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Continental 车辆电子/电气架构:减少到最大

发布日期:2020-05-29

GRCC汽车电子电气架构创新发展论坛

2020-05-29 21:18:36

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几十年来,汽车的电子架构已发展成为具有70个或更多电子控制单元的高度复杂的网络。在“连接,自动化,电气化和共享”的全球汽车大趋势的推动下,面向基于集中式服务器的体系结构正在发生根本性的变化。将来会是什么样?


汽车可能是当今最被低估的移动技术系统。每辆现代高端汽车的代码行数约为1亿行,其软件内容是F35战斗机的四倍,是波音787总飞行软件的五倍(图1)[1、2] 。尽管该数量的软件几乎是可管理的,但电子体系结构正成为创新的障碍。



图1:现代“设备”中的代码行数(来源:[1] [2])


一辆家庭大小的汽车可以轻松地将70个电子控制单元(ECU)分布在整个汽车上(图2)。豪华轿车或载客率特别高的车辆可具有约100个ECU。这种增长归因于“每个功能一个ECU”的传统概念。通过为每种功能提供单独的硬件,车辆已变成异构嵌入式硬件的生态系统。将这些“盒子”联网是一项非常复杂的任务,每个其他ECU都变得越来越棘手。这种情况已经到了旧的“单一功能—一体机”的信念已不再存在的地步。



图2:ECU网络的复杂性


请注意,传统方法也不是很经济:毕竟,每种硬件都有自己的计算能力和内存。但是,很少有所有ECU同时激活的情况。实际上,这种情况不太可能发生,因为某些功能是其他功能专有的,因为它们适用于不同的驾驶情况。因此,汽车中有一定份额的计算能力和内存值得关注。转向基于服务器的集中式体系结构将改变这种状况:通过降低分散的计算能力和降低布线复杂性,可以补偿转向服务器体系结构的部分成本。由于向新的集中式架构过渡的过程可能会逐步进行,因此随着时间的推移,随着服务器和ECU计算能力之间的权衡变得越来越清晰,这种优势的真正意义将变得更加明显。


紧密的软硬件链接的局限性


但是,这种ECU扩散不仅不经济。它还阻碍了创新。未来的汽车(以及一些已经在行驶中的汽车)将具有全新的功能,例如自动化,高度的连接性,随后对网络安全的巨大需求,更高的安全性和舒适性以及电动化的传动系统,这也对汽车提出了新的要求。例如,连通性。连接性对于共享汽车也至关重要。老式的异构车辆E / E体系结构(电子和电气)尚未为此做好准备。它来自不同来源的嵌入式系统的混合对于平滑的数据交换而言既不可渗透,也不容易更新(如果有的话)。在汽车生产后也没有解决方案来添加新功能,因为没有另一个ECU就无法托管新软件。对于ECU的异构网络,网络安全也是一个挑战。那么该怎么办?好了,是时候清理并重新构建E / E架构了,这正是现在正在发生的事情(图3)。当前的异构ECU网络已被具有一些高性能计算机的体系结构所取代,这些高性能计算机为某些车辆领域(例如动力总成,内饰,车身等)的功能提供计算能力和内存。



图3:架构过渡


这些车载服务器的数量将取决于OEM基于服务器的体系结构的方法,并且显然取决于汽车的型号和使用率。但是,作为初步经验,业界可以听到三台车载服务器。


输入汽车服务器


这种基于服务器的体系结构的方法是一个重大的转变,因为它是整个行业的根本变化。但是,服务器体系结构的好处是如此之大,以至于这种转变已经开始。通过将计算能力和内存集中在一些车载服务器中,可以为应用程序提供足够的灵活性。服务器内部以及它们之间的数据交换是平稳而快速的,因为它将基于强大的通信技术,例如GB汽车以太网。底层硬件和软件的严格分离意味着(新)功能几乎可以自由分配到正确的位置。


通过使用虚拟机管理程序技术进行虚拟化并通过应用轻量级容器解决方案,可以在同一硬件上安全地运行诸如Adaptive Autosar,Android,Java VM和汽车级Linux之类的不同操作系统。ASIL等级的功能需要采取某些措施来确保更高水平的可用性和可靠性,这些功能可以在称为伴侣控制器的单独微控制器上运行。


车载服务器提供的计算能力是传统汽车微控制器系统的几倍,后者通常具有500至3000 Dhrystone MIPS(每秒百万指令)。大陆集团车载服务器的第一代计算能力由高性能的片上系统(SoC)提供。目前,这一突破性的产品概念正被扩展到Body&Security高性能计算平台(B&S HPC)中。展望未来,Continental车载服务器已经针对电池电动车(BEV)的极高耐用性要求进行了设计:与配备内燃机的汽车相比,BEV的电气系统的一部分也处于活动状态在充电期间,该充电期间确实包括电动汽车中的至少一个服务器。因此,该服务器的工作时间是传统汽车中服务器的几倍。


行尾不再是行尾


如果将某种计算能力的缓冲区设计到车载服务器中,则可以为道路上的车辆添加新功能。服务器体系结构最重要的单一优势之一可能是其空中更新(OTA)。汽车中的其中一台车载服务器将充当所有传入和传出数据的中央网关,并且还将提供核心安全功能,例如入侵检测和软件证书验证。


