摘要
现代汽车中软件的复杂性迅速增加，这决定了电气和/或电子（E/E）汽车架构的新趋势。因此，许多原始设备制造商（OEM）和供应商一直主张将集中式E/E架构作为未来的汽车架构。在本文中，我们提出了在汽车工业中采用集中式E/E架构的理由。我们通过仔细研究传统分散式汽车E/E架构的挑战和缺点，并与集中式架构带来的相应好处进行对比，来讨论集中化架构方案的动机。然后，我们详细讨论了支持新的集中式结构所需的技术。我们介绍了网络技术、虚拟化、电子控制单元（ECU）硬件和AUTOSAR方面的技术现状，并讨论了这些技术在工业中的采用情况。自始至终，功能安全都是作为汽车行业的首要问题来考虑和解决的。
1 介绍
在自动驾驶、交互、电气化和智能交通等行业趋势的推动下，现代汽车所需功能的范围和复杂性在持续不断增加。此外，为了遵守汽车标准(如AUTOSAR和ISO 26262)的要求，以及应对当前和未来的行业需求，传统的汽车分散式电气和/或电子(E/E)架构面临着越来越大的挑战。
在分散式E/E架构中，嵌入式车辆功能分布在大量相互连接的电子控制单元（ECU）中，每个ECU都能处理自己的数据并与其他ECU进行通信，以实现高级车辆功能。
虽然长期以来分散式架构有一些优势，但它们也存在严重的缺点，最明显缺陷集中在可扩展性和通信性能方面。传统的分散式架构大多在车辆功能和ECU之间是一对一的映射，这导致越来越多的汽车拥有超过100个ECU，用以执行大约1.5亿行代码。当一个功能由多个协同ECU实现时，车载网络的通信负荷会增加。由于存在大量的ECU和笨重的线束，为单个功能添加单独的ECU的做法导致了成本的大幅增加。这种做法进一步增加了汽车ECU的软件复杂性和大量的软件变体。因此，汽车开发正面临着巨大的开发和维护成本，以及可能错过项目里程碑。
为了解决分散式E/E架构的局限性，近期，汽车E/E架构开始向集中式替代方案发展，如领域集中式（或称面向领域）、跨域集中式（或称面向跨域）和车辆集中式（或称面向区域）架构。面向领域、面向跨域和面向区域的架构统称为称为集中式架构。集中式架构的基本思想是集中处理车辆中各个域、域组或整车级别上的功能。这一演变受到了航空工业从联合架构（即分散架构）到集成架构（即集中架构）的成功过渡的影响。
现代集中式E/E架构的运行需要多种技术支持。为了支持日益复杂的车辆功能，需要具有增强的处理能力的ECU，同时这些ECU必须满足功能安全和安保的硬件规定。此外，需要改进通信网络，提高带宽、实时和流量分区能力、容错机制、先进的网关（即旨在利用基于硬件的加速技术减少延迟和提高吞吐量的网关）和增强安全措施，以支持日益智能化的运输系统的要求。
虽然一些汽车原始设备制造商（如宝马、大众和捷豹路虎）和汽车供应商（如德尔福、恩智浦和博世）已经将集中化的解决方案商业化，并主张将集中化作为未来的E/E架构趋势，但其他汽车公司仍处于实验的早期阶段。在本文中，我们给出了将集中化作为未来汽车的E/E架构模式的理由，它将解决上述传统的分散式架构所面临的可扩展性问题。
我们仔细研究了集中式架构的关键使能技术，以证明有足够的技术临界质量，使集中化成为E/E架构中各个领域和应用的可行解决方案。在本文中，我们反思了集中式架构及其使能技术对汽车功能安全的影响，这也是汽车行业最关注的问题之一。
本文的其余部分组织如下。
第二节阐述了集中化的必要性，并概述了现代E/E架构的基本概念以及它们在汽车行业的应用。
第三节介绍了ISO 26262功能安全标准的基本功能安全注意事项和概念，之后在本文中用于讨论集中化对功能安全的影响。
第四节详细介绍了集中式E/E架构的关键使能技术。
第五节讨论了本文的要点，同时指出了集中化样E/E架构时可能面临的挑战。
第六节对这项研究进行了总结。
2 E/E 架构的现状：动机、基本概念和挑战
本节介绍了集中式汽车E/E架构的动机。随后介绍了架构中的基本概念。最后，讨论了集中式E/E解决方案在汽车工业中的应用。
A. 必要性
车辆E/E架构包括ECU、传感器、制动器及其所有互连设备，以及电气网络(如高压网络、电力电子)和信息娱乐系统(如消费电子元件)。传统上，车辆E/E架构是分散式的。
