1.2 现代汽车电子电气系统的技术基础

本书认为与现代汽车电子电器系统紧密相关的四大支柱包括半导体与集成电路、车载通信与总线技术、传感器技术和软件工程技术。尽管车辆工程领域的汽车动力学、试验学、计算机辅助设计等也有很大的发展，但对汽车电子电气系统影响最大的还是上述几个方面，另外控制学科理论发展与应用会在后面几章单独讲述。

1.2.1 半导体与集成电路技术

半导体产业是一个极为庞大的产品家族，按功能来分包括计算、控制、通信、存储、安全、传感、模拟、驱动、电源、功率等，按单片所集成的逻辑运算单元个数，有小规模集成电路（基础器件数＜100，Small Scale Integrated Circuits，SSIC）、中规模集成电路（基础器件数＜1000，Medium Scale Integrated Circuits，MSIC）、大规模集成电路（基础器件数＜10000，Large Scale Integrated Circuits，LSIC）、超大规模集成电路（基础器件数<1×10 ⁵ ，Very Large Scale Integrated Circuits，VLSIC）、特大规模集成电路（基础器件数<1×10 ⁶ ，Ultra Large Scale Integrated Circuits，ULSIC）和巨大规模集成电路（也被称作极大规模集成电路或超特大规模集成电路，Giga Scale Integration Circuits，GSIC）。集成电路的工艺是极其复杂的，如化学清洗、弧光反应、退火、热扩散、掺杂、掩膜光刻、蚀刻、物理真空沉淀、化学气象沉积、化学机械研磨、旋涂、磁控溅射镀层、直流溅射镀层、蒸镀、曝光、高温密化、干式氧化等。我们经常听到的28nm工艺、7nm工艺乃至2nm工艺等，就是基于上述工艺加工出如此尺度的逻辑运算单元。很显然，尺度越小，在同样大小的硅片上能做出更多的集成电路，且功耗更小、速度更快，这是集成电路制造工业界一直追求的趋势。

其中又以单片微机数字集成电路和分立器件中的功率半导体器件对汽车电子影响最为深刻。

1.单片机和微控制器

单片机（Single-Chip Microcomputer，SCM）是采用超大规模集成电路技术把中央处理器（Central Process Unit，CPU）的频率与规格做适当缩减，存储器（包括RAM、ROM、Flash）、计数器（Timer）、数模转换器、外设通信接口、网络通信接口、输入输出、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。一个典型的汽车单片机的配置如图1-3所示。由于单片机被广泛用于消费类电子控制、工业控制和汽车控制等领域，一般也称为微型控制器（Micro Control Unit，MCU）。

单片机出现的历史并不长，但发展十分迅猛，它的产生与发展与微处理器的研发与发展大体同步，自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来，它的发展到目前为止大致可分为5个阶段。

1）20世纪70年代前期，是4位单片机诞生和技术初创期。全球第一个微处理器于1971年由Intel公司推出，集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器Intel 4004，并配有RAM、ROM和移位寄存器，构成了第一台MCS-4微处理器，而后又推出了8位微处理器Intel 8008以及其他各公司相继推出的8位微处理器。微处理器的发明为数字化的电子控制系统奠定了基础，在当时以机械、液力、热能为主宰的汽车行业掀起了一场电子化革命。

2）20世纪70年代后期，是低性能4位单片机工业应用早期。1976年Intel公司推出的MCS-48系列为代表，采用将8位CPU、8位并行I/O接口、8位定时/计数器、RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构，虽然其寻址范围有限（不大于4KB），也没有串行I/O，RAM、ROM容量小，中断系统也较简单，但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等的需要。1976年Intel公司在MCS-48的基础上推出的MCS-51因性能可靠、简单实用等优点成为工业界使用量最大的一款产品，在全球各大高校的单片机应用课程中都有使用MCS-51系列8位单片机的应用案例。

3）20世纪80年代前期，是高性能8位单片机诞生和工业应用期。这一阶段推出的8位单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统，多个16位定时器/计数器。片内RAM、ROM的容量加大，且寻址范围可达64KB，个别片内还带有A/D转换接口。

4）20世纪80年代后期，是16位单片机应用阶段。1983年Intel公司又推出了16位单片机MCS-96系列，由于其采用了最新的制造工艺，使芯片集成度高达12万只晶体管/片。与此同时，美国的德州仪器TI、Atmel、Microchip、日本瑞萨等也都先后推出16位MCU产品。

5）20世纪90年代，是16位单片机技术成熟期与大规模商业应用阶段。单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。我国汽车工业界也正是在这个阶段引入了汽车电子技术，并逐步成为一个细分行业。

6）21世纪以来，是32位单片机大规模应用期。2000年之后，32位单片机逐步在发动机管理系统、电机控制系统等得到应用，对于32位单片机而言，2015年是具有标志性意义的一年，全球32位单片机出货量超过4/8/16位的总和。近年来，基于不同指令集（X86、ARM、RISC-V和MIPS）的各种芯片越来越多地成为汽车电子中复杂电控单元的主流芯片。

微控制器MCU最核心的部分是中央处理器及与之配套的指令集运算法（Instruction Set Computing，ISC）。1998年英特尔开放了8051单片机的技术，引来世界上很多半导体厂商对其进行开发和改造，着力发展了单片机的控制功能和外围单元，目前在8/16位机上大部分采用的是英特尔8051内核。许多行业对16/32位MCU需求攀升，且对于成本和功耗十分敏感，英国的ARM公司针对上述行业的需求发布了Cortex（A/M/R系列）内核，并开始作为第三方IP授权给MCU芯片企业（如ST、Infineon、NXP等）。Cortex系列具有短流水线、超低功耗的设计特点，在智能测量、移动消费、汽车电子、医疗器械等领域得到了大规模应用，成为16/32位汽车电子MCU内核的主流内核。

随着智能设备、物联网、大数据等产业的快速发展，无线通信、传感器、电源管理等配置MCU成为一种新的趋势，高度整合的MCU不仅可以方便客户开发产品，并且可减少印制电路板的占用空间，从而能够降低一部分成本。2021年全球最大MCU公司收入及市场份额见表1-1。

上述公司在汽车MCU市场占据了近81%的份额，如恩智浦的MC/LPC/MCx系列，微芯的PIC系列、瑞萨的法意的STM8/16/32系列、英飞凌的TC16/XC16/32系列等芯片。

国内专注于汽车MCU芯片公司，如华大半导体、杰发科技、芯旺微、地平线、黑芝麻、东土科技、兆易创新、北京君正、龙芯中科、英博超算、豪威科技、三安光电、泰科天润、斯达半导体、智芯微电子、华大九天、南京芯驰等，在当前供应链安全、“卡脖子”技术突围的国际竞争背景下得到了极大的发展，正在蓬勃壮大中。

2.功率半导体器件

功率半导体器件，又称为电力电子器件（Power Electronic Device），是电子电气中电能转换与电路控制的核心，主要用于改变电子电路中电压和频率、直流交流形式等，一般能承受数十至数千安的电流、数百伏乃至千伏以上的电压。由于车载用电器的增加，尤其是电动汽车的普及，功率半导体器件对于汽车电气系统变得极为重要。

从20世纪50年代起，功率半导体器件按其核心材料和拓扑结构大体经历了四代。第一代器件主要以功率二极管和晶闸管为代表，是功率半导体器件发展早期的主要器件，以交直流变换、电力调压等应用为主；第二代器件主要以GTO、双极型晶体管和功率MOSFET为代表，第二代产品本质的变化是这些器件能够进行开关可控，这为电路设计和应用打开了极大的空间。第三代功率半导体器件主要以IGBT为代表的高性能、多功能、高集成度的新一代功率器件，其特点是能承受大电流、开关时间短、绝缘电阻高。主要的代表性功率半导体器件、应用特点及其在汽车领域的应用见表1-2。

