專用汽車電控系統(tǒng)集成優(yōu)化方案探析

摘要：本文針對(duì)專用汽車電控系統(tǒng)集成優(yōu)化問題展開研究。傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)集成方案存在模塊化程度低、冗余嚴(yán)重以及實(shí)時(shí)性差等不足。文章提出了一種基于域控制器的新型集成架構(gòu)，采用面向服務(wù)的設(shè)計(jì)理念，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化接口，實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦，極大地提高了系統(tǒng)模塊化水平。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與多核異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)，并引入安全隔離機(jī)制，全面提升系統(tǒng)實(shí)時(shí)性與可靠性，為專用汽車電控系統(tǒng)發(fā)展提供新思路。

關(guān)鍵詞：專用汽車；電控系統(tǒng)；域控制器；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；多核異構(gòu)

中圖分類號(hào)：U469.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

專用汽車因其特殊的任務(wù)需求，其所搭載的電控系統(tǒng)在復(fù)雜度和關(guān)鍵性方面遠(yuǎn)超普通車輛。而當(dāng)前專用汽車電控系統(tǒng)面臨著多方面的挑戰(zhàn)，這些問題嚴(yán)重制約了系統(tǒng)的整體性能和效率。首要問題是模塊化程度低，不同功能模塊之間的高度耦合導(dǎo)致系統(tǒng)難以進(jìn)行獨(dú)立升級(jí)或替換，限制了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。其次是系統(tǒng)存在嚴(yán)重的冗余問題，各子系統(tǒng)的獨(dú)立設(shè)計(jì)造成硬件資源的重復(fù)配置，整體復(fù)雜度高。第三是系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性差，傳統(tǒng)架構(gòu)難以滿足多任務(wù)并發(fā)處理的需求，這直接影響了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，尤其在需要快速反應(yīng)的特殊工況下表現(xiàn)不佳。最后，安全隔離機(jī)制的不足也是一個(gè)值得關(guān)注的問題，關(guān)鍵任務(wù)與非關(guān)鍵任務(wù)的混合處理增加了相互干擾的風(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定或故障。

在傳統(tǒng)專用汽車電控系統(tǒng)的典型架構(gòu)中，各功能模塊如發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元（ECU）、變速器控制單元（TCU）、制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（ABS）等，都是獨(dú)立設(shè)計(jì)的。這些模塊通過CAN 總線互連，形成了一個(gè)分布式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種架構(gòu)難以滿足現(xiàn)代專用汽車對(duì)高度集成、高效協(xié)同的需求，亟須進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。為破解上述難題，須盡快探索出一種全新的系統(tǒng)集成優(yōu)化方案。本文擬從體系架構(gòu)、服務(wù)化設(shè)計(jì)、軟硬件分離、多核實(shí)時(shí)處理以及安全隔離等角度入手，系統(tǒng)闡述專用汽車電控系統(tǒng)的集成優(yōu)化策略，以期為相關(guān)領(lǐng)域提供有益參考。

1 專用汽車電控系統(tǒng)集成綜述

1.1 現(xiàn)有集成方案分析

目前，專用汽車電控系統(tǒng)主要采用中央集中式和聯(lián)邦分布式兩種集成方案。中央集中式架構(gòu)將所有功能集中于一個(gè)中央控制器，優(yōu)點(diǎn)是集成度高、成本低，但缺乏靈活性與冗余，一旦故障后果嚴(yán)重[1]。聯(lián)邦分布式架構(gòu)按照域劃分控制器，各自實(shí)現(xiàn)本域功能，優(yōu)點(diǎn)是容錯(cuò)性高、響應(yīng)快，但存在重復(fù)開發(fā)、系統(tǒng)復(fù)雜度高等問題。兩種方案均難以滿足專用汽車日益增長(zhǎng)的智能化、網(wǎng)聯(lián)化需求。

1.2 亟待解決的關(guān)鍵問題

現(xiàn)有專用汽車電控系統(tǒng)集成方案，亟待解決以下四個(gè)關(guān)鍵問題：一是體系架構(gòu)渴求創(chuàng)新突破，以適應(yīng)功能安全、智能化的新需求；二是軟硬件高度耦合，接口不統(tǒng)一，導(dǎo)致模塊化程度低、可移植性差；三是關(guān)鍵任務(wù)缺乏安全隔離機(jī)制，存在相互干擾的風(fēng)險(xiǎn)隱患；四是實(shí)時(shí)多任務(wù)處理能力不足，難以應(yīng)對(duì)苛刻工況。這些問題制約了專用汽車電控系統(tǒng)的發(fā)展，迫切需要新的集成優(yōu)化方案來破解。

