基于AUTOSAR的智能網聯汽車分層式結構設計

潘霞　張慶余　張蘇林

摘 要：中國的智能網聯汽車產業發展已上升至國家戰略層面，在頂層設計方面，我國制定了一系列等指導性文件，從產業規劃、技術標準等方面推動智能網聯汽車產業發展。在標準法規方面，國家發改委發布、工信部均發布響應指導性文件，指出分階段實現智能網聯汽車產業高質量發展的目標。隨著智能網聯汽車技術的日益成熟，合理的分層式結構成為必然趨勢。

關鍵詞：智能網聯汽車;分層式結構;AUTOSAR架構

1 引言

我國已積極開展智能網聯汽車共性基礎、關鍵技術、行業產業急需的標準以及相關法律法規的研究制定。國內主要整車企業已開始在量產車上裝備了L2級輔助駕駛系統產品，并積極進行更高級自動駕駛技術及產品的開發。整車企業的列裝計劃也促進了我國自主輔助駕駛系統企業的快速發展。

在汽車產業智能化、聯網化不斷推進的大背景下，積極推進智能網聯汽車自動駕駛技術研究已成為行業當前的工作主體，當前在智能網聯汽車相關業務方面仍有很多關鍵性行業問題有待突破和解決。智能網聯汽車，在車輛動力系統方向將趨向電動化發展;底盤系統方向將更加注重智能化控制以滿足高級自動駕駛需求;而汽車電控及軟件架構也將因為新的需求發生巨大的革新。汽車產業將迎來由傳統機械驅動時代（發動機、底盤、變速箱）轉移為智能驅動時代（數據、架構、人工智能）的時代變革。伴隨著感知、融合、控制決策、高精地圖與高精定位、車聯網（V2X）等技術的不斷突破，自動駕駛車輛在汽車的占比將逐年增加，先在某些地區到達某個臨界點，在其他相關技術、法規政策的加持下，超前其他地區實現完全自動駕駛，汽車產業進入部分自動駕駛與完全自動駕駛共存階段。最后，隨著完全自動駕駛地區數量的不斷增加，從點到線，由線到面，最終實現全區域的完全自動駕駛。

基于AUTOSAR架構設計的智能網聯汽車分層式結構，形成車輛底層控制、核心自動駕駛系統以及上層應用的模塊化和平臺化，進一步促進核心系統層和底層數據接口、硬件接口，以及核心系統層和上層應用的數據接口和軟件接口定義的標準化，可實現根據不同項目、不同車型、不同功能配置和不同硬件選擇相應的軟件模塊，進行裁剪、移植和集成，從而縮短項目的軟件開發周期并降低開發成本，大幅提升車輛與系統的靈活適配性，進而積極推動自動駕駛車輛的大規模生產與應用。

2 AUTOSAR架構簡析

AUTOSAR定義的軟件架構，主要采用了分層式結構，圍繞運行時環境（RTE）展開，RTE層以上是應用層部分，采用軟件組件（SWC）的形式定義。而RTE層的下方為基礎軟件層（BSW），其分層結構見圖1，基礎軟件可分為兩個部分，分別是與硬件不相關的基礎軟件，包括操作系統、服務、通信等，以及和硬件相關的基礎軟件，包括微控制器抽象層MCAL和復雜驅動CDD。應用層與基礎軟件層的連接是通過RTE層，定義接口標準實現層間的數據交互。

2.1 標準接口定義

AUTOSAR共定義了三種類型的接口，分別是AUTOSAR接口、標準AUTOSAR接口以及標準接口。

AUTOSAR接口一方面描述軟件組件之間獲取和提供的數據和服務，另一方面描述軟件組件與ECU抽象層、復雜驅動之間進行的獲取和提供的服務。此種接口是按照AUTOSAR接口定義規則來定義的，這些接口中的一部分已經由AUTOSAR定義，另外一部分需要整車企業自定義，通過這些接口實現了軟件組件在不同的ECU上的可重用性[1]。

標準AUTOSAR接口完全由AUTOSAR標準來定義，主要包括兩種類型的接口：基礎軟件提供給應用程序的服務接口以及整車企業根據需要配置的標準接口。標準接口即標準API，一般由C語言定義，主要實現ECU內部BSW模塊之間，以及運行時環境和操作系統之間的函數調用關系。

2.2 虛擬功能總線VFB及運行環境RTE

AUTOSAR將底層基礎軟件和網絡結構抽象成虛擬的功能總線，即VFB，它是各類通信機制的一個集合。運行時環境RTE是指單個ECU上對VFB接口的實現。由于各個軟件組件之間無法實現直接通信，因此，需要RTE進行相應的封裝，提供層間通信所需的API，進而使用端口等方式進行數據信息交互。也就是說，軟件組件只需向VFB發送輸出信號[2]。

