ICV的E/E架构设计技术面临以下挑战：
（3）在通信系统设计上，现有的通信机制难以适应急剧增长的数据传输需求，急需设计高带宽、强实时性和低时延抖动的车载通信机制，加强通信网络的可配置性和多通信协议的可扩展性。
上述挑战对E/E架构技术发展提出了重大需求，如何引导E/E架构技术的进一步发展是ICV架构设计亟需解决的重大问题。
本文总体架构设计、硬件系统、通信系统和软件系统四个角度对ICV多域E/E架构研究的关键技术进行了深入分析，并展望了未来的发展趋势。
多域电子电气架构技术现状
根据算力集中程度，本文将E/E架构划分为分布式架构、域集中式架构和中央集中式架构，并详细论述各个架构的特点如下。
1.1分布式架构
图1分布式架构
1.2域集中式架构
图2域集中式架构
1.3中央集中式架构
图3多中央计算单元的中央集中式架构
图4单中央计算单元的中央集中式架构
综合来看，E/E架构从分布式架构到域集中式架构再到中央集中式架构的发展带来以下优势：
（3）缩短整车线束长度和质量，降低故障率。传统的分布式ECU导致线束较长、复杂纠结，并引发电磁干扰，故障率较高。集中式架构通过实现执行器、传感器等部件的区域接入，缩短线束长度，降低整车质量。
（4）为软硬件解耦奠定基础，支持软件定义汽车。分布式软硬件紧密耦合，难以解耦，而集中式架构实现了功能和算力的集中，为软硬解耦和软件分层提供了条件。
（5）车辆易于平台化，扩展性增强。集中式架构下，ECU的功能被弱化，传感器和执行器接口实现了标准化和通用化，域控制器和区域控制器可以根据需求进行配置调整，以适应不同的传感器和执行器方案。
多域电子电气架构总体设计技术
2.1架构总体设计的主要任务
（1）根据车辆功能需求合理划分各子系统功能，明确功能之间的逻辑连接关系，并实现软硬件映射。
（2）在功能交互、成本和供配电等因素之间进行权衡，设计硬件空间拓扑、连接拓扑和通信拓扑。
（3）形成集成控制器、传感器、处理器、线束、功能软件等软硬件的多维度整车系统设计方案。
（4）最终降低系统的重复性，提高系统的可验证性、高集成性、高安全性和可扩展性。
2.2架构总体设计与评估方法
图5V字型设计开发流程
电子电气架构设计是整车设计的核心任务之一，而电子电气架构评估则是架构方案优化的直接参考依据。综合目前电子电气架构的主流开发设计流程和面向ICV的电子电气架构需求，确定多域电子电气架构总体设计的重点内容主要包括以下5个方面：架构需求定义、架构功能设计、架构拓扑设计、架构系统设计、架构分析评估。
2.2.1架构需求定义
无论是传统还是多域电子电气架构的开发，都必须从市场需求的角度出发，进行全面的需求分析。基于分析评估，架构需求定义需要确定功能方案实现的目标，制定开发车型的整车需求，明确整车系统和各个子系统的需求，并同时制定出整车验证测试规范。通过需求分析，识别出开发目标和开发约束，是整个架构设计的起点。
2.2.2架构功能设计
根据架构的需求定义，完成架构的总体功能设计。为了降低电子电气架构的复杂性，需要对总体功能进行细分和切割，并将软硬件进行解耦。常用的功能设计方法是首先将整车功能划分为一级功能域级别，然后对功能域进行详细的二级功能划分，以实现将二级网络中的控制器功能移至域控制器，为后续高级功能的实现提供基础，支持更高级的功能实现。在功能架构设计阶段，需要完成初版网络拓扑、电子电气方案、子系统技术规范和功能方案的设计工作。
2.2.3架构拓扑设计
根据架构功能，提取架构的基本拓扑结构，包括硬件拓扑架构、连接拓扑架构和通信拓扑架构。通过对拓扑架构的细化优化，输出最优的拓扑方案，为其他设计部门提供软硬件开发的设计规范。硬件拓扑架构主要