針對(duì)上述問題，本文提出的集成優(yōu)化方案具有很強(qiáng)的針對(duì)性。首先，創(chuàng)新的域控制器架構(gòu)通過功能域劃分，既保留了分布式的優(yōu)點(diǎn)，又降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，使架構(gòu)能夠靈活適應(yīng)新需求。其次，面向服務(wù)的軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了軟硬件解耦，大大提高了模塊化和可移植性。再次，硬件隔離和RTOS 相結(jié)合，構(gòu)建了完善的安全隔離機(jī)制，可有效防止任務(wù)干擾。最后，多核異構(gòu)平臺(tái)充分挖掘計(jì)算潛力，配合RTOS 精妙的任務(wù)調(diào)度，為苛刻工況下的實(shí)時(shí)多任務(wù)處理提供了有力保障[2]。

2 面向未來的集成優(yōu)化方案

2.1 全新的域控制器架構(gòu)

本文給專用汽車提出新的電控系統(tǒng)集成架構(gòu)，即域控制器架構(gòu)，它是對(duì)傳統(tǒng)中央集中式和聯(lián)邦分布式方案的創(chuàng)新突破（圖1）。該架構(gòu)引入“域”的概念，根據(jù)專用汽車的不同功能域（如車身、底盤、動(dòng)力和輔助駕駛等）設(shè)置多個(gè)域控制器。每個(gè)域控制器集成管理本域內(nèi)的傳感器、執(zhí)行器等硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)本域的特定功能。域內(nèi)采用主從式架構(gòu)，域控制器作為主控，協(xié)調(diào)從控單元。各個(gè)域通過標(biāo)準(zhǔn)化的車載以太網(wǎng)互聯(lián)，進(jìn)行跨域信息交互和資源共享。這種架構(gòu)一方面保留了分布式的優(yōu)點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)能力和響應(yīng)速度。另一方面通過劃分功能域簡(jiǎn)化了系統(tǒng)集成的復(fù)雜度，不同域的變化可以隔離，從而提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。域控制器的引入為專用汽車電控系統(tǒng)集成開辟了一條全新的路徑[3]。

2.2 面向服務(wù)的軟件設(shè)計(jì)理念

為進(jìn)一步提高專用汽車電控系統(tǒng)的模塊化和可移植性水平，本文采用面向服務(wù)的軟件設(shè)計(jì)理念。傳統(tǒng)的軟件與硬件高度耦合，不同模塊間接口不統(tǒng)一，導(dǎo)致了重復(fù)開發(fā)和移植困難等問題。面向服務(wù)的設(shè)計(jì)理念將軟件功能封裝成一個(gè)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)，不同服務(wù)通過定義統(tǒng)一的接口規(guī)范實(shí)現(xiàn)解耦。服務(wù)對(duì)硬件屏蔽，可以部署在不同的硬件單元上（圖2）。這種松耦合的架構(gòu)使得軟件開發(fā)可以獨(dú)立于硬件而進(jìn)行，提高了軟件的重復(fù)利用和可移植性。

在專用汽車電控系統(tǒng)中，將不同功能模塊（如導(dǎo)航規(guī)劃、目標(biāo)識(shí)別、故障診斷等）開發(fā)為一組標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，部署在域控制器上。當(dāng)硬件平臺(tái)升級(jí)或功能需求變更時(shí)，只需替換或新增相應(yīng)的服務(wù)，而無需修改整個(gè)系統(tǒng)，從而顯著提高了系統(tǒng)的柔性和擴(kuò)展性。服務(wù)化的軟件設(shè)計(jì)思路是專用汽車電控系統(tǒng)軟硬件分離的關(guān)鍵舉措。

2.3 基于多核異構(gòu)平臺(tái)的實(shí)時(shí)處理技術(shù)

