适用于自动驾驶的新一代智能网联客车电气架构

李理

摘要：随着城市智慧化的快速发展，传统客车一直在不断提升电气自动化水平，但是智能车辆不只是电子 设备的堆叠，也要从根本上适应各种智能设备的加载，并通过有效的组织架构来协调多种智能设备运行。 基于智能汽车的区域控制理念，阐述了新一代智能网联客车的电气架构，该架构不仅适用于智能网联及自 动驾驶车辆的需求，同时也满足当前新能源客车的智能电器设计与应用，解决了传统客车电气架构臃肿和 效率低下等问题。

关键词：区域控制；智能网联；自动驾驶；新能源客车；电气架构

中图分类号：TN915；U463.6文献标识码：A

0 引言

传统汽车的电气架构按照功能可分为车控系统 和车载系统。其中，车控系统可细分为动力系统 （发动机、变速箱等）、车身系统（灯光、中控锁、 电动后视镜等）、舒适系统（电动座椅）等，而车 载系统可细分为安全气囊、信息显示系统（仪表）、 信息娱乐系统（导航）[1-4]。

商用客车因为车内空间较大和客户定制化的市 场需求，其电气架构比传统汽车的电气架构更复 杂。在电气分类上，既有车载和车控的功能分类， 又有方位上的分类（车辆前端、车辆底端、车辆尾 端、车辆顶端）。针对不同客户需求还会对多个功 能采用集成或删减的方式来降低成本。

如图 1 所示，在传统客车电气架构中各个电子 设备采用无中心的分布式管理，即所有电子设备的 地位相同。例如，仪表系统包含仪表显示、前控模 块、顶控模块、后控模块等多个电子设备，分别安 装在车辆仪表台、前围、顶棚、底盘等不同部位。 每个电子设备根据功能需求自行控制附近的灯、门 等功率电器，但是当仪表系统内各个电子设备之间 需要进行交互时，则需要将通信信号传递到车辆多 个位置。其通信节点过多和通信线路过长的问题会 导致通信易受到外部干扰，从而出现数据丢失等异 常现象。而且车辆上每个系统之间的通信也非常复 杂，如车载电脑管理系统不仅需要与智能系统进行 信息交互，还需要与车辆的空调 / 暖风系统、动力系统进行互控，以及与仪表系统进行信息传递。

在汽车非智能化时代，车载电子设备数量少， 所以上述电气架构具有布局灵活、管理便捷等特 点，但是随着汽车智能化发展，车载电子设备被 大量使用，传统的全分布式管理方式的弊端逐渐 显现，最明显的缺点就是拓扑结构的复杂度非 常高。

通过关注各大车企和互联网公司对未来智能网 联汽车的定义可以发现，未来车辆的电气架构将趋 于集成化。不仅是硬件的集成化，更多的是功能的 集中，即同类功能会聚集在一起形成区域效应，由 基于车载控制器局域网（controller area network， CAN）总线通信的整车分布式协调管理变为以车载 以太网通信为主的区域自治管理。

鉴于此，本文设计了适合智能网联客车的新型 电气架构。考虑到商用客车自身特点，本设计保 留了网关这一模块，虽然在功能融合上会有所弱 化，但是相较于无网关架构，实施的成本会大幅 降低。

1 新一代电气架构模型

如图 2 所示，新一代电气架构模型主要是以多功能网关为中心的集中化管理，其把整个车辆分为 数据域、座舱域、车身—动力域和自动驾驶域 4 个 区域，4 个区域通过车载以太网和多功能网关进行 互联互通。其中，多功能网关作为新架构的中心模 块，主要起到桥梁的作用，为区域与区域的通信提 供最基础、便捷的信息通道。其通信协议主要采用 车载以太网通信协议，协议框架遵循基于网际协议 （internet protocol，IP）的面向服务的可扩展性通 信中间件协议（scalable service-oriented middleware over IP，Some/IP）的要求 [5]，但是具体的通信内容 由车厂自主定义。此外，为了兼容传统客车的通信 协议，多功能网关还保留车载局域网 CAN 的通信 接口，主要遵循 SAE J1939 协议 [6]。

更进一步，如果在这一模型中去掉网关功能， 数据域、座舱域、车身—动力域和自动驾驶域 4 个 区域之间实现两两直接互联，即实现区域内的集中 管理和区域与区域之间的分布式管理。这种管理方 式在实现区域内集中管理的前提下，可以极大地提 高区域与区域之间的通信效率，但是商用客车的市 场模式决定了商用客车的生产制造采用客户定制化 的生产方式。该方式使得每个区域内的功能不停地 变化，从而导致区域与区域之间的管理变得更复 杂，因此模型中去掉网关功能的电气架构暂时还不 适用于当前商用客车的智能化推进。

2 区域模型设计

2.1 数据域模型

如图 3 所示，数据域模型是新一代智能网联中 最重要的区域模型，以数据域控制器为核心负责车 辆内外的信息交互。一方面，对外管理所有无线通 信，为车端提供移动通信 4G/5G 的无线通道，实现 车辆与云端服务器之间的通信、车辆与路侧端智能 设备之间的通信、车辆与車辆之间的通信，以及车 辆与管理者之间的通信。具体的通信功能为：①车 辆与云端服务器之间的通信遵循 JT/T 808—2019 协 议标准把车端的所有状态按照一定采样间隔上传到 车厂本身的云端服务器，其主要是为客户提供服务， 帮助客户分析行车状态并确保行车安全。②车辆与 路侧端智能设备之间的通信是为了实现车路协同功 能 [7-8]，其主要是实现蜂窝车联网（cellular vehicle[1]to-everything，C-V2X）中的绿波通行功能，该功能 能够探测到超远距离路口红绿灯的状态和路口拥堵 状态，从而提前控制车速确保车辆到达路口时无须 停车等待，这有助于提高城市通勤效率、减少碳排 放。③车辆与车辆之间的通信主要是解决商用客车 驾驶时的盲区问题，商用客车体积大，因此驾驶员 的盲区范围也比较大，如果能够实现车辆与车辆之 间的通信，就可以准确探测附近车辆的位置，从而 避免盲区碰撞等交通事故。④车辆与管理者之间的 通信主要是为了提供更智能化、便捷的管理手段， 如远程控制车内的灯光和空调、远程驾驶车辆等。

