,，比如特斯拉Model3就有三個區(qū)域控制器和一個中央計算平臺(CCM)：左車身控制器，右車身控制器,，前車身控制器,，中央控制器CCM，其中CCM是最高決策控制器,，負責(zé)管理各個核心的控制器,。
『特斯拉電子電氣架構(gòu)』
目前的行業(yè)內(nèi)，只有特斯拉采用這種中央集成式電氣架構(gòu),。采用這種電氣架構(gòu)有很多好處,，能夠顯著減少成本，從各個域控制器變成了單獨幾個區(qū)域控制器,。比如Model 3相比上一代平臺,，線束長度從3公里下降到了1.5公里，零部件數(shù)量從3萬個下降到了1萬個,。這也是Model 3價格便宜,，利潤率高的一個原因。
中央機構(gòu)毫無疑問將是未來智能汽車的下一代產(chǎn)品,，寶馬下一代電氣架構(gòu)也將采用中央集成式電氣架構(gòu),，豐田也將采用類似特斯拉的中央集成式方案。除此之外,，國內(nèi)企業(yè)如華為,、智己汽車等也都在發(fā)力新架構(gòu)。
◆多種操作系統(tǒng)將同時共存
在汽車智能化之前,，操作系統(tǒng)一直是基于AUTOSAR架構(gòu)下的RTOS實時性操作系統(tǒng),，這種操作系統(tǒng)最大的特點就是高實時性。實時性意味著高確定性,，意思是駕駛員踩下油門希望獲得加速度時,，軟件就一定會在規(guī)定的時間內(nèi)，輸出相應(yīng)的扭矩,。從廣義的角度來看,，實時意味著系統(tǒng)的時序行為是確定的，核心在于“確定”,，在確定時間完成任務(wù),，注意不是任務(wù)完成的速度。
跟實時操作系統(tǒng)對應(yīng)的是分時操作系統(tǒng),，如最常見的Linux系統(tǒng),。分時的意思是一心可以二用，可以同時為幾個應(yīng)用服務(wù)，比如你的手機可以一邊聽歌一邊看網(wǎng)頁,，而RTOS做不到這點,。
在去年特斯拉剎車門事件后，曾經(jīng)有傳言說特斯拉是因為采用了非實時的Linux操作系統(tǒng),，才會導(dǎo)致很多非預(yù)期加速事件,，對此筆者認為這傳言可能是對汽車操作系統(tǒng)不太了解。在智能化汽車背景下,，行業(yè)內(nèi)確實有實時性和非實時操作系統(tǒng)之爭,，這兩種操作系統(tǒng)各有各的好，他們的關(guān)系并不是對立的,，將來會以一種合作共存的方式存在于汽車控制器內(nèi),。
在闡述我的觀點前先來了解下這兩種操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點：
市場上廣泛運用的實時性操作系統(tǒng)是黑莓的QNX操作系統(tǒng)，這是一款嵌入式,、非開源,、安全實時的系統(tǒng)。QNX是微內(nèi)核架構(gòu),，內(nèi)核一般只有幾十KB，驅(qū)動程序,、協(xié)議棧,、應(yīng)用程序等都在微內(nèi)核之外的受內(nèi)存保護的空間內(nèi)運行，可實現(xiàn)組件之間相互獨立,，避免因程序指針錯誤造成內(nèi)核故障,。因其內(nèi)核小巧，運行速度極快,，安全和穩(wěn)定性高,，是全球首款通過ISO26262 ASIL-D 安全認證的實時操作系統(tǒng)。
QNX的主要特點便是安全和穩(wěn)定,，因此對于電機扭矩控制,，或者發(fā)動機扭矩控制這種對實時性要求較高，容不得任何運算延遲的控制器,，肯定要采用QNX這種實時操作系統(tǒng),。
但是QNX結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開發(fā)難度大,，非開源,，能支持的應(yīng)用生態(tài)很少，而且還需要滿足一系列的車規(guī)級認證,，因此對于智能座艙,、車身控制器、智能駕駛域這種比較個性化的需求，就很難滿足了,。