專用汽車對(duì)電控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性提出了極高要求，特別是在復(fù)雜工況下需要處理大量的多任務(wù)并發(fā)。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，本文提出基于多核異構(gòu)平臺(tái)的實(shí)時(shí)處理技術(shù)。傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)采用單核MCU，很難滿足日益增長(zhǎng)的計(jì)算需求。多核異構(gòu)平臺(tái)集成了多個(gè)不同架構(gòu)、不同性能的處理器核心，可以針對(duì)不同類型的任務(wù)靈活調(diào)度，充分發(fā)掘計(jì)算潛力。本方案選擇了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）作為多核異構(gòu)平臺(tái)的軟件支撐[4]。RTOS 可以嚴(yán)格保證任務(wù)的執(zhí)行時(shí)限，動(dòng)態(tài)調(diào)度任務(wù)，合理分配異構(gòu)核心，從而在有限的硬件資源下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的實(shí)時(shí)多任務(wù)處理。

2.4 面向安全的隔離防護(hù)機(jī)制

專用汽車對(duì)安全性和可靠性有著極為嚴(yán)苛的要求，電控系統(tǒng)中任何一個(gè)細(xì)小的失誤都可能釀成重大事故。為確保電控系統(tǒng)的安全，尤其是在高度集成的架構(gòu)下避免不同任務(wù)相互干擾，本文提出引入面向安全的隔離防護(hù)機(jī)制。隔離是對(duì)安全關(guān)鍵域?qū)嵤┑闹鲃?dòng)防護(hù)策略，通過劃分安全隔離區(qū)，強(qiáng)制限制不同安全等級(jí)任務(wù)之間的資源訪問，杜絕低安全級(jí)的任務(wù)對(duì)高安全級(jí)任務(wù)的非法侵入，這需要軟件和硬件的協(xié)同。軟件方面，主要依靠操作系統(tǒng)和虛擬化技術(shù)，硬件上需要芯片廠商的支持（如ARMTrustZone）。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

為驗(yàn)證所提出的專用汽車電控系統(tǒng)集成優(yōu)化方案的有效性，本文搭建了一套試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)優(yōu)化前后的系統(tǒng)性能進(jìn)行了全面評(píng)估。

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

試驗(yàn)平臺(tái)基于某型號(hào)專用汽車底盤，搭載了一套原始的電控系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，按照新的域控制器架構(gòu)、面向服務(wù)設(shè)計(jì)等優(yōu)化策略，對(duì)電控系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行了全面重構(gòu)。

硬件方面，采用了高性能的域控制器取代原有的中央控制單元和分布式控制器。域控制器選用了TI C6657 多核DSP+ 雙核ARM A15 的異構(gòu)處理器，其中DSP 負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)控制，ARM 負(fù)責(zé)高層決策和通信。每個(gè)域控制器配置了1GB DDR3 內(nèi)存和512 MBQSPI Flash。通過千兆以太網(wǎng)，所有域控制器互聯(lián)成環(huán)形拓?fù)洹?/p>

軟件方面，域控制器的操作系統(tǒng)采用TI SYS/BIOS 6.5，這是一款成熟的工業(yè)級(jí)RTOS。控制算法和決策算法分別運(yùn)行于DSP和ARM 上。車身域、動(dòng)力域和轉(zhuǎn)向制動(dòng)域是三大安全關(guān)鍵域，這些域的軟件按MISRA-C 編程規(guī)范開發(fā)。特別地，動(dòng)力域和轉(zhuǎn)向制動(dòng)域的安全任務(wù)在ARM Trust Zone 安全區(qū)運(yùn)行。高層軟件功能被封裝為一組服務(wù)，通過TCP/IP 接口調(diào)用。還針對(duì)底盤控制回路、網(wǎng)絡(luò)通訊時(shí)延及故障診斷等關(guān)鍵場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了一系列測(cè)試用例，用于考核系統(tǒng)性能。

3.2 優(yōu)化前后性能對(duì)比

為客觀評(píng)估優(yōu)化效果，本文選取了若干項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)，測(cè)試優(yōu)化前后電控系統(tǒng)的表現(xiàn)。各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比結(jié)果如表1 所示。

優(yōu)化后，加速踏板響應(yīng)時(shí)間從150 ms 降低到35 ms，控制響應(yīng)大幅提速。循跡誤差從15.6 cm降到5.2 cm，控制精度顯著改善。同時(shí)，最大超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差也有明顯降低，可見新方案保證了更優(yōu)越的底層控制性能。