另一方面，根据国家法规要求，数据域控制器 还负责监管第三方行车记录仪。第三方行车记录仪 依据国家有关标准需要实时上传车辆关键信息，包 括车辆常规状态信息、新能源状态信息、国六发动 机排放信息等，主要遵守GB/T 32960—2016协议、 GB/T 19056—2021 协议、GB 17691—2018 协议。

2.2 其他域模型

除了数据域模型外，车辆还有座舱域模型、车 身—动力域模型和自动驾驶域模型。

座舱域为驾乘人员提供更智能、丰富的人机交 互功能，包括中控显示、中控控制、智能调度等 功能。其中，中控显示的内容包括 360° 全景环视、 车路协同信息、空调状态信息、车内外视频监控影 像、影音娱乐状态信息、胎压信息、车辆车速信 息、集中润滑信息以及空中下载技术（over the air， OTA）状态信息等；中控控制包括控制车内外环境 监控器、空调、影音娱乐、OTA 远程升级、电动后 视镜、中控屏幕上的虚拟按键以及仪表台上的实体 按键等；智能调度主要为公共交通服務，一般由客 户自行安装，所以与座舱域中的其他电气设备无交 互，包括刷卡机、投币机、报站器以及车内外路牌 和广告牌等。

车身—动力域是商用客车的一个重要区域，其 规划直接关系到车辆的安全性和可靠性，所以为了 保证车辆的安全性和可靠性，对传统动力部分进行 保留，即传统动力设备的接口和通信方式都不变。 而新规划的控制域控制器主要是为了满足新能源、 底盘线控、智能仪表和 L2 级别及以下自动驾驶管 理。其中，新能源管理包括动力电机、新能源整车 控制器、多合一逆变器、高压电池和新能源智能冷 却等设备的管理；底盘线控管理包括线控转向、线 控驱动、线控制动等设备的管理；智能仪表管理包 括智能化仪表显示、仪表前控模块、仪表后控模 块、仪表顶控模块的管理；L2级别及以下自动驾驶 管理包括紧急刹车辅助系统（advanced emergency braking system，AEBS）、车道保持辅助系统（lane keeping assist systems，LKAS）以及驾驶员疲劳监 测等辅助自动驾驶功能管理。

自动驾驶域包括 L3 级别及以上自动驾驶功能 的区域，这是一个有别于传统功能的全新区域。一 方面，自动驾驶功能是商用客车未来发展的主流方 向；另一方面，此区域内的电子设备相较于传统汽 车电子设备，虽然在技术先进性上遥遥领先，但是 在功能安全等级上又普遍落后。自动驾驶域为未 来 L3 级别及以上的自动驾驶功能提供各种高精尖 技术服务，包括激光雷达、毫米波雷达、超声波雷 达、厘米级别的高精度定位、惯性导航、图像识别 等。考虑到 L3 级别及以上的自动驾驶对数据量及实 时性的要求，本区域会有独立的无线数据上传通道。 自动驾驶域是新一代电气架构中一个重点区 域，是提升商用客车在市场上竞争力的关键部分。

3 网络通信架构设计

如图 4 所示，车辆与外部云端服务平台主要 采用 4G/5G 通信方式，而车内通信网络设计考虑 到与传统电气设备的兼容性问题，在保留部分车 载 CAN 总线通信基础上引入车载以太网通信技术。 在车内网络通信中，4 个区域控制器之间的主要通 信方式是车载以太网，同时 CAN 总线作为传统商 用客车的主流通信方式也被保留下来，这既可以提 高通信容错性，还能有效降低通信成本。

4 信息安全架构设计

新一代电气架构采用最新的信息安全管理系统， 在通信设备数据域控制器内安置了一块加密芯片， 同时云端服务平台还支持安全证书的管理和基于证 书的安全车联网业务应用，具体内容包括：①公开 密钥基础建设（public key infrastructure，PKI）满 足包括国密双算法在内的多种加密算法；②支持证 书的管理，包括申请、下载、更新、冻结、解冻、 注销、查询等操作；③支持多种证书，包括 Web 服 务器证书、电子邮件证书、签名证书、加密证书、 代码签名证书、设备证书、单位证书以及自定义用 途的数字证书；④支持证书模板化和主题自定义设 计；⑤支持分权设计，提供基于不同角色的权限管 理；⑥支持业务管理和审计管理分开管理，可以设 定只有审计管理员才能进行审计管理操作。

5 结语

本文全面阐述了新一代智能网联客车电气架构的设计方案，并且适用于自动驾驶汽车的未来发展 和 5G 通信技术的广泛应用。在充分考虑客户定制 化设计生产需求前提下，保留传统客车的部分电气 特性，在新技术发展与客车安全之间达到一个较 好的平衡，为客车新技术的应用提供有力的技术 支撑。

参考文献

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