8月26日，由蓋世汽車主辦的“2021行業(yè)首屆智能汽車域控制器創(chuàng)新峰會(huì)”于上海汽車城瑞立酒店隆重召開。本次會(huì)議持續(xù)兩天，將圍繞智能汽車、智能駕駛域控制器、智能座艙域控制器、底盤及車身域控制器、智能駕駛計(jì)算平臺(tái)、電子電氣架構(gòu)、軟件定義汽車、車規(guī)芯片等行業(yè)焦點(diǎn)話題展開。會(huì)議期間，沃爾沃研發(fā)中心軟件與電子高級(jí)總監(jiān) 謝保軍發(fā)表了《沃爾沃汽車電子電氣架構(gòu)及中央計(jì)算介紹》的主題演講。
以下為演講實(shí)錄：
大家好，我這次分享的內(nèi)容主要包含三個(gè)方面：電子電氣架構(gòu)、中央計(jì)算平臺(tái)和中央計(jì)算平臺(tái)上的軟件開發(fā)。架構(gòu)和中央計(jì)算平臺(tái)在去年分享過，所以這次會(huì)在稍微關(guān)注一下軟件開發(fā)角度。
在講電子電氣架構(gòu)之前特別說明一下，我們有整個(gè)大的數(shù)字系統(tǒng)架構(gòu)概念，將車、云、網(wǎng)絡(luò)、企業(yè)數(shù)字平臺(tái)包括企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)中臺(tái)、用戶賬號(hào)體系打通等，這是一個(gè)整體的概念。當(dāng)然車的電子電氣架構(gòu)和基礎(chǔ)軟件平臺(tái)是其中非常關(guān)鍵的一環(huán)。
快速回顧一下電子電氣架構(gòu)的趨勢(shì)，集中化、中央化。軟件定義汽車、SOA被提到了很多，要實(shí)現(xiàn)軟件定義汽車、做好SOA，一個(gè)集中化的電子電氣架構(gòu)、中央計(jì)算平臺(tái)和良好設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)軟件平臺(tái)是根本。
再來回顧一下沃爾沃電子電氣架構(gòu)變革的過程，橫軸是時(shí)間，縱軸是ECU數(shù)目。從90年代S80十幾個(gè)ECU，到2015年我們推出XC90 100多個(gè)ECU，隨著功能增加，ECU數(shù)量也在飛速的增長。
這是我們現(xiàn)在車上使用的SPA 1架構(gòu)，2015年推出，非常典型的域控制器架構(gòu)。什么是域呢？簡(jiǎn)單來講就是把相近的，相關(guān)的功能整合在一起。這一代有4個(gè)域，4個(gè)域控制器，分別是信息娛樂、主動(dòng)安全、底盤+發(fā)動(dòng)機(jī)、車身，主干網(wǎng)是FlexRay，同時(shí)用了CAN、MOST、LIN以及100+ECU。
現(xiàn)有架構(gòu)的系統(tǒng)復(fù)雜性。大家請(qǐng)看一下右圖，方框是ECU，線是ECU與ECU之間的通訊，非常復(fù)雜。隨著功能的增加，ECU數(shù)目的增長，這樣的整體研發(fā)效率很難持續(xù)下去，我們需要作出變革。
快速看一下左邊的總結(jié)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易形成信息和數(shù)據(jù)的孤島。為了實(shí)現(xiàn)功能迭代，持續(xù)增加ECU，我們國內(nèi)團(tuán)隊(duì)在近兩年這個(gè)架構(gòu)上增加了3個(gè)ECU。大多數(shù)情況下由不同供應(yīng)商開發(fā)，框架、軟件無法協(xié)同復(fù)用，很難統(tǒng)一OTA。大多數(shù)情況下一個(gè)用戶功能分布在多個(gè)不同的ECU，往往變更/升級(jí)一個(gè)功能需要協(xié)調(diào)多個(gè)ECU/供應(yīng)商，甚至有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)總線信息不支持的情況。ECU基本是黑盒，同時(shí)很難支撐硬件快速迭代。