如表2 所示，優(yōu)化后，域控制器間通訊的平均時(shí)延從25 ms 降低到5 ms，滿足了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求。時(shí)延抖動(dòng)也降至2 ms 以內(nèi)，通信質(zhì)量大為改善。同時(shí)，丟包率幾乎降至0，網(wǎng)絡(luò)可用性、可靠性大幅提升。值得一提的是，通過精簡(jiǎn)冗余數(shù)據(jù)，冗余幀率從8.0% 降低到1.2%，減少了網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。

如表3 所示，在引入新的故障診斷服務(wù)后，系統(tǒng)的故障檢出率從85% 升高到98%，而誤報(bào)率則從8.0% 降低到0.5%，診斷準(zhǔn)確性得到極大提升。與此同時(shí)，平均診斷時(shí)間從3.5 s 降低到0.5s，為駕駛員爭(zhēng)取了寶貴的應(yīng)對(duì)時(shí)間。

3.3 結(jié)果分析與討論

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，新的電控系統(tǒng)集成優(yōu)化方案在控制響應(yīng)、通信實(shí)時(shí)性和故障診斷等多個(gè)維度取得了顯著的性能提升[6]。其根本原因在于，通過功能域劃分，該方案很好地平衡了集中與分布的優(yōu)缺點(diǎn)，在車載計(jì)算資源有限的約束下，實(shí)現(xiàn)局部信息全局共享、協(xié)同優(yōu)化，避免了不同控制任務(wù)爭(zhēng)搶資源而導(dǎo)致的響應(yīng)時(shí)間波動(dòng)。而面向服務(wù)的架構(gòu)使軟件復(fù)用更加靈活，新功能的增加或裁剪都變得非常便捷。

4 結(jié)束語

4.1 全文總結(jié)

本文針對(duì)專用汽車電控系統(tǒng)集成優(yōu)化問題展開了深入研究。傳統(tǒng)的集成方案存在模塊化程度低、冗余嚴(yán)重和實(shí)時(shí)性差等不足。文章提出了一種創(chuàng)新的域控制器架構(gòu)，通過功能域劃分，在車載資源約束下實(shí)現(xiàn)局部信息全局共享、協(xié)同優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，采用面向服務(wù)的軟件設(shè)計(jì)思想，將不同功能封裝為標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)，極大提高了軟件的重用性和可移植性。新方案在控制響應(yīng)、通信實(shí)時(shí)性及故障診斷等多個(gè)性能指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了顯著提升。

4.2 未來工作展望

未來，專用汽車電控系統(tǒng)的集成優(yōu)化還有許多工作可以開展。一是考慮引入新興的人工智能算法，如深度學(xué)習(xí)，讓系統(tǒng)具備更強(qiáng)的環(huán)境感知和自主決策能力，提升專用車輛的智能化水平。二是探索“車—路—云”協(xié)同的信息物理系統(tǒng)架構(gòu)，通過車載終端、路側(cè)設(shè)施、云端平臺(tái)的融合，構(gòu)建全方位的信息感知和資源調(diào)度體系，發(fā)掘?qū)Ｓ密囕v的網(wǎng)聯(lián)化潛力。三是建立完善的測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)算法可解釋性、系統(tǒng)魯棒性等開展系統(tǒng)性研究，促進(jìn)智能網(wǎng)聯(lián)專用汽車測(cè)試驗(yàn)證技術(shù)的完善和規(guī)范。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 方克魁， 李存榮. 專用汽車水力測(cè)試系統(tǒng)研究與運(yùn)用[J]. 專用汽車，2023（07）：82-88.

[2] 邵可可， 范祥松. 一種新型純電動(dòng)專用汽車輔驅(qū)控制系統(tǒng)[J]. 汽車電器，2023（02）：7-8+11.

[3] 張超， 趙穎淼， 郭卓識(shí). 基于變頻調(diào)速的汽車專用液壓控制系統(tǒng)[J]. 汽車工藝與材料，2022（11）：61-64.

[4] 蓋立武， 李宗堂， 郭彩芬， 等. 汽車空調(diào)系統(tǒng)上蓋體零件專用夾具設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代制造工程，2021（11）：93-98.

[5] 劉娟娟. 電動(dòng)專用汽車高壓電氣系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)及故障分析[J]. 專用汽車，2021（07）：92-94.

[6] 于江江. 試析新能源技術(shù)在專用汽車底盤上的應(yīng)用[J]. 時(shí)代汽車，2020（07）：84-85+88.

作者簡(jiǎn)介：

汪茵，本科，講師，研究方向?yàn)槠嚢l(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修、混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)與維修等。