这允许以安全且协调良好的方式传输和安装软件补丁和安全更新。因此,为汽车中的功能提供软件服务也将成为可能。诸如预测性维护之类的好处将有助于提高车辆的利用率,并减少对车间的麻烦。分布式计算也将成为现实,例如通过利用云中的巨大计算能力来促进人工智能(AI)的使用。


真正的连接水平


但是,为什么这一切都是必要的呢?为什么要集中和联网到一个新的水平?为什么关注可更新性和平滑的数据交换?展望不久的将来将提供一个答案。让我们先假设一个家庭出去游乐园,让我们看一看未来基于服务器架构的汽车在幕后发生的情况。


图4:预测性维护可提高车辆的利用率


这一切真的在家人出发之前就已经开始了:父母通常会通过计划和/或通过智能设备进行预订来准备这种郊游。通过与智能手机同步,汽车将“了解”计划。因此,在将车辆开出车库之前,就已经计算出了**路线-考虑到该路线应该提供良好的5G覆盖水平,以支持道路娱乐。车辆将进行自我诊断,以确保在预期的日期和行程长度内可用。如果在此检查期间出现问题,则会在较早的时间显示一条消息(图4)或将其发送到智能手机。说到开车离开车库:越来越多的未来汽车将能够自动执行此操作,并在家庭接近汽车并被公认为可以合法进入汽车时通过驾驶员的智能手机Smart Key打开车门.


了解您的乘员 –了解他们的需求


每个人进入时,都会根据驾驶员的喜好调整设置,并为乘员的平板电脑或智能手机准备了通过蓝牙访问互联网的功能(“自带设备”,BYOD技术)。在手动驾驶的初期,Digital Companion会向驾驶员提供在环境模型中生成的导航提示或警告,而环境模型又基于传感器信号和外部信息(例如V2X)。在此阶段,信息娱乐/交互和车辆服务器以及软件服务(应用程序)的提供需要无缝交互。一旦进入高速公路,驾驶员便会激活自动驾驶(AD)功能。如果后排座位上的孩子无聊,Digital Companion的基于AI的算法将识别可满足其特殊需求的乘员类型。因此,取决于例如乘员年龄或情绪状态,后座娱乐屏幕上的化身提供适当的娱乐建议或支持。这种支持减轻了父母开车时的负担,并使家人保持放松。普通的每个曾经和孩子一起旅行的人都会知道这种情况及其潜在的含义……


人机交互


在AD部分即将结束时,需要将驾驶员带回循环中,以重新获得对汽车的控制权。为了优化这一重要过渡,可以通过基于摄像头的驾驶员监视来检测驾驶员的注意力水平(图5)。但是,还可以包括诸如医疗细节之类的其他参数,以确保驾驶员能够收回驾驶任务(即,嗜睡检测)。



图5:驾驶员监控显示驾驶员状态


根据汽车与驾驶员之间交互的结果,过渡过程适用于确保平稳的向后委托。如果由于某种原因(例如紧急医疗事故)失败,将执行最小风险操作以使汽车进入安全状态。


假定后退代表团顺利进行,导航系统现在开始提供转弯信息,以将汽车送至游乐园的车辆出口区域。一家人离开车辆进入停车场时,停车场会自行停车并自行锁定,并可能利用停车时间来安装OTA更新并准备回程。


这种情况揭示了汽车内以及汽车与互联网/云之间的数据交换和连接级别。汽车中的每个服务器(具有环境模型的AD,车身电子设备,与乘客模型的信息娱乐/交互模型)都需要与其他服务器进行数据通信,以提供平稳,安全的乘车体验。通过提供访问和安全性的中央网关,可以对云和软件服务进行永久访问。在基于车载服务器的体系结构中,这可以很好地完成,但是在具有许多专用ECU的分散式体系结构中会引起问题。


 


结论


未来的汽车将永远处于开通状态,因为驾驶员希望无论身在何处都可以轻松获得信息,应用程序和服务,包括使用汽车。可以与其他智能设备同步的联网汽车将为您带来舒适和安全的无缝体验。另外,未来的汽车将必须达到极高的效率水平,将几乎不排放任何废气,并应避免在实现零号愿景的过程中发生事故。这种需求混合需要一种无缝连接到云的E / E体系结构的新方法。车辆中的新功能几乎遍及所有领域,将利用车辆内部网络,并将车辆连接到云以使服务和应用程序可访问。


简要概述的场景表明,驾驶员的驾驶需求或期望不断变化,具体取决于驾驶情况或模式,交通情况,行程类型以及他/她的瞬时状况。车辆内部尤其需要适应这些变化的要求,以在适当的时间在适当的通道上提供适当数量的数据,并确保驾驶员确实能够处理他/她的期望。车载服务器具有更高的连接性和足够的计算能力,可以实现这一点。


关于作者:


Karsten Michels博士是Continental AG的高级副总裁。


资料来源


[1] https://spectrum.ieee.org/transportation/systems/this-car-runs-on-code


[2] https://www.informationisbeautiful.net/visualizations/million-lines-of-code


所有图像©Continental AG


摘自:eenews Automotive



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