運行時環境RTE類似于面向對象編程的主要思想，各個ECU和其所對應的RTE都是特定的，RTE負責各個軟件組件與基礎軟件之間的通信。簡單來說，RTE可以看作是VFB的接口實現。

2.3 基礎軟件層BSW

基礎軟件可分為兩個部分，分別是與硬件不相關的基礎軟件，包括操作系統、服務、通信等，以及和硬件相關的基礎軟件，包括微控制器抽象層MCAL、ECU抽象層和復雜驅動CDD。其結構如圖2所示。其中微控制器抽象層包括硬件驅動程序，用于訪問內存、通信等。ECU抽象層主要負責實現通信、內容或者I/O的訪問，為其提供統一的接口。

3 智能網聯汽車分層式結構設計

3.1 智能網聯汽車關鍵技術

智能網聯汽車代表了未來汽車產業技術的發展方向和戰略制高點，也是國際汽車產業未來競爭的重要陣地。為落實《中國制造2025》和《汽車產業中長期發展規劃》，國家發改委在2018年發布了《智能汽車創新發展戰略（征求意見稿）》，指出了中國標準智能汽車全面發展的六大戰略任務。智能網聯汽車產業是一個大的產業集群，關鍵核心技術的持續攻關是中國在智能網聯汽車領域引領世界汽車工業發展的重要因素。以接口引領自動駕駛相關標準建立、建設各級別自動駕駛產品準入測試流程為主線，能夠有效地向產業鏈上下游延伸，貫徹標準先行方針，整合行業資源，推動企業在環境感知、高精地圖與高精定位、V2X、多傳感器融合、控制決策等上下游關聯技術領域實現突破。

3.2 智能網聯汽車分層式結構

智能網聯汽車分層式結構以自動駕駛系統為核心中間層，系統層對下連接車輛底層（基礎層），包括車輛控制器、ECU、內存驅動、通信驅動等，對上連接應用層，主要包括面向用戶的智能座艙、車載信息娛樂系統等，具體分層形式及各層所包含內容如圖3所示。

3.2.1 基礎層

智能網聯汽車自動駕駛的執行離不開車輛底層控制系統，自動駕駛的落腳點仍然是在于“駕駛”，也就是執行機構。在車輛具備線控的基礎上，通過自動駕駛系統層的環境感知、路徑規劃、智能控制等系列技術，輸出至車輛底層，進而執行轉向、制動、加速等動作，實現真正意義上的自動駕駛。

其中自動駕駛系統層的第三層級——控制層，需要定義相應的接口標準，包括數據接口、軟件接口，以能夠和不同的車輛底盤進行靈活適配為目的，在盡可能少量的標定工作需求下，完成底層的對接。

3.2.2 核心系統層

系統層即對應自動駕駛系統，分為感知、決策、控制三層，感知層以多傳感器融合感知算法為核心，結合深度學習等先進算法，能夠實現對周邊環境、障礙物、交通標識、行人等的準確識別。決策層重點在于路徑規劃算法的準確性和實時性，依托于環境感知和導航子系統的輸出信息，并通過一些特定約束條件（如無碰撞、安全抵達終點等），規劃出汽車的行車路徑。控制層主要負責車輛的橫縱向精準控制[3]。

系統層對接上下兩層的核心在于接口定義的標準化，也就是說系統層和底層數據接口、硬件接口，以及系統層和應用層的數據接口和軟件接口定義的標準化，接口的標準化是實現自動駕駛系統快速移植的關鍵。可根據不同項目、不同車型、不同功能配置和不同硬件選擇相應的軟件模塊，進行裁剪、移植和集成，大幅提升車輛與系統的靈活適配性，進而促進自動駕駛車輛的大規模生產與產業化落地，見圖4。

3.2.3 應用層

應用層是指通過搭載智能座艙、車載信息系統等應用層設施，面向用戶需求形成多場景的應用環境，此外，還包括特定場景下的自動駕駛落地運營車，如智能送餐車、智能安防巡邏車等等。其核心仍是基于自動駕駛系統的場景應用。

4 總結

隨著自動駕駛技術的日益完善，具備靈活適配性的自動駕駛系統勢必成為支撐自動駕駛升級和量產的必備產品。系統層對接基礎層與應用層數據接口、軟件接口的標準化成為制約自動駕駛技術量產的重要因素。因此，智能網聯汽車的分層式結構定義也將成為必然發展趨勢。

參考文獻：

[1]王林，曹建華，王同景.基于AUTOSAR規范的BMS軟件開發方法.[J].上海汽車，2019（07）：3-10.

[2]曾浩.基于AUTOSAR的主動安全帶控制器軟件構架設計. [C].中國汽車工程學會（China Society of Automotive Engineers）：中國汽車工程學會，2019：3.

[3]潘霞，張慶余，朱強.高精度地圖在自動駕駛領域的作用及意義解析[J].時代汽車，2019（04）：49-50+53.