目前市場上非實時的操作系統(tǒng)比較常見的是Linux系統(tǒng),。Linux 是一款開源、功能更強大的操作系統(tǒng),，具有內(nèi)核緊湊高效等特點,，可以充分發(fā)揮硬件的性能。它與QNX 相比最大優(yōu)勢在于開源,，具有很強的定制開發(fā)靈活度,。我們通常提的基于Linux 開發(fā)新的操作系統(tǒng)是指基于Linux Kernel 進一步集成中間件、桌面環(huán)境和部分應(yīng)用軟件,。
在智能化的背景下,，單一的實時操作系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足復(fù)雜算法、大數(shù)據(jù)量,、高算力的要求,，因此非實時性的操作系統(tǒng)也開始在汽車上占有一定比例。
智能座艙域和車身域,，可使用完全的分時操作系統(tǒng),，不需要實時操作系統(tǒng)。比如你的車載大屏,，能支持一邊導(dǎo)航,，一邊放音樂，就是因為使用了分時操作系統(tǒng),，能支持多任務(wù)的同時進行,，并且如果有卡滯或者延遲，也不會影響車輛安全駕駛,。
對于智能駕駛域（這里的智能駕駛域不包括動力域）,，僅包括道路識別、路徑規(guī)劃,、車速計算等部分,，可以采用經(jīng)過實時性改造的Linux系統(tǒng)。這樣的操作系統(tǒng)既能夠滿足多線程,，多任務(wù),，高算力的計算，又能夠達到準(zhǔn)實時的要求,。
而動力域,，負責(zé)提供扭矩計算，驅(qū)動電機,，則繼續(xù)采用高實時操作系統(tǒng),。動力域與智能駕駛域緊密配合,，當(dāng)開啟自動駕駛時，智能駕駛域操作系統(tǒng)負責(zé)高算力計算,，而動力域操作系統(tǒng)負責(zé)實時驅(qū)動,，輸出扭矩。雖然在有些電氣架構(gòu)里,，這些都屬于智能駕駛域,，但操作系統(tǒng)還是有以上區(qū)分。
| 操作系統(tǒng) | ||||||
| 項目指標(biāo) | Linux | QNX | 其他RTOS | |||
| 實時性能 | 需要進行實時性改造 | 微妙級延時 | 微妙級延時 | |||
| 開放性 | 源代碼開放 | 封閉 | 商用或開放 | |||
| 許可協(xié)議 | GPL | 商用 | N/A | |||
| 費用 | 無授權(quán)費用（商用收費） | Royalty&License | 較低或免費 | |||
| 功能安全 | ASIL B有可能 | ASIL D | N/A | |||
| 軟件生態(tài) | 應(yīng)用生態(tài)鏈完善 | 汽車領(lǐng)域應(yīng)用廣泛 | 有限 | |||
| 優(yōu)勢 | 技術(shù)中立,，支撐復(fù)雜功能 | 性能強,，安全性高 | 實時性好，啟動快 | |||
| 劣勢 | 系統(tǒng)復(fù)雜 | 進程間通信,、系統(tǒng)調(diào)用開銷等 | 進程間通信,、系統(tǒng)調(diào)用開銷 | |||
| 適用范圍 | 智能座艙、信息娛樂,、TBOX,、ADAS、某些域控制器等 | 儀表盤,、智能座艙,、信息娛樂、導(dǎo)航,、ADAS,、域控制器等 | 儀表盤、ADAS,、整車控制器等 | |||
未來的汽車?yán)铮欢ㄊ怯卸喾N操作系統(tǒng)同時共存的,，我們不能簡單說特斯拉就一定是Linux系統(tǒng),，傳統(tǒng)車就一定是RTOS實時系統(tǒng)。無論是分時系統(tǒng)還是實時系統(tǒng),，他們沒有孰優(yōu)孰劣之分,，只有合適與不合適之分。
汽車軟件行業(yè)目前也在經(jīng)歷很大的變化,，從業(yè)者分布也能看出來,，以前汽車軟件并沒有專門的學(xué)科，從業(yè)者多是從嵌入式工程師轉(zhuǎn)過來,，鮮有從互聯(lián)網(wǎng)來到汽車軟件行業(yè)的,。而從今年開始，越來越多的計算機專業(yè),，軟件專業(yè)的人才涌入到了汽車軟件行業(yè),，也正是說明了智能駕駛,，電氣化需要更多專業(yè)的算法和軟件人才，汽車軟件也會在這些新鮮血液的帶領(lǐng)下,，吸收一些互聯(lián)網(wǎng)的元素,，形成一個獨具特色的軟件行業(yè)。（文/汽車之家行業(yè)評論員 何柳）
