智能座舱产品设计系列一：智能化基础平台及架构

编辑导语：智能化汽车的发展是互联网技术赋能车辆的结果展现之一，随着汽车走向智能化，车辆在使用过程中一定程度上可以给予乘客或用户更好的交互体验。本篇文章里，作者介绍了智能座舱产品中基础平台的设计架构，一起来看一下。

一、何为汽车智能化

以智能化和网联化的技术赋能车辆，实现车辆对复杂环境的有效感知和识别，实现对车辆与驾乘人员、对其他车辆、对其他基础设施的智能化交互。

二、智能的两大核心功能：智能化和网联化

智能化方面，汽车具备智能的人机交互，如语音、手势、图像及其他生物特征的交互。

如车上人员可以通过语音或者手势，向车辆发生控制、询问以及娱乐互动等信息，车辆也可以通过语音播报、回复问询和娱乐互动，并进行主动安全驾驶预警；车辆可以通过驾驶员的生物特征，做身份识别和个性化配置，通过监测驾驶状态和健康信息，进行主动安全的预警和防护等。

网联化方面，智能汽车必须支持多元异构化通信网络的数据传输和管理，为车辆提供多网络的数据接入能力，实现车辆自身数据与外界数据的融合交互。如通过C-V2X实现车辆与云端交通生态的信息传递；利用车载WiFi/蓝牙/NB-IoT/手机投屏等实现设备互联互动。

三、智能的四大关键模块

1. TBOX

TBOX，即Telematics BOX，远程信息处理器，平时简称TBOX。主要提供基础位置服务、网联服务及简单的车辆控制服务。

一般车厂提出需求，由供应商提供定制开发，也有少数公司在结合自动驾驶，开始开发新的功能。主流的TBOX均采用通信模块、MCU、接口协议芯片组成的架构，其中通信模块是核心，要确保联网的稳定性和数据传输的有效性。

2. 智能网关

传统的网关+无线通信+新功能应用=智能网关。是车辆的数据中心，负责车内、车外的数据通信，借用互联网关MPU的计算能力，可以在车端做边缘计算，减少对云端和通信带宽的要求。

网关的智能操作系统可以集成多方应用程序，支持车身不同域之间的数据通信，包括以太网、CAN-FD、LIN网联。支撑车辆的无线联网，提供远程互联功能，如远程诊断、OTA更新等，同时提供安全服务（入侵检测和防火墙等）。

3. 交互类设备

交互类设备指具备交互接口，能实现人机互动的设备或模块，如中控屏、仪表、流媒体后视镜、电子外后视镜、HUD、方控等。

过去的传统汽车里，这些设备功能分散、孤立，在交互逻辑上，“指令——响应”即可完成。今天，随智能化的发展，数据更融合，功能更聚合。交互方式的呈现演变为“识别——服务”。

当然，为支持这种智能化的服务，座舱要具备高算力的SoC芯片和丰富的传感器。系统基于识别引擎的结果和分析，方能提供智能化的用户体验。

4. 域控制器

随着汽车功能的越来越丰富，ECU越来越多，域控制器为实现以太网和云端的互联，以及兼顾先进架构和低成本，目前域控制器支持更多集成式的功能。需要满足以下要求，才能满足智能化的要求：

• 几个ECU（多个SoC或者MCU)分工合作功能由一个SoC完成；
• 支持一芯多屏、多屏互动；
• 支持整车OTA；
• 支持域控制器之间以及域控制器与主机之间可以通信、数据共享及功能协作。

四、​产业角色 OEM、Tier1、Tier2、Tier0.5、Tier1.5

汽车产品的研发生产是由车企、系统集成商以及零部件供应商共同参与的。OEM、Tier1、Tier2是最常听到的角色。

简单介绍下三者的关系：OEM是指整车厂，也叫主机厂。比如奔驰、宝马、北汽、上汽、蔚来、小鹏……这些厂家。Tier1是指一级供应商，直接跟OEM签订合同。Tier2是指二级供应商，跟Tier1签订合同。

需要着重介绍的是当前新兴的Tier0.5、Tier1.5

过去的传统汽车供应链，是一个自底向上的供应商模式，从Tier 2零部件给到Tier1进行集成设计，再到OEM整车厂进行设备生产。现在新兴的自动驾驶、智能座舱、算法服务服务商参与进来后，产业的合作形态正在出现细分、交叉与耦合，从而出现了Tier0.5Tier1.5这样的供应商概念。