下一步怎么做？我們要作出變革，要做新的架構(gòu)，做ECU集成，做中央計(jì)算。ECU集成帶來好處是降本、減重，整車能效提升，開發(fā)效率提高等等。在我們自身實(shí)踐當(dāng)中一些有意思的發(fā)現(xiàn)，比如提到降本很容易理解，可以通過簡(jiǎn)化ECU，減少線束來優(yōu)化成本。同時(shí)在實(shí)踐當(dāng)中通過把幾個(gè)ECU的合并，在物流和裝配環(huán)節(jié)也可以帶來非?？捎^的成本節(jié)省。
這就是我們正在開發(fā)的SPA2架構(gòu)，主干網(wǎng)是以太網(wǎng)，核心是中央計(jì)算平臺(tái)，更加具體一點(diǎn)，我們分兩步在進(jìn)行，第一步把域控制器和其他需要大量計(jì)算的ECU集中到中央計(jì)算?？焖倏匆幌逻@張圖：主干網(wǎng)是以太網(wǎng)，千兆百兆都在用，三個(gè)網(wǎng)關(guān)模塊，VIU，核心是簡(jiǎn)化主干網(wǎng)，簡(jiǎn)化ECU，把大量復(fù)雜計(jì)算、用戶功能、車輛功能都集中在中央計(jì)算平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)更新用戶功能只需要更新中央計(jì)算平臺(tái)里面的軟件。
第二步把網(wǎng)關(guān)、配電、機(jī)電控制ECU集成到區(qū)控制器，大大減少ECU數(shù)目。相比較于第一步，主要有兩個(gè)變化，第一個(gè)變化是把AD計(jì)算單元合并到中央計(jì)算平臺(tái)，第二個(gè)變化是把網(wǎng)關(guān)，配電，機(jī)電控制ECU集中在區(qū)控制器。什么是區(qū)控制器？簡(jiǎn)單來講，想比較于域控制器是把想關(guān)的功能領(lǐng)域整合在一起，區(qū)控制器直接就體現(xiàn)在位置上了，按位置配置。主要集成了網(wǎng)關(guān)，配電和I/O控制。
快速回顧了我們的電子電氣架構(gòu)，接下來快速介紹一下其中的核心“中央計(jì)算平臺(tái)”。
這是當(dāng)時(shí)我們B樣件在實(shí)驗(yàn)室拍的照片，水冷散熱，典型功耗60-70瓦，右下角是今天C樣件的狀態(tài)。
中央計(jì)算平臺(tái)的軟件開發(fā)，我們采用面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA），簡(jiǎn)單總結(jié)一下采用SOA的好處，是可以把設(shè)備整合抽象成各種服務(wù)，使能App創(chuàng)新迭代，實(shí)現(xiàn)SOA主要有3個(gè)重要組成, 分別是：Service, HAL,Device proxy.
我們可以對(duì)照著右邊的系統(tǒng)架構(gòu)圖，簡(jiǎn)要說明一下：最上面是中央計(jì)算，以太網(wǎng)的主干網(wǎng)，VIU是網(wǎng)關(guān)，連接到ECU或直接連到傳感器和執(zhí)行器。
在中央計(jì)算中的軟件分層是這樣的，最上面是應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)車輛功能和用戶功能，是通過調(diào)用service來實(shí)現(xiàn)。再下面就是HAL層和Device Proxy.
這樣做的好處主要有兩個(gè)：
1，做用戶功能的快速迭代，更新這個(gè)application就行了，其實(shí)這也是做好OTA的關(guān)鍵，只需要OTA這個(gè)application.