其中绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT），是由双极型三极管（Bipolar Junction Transistor，BJT）和绝缘栅型场效应管（Metal Oxide Semiconductor，MOS）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）的高输入阻抗和电力晶体管（Giant Transistor，GTR）的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。在汽车上非常适合应用于600V及以上的直流变换系统，如永磁同步电机、变频器、开关电源、照明电路等。

半导体产业的基石是芯片材料，其核心材料按照历史进程分为第一代高纯硅材料、第二代化合物（砷化镓、磷化铟）材料。20世纪90年代后期，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等新型半导体材料为代表的第四代功率器件逐步开始得到验证和应用。碳化硅因其优越的物理性能，包括高禁带宽度（意味着高击穿电场和高功率密度）、高电导率、高热导率，将是未来最被广泛使用的制作半导体芯片的基础材料。

在功率半导体的发展过程中，往往将一些常用的控制电路、扩展电路、保护电路，与不同类型功率半导体进行复合集成，比如MOS控制晶闸管（MOS Controlled Thyristor，MCT）、电子注入增强型栅极晶体管（Injection Enhanced Gate Transistor，IEGT）、集成式电力电子模块（Intergrated Power Elactronics Modules，IPEM）、功率电子模块（Power Electric Building Block，PEBB）等等，以期发挥不同器件的优势或简化应用设计以便商业推广。不同功率半导体分类见表1-3。

目前全球的功率半导体器件主要由欧洲、美国、日本三个国家和地区提供，凭借先进的技术和生产制造工艺，以及领先的品质管理体系，这三个国家和地区的产品大约占据了全球70%的市场份额。而在需求端，全球约有40%的功率半导体器件产能被中国大陆所消耗，是全球最大的需求国。

3.汽车芯片测试与标准

芯片在出厂之前，往往都要完成各种测试和验证。国际上通常使用ISO/TS16949标准和AEC系列标准作为集成电路进入汽车产业链的基本条件。AEC-Q100规定了7大类41项标准，如加速环境应力测试、加速生命周期模拟测试、分装组装完整性测试、晶片制造可靠性测试、电性验证测试、缺陷筛选测试、腔封装完整性测试等。由于汽车的使用环境比一般工业产品的使用环境更为恶劣，因此车规级芯片与工业级芯片有一些区别，比如工业级器件的工作温度一般为-40～85℃，车规级器件则是-40～125℃。汽车芯片标准体系如图1-4所示。

上述提出的汽车芯片标准体系架构包括四大领域，分别为基础领域、通用要求领域、产品应用技术条件领域和匹配试验领域。每个领域又进行了细分，共19个细分领域。其中，基础领域分为术语定义和分类；通用领域分为，环境及可靠性、电磁兼容、功能安全、信息安全、测试评价；产品应用技术条件分为，控制、计算、通信、存储、电源管理、驱动、感知、安全、功率、其他10个细分领域，10个细分领域下可根据具体芯片产品类型分为集成电路、分立器件、光电子、传感器4个技术方向；匹配试验领域分为，整车匹配和系统匹配两个细分领域，系统匹配又包含动力、底盘、车身、座舱、智能网联5个技术方向。

1.2.2 车载通信与总线技术

1.导线传递信号的时代

汽车线束又被称为汽车神经，是汽车传送电气信号的载体，它由电线、接插件和外部包扎及其他器件组成。为了区分不同导线的功能，1937年彩色汽车导线第一次被应用到汽车上。

这里以制动灯为例，说明在用导线传递信号的时代如何实现制动灯随制动踏板自动亮起的功能。制动灯（20世纪40年代后期出现）及高位制动灯（20世纪60年代后期出现）是陆续被发明和应用的电器，它能有效预警后方汽车前方车辆的状态，避免追尾事故。在图1-5中，ON档位开关联通的时候表示车辆运行中，此时如果制动踏板踩下实施制动，开关闭合，那么制动灯亮起。由于档位ON开关、制动开关、制动灯分别位于仪表台前侧、乘员舱底部、整车尾部外侧及发动机舱内，为了完成该功能，需要用到四根导线及至少4个接插件（当然还没考虑电器盒、熔丝等）。

电器之间在功能上或工作状态上往往存在着各种关系，比如联动关系、制约关系、互斥关系等等。通过导线的连接、分配器和继电器等电器来实现“与”“或”“非”等各种逻辑，完成电器之间的相互协调工作。

由于新电器、新应用的出现，从20世纪80年代开始，汽车内部线束数量开始出现跳跃式增长。据估计，在2000年一辆高档汽车已经拥有多达400多个接插件和多达3000个接线端子，一辆普通高档汽车其电缆总长度达到了1500～2000m。Gabriel统计了自汽车发明以来至2000年车内平均使用连线总长度的增长，如图1-6所示。

汽车导线和接插件经常引起失效故障，据德国一家研究机构统计，车上电气系统30%～60%的失效源于线束中的接插件。

2.早期的多路复用技术

多路复用技术（Multiplexing Technology）的目的就是用一条信号通道传递多个信号，代替以前使用导线来传递信号的方式，也称为车载总线技术。车载总线技术开发与应用的早期，各个汽车生产厂家并没有遵循统一的标准，而是各自独立开发。如二十世纪八、九十年代，各个汽车厂家以不同的定义和规格，各自发展出如图1-7所示的车载通信技术。由于早期的车载总线技术互不兼容，极大地制约了技术的普及和推广。

这其中比较著名的有博世公司的CAN总线、美国汽车工程师协会制定的J1850总线、国际标准组织制定的VAN总线、飞利浦公司的D2B总线、LIN协会的LIN总线等多种总线标准。为方便研究和设计使用，美国汽车工程师协会将车载总线根据速率划分为A、B、C三类，如表1-4所示。

3.低速总线技术

A类总线的特点是电磁兼容性较好、成本低，主要包括通用汽车公司制定的UART总线、原克莱斯勒公司制定的CCD总线、丰田公司的BEAN总线、福特公司的ACP和UBP总线以及维也纳工业大学制定的TTP/A总线。

LIN是1999年由LIN协会共同努力下推出的，用于汽车分布式电控系统的开放式的低成本串行通信标准。LIN是一种基于UART的数据格式、主从结构的单线12V的总线通信系统，主要用于智能传感器和执行器的串行通信。2001年梅赛德斯-奔驰公司率先在SL级轿车上使用了LIN总线，LIN总线事实上已成为A类网络的主流。

4.中速总线技术

B类总线具有中等速率的数据传输能力以及较好的电磁兼容性，包括美国汽车制造商采用的J1850总线、欧洲雷诺、标致公司采用的VAN总线和低速CAN总线等。SAE的J1850总线有41.6kbit/s双线差分脉宽调制和10.4kbit/s单线可变脉冲宽度两种类型，总线最长可达35m，驱动32个节点，主要用于故障诊断和车载信息共享，被用在美国福特公司、通用公司以及克莱斯勒公司的汽车中。1994年SAE正式将J1850作为B类网络标准协议。但J1850并不是一个单一标准，福特公司采用的J1850标准，其物理层与通用公司和克莱斯勒公司使用的不同，而通用公司和克莱斯勒公司在相同的物理层上又使用不同的数据帧格式。CAN总线是德国博世公司从20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议。它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mbit/s。1991年博世公司正式颁布了CAN技术规范。1993年11月ISO正式颁布了ISO11898，为CAN的标准化、规范化铺平了道路。此后，越来越多的北美和日本汽车公司也开始采用CAN。1994年美国汽车工程师协会货车和大客车控制通信协会选择CAN作为SAEJ1939标准的基础。低速CAN还发展出一种具有容错功能的协议规范，在汽车应用中可靠性大大增加。由于CAN总线具有诸多的优点，它已经成为B类和C类网络的主流和标准。

5.高速总线技术

C类标准主要用于与汽车安全相关、实时性要求比较高的地方，如传动系统、动力系统，所以其传输速率比较高，通常在125kbit/s到1Mbit/s之间。C类网络中的主要协议包括高速CAN（ISO11898-2）、TTP/C、FlexRay、ByteFlight、车载以太网等协议。