例如长城的仙豆智能、吉利的亿咖通等公司，他们从股权关系上讲，往往隶属于主机厂；从业务上讲往往又是独立的，为兄弟OEM公司提供产品、服务、数据支持，这种离OEM比Tier1更近的公司，被称为Tier 0.5。

而随着智能融合的趋势加速，Tier2提供的单一零部件，已经无法满足Tier1和OEM的更系统化、更融合的方案需求。尤其是自动驾驶和视觉领域，应运而生了一大批创业公司，这些新兴的AI技术公司不光提供单纯的视觉感知产品方案，还会提供到集成化的决策方案、融合策略以及智能化控制等一系列产品形态。

比如基于视觉感知技术和传感器融合方案的ADAS辅助驾驶系统、自动驾驶系统、HUD融合控制等集成化的车辆智能化升级方案。我们一般这类定位的企业理解为Tier1.5,它们在产业链中的价值，是拟合了Tier2和Tier1之间的Gap。

为什么要在本文讲上面这个供应链呢？这是因为我们下面要讲的汽车智能化平台，诞生的一个重要原因就是要融合、协同这些产业关系。

五、汽车智能化基础平台

鉴于汽车智能化需要OEM、Tier0.5、Tier1、Tier1.5、Tier2这么多的企业协同，在面对以上这些模块的集成和应用时，如果没有统一的、通用的软硬件基础平台，那么，不同的芯片、系统、应用、设备供应商与主机厂在技术路线、设计理念、数据权利等方面就会存在冲突，产业协同难度会越来越大，同时也造成重复投入资源。

为此，构建一个整合主机厂和各类供应商的产品、资源、服务的通用软硬件平台就显得尤为必要和重要。

智能化基础平台属于汽车智能化产品开发的中间产品平台，包括硬件平台、系统软件和功能软件三个部分。

1. 硬件平台由异构芯片组成，并采用模块化设计，是平台的基础；
2. 系统软件由设备管理程序、操作系统、基础服务软件（如协议栈）等组成，是保证系统运转的核心；
3. 功能软件运行在系统软件之上，主要用于实现平台各类基础服务，为应用程序的开发提供支撑。

在智能汽车的技术体系中，智能基础平台定位为车内外互联、人机交互的中枢，支撑智能汽车的动态地图、云控、计算平台等系统应用的开发，主要功能包含：

1. 网联通信：具备多模式的通信能力，实现车辆自身数据与环境以及云端数据的传输；
2. 智能交互：提供应用层APP与车辆底层数据的接口，服务于计算平台及车载APP功能的开发和实现；
3. 多模式定位：提供多模式、紧耦合的高精度定位服务能力；
4. 数据标准化：提供车辆异源、异构数据的标准话管理及对外服务接口等。

六、智能化基础平台架构设计要求

智能化服务平台基于通用的硬件平台、软件框架和标准规范接口，同时使用车内传统网络、以太网、CAN总线和车外网络，根据各个项目的需求，指导硬件平台设计，搭载通用的系统架构和系统软件以及应用框架软件，再配合安全解决方案和工具链。从而向上支撑智能化体验的产品开发，支撑最终的产品交付，如下图。

七、智能化基础平台架构的核心内容

1. 异构分布硬件架构

硬件架构是异构芯片板集成的基础，硬件架构需要支撑芯片选型灵活、可配置扩展、算力可堆砌等要求。硬件主要包括智能交互单元、通信单元、网关单元。

智能交互单元实现传感器及交互类硬件的数据处理，包含多个SoC。随着座舱信息娱乐功能的丰富，音频、影像、屏显、车内Iot设备的连接，智能Soc的集成度也越来越高，CPU以及GPU的处理能力也在不断加强。

通信单元实现互通互联，包含GSM/GPRS/C-V2X、GPS、WIFI以及蓝牙等的无线连接。

网关单元要保障座舱域内安全可靠的数据传输、内置存储和常用网关接口。网关接口包括车载以太网（ETH）、控制器局域网（CAN、CANFD）、本地互联网（LIN）和FlexRay等接口。同时网关单元还要具备硬件安全模块（HSM）和安全的OTA升级。