2，支持硬件的快速升級(jí)迭代，換硬件就只要修改HAL層和Device Proxy，Application可以保持不變。
SOA的精髓就是分層,抽象和解耦，軟硬件的解耦，信號(hào)與功能的解耦，邏輯與控制的解耦，接下來我們通過一個(gè)自動(dòng)啟停功能的開發(fā)實(shí)例，來做進(jìn)一步演示。
自動(dòng)啟停這是我們內(nèi)部培訓(xùn)經(jīng)常用到的“Hello World”，用戶場(chǎng)景非常簡(jiǎn)單，車輛臨時(shí)停下時(shí)如何做到踩下剎車踏板關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)以省油，并在松開剎車踏板后重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)12V電池虧電時(shí)，車輛臨時(shí)停止時(shí)不再關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，以給電池充電。
設(shè)計(jì)過程是這樣的：
先看下面的灰色框圖，從左往右看，涉及到的3個(gè)執(zhí)行端分別是發(fā)動(dòng)機(jī)，剎車和智能配電，通過VIU網(wǎng)關(guān)，然后是以太網(wǎng)。
接下來來看黃色部分，中央計(jì)算平臺(tái)里的軟件的設(shè)計(jì)框架，從下往上看：Device Proxy, HAL層，services, 最上面的是application, 通過讀取車速，剎車和智能配電的狀態(tài)，進(jìn)行邏輯判斷，調(diào)用engine service實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟停功能。代碼實(shí)現(xiàn)是這樣的： C++，總共6000左右行代碼。應(yīng)用層大概在兩三百行。
我們自己的總結(jié)是：集中化的電子電氣架構(gòu)，中央計(jì)算平臺(tái)和良好設(shè)計(jì)的基本軟件平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)軟件定義汽車的關(guān)鍵，能極大的提升軟件開發(fā)效率。
之前一個(gè)功能往往分散在不同ECU, ECU內(nèi)部的軟件也是垂直打穿式的開發(fā)，變更要從Application到變到底層，大部分還會(huì)涉及到信號(hào)的變更，又會(huì)影響到其他應(yīng)用。效率是很難提高的。
做OTA升級(jí)也是一樣的，之前為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能迭代，要同時(shí)升級(jí)幾個(gè)ECU, 而且往往升級(jí)整個(gè)ECU軟件。效率也是不高的。
接下來內(nèi)容非常有趣，我們?cè)趯?shí)際開發(fā)過程中遇到的坑，也有可能是大家遇到共性的挑戰(zhàn)，進(jìn)行分享，共同啟發(fā)。
App做的很厚，Service和HAL層被跳過。
左邊是應(yīng)該的狀態(tài)，右邊是就是實(shí)際遇到的一種典型的坑，app做的很厚，原本應(yīng)該在service中實(shí)現(xiàn)的通用邏輯在多個(gè)APP中重復(fù)實(shí)現(xiàn)。算力浪費(fèi)，無法高效的進(jìn)行新功能開發(fā)，遇到硬件或信號(hào)的變化，app就需要重新寫。
第二個(gè)，假的Service。Service并不真正提供服務(wù)，而是又繞到了APP里面進(jìn)行處理。帶來的問題就是APP之間間接相互依賴，功能層次混亂，數(shù)據(jù)流混亂難以理解和調(diào)試，同時(shí)這樣的做法往往會(huì)造成循環(huán)依賴。
簡(jiǎn)單回顧這兩個(gè)挑戰(zhàn)，這兩個(gè)典型的假SOA的做法，不難理解主要來源于我們之前開發(fā)軟件的一般做法。
當(dāng)然SOA架構(gòu)的設(shè)計(jì)，比如怎么搭建良好的service層，非常重要， 同時(shí)內(nèi)部開發(fā)工具鏈和流程的支持也很關(guān)鍵。
第三個(gè)，整車級(jí)控制仍然在ECU中實(shí)現(xiàn)。這里舉例是動(dòng)力轉(zhuǎn)向控制，打勾是應(yīng)該的狀態(tài)，動(dòng)力轉(zhuǎn)向控制應(yīng)該在中央計(jì)算軟件中實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)實(shí)遇到的挑戰(zhàn)還是回到了傳統(tǒng)的做法，動(dòng)力轉(zhuǎn)向控制算法還是在專門的ECU中去實(shí)現(xiàn)，中央計(jì)算降級(jí)成了信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)，這反映了今天大多數(shù)情況下車廠傳統(tǒng)的合作模式。這塊改善需要聚焦在整體研發(fā)效率提升，需要新的合作方式、新的商務(wù)模式。