TTP/C协议由维也纳工业大学研发，基于TDMA的访问方式。TTP/C是一个应用于分布式实时控制系统的完整的通信协议，它能够支持多种的容错策略，提供了容错的时间同步以及广泛的错误检测机制，同时还提供了节点的恢复和再整合功能。其采用光纤传输的工程化样品速度将达到25Mbit/s。TTP/C支持时间和事件触发的数据传输。

FlexRay是宝马、梅赛德斯-奔驰、Motorola和Philips等公司制定的功能强大的通信网络协议，基于FTDMA的确定性访问方式，具有容错功能及确定的通信传输时间，同时支持事件触发与时间触发通信，具备高速率通信能力。FlexRay采用冗余备份的办法，对高速设备可以采用点对点方式连接，构成星型结构，对低速网络可以采用类似CAN总线的方式连接。

ByteFlight是由宝马主导推出的高速数据传输协议，其位数率高达10Mbit/s数据更新率可达4kHz。为了抑制电磁干扰，ByteFlight采用了光缆作为传输媒介。ByteFlight主要是面向安全气囊系统的网络通信，还可用于X-by-Wire系统的通信和控制。

车载以太网初衷是希望满足汽车行业对带宽、延迟、同步、干扰、安全性和网络管理等方面的要求，是近几年流行起来的一种车用有线通信网络。最早在2004年宝马公司考虑采用博通公司（Broadcom）的以太网技术，并于2008年在宝马7系上成功量产，其中关键点在于博通公司的单对非屏蔽以太网全双工技术，保证EMC测试全部成功。2013年BroadR-Reach技术成功在宝马环视系统中应用。近年来，由著名汽车整车厂与供应商组成的OPENAlliance SIG相继发布了TC8（车载以太网ECU测试规范），以及TC10（车载以太网休眠唤醒规范）。

6.车载总线协议结构

相对于CAN的3层结构（物理层、数据链路层和应用层），车载以太网协议是一组具有5层结构的协议系统，从下到上分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层。5层结构对应于OSI参考模型，并且提供了各种协议框架下形成的协议簇及高层应用程序，区别于传统以太网，车载以太网的协议架构如图1-8所示。

以太网的物理层（BroadR-Reach，Layer1）采用差分电压实现，单对双绞线可实现100Mbit/s通信速率，因为传输速率高，对物理层一致性测试要求更严格。

数据链路层（MAC + VLAN Layer）为标准以太网数据链路及虚拟局域网控制协议，数据链路层可细分为逻辑链接控制（Logic Link Control，LLC）以及媒介访问控制（Media Access Control，MAC）两个层级。此两层级定义与作用如下：LLC层负责向上层提供服务，管理数据链路通信，链接寻址定义等，与所用物理介质没有关系；MAC层负责数据帧的封装，总线访问方式，寻址方式以及差错控制等，MAC层的存在则可以使得上层软件与所用物理链路完全隔离，保证了MAC层的统一性。其中LLC子层的服务在IEEE 802.2 LAN协议中有所定义，MAC层的主要功能则在IEEE 802.3中有定义，并采用CSMA/CD访问控制方式，一般MAC层协议在俗称的“网卡”中实现，MAC层完整的帧格式如图1-9所示。

特别说明一下，如图1-9所示，“VLAN Tag”字段可选，当没有VLAN Flag则为基本MAC帧，当存在该字段时，则为VLAN MAC帧，即MAC帧可分为基本MAC帧（无VLAN）和标记MAC帧（包括VLAN）两种。其中“类型”字段通常可以为以下几种类型，且该类型列表由IEEE组织来维护，表1-5列举了车载以太网领域常用的Ethernet Type。

网络层就是IP协议所在的层级，IP协议可以分为IPV4以及IPV6，常用的主要是IPV4，IP协议的主要作用就是基于IP地址转发分包数据。同时IP也是一种分组交换协议，但是IP却不具备自动重发机制，即使数据没有达到目的地也不会进行重发，所以IP协议属于非可靠性协议。车载以太网主要使用IPV4协议，同时由于该协议也属于传统以太网范畴，所以不会对该模块做过多细节性阐述。

传输层还是基于TCP/IP协议簇，主要负责主机到主机之间的端到端通信。TCP/IP两个关键的传输协议为用户数据报协议（UDP）和传输控制协议（TCP），TCP/UDP作为传统以太网的标准协议，在这里同样不做过多展开。

传输层之上是应用层协议，它是用户与网络的交互界面，负责处理网络特定的细节信息覆盖了OSI参考模型的第5层至第7层。应用层可根据用户需求为用户提供多种应用协议，如超文本传输协议（HTTP）、通信控制（SOME/IP）、服务发现（Service Discovery）、动态主机配置协议（DHCP）、流媒体服务（Stream Media Service）、设备发现、连接管理和控制协议（IEEE 1722.1 AVDECC）等。

1.2.3 传感器技术

传感器（Sensor）往往又被称为换能器，其功用是把其他信息转换为电信号。它通常由敏感元件和转换元件组成，能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。早期的测量仪器中有传感器，只不过是以整套仪器中一个部件的形式出现。

汽车传感器的发展也经历了三个阶段。第一代是结构型传感器，它利用结构参量变化来感受和转化信号，例如油量传感器，它是利用一个浮子和滑动变阻器结构将液位信号转换为电信号。第二代传感器是20世纪70年代开始发展起来的固体传感器，这种传感器由半导体、电介质、磁性材料等固体元件构成，是利用材料某些特性制成的。如：利用热电效应、霍尔效应、光电效应，分别制成热电偶传感器、霍尔传感器、光电传感器等。第三代传感器是90年代发展起来的智能传感器。所谓智能传感器是指其对外界信息具有一定检测、自诊断、数据处理以及自适应能力，是微型计算机技术与检测技术相结合的产物。

可以简单地将传感器划分为物理传感器、化学传感器和生物传感器等几大类别。物理传感器应用的是物理效应，将被测信号量的微小变化转换成电信号，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应，在汽车电子控制领域，大部分都是该类型的传感器。化学传感器则是以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器。近年来，氢浓度、氧浓度、冷却液离子浓度等物理量的测量为该种类型传感器。

根据传感器的检测信息来分可分为声敏、光敏、热敏、力敏、磁敏、气敏、湿敏、压敏、离子敏和射线敏等传感器；按照供电方式可分为有源或无源传感器；按其输出信号可分为模拟量输出、数字量输出和开关量传感器；按传感器使用的材料可分为半导体、晶体、陶瓷、有机复合材料、金属、高分子材料、超导材料、光纤、纳米材料等传感器；按能量转换可分为能量转换型传感器和能量控制型传感器；按照其制造工艺，可分为机械加工工艺、复合与集成工艺、薄膜、厚膜工艺、陶瓷烧结工艺、MEMS工艺、电化学工艺等类型传感器。

车载摄像头、毫米波雷达和激光雷达是智能网联汽车关键传感器，环境感知是实现自动驾驶前提；有了“车路协同”之后通过路边设备（Road Side Unit）获得的实时交通信息，交通系统中的感知设备也可以看作是智能网联汽车的扩展传感器。

1.2.4 软件工程技术

在汽车电气系统中引入嵌入式控制之后，汽车软件便开始了它的演化之旅。整车电子系统软件占比持续增大。有报告指出，2010年主流车型电子软件约含1000万源代码行数，而2016年则达到约1.5亿行。2018年软件约占D级车或大型乘用车整车价值超过10%；整车技术与工程核心正从传统硬件层面转移到软件，据预测软件创新将占未来汽车创新的90%左右。另据摩根士丹利估算，未来软件价值占比将达到60%左右。

1.面向数据和过程的开发方法

早期的软件代码设计经常需要考虑计算机硬件的特性，开发前期一般采用模块化设计来处理功能和架构，后期实施阶段采用结构化设计方法来实现代码。20世纪50年代末诞生的高级程序设计语言在很大程度上提高了软件的开发效率。

模块化设计就是要把软件系统的需求和功能对应到软件系统的各个组成部分，这些组成部分称为模块。模块化是指把软件系统划分成独立命名和可独立访问的单元，每个单元完成一个子功能，将它们集成到一起满足软件的整体功能需求。实现模块化的手段是抽象和信息隐蔽，模块化方法强调模块独立性，模块独立是指开发具有独立功能并且与其他模块之间没有过多相互作用的模块，模块独立的意义在于功能分割、简化接口、易于测试和维护、易于多人合作开发同一系统。

结构化程序设计关注软件详细设计阶段的程序过程描述。1968年，Dijkstra提出了程序中无条件转移语句（goto）有害的观点，从而引起了大范围的学术讨论。经过讨论，人们得到共识：goto语句使得程序的静态结构与程序的动态执行不一致，从而使得程序难以理解和调试。在此基础上，进一步形成了结构化程序设计的主要思想。结构化程序设计的主要思想是使用（仅使用）顺序、选择和重复这3种结构表示程序过程。由于这3种结构具有单入口和单出口特性，因而能够降低程序的复杂性，易于程序理解和维护，提高了可靠性。

2.面向对象的编程方法

面向对象的编程方法（Object Oriented Programming，OOP）通过一组对象的交互来完成系统的功能对象是数据及其所允许操作的封装体，是应用领域现实实体的软件抽象，面向对象的软件构造乃是基于系统所操作之对象类型，而非系统需实现之功能，来架构系统的途径。面向对象方法的实施步骤包含了面向对象分析、面向对象设计和面向对象实现等。

在应对需求复杂性方面，面向对象的软件开发方法通过建立与现实世界中的实体、概念、关系和结构直接对应的软件抽象来刻画需求，并支持该软件抽象在需求、设计、实现之间的无缝过渡，有助于弥合问题空间与解空间之间的语义鸿沟。在应对需求变化方面，结构化方法下功能的变化将导致如此设计的系统结构发生较大的变化而应用领域的概念和结构远比应用功能更稳定因此，较之结构化方法，面向对象方法开发的软件具有更好的结构稳定性、可修改性和可复用性。

3.面向复用的构件化开发方法

长期以来，复用性一直是软件技术和产业发展的重要关注点，软件复用不仅能够提高开发效率，而且由于使用得越多就越容易发现错误，所以能够保障质量。汇编语言的子程序（Subroutine）、结构化程序语言的函数（Function）以及面向对象语言的类（Class）都是可以复用的基本构件。然而体系化的软件复用则要求将软件复用全过程、全技术紧密结合的开发过程，使软件复用从早期的关注代码复用逐步发展到基于复用的软件开发全过程。

构件是指软件系统中具有相对独立功能、可以明确辨识、接口由契约指定、与语境有明显依赖关系、可独立部署且多由第三方提供的可组装软件实体。基于构件的软件开发方法（Component based software development）便是一种典型的软件复用开发方法。基于构件的软件开发将软件的生产模式从传统的软件编码工作，转换为以软件构件为基础的系统集成和组装软件，构件充当基本复用对象的角色，软件构件技术是软件复用技术的核心和基础。

软件复用的基本单元从程序代码开始，发展到了面向对象的类以及封装的构件，包括运行态的构件（如CORBA、EJB等分布式运行构件）。21世纪开始的网络服务（Web Service）提供了互联网上可访问的服务实体，这使得软件复用的方法扩展到了互联网的实体中。针对Web服务的选择、服务质量（QoS）预测和服务组装的研究，成为软件复用领域的技术和应用新扩展。

4.面向模型的软件开发方法

伴随着工业信息化和消费电子行业（汽车电子也属于消费类电子）进程的迅猛发展，软件的复杂度在不断提高同时，其演进形态也日益多样化。在这种情况下，如何有效地解决功能、效率、复用、可靠之间的问题，成为学术和工业界共同关注的焦点。模型驱动方法正是在这样的背景下逐渐受到重视，被认为是可以应对“高效、低成本地开发优质软件”的一条有效途径。而这一认识也伴随着实践不断得到深化，经历了从统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）到模型驱动架构（Model Driven Architecture，MDA）、从模型驱动架构到模型驱动工程（Model Driven Engineering，MDE）再到基于模型的开发过程（Model Based Development，MBD）。

在汽车嵌入式系统领域，面向模型的软件开发得到了极大的应用。一方面面向车辆的嵌入式控制算法（闭环系统）要严格遵循被控对象（如汽车动力系统、底盘系统、转向系统等）的特性，另一方面面向驾驶员的舒适性系统（开环系统）也是以驾驶员偏好统计、行为、个性化配置等为目标，具有模型特性。

5.服务化软件开发方法

随着以互联网为主干，电信网、移动网、传感网等多种网络正在不断渗透融合，软件的运行环境正在逐步从静态、封闭、固定的单计算机环境转变为动态、开放、多变的网络环境。为了应对网络环境中各类分布式资源的共享、集成和协同，软件服务得到了广泛关注。

软件服务是指将软件的功能以服务的形式通过互联网来交付，可以被使用者（最终用户或者第三方客户端程序）直接使用的独立的基本单元。就其形态而言，软件服务一般基于可共享和集成的应用系统和资源来构建，对外则表现为一组相对独立的业务功能单元（通常是可供外部直接调用的应用编程接口，即API）；软件服务的另外一个重要目标是屏蔽开放网络环境带来的异构性问题。在汽车电子电气架构中，本地的传感器网络、局域控制器网络、视频媒体网络等都存在异构性问题，从软件工程的角度来看，有较高的抽象级别和独立性的软件服务之间能够成为较为松散的耦合关系，从而使得汽车软件工程师可以灵活选择服务并进行组装来生成增值服务。软件服务不仅改变了智能网联环境下汽车的产品形态，也正在逐步改变汽车的交付方式，使得汽车产业开始从“以产品为中心的制造业”向“以用户为中心的服务业”转变。

在21世纪前十年，软件服务开始成为研究和应用的热点，其代表为面向服务的软件体系结构（Service Oriented Architecture，SOA）及其主要的实现工具Web服务技术。“软件定义汽车（Software Defined Vehicles，SDV）即是从互联网软件工程出发，重新定义汽车研发和生产的一种商业概念。

基于SOA方法的智能网联汽车软件架构及代码分层设计如图1-10所示，从下至上分别为基础底层功能管理、物理层功能管理、车辆控制服务、面向用户的应用服务和云端远程管理。

底层驱动功能管理用于实现包含诊断、日志记录、存储管理、驱动管理等相关功能。

物理层功能管理主要是设置I/O接口将原始传感器数据进行输入，同时也是执行到车端的控制单元（如电机、制动卡钳等）；

车辆控制服务包含上层高级辅助驾驶系统（ADAS）发送的执行指令到控制执行器执行该指令的相应ECU（如VCU、HCU或ESP），该车辆控制服务是综合考虑了车身稳定性与动力学反馈模型得出的。

应用层服务就是智能驾驶面向用户级别的顶层开发功能，主要用于实现常规的智能驾驶功能，比如HWP、NOP、TJP以及ALC等。

云端管理服务主要是面向远程监控、大数据存储等特殊场景。通常该服务需要基于4G/5G网络进行远程连接。

人机交互管理功能，一般是针对不同的车型呈现出不同的模式的，因此，这一块一般是独立于SOA的功能架构。SOA通常只涉及底层对车辆控制逻辑，对于平台化车型功能开发来说，这一块是无法为用户所感知的。而HMI的显示设置则是用户能够真切感知和控制的，因此，不同车型肯定有极大的不同之处。从协议上分析不难看出，SOA内部的网络架构一般是基于以太网为基础的交互方式，采用Some/ip的协议进行通信控制。而如果在平台化车型的开发过程中，HMI这一块的通常仍然按照原始CAN/CANFD信号模式的通信协议进行交互控制。这么做的原因是，智能驾驶的HMI行为比核心应用功能更容易改变，特别是在不同车型开发后期通常会选择不同的显示和交互方式。同时，由于开发核心软件和HMI设计需要不同的能力技能，因此，将HMI功能与其他应用层软件功能分离，为了实现这一点，一般需要使用Model-View-Controller，用户输入由Controller处理，Controller用于解释用户的意图并操作模型。

6.未来面向智能网联环境汽车软件工程方法探索

随着物联网、云计算、大数据、智慧交通、数字城市等概念从设想提出到工程方案落地，车辆作为交通大环境中的元素，不可逆转地要接收越来越多的来自外部环境的信息、并受外部环境约束与调控。

汽车软件的应用方式从经典封闭应用模式经过分布式、模块化、普适化与服务化，将逐步接受x-计算（如网格计算、云计算、服务计算、边缘计算等）、x-系统（如嵌入式系统、混合系统、物联系统等）及x-数据（实时数据、大数据、超大数据等）为代表的多样化开放式应用模式，其设计方法如自适应软件系统、面向代理的软件开发、面向物联网的程序设计、自组织系统程序设计等等。 SDG7vOoSYqg4mWQ4uvSIzYbCA3YA3sBMSjQWLbCagkiZlmlA99ARlrlmr0moDP8h

1.3 汽车电子电气架构的演变

早期（一般认为是1970年以前、用导线传递信号的时代）汽车电气系统发展，车上只有照明、充电、起动、点火系统等几个功能相对简单的电气回路。这种由导线将电器从一个接插件的针脚（Point）到另一个接插件针脚（Point）连起来的电气系统成为“点对点”连接式系统。随着汽车功能要求越来越多，电器间的协调工作关系越来越多，基于导线的协调控制方式会使得整车线束大大增加，且协调控制不灵活；电器之间的协调关系不断升级和变化，电器之间的这种依赖性往往需要系统进行重新设计。

汽车电子电器系统结构的演化与发展创新，其典型的结构是从点对点连接式架构、集中式控制架构和分布式架构，如图1-11a～c所示。

下面几个小节中，作者将针对不同时期的主流汽车电子电气架构形态做一些分析和说明，所谓“集中式”“分布式”等分类和称呼有些时候并不十分严格，读者在阅读和理解这些概念的时候需要注意。

1.3.1 集中式控制架构

既然“点对点”系统中用导线传递信号有诸多弊端，那么我们采用一个控制器，作为整车协调逻辑的中枢，即传感器的信号首先全部进入到这个中央的控制器，做完逻辑协调和控制运算之后将指令发送给执行器，完成整车层面所有功能，这被称为集中式控制架构。

1979年博世开始生产集电控点火和电子燃料喷射于一体的Motronic数字式发动机控制系统，是今天真正意义上的电子控制系统的雏形，也出现了今天我们熟悉的电子控制单元（Electrical Control Unit，ECU）。1981年宝马开始采用车载计算机技术；1981年用于安装到普通车辆的ABS系统开始生产；1983年奥斯汀·罗孚（Austin Rover）第一次采用有语音功能的仪表板。到了20世纪80年代中期，一些具有代表性的电子控制系统开始应用，比如发动机控制系统、制动防抱死控制系统、电子车身稳定性控制系统等，这些都可以看作是集中式控制架构的代表，系统和系统之间往往是没有联系、没有信号传递的。

1.3.2 分布式控制架构

20世纪90年代初期，CAN总线通信技术首先用在梅赛德斯汽车上得到应用，使得各个ECU之间能够进行实时的信息交换，使得整个电子电气架构出现了质的变化。

各个ECU之间通过总线连接在一起，通过厂商预先定义好的通信协议交换信息。因此这个时期的汽车电子电气架构也称为“分布式EEA架构”。在分布式EEA下，ECU通常都是特定于某个功能的，因此整车ECU数量很多。此时，ECU之间的通信能力是非常受限的，一般是根据需要通过传统的CAN或FlexRay等低速总线来在需要协同的ECU之间进行点对点的通信。

一般而言，功能相仿、逻辑依赖性强或空间位置相近的ECU组成独立的内部网络，各个ECU之间通过本域的局部网络来进行协同合作。各网络一般是互相独立的，即域和域之间的通信功能非常有限，只是根据需要通过传统的CAN或FlexRay等低速总线进行垮域通信。

汽车中央网关的加入使得功能模块之间数据通信变得更为容易。网关通过整合不同总线和网络的数据进行跨总线数据交换，比如：CAN、LIN、FlexRay和MOST等。汽车中央网关承担不同总线类型之间的协议转换工作，并参与各网段网络管理；根据实际需求路由信号和消息控制路由时序。从而实现不同模块和功能之间通信。如图1-12所示。

在汽车智能化、网联化的发展趋势下，这种分布式EEA也日益暴露诸多问题和挑战。

1）总线的线束长度与重量问题。随着汽车功能的日益增加，每辆汽车搭载的ECU数量也逐年增加。据统计，近些年生产的汽车中平均每辆车搭载的ECU数量可达30个左右，而一些高端的车型这一数量甚至会超过100个。ECU数量越多，总线的线束长度必将越长，相应地总线的线束重量也必将大大增加。2000年奔驰S级轿车的电子系统已经拥有80个ECU，1900条总长度达4km的通信总线。2007年上市的奥迪Q7和保时捷卡宴的总线长度则已经突破6km，总重量超过70kg，基本是位列发动机之后的全车第二重的部件。

2）系统复杂度已接近极限。这一时期由于整车厂在技术竞争中落于下风，ECU的数量不受控地剧增，整车的电子电气系统硬件和软件复杂度大大增加，从而导致整个系统缺乏“灵活性（Flexibility）”和“可扩展性（Scalability）”。在这样复杂的系统中，增加一项新功能往往会引起整个系统中好多个环节的软硬件变更。这极大地制约了汽车功能的开发和升级。

3）通信带宽无法满足信息传递要求。汽车不断增加的传感器数量，也使得车载内部网络通信的数据量呈几何级数激增。以单个传感器的数据传输量测算，如辅助驾驶系统的雷达和摄像头各自产生的数据量都超过了100Mbyte/s。以一台配备有五个雷达传感器和两个摄像头传感器的汽车为例，在采集和存储期间，需要管理大约1GByte/s的海量数据。因此，传统的FlexRay、LIN和CAN低速总线等已经无法提供所需的高带宽通信能力。

4）软硬件紧耦合。由于软件嵌入硬件，每个ECU都与某个具体功能紧紧绑定在一起，无法实现横跨多个ECU/传感器的复杂功能，也无法通过远程通信来持续更新汽车上的软件系统。

上述这些问题和挑战，在汽车三化的发展背景下是质量、成本和时间的天敌；要解决这一问题，最有效的办法就是将多个分散的小传感器集成为功能更强的单个传感器，将多个分散的ECU按照功能域划分，集成到一个运算能力更强大的域控制器（Domain Control Unit，DCU）中。这一思想直接开启了汽车电子电气架构从“分布式到域集中式，再到中央加区域集中式”的升级和进化序幕。

1.3.3 域集中式架构

对数量众多的ECU开启模块化整合。将功能类似的ECU整合成一个模块，这也是“功能域（Function Domain）”的前身。随着ECU模块化的深入，出现了集成度更高、性能更强的ECU，原本多个功能单一的ECU进而融合成单个功能更强大的ECU。如图1-13所示。

随着模块化程度和ECU功能集成度的更进一步提高，就出现了“功能域（Function Domain）”的概念，功能域的出现是“域集中式EEA（Domain Centralized EEA）”的标志。从软、硬件架构上来看，域集中式EEA最直观的表现就是有了“域控制器（Domain Control Unit，DCU）”来作为整个功能域的核心。所谓域控制器是指域主控硬件、操作系统、算法和应用软件等几部分组成的整个控制器的统称。

域主控处理器（Domain Host Processor）又是域控制器的大脑核心，通常由一个集成度更高、性能更强的处理器来担任。它一方面具备网关的协议转换功能，负责域局部的不同总线间的协议数据转换；另一方面由于它有更强的计算能力，因此它也会将本域中的其他ECU或者传感器所感知的信息都进行汇总处理和计算，再把结果发回给不同的执行器进行执行。如图1-14所示。

在基于域控制器的域集中式EEA中，传感器、ECU与功能特性不再是一对一的关系，也就意味着传感器与数据处理被分离开来。这点变化带来了诸多好处，包括：①集中式管理起来比较容易；②更高的集成度可以减少ECU的数量，平台的可扩展性也会更好；③在更强大的域主控处理器上可以运行更复杂的传感器融合算法，使得实现跨多个传感器的复杂功能成为可能。

对于功能域的具体划分，各汽车厂家会根据自身设计理念的不同，相应划分成几个不同的域。比如博世划分为5个域：动力域（Power Train）、底盘域（Chassis）、车身域（Body/Comfort）、座舱域（Cockpit/Infotainment）和自动驾驶域（ADAS）。这也就是最常见的五域集中式EEA。

伴随着域主控处理器性能的进一步增强，对主处理器需求比较类似的多个不同功能域可以进一步融合成一个功能域，也即融合成“跨域集中式EE架构”。大众MEB平台则划分为三个域：自动驾驶域、智能座舱域和车身控制域，华为对域的划分也跟大众MEB类似。这种三域集中式EEA可以理解为在5域集中式架构进一步融合的结果。也就是把原本的动力域、底盘域和车身域融合为整车控制域。如图1-15所示。

域集中式EEA涉及的域控制器主要有4类，车控域控制器（Vehicle Domain Controller，VDC）、智能驾驶域控制器（ADAS/AD Domain Controller，ADC）、智能座舱域控制器（Cockpit Domain Controller，CDC）以及若干高性能网关，其中VDC负责整车控制，实时性安全性要求高；ADC负责自动驾驶相关感知、规划、决策功能的实现；CDC负责HMI交互和智能座舱相关（甚至整合T-Box）功能的实现。

1.3.4 中央集中式控制架构

随着功能域的深度融合，功能域（Function Domain）的概念反而将逐渐消失，域主控处理器演变为更加通用的计算平台，这就是车载“中央+区域（Central & Zonal）EEA”，也称为“中央集中式EEA（Vehicle Centralized EEA）”或者“区域EEA（Zonal EEA）”。

多个车载中央计算机（Vehicle Central Computer，VCC）组成一个异构服务器集群，作为一个通用计算平台（General Computing Platform，GCP），提供整车所需的计算、存储、通信和管理能力。因此，车载VCC平台可以被看作是一个缩微版的数据中心服务器集群。

平台的每个区域又会有一个区域计算机（Zonal Control Unit，ZCU），这里的区域是指车内位置空间上的区域概念。ZCU是整车计算系统中某个局部的感知、数据处理、控制与执行单元。它负责连接“整车中地理意义上某一个区域内”的传感器、执行器以及ECU等，并负责本区域内的传感器数据的初步计算和处理，它本身也具有网关的协议转换功能（因此也称为Zonal Gateway），负责本区域内的网络协议转换。中央计算平台和区域计算平台都是功能域无关（Function Domain Independent）的通用计算平台，因此区域计算平台通常会支持各种常见的连接接口类型。

采用中央集中式的架构具有如下特征：

1）两级通信网络。时间敏感网络（Time Sensetive Network，TSN）以太网作为整车通信的主干网基础设施，要具备高带宽和实时通信，同时保证可靠性和容错操作特性；而在区域内，ZCU与ECU之间、ZCU与传感器之间的通信仍然采用诸如CAN、CANFD或LIN之类的中低速总线。

2）分级供电网络。一级配电网络（也就是骨干供电网络）有双电源保证供电冗余，它将电源输送到区域控制器ZCU节点。二级配电网络由区域控制器负责将电力继续向下输送到底层控制器，因此区域控制器需要具备电功率分配功能，以及电路保护功能。

1.3.5 汽车电子电气架构趋势

如果用电器和控制器的商来定义架构的一个分布指数 i ， i 为0～1之间的正实数，它能综合反映汽车电器系统中控制器相对于电器的控制水平和控制器的分布程度：分布指数越小，表明控制器所占比重越少，分布设计程度不高，反之则系统结构分布程度高。0表示没有控制器，系统为点对点连接系统结构，1表示全分布式电器系统结构，所有电器中均含有控制器。电子电气架构分布指数演进趋势如图1-16所示。

从点对点式连接系统到中央集中式构架，分布式EEA是“计算的分布式，供电的集中式”；而中央+区域EEA就是“供电的分布式，计算的集中式”，正好反过来。Zonal EEA不仅能将计算资源集中，便于软硬件分离；也给整车各个控制器的电源管理带来很多想象力。而ZCU作为分级通信和分级供电的区域节点，在整个体系中扮演了非常关键的角色。

随着汽车智能化、网联化发展，汽车电子底层硬件不再是由单一功能的芯片实现简单的逻辑计算，而是需要提供更为强大的算力支持；软件也不再是基于某一固定硬件开发，而是要具备可移植、迭代和拓展的特性。智能化与网联共同推动了汽车电子气架构的变革：一方面是车内网络拓扑的优化高速网络的启用，另一方面是ECU的功能进一步标准化、集成化、模块化，如图1-17所示。

1.4 智能网联汽车

1.4.1 智能网联汽车发展历程

智能网联汽车是指搭载先进的车载传感器、控制器、执行器等装置，并融合现代通信与网络技术，实现车与X（车、路、人、云等）智能信息交换、共享，具备复杂环境感知、智能决策、协同控制等功能，可实现“安全、高效、舒适、节能”行驶，并最终可实现替代人来操作的新一代汽车，如图1-18所示。

从技术演变来看，欧、美、日自20世纪60年代开始，立足于智能交通大领域，分别从交通信息化、车辆智能化的角度进行了大量的研究，并已形成大量产业化成果。美日欧智能网联汽车发展由政府主导，起步较早，其发展尤其是网联化技术的研发，依托于智能交通系统的整体发展。在美国，它主要由联邦运输部（DOT）负责，并成立了ITS联合项目办公室（ITS-JPO），负责美国联邦公路管理局（FHWA）、美国联邦汽车运输安全管理局（FMCSA）、联邦运输管理局（FTA）、联邦铁路管理局（FRA）、美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）、海事管理局（MARAD）的协同。1994年，日本政府成立了由建设省、运输省、警察厅、通产省、邮政省五省厅组成的联席会议，共同推进ITS的研发与应用，日本政府机构改革以后，目前由警察厅、总务省、经济产业省、国土交通省负责推进ITS工作。欧洲的ITS研究开发也是由官方（主要是欧盟）主导，同时，由于欧洲的大部分国家国土面积比较小，因此，ITS的开发与应用与欧盟的交通运输一体化建设进程联系密切。

进入21世纪，随着无线通信技术、信息技术、汽车电子技术的快速进步，智能网联汽车作为未来智能交通系统的核心环节，受到美日欧政府的高度重视，相继出台了以车辆智能化、网联化为核心的发展战略。为推动自动驾驶车辆的应用和研究，NHTSA于2013年发布了第一个关于自动驾驶汽车的政策《Preliminary Statement of Policy Concerning Automated Vehicles》。该政策制定了NHTSA在自动驾驶领域支持的研究方向，主要包含以下三个方面：①人为因素的研究；②系统性能需求开发；③电控系统安全性。

基于车-车、车-路通信的网联汽车已成为美国解决交通系统安全性、移动性、环境友好性的核心技术手段。美国ITS联合项目办公室目前正在推进的项目中，绝大部分都与网联化技术相关，涉及网联汽车的安全性应用研究、移动性应用研究、政策研究、网联汽车技术研究、网联汽车示范应用工程等多个维度。为了促进欧洲智能网联汽车的研究和开发，欧盟委员会于2014年启动的欧盟第八框架计划“Horizon 2020”也在进行中。Horizon 2020项目在交通领域重点支持九个方向，其中道路、物流、智能交通系统都涉及智能网联汽车产业的相关领域。日本于2005年启动了“协同式车辆-道路系统（CVHS，Cooperative vehicle-highway systems）”的车载信息系统和路侧系统的集成开发和试验，称之为智能道路计划（Smart Way），成立了政府和企业共计223家公司和机构共同参加的开发联盟，将建立智能道路计划作为一项国家政策予以实施。智能道路计划的核心是通过先进的通信系统将道路和车辆连接为一个整体，车辆既是信息的应用者又是信息的提供者，道路拥堵信息和安全信息服务以及收费服务都通过集成化的车载终端完成。

从欧、美、日制定的战略情况来看，智能网联汽车将是未来20年交通领域最重要的技术变革，也是深刻影响汽车电子电气架构设计重要变量。

我国智能交通系统和自动驾驶技术发展比较晚，从2011年开始工业和信息化部连续多年发布物联网专项，智能网联汽车是其支持的重点领域之一；科技部在车路协同、车联网等方面已经进行了多个“863计划”的国家立项和政策支持。交通部要求“两客一危”车辆和货运车辆必须安装符合规定的车联网终端并上报数据，在这方面已形成了全国联网的大型交通管理平台。当前我国汽车的智能化正在经历从驾驶辅助到完全自主驾驶的阶段，根据智能化等级和网联等级要求，我国将智能网联汽车的发展目标定位如图1-19所示。

从技术发展路径来说，智能汽车分为3个发展方向：自主式智能汽车、网联式智能汽车和智能网联汽车。在L3以下，自动驾驶是以单车智能为主导的，网联式自动驾驶在其中发挥的作用有限；在L3及以上更高级别的自动驾驶系统中，业内认为网联式自动驾驶可能将发挥比较重要的作用。

智能网联汽车的发展已经超越了传统汽车产业范畴，它与人工智能、信息通信、大数据、云计算、半导体等新技术和新兴产业跨界相连，构建起新的汽车产业生态，将带来汽车产业乃至智慧交通体系、人类出行方式的深刻变革。世界各国都在推动共性关键技术创新，给汽车产业装上智慧“引擎”；共同致力于建设“零排放、零伤亡、零障碍”以及智慧、低碳、高效、舒适、便捷的智能网联出行体系。

1.4.2 中国技术路线图

我国智能网联汽车以《中国制造2025》重点领域技术路线图为基础，提出我国智能网联汽车的发展愿景包括：①安全，大幅降低交通事故和交通事故伤亡人数；②效率，显著提升交通效率；③节能减排，有效降低交通能源消耗和污染排放；④舒适和便捷，提高驾驶舒适性，解放驾驶员；⑤人性化，使老年人、残疾人等都拥有驾车出行的权利。

智能网联乘用车分阶段发展目标与里程碑如图1-20所示。

1）2016年左右，实现驾驶辅助级（Driver Asistance，DA）智能化。通过自主环境感知实现单项的驾驶辅助功能，其中典型系统包括自动紧急制动（AEB）、车道保持辅助（LKA）、自适应巡航（ACC）、辅助泊车（PA）等；

2）2018年左右，实现部分自动驾驶级（Partial Autonmous，PA）智能化。以自主环境感知为主，并能提供基于网联的智能化信息引导，其中典型系统包括车道内自动驾驶、自动泊车（AP）、换道辅助（LCA）等；

3）2022年左右，实现有条件自动驾驶级（Conditional Autonmous，CA）智能化。具备网联式环境感知能力，可适应较为复杂工况下的自动驾驶环境，其中典型系统包括高速公路自动驾驶（Highway Pilot）、城郊公路自动驾驶（Urban Pilot）、协同式队列行驶（CACC）、交叉口通行辅助等；

4）2025年以后，实现高度或完全（High Level Autonomous/Full Level Autonomous，HA/FA）智能化。具备车与其他交通参与者间的网联协同控制能力，实现高速公路、城郊公路和市区道路的自动驾驶，在此基础上，进一步实现全路况条件下的自动驾驶。

从技术路线图和未来发展趋势看，该领域的核心零部件将集中在车载视觉系统、车载雷达系统、高精度定位系统、高精度地图、智能终端等方面；其关键共享技术包括多源信息融合技术、车辆协同控制、通信与信息交互、信息安全、人机交互与共驾、集成与控制技术等方面。

从汽车电子控制系统的软件发展的趋势看，自动驾驶软件包括自动驾驶核心软件和智能网联应用软件。智能汽车的软件架构可以分为应用软件层和软件平台层。较高级别的应用软件层包含主要的认知软件功能（例如交通状况的高级识别、其他交通参与者行为的预测、车辆的操纵规划）用于自动驾驶。这部分体现出整车企业和零部件供应商的区别。软件平台层提供基本服务，例如软件功能之间的通信和具体计算硬件的抽象，这是两者之间无差别的部分。其中，软件平台层又分为平台基础层和平台服务层。平台基础层由公开API到应用软件组件的系统软件模块组成，并实现基本平台功能（如硬件抽象、大容量存储、网络通信、电源管理和过程控制）。此外，软件平台层还提供了诸如时间和空间隔离，强制访问控制和运行时监视等低级安全和其他安全机制。平台服务层由实现高级管理和监控功能的软件组件组成，如状态管理、空中更新、诊断和实时入侵检测。该层也应该使用开源方法实现，并应尽可能复用现有的软件。软件平台层还允许应用软件组件的分区，并提供防御恶意攻击，应对设计缺陷和硬件故障的弹性保护机制。

高级智能辅助系统（ADAS）作为车辆智能化的初级阶段产品，已率先普及并商业化。根据技术条件和产业化发展阶段判断，目前还处于辅助驾驶向半自动驾驶推进的阶段。主要的ADAS技术包括自适应巡航（ACC）、车道偏离预警（LDW）、车道保持辅助（LKA）、前装预警（FCW）、自动紧急制动（AEB）、盲点探测（BSD）、自动泊车（AP）等。可见随着汽车产业的快速发展，汽车将由过去的技术与性能为评价标准逐步转向软件定义汽车，软件将成为汽车差异化竞争的焦点。

1.4.3 智能网联的信息物理架构

未来智能网联汽车在技术领域的需求，主要是要解析人-车（货）-路云-网的各成员系统之间的耦合关系，运用模型驱动及基于模型的系统工程方法和工具，面向多元化的应用场景对智能网联汽车信息物理系统进行架构设计，形成物理空间在数字空间的映射以及数字空间对物理空间的控制，构建逐渐由“机智”取代“人智”的智能网联汽车信息物理系统，同时应用数字主线技术，打通从研发设计、生产制造到运行管理的智能网联汽车信息物理系统全生命周期”，如图1-21所示。

车辆通过车载计算平台、新型终端及可升级的控制系统，可以获得足够的计算能力；通过车载摄像头、毫米波雷达等感知技术，获得环境感知能力；通过5G、DSRC等V2X技术和应用获得云服务给与的信息；在云服务器内构建实际运用的数字空间。

物理空间与数字空间的融合，为数据采集、指令执行提供了充分的保障；可以在数字空间中利用强大的算力，对物理环境进行自适应学习、训练，并进行决策和知识积累。智能网联分层架构如图1-22所示。

1.4.4 智能网联汽车产业形态

智能网联汽车涉及车辆的智能化和网联化技术，其技术体系如图1-23所示。在车辆内部，通过感知技术、决策算法和控制执行模块，面向新能源电动汽车进行集成；在外部面向多级应用的车辆-道路和云端深度融合，实现网络信息交互、网联协同感知与控制。

一般而言，智能网联汽车产业可以从上游产业、中游产业和下游产业来分类。

1.上游产业

上游产业包括感知、决策和执行控制系统，主要与车辆的设计有关。比如机器视觉产业环节的舜宇光学、联创电子等镜头企业；索尼、豪威科技等CMOS图像传感器；松下、麦格纳、大陆等摄像头模组企业；NXP、瑞萨、赛灵思、地平线等图形与视频处理芯片企业；Minieye、Maxieye等纯视觉算法企业。距离与位置探测产业的激光雷达、毫米波雷达、红外及超声波传感器，均以发射电磁和超声探测信号的方式，与障碍物相遇后将反射回来的信号与发射信号进行比较处理，得到目标物的位置、距离、方位、速度、姿态、甚至形状等参数。提供高精度地图服务的高德软件、百度智图科技、灵图软件、凯立德等，受产品化程度、技术标准、生产工艺、政策法律等多方面限制，国内高精地图处于初步量产阶段。在高精度定位感知方面，有基于GNSS及增强系统的定位、惯性传感器的组合导航、基于LiDAR数据与高精地图的匹配、基于视觉数据与高精地图的匹配、基于毫米波雷达数据与高精度地图的匹配、基于通信基站的定位方式。

在计算平台领域，目前来看，博世、Veoneer、安波福、伟世通、大陆、德赛西威、华为是自动驾驶计算平台领域的代表。在相对简单的高速公路L2/L3/L4场景下，车企对芯片的选型要求是算力够用即可，低成本、低功耗、满足车规级。英伟达的GPU产品不太容易满足这些要求；而对于更为复杂的一般道路场景下（无人驾驶出租车或小件货物配送），峰值算力更高的英伟达系列产品则更受认可。在高算力芯片领域，计算平台背后更核心的是高算力芯片。全球主流供应商分别是：瑞萨、高通、英特尔、特斯拉、三星、华为海思、地平线、黑芝麻科技等。其中华为海思、地平线、黑芝麻科技为自主品牌供应商。

2.中游产业

中游主要是总成和整车集成。智能座舱是指集成了智能化和网联化技术、软件和硬件，并能够通过不断学习和迭代实现对座舱空间进行智慧感知和智能决策的综合体。智能座舱的智能在于其能够将用户需求与情感融合成为其内在人格特性，满足用户不同场景的需求，故发展智能座舱应坚持以用户需求，用户体验为中心，以场景为驱动。智能座舱主要构成包括“一芯多屏多系统”、仪表盘、抬头显示（HUD）、流媒体后视镜、语音控制等，这些未来将集成整合为一个系统。

自动驾驶是多元学科的融合，在自动驾驶技术、路端基础设施、网联通信技术的驱动下，自动驾驶企业在技术路线和深耕领域上已形成清晰格局，分为全栈型企业、单车智能企业和网联赋能企业三大方向。

遵循单车智能+网联赋能的技术路径，在车端、路端、云端上同时发力，形成车路云一体化的技术壁垒，同时布局智慧交通整体运营，发展空间广阔。这类企业拥有强大自主研发能力；可以根据场景整合资源构建生态，实现车路云全栈式解决方案；拥有强大的落地运营能力、更强的数据获取能力；还可以搭建数字交通底座和智慧交通大脑，形成数据资源壁垒。全栈型企业以百度、蘑菇车联、华为为代表，随着全栈解决方案得到验证，同时在车端、路端、云端建立技术壁垒，并在智慧交通运营服务上布局的公司具有更广阔的发展潜力和想象空间。

单车智能角度落地自动驾驶包括感知、决策、执行三维度。通过跨越式技术路径攻克高级自动驾驶技术，提供单车全栈式智能驾驶解决方案。代表企业有图森未来、元戎启行、Momenta、小马智行、文远知行、AutoX、轻舟智行、滴滴出行等。

从网联赋能角度落地自动驾驶，以“智慧的路”为主，以赋能的方式，提供网联赋能解决方案，促进行业发展。通信类企业，一般以原有企业技术为基础向自动驾驶业务延伸，以合作、自研方式，从V2X和智能交通等自动驾驶业务拓展；定位类企业，有些可能具备地图采集资质，可作为自动驾驶系统的支持，提供智慧交通全栈式解决方案。代表企业有大唐高鸿、高新兴、希迪智驾、海康智联、千方科技、星云互联等。

随着节能减排与新四化等理念的推行，智能电动汽车已经成为行业共识，新兴造车势力积极探索、以及传统汽车制造企业开始积极转型，推动自身产品向智能电动汽车发展。如蔚来、小鹏、理想、吉利极氪、广汽埃安、长安阿维塔、上汽智己、上汽飞凡、北汽极狐等品牌，在股权设计、管理团队、技术布局、车型规划、渠道建设、用户共创等各方面进行改变和创新，以求重点突破，加速发展。

3.下游产业

在智能网联汽车下游产业中，汽车制造商大都积极地深度参与到交通环境和云服务的建设当中去。首先是车内网络的构造和智慧单元的开发，底层的ECU必须具备自我控制、自我诊断、远程更新等基本功能；其次必须开发面向网联的应用服务，这种服务一般是围绕着高效、节能、安全以及数字化服务开展的。

在私人出行服务领域，Robotaxi是使用自动驾驶技术代替人工驾驶员进行驾驶行为的出租车服务。由于城市出行需求上升与劳动力数量下降出现矛盾，城市车牌限制、停车养车成本增加、公共交通便利性提高等多因素叠加，出行服务人力成本逐年提高，以及交通事故量逐年上升等因素，Robotaxi的规模化普及应用越来越迫切。在公共出行服务领域，Robobus在我国已经进入规模化试运营阶段。目前包括百度、蘑菇车联、文远知行、驭势科技、元戎启行等科技公司、自动驾驶初创企业以及传统车企和零部件公司纷纷布局自动驾驶赛道，在Robobus等方面进行多线布局。成立于2017年的蘑菇车联，是全球领先的自动驾驶全栈技术与运营服务提供商，打造了国内首个城市级自动驾驶商业落地项目，拥有行业领先的“车路云一体化”智慧交通系统方案。

在干线物流领域，创立于2017年的主线科技定位自动驾驶货车服务提供商，具备领先的全栈自动驾驶技术，面向高速干线物流场景和港口物流枢纽提供自动驾驶货车及运营服务，致力于打造覆盖全国的新一代人工智能运输系统NATS，让物流运输更安全、更智能、更经济。在末端配送领域，创办于2019年的白犀牛科技致力于打造面向城市开放道路的L4级自动驾驶无人配送车，以搭建无人配送物流网络和生态规划作为战略布局，以嘉定区生鲜商场、药品、快递等民生需求为落地场景，率先开展无人配送的规模化示范应用，力争打造安全、高效、便捷、智能的全新无人化运输服务体系。在封闭园区物流场景，成立于2016年的踏歌智行公司专注于矿用车无人驾驶技术研究、产品开发和无人矿山整体工程化解决方案设计及实施，提供露天矿无人驾驶运输解决方案以及矿用车主动防撞系统。成立于2015年的智行者科技聚焦无人驾驶汽车的“大脑”研发，致力于成为多通用场景L4解决方案提供商，是业内同时具备开放L4技术能力及限定区域L4落地能力的无人驾驶企业。智能网联汽车的运营产业链如图1-24所示。

路侧单元及基础设施设备的提供商同样需要深度地参与到交通环境和云服务的建设中去，通过标准接口的定义和规范，路侧设备要围绕着智慧交通的总目标来进行。从更宏观的交通与产业管理层面来说，市场的规范化和标准化授权准入、交通大数据分析、政府决策、排放监控等都可以被纳入到其应有的范围。 +T2OTYObQEQ8PH8NiTQtaJs1LkNluXYcPVJHrPVgBvsDIC6tnTohHs5FrOFDYjhs