2. 车载操作系统

车载操作系统侧重与人与车、车与车、车与互联网的信息交互和交互体验，是智能化和网联化的基础。

车载操作系统是指运行于车载的专用中央处理器，基于车身总线系统和互联网服务，形成的车载综合信息处理系统，能承载3D导航、实时路况、辅助驾驶、故障监测、车辆信息查看、车身控制与设置、蓝牙电话、WiFi互联、在线娱乐以及TSP服务等一系列应用，为驾乘人员提供娱乐、导航、通信以及驾驶服务等各项服务。

车载操作系统包含系统层、服务层和框架层的整体基础软件框架。

目前在体验端会发现，舱内多应用融合以及大数据分析，逐渐成为智能座舱系统迭代方向。如合仪表展示、前后排信息娱乐、座舱控制、ADAS、APA等多项服务，在体验上逐步聚合。

3. Adaptive AutoSAR

Adaptive AutoSAR 是一种适用于高级自动驾驶的软件架构平台，提要提供高性能的计算和通信，提供灵活的软件配置，支撑应用的更新。

Adaptive AutoSAR 的主要架构分为硬件层、ARA（AutoSAR Run-timeFor Adaptive实时运行环境）以及应用层。

应用层包含的应用程序模块（AA）运行在ARA之上，每个AA以独立的进程运行。ARA由功能集群提供的应用接口组成，他们属于自适应平台。自适应平台提供Adaptive AutoSAR 的基本功能和标准服务。每个AA可以向其他AA发生服务。基于这种架构，整车的功能之间可以解耦。

4. 分布式通信

在智能基础平台里，多个分布的信息源与多个接收这些源的分布网络节点构成了异构分布式网络。其要求通信具备高效率、实时性、高安全性。

目前解决异构分布式系统之间的互联和互操问题通常采用中间件技术。数据分布服务DDS（Data Distribution Service）满足多种分布式实时通信要求。DDS属于通用概念。车载操作系统需要建立跨多单元、高速、高效的DDS机制，DDS可采用发布/订阅架构。

5. 车载移动通信

车载移动通信主要是指车内通信、车际通信、车云通信，实现本地数据间、本地数据与环境数据、本地数据与云端数据的传输和交互。通过数据的深度融合，支撑智能座舱、自动驾驶、行车控制以及在线娱乐的等需求。

一般按照应用场景可分为覆盖中、短距离的车内通信系统；中距离的无线通信系统（如V2X），其中V2X可以细化基于4G LTE、基于5G NR的技术。在对应的产品服务上，4G主要解决主动安全问题，即车车、车人、车路之间的信号传输，5G可以在4G的基础上增加车辆的编队行驶、传感器数据融合、远程驾驶、驾驶服务等新场景。

车辆本身的毫米波雷达、摄像头、采集车辆周边的环境，另外通过V2X获取更多丰富的环境参数，如十字路口、斜坡信息、道路状况等，形成更多技术认知，提升主动安全性。

比如V2V车车提供的防碰撞预警系统，车辆之间的安全距离可以进一步缩短；通过V2I车路获取的交通管制信息，可以控制车辆的速度和加减速的时机；V2P车人可以保障形容安全……

6. 面向服务的基础架构

SOA（Service-OrientedArchitecture）是一种基于业务实现的粗粒度松耦合的面向服务的分布式架构，即实现业务和技术的分离，又实现业务和技术的自由组合。

以位置服务为例，很多车内应用会用到位置信息，像天气、拍照、导航，这些应用根据自身服务有不同的需求，对位置信息的处理各不相同，SOA就可以很好地解决这个问题。

智能汽车是一个跨行业、多领域技术高度融合的产品，技术体系复杂、产业链常，总体规模庞大，在产品技术规划时需要考虑监管、资源整合、多方协同的要求。

智能化基础平台便是统筹和融合不同行业参与者而产生的一个结果。除此之外，智能汽车还包含信息安全基础平台、高精动态地图基础平台、云控基础平台、计算基础平台。鉴于我本职为智能座舱产品经理，对于其他四个平台了解甚少，暂不扩展。

后续文章，开始介绍一些具体模块的产品设计和落地。

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题图来自Unsplash，基于 CC0 协议