第四個(gè)，特殊低延遲要求。這里是ABS控制的例子，為了滿足用戶體驗(yàn)，為了避免振蕩，端到端延遲需要控制在10毫秒以內(nèi)。按照右邊典型的中央計(jì)算實(shí)現(xiàn)方法，端到端的鏈路是比較長的，軟件是放在中央計(jì)算平臺(tái)實(shí)現(xiàn)控制算法，所以很難保證或者基本很難實(shí)現(xiàn)10毫秒以內(nèi)延遲的。
這塊做法是需要在搭建架構(gòu)的時(shí)候就要做好功能和軟件分布的設(shè)計(jì)，在這樣的架構(gòu)里面往往軟件的分布極大程度上限定了端到端的延遲。例如分布在執(zhí)行端延遲大概會(huì)在5毫秒以內(nèi)，分布在區(qū)控制器延遲大概會(huì)在10毫秒以內(nèi)。
簡(jiǎn)單總結(jié)一下，我們一路走過來還是遇到了很多挑戰(zhàn)，有技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的，有組織架構(gòu)的，有和供應(yīng)商合作伙伴合作模式商務(wù)模式的，一路走過來挑戰(zhàn)還是很多。
最后介紹一下我們?cè)谥袊钠脚_(tái)核心開發(fā)團(tuán)隊(duì)。做這些是需要非常強(qiáng)的in house能力，in house軟件開發(fā)和in house硬件參考設(shè)計(jì)能力。
新的工具鏈，新的流程，新的工作方式/ 就是我們經(jīng)常提到的向高科技公司和“軟件公司“的轉(zhuǎn)型。
做軟件開發(fā)，往往很難通過靠堆人數(shù)來實(shí)現(xiàn)，這就像跳高運(yùn)動(dòng)，其中架構(gòu)是關(guān)鍵，敏捷的工作方式方法很重要，這其中我們特別提到了持續(xù)集成和自動(dòng)化測(cè)試的能力，
我們從2012年在國內(nèi)開始建立coding團(tuán)隊(duì)，，2018年進(jìn)行大規(guī)模的Linux/C++開發(fā)。今天所有團(tuán)隊(duì)當(dāng)中軟件開發(fā)占比30-40%左右，目前來看平衡狀態(tài)應(yīng)該是40-50%左右。
這就是我今天分的主要內(nèi)容，謝謝大家。
現(xiàn)場(chǎng)問答
周曉鶯：謝總，請(qǐng)留步，我看還有一點(diǎn)點(diǎn)時(shí)間，看看現(xiàn)場(chǎng)有沒有同學(xué)有什么問題需要請(qǐng)教的。
提問：謝總，您好，我是偉創(chuàng)力的。剛才我看PPT上面VCU已經(jīng)是水冷的，請(qǐng)問一下這個(gè)VCU大概是什么樣的架構(gòu)呢？
謝保軍：VCU里面有多個(gè)SOC,多個(gè)操作系統(tǒng)，我們第一步先把車輛相關(guān)的包括ADAS放在里面，第二步是把AD計(jì)算相關(guān)的放在里面。
提問：我這邊是比亞迪的，剛剛PPT中提到延遲，延遲解決方案是什么樣子的？
謝保軍：針對(duì)具體不同的場(chǎng)景其實(shí)有不同的解決方案，比如說ABS控制算法有這樣幾種，你可以把控制算法做在執(zhí)行端或者放在區(qū)控制器里面，這是通常的做法，這種可以控制在5毫秒。
提問：我想請(qǐng)教一下，您在這個(gè)設(shè)計(jì)過程中怎么平衡區(qū)域控制器和偏執(zhí)行端的電機(jī)車燈等執(zhí)行器功能，比如說哪些執(zhí)行環(huán)節(jié)放在區(qū)控制器，哪些留在底層？
謝保軍：我們?cè)?018年做這個(gè)規(guī)劃的時(shí)候很理想，理工男都有執(zhí)念想放在一起，但是趟過這么多坑之后發(fā)現(xiàn)還是要考慮研發(fā)效率和新的商務(wù)模式。剛才講到轉(zhuǎn)向算法、剎車算法這些都是放在執(zhí)行端考慮的。
提問：我咨詢一下，以前汽車上有很多執(zhí)行端控制數(shù)量和測(cè)試算法是供應(yīng)商做的，現(xiàn)在自己想做的話還需要從零開始開發(fā)這個(gè)算法嗎？
謝保軍：其實(shí)自己都去做是講不通的，比如說剎車的算法你可以自己做，但是做出來整體研發(fā)效率和商務(wù)邏輯是講不通的，所以更多是講合作和集成的。
提問：這個(gè)過程還是需要供應(yīng)商合作對(duì)吧？
謝保軍：是的，這塊主要是考慮商務(wù)模式和合作模式。