分散式车辆E/E架构有一些优点。例如，分散式结构本质上支持ECU之间分离：它们允许在单个ECU上部署一个或几个非常紧密相关的功能。这使得验证ECU集成到网络的条件相对简单，主要是确保所需总线带宽的可用性和检查通信信息的简单时序要求。此外，更换损坏的ECU很容易，因为ECU很轻，很多功能没法实现。对于每个ECU，可以使用具有平均处理能力的CPU，因为每个ECU封装的功能有限。然而，分散式架构存在一些限制。
首先，在现代汽车软件实现的功能迅速和稳步上升的时代，'每个ECU一个功能 '的方法已被证明是行不通的。为单个功能增加单独的ECU会导致成本增加，因为需要额外的ECU及其线束存根。线束长度的增加进一步引入了一个不必要的副作用，即限制了架构物理布局的自由，因此在优化最终架构时会受到更严格的限制。此外，传统的E/E架构大多使用CAN（控制器区域网络）组网，但也依赖FlexRay、LIN（本地互连网络）和MOST（面向媒体的系统传输）。虽然这些网络技术足以用于传统的通信，但由于预期的数据量和不同ECU之间的互连数量，预计在不久的将来它们将不再适用。然而，尽管汽车以太网不被认为是一种传统的
汽车通信技术，但在过去的十年中，它在汽车网络中的应用已经稳步上升。汽车以太网能够支持大量的数据，以及具有功能安全要求的时间关键型通信。我们的观点，也是许多其他作者（例如Matheus和Königseder）的观点，即汽车以太网是未来汽车网络的通信技术，尽管它不会是未来汽车所采用的唯一通信技术。汽车以太网的使用将是向集中式架构发展的主要驱动力之一。
如今，为不同的细分市场构建不同的车型意味着需要发布大量的软件，并且可能需要构建多个架构来支持不同的车型特性。因此，目前市场要求的多样性意味着需要一个多功能的、具有成本效益的E/E架构解决方案。这个解决方案需要处理大量的车型，这些车型都是由客户的期望引起的，例如，个性化的舒适功能，以及对自动驾驶辅助系统(ADAS)等自动支持的依赖。这增加了所需提供的车型的数量。此外，目前汽车生产线支持各种市场、技术和配置（例如，不同的动力系统架构、不同的硬件平台和来自不同供应商的部件）。在减少支持大型汽车软件产品线所需的软件发布数量方面，E/E集中化具有很大的潜力，这一点将在下一节讨论。
此外，当前的 E/E 架构解决方案不一定设计为对外部恶意攻击具有鲁棒性。考虑到车辆与外界的连接不断增加，未来的车辆架构需要保证这些安全特性。
除了这些缺点，原始设备制造商和供应商采取的策略也影响了E/E架构的演变趋势。例如，除了要求原始设备制造商和供应商与汽车标准(如AUTOSAR, ISO 26262)兼容外，原始设备制造商还依赖越来越多的供应商提供的软件和硬件。在需求的驱使下，他们不得不整合改进的技术，如先进的高清显示器、快速网络和执行高端功能的新ECU。但目前的架构不够灵活，无法让OEM厂商轻松整合新的、多样化的技术。
上述驱动因素促使汽车行业研究更加集中的汽车E/E架构解决方案，如前面介绍的领域集中式、跨域集中式和车辆集中式（或面向区域）的架构。本节中介绍的行业向集中式E/E架构转变的动机，可以通过下一节介绍的一些基本例子和结果来进一步确定。
B. 动因分析
1) 不同处理要求: 对大型汽车生产线进行成本效益的处理，是业界寻新的E/E架构解决方案的主要动力。例如，一个大型汽车OEM的引擎控制器软件支持三种不同的引擎，在分散式E/E架构中可以生成144个软件/校准版本。在一个集中的、面向领域的架构中，一个强大的（领域）控制器承载了控制器的大部分功能，而一个非常简单的智能执行器只捕捉硬件变化（不同引擎之间的差异和底层硬件平台之间的差异），领域控制器的发布数量将减少到72个，
智能执行器为3个，合计为75个。
作为集中式架构支持汽车软件产品线的成本效益开发的另一个例子，我们可以考虑一个汽车系统需求的案例，该需求因地理区域的不同而不同。在美国，汽车在被关闭时不能滑动，其法规要求 “... 启动系统必须防止按键被移除... 除非变速器或齿轮选择控制被锁定在'停车’”。印尼等国家的规定可能会有不一样要求，即 “车辆可以关闭钥匙，然后进入空挡，前提是司机被通知并明确接受关闭变速器的状态。” 这一区域性要求允许车辆在自动停车库或停车空间有限的地方关闭钥匙后仍可滚动。
在分散式架构的插电式混合动力汽车中，这个简单的需求变化可能需要对大量ECU进行软件修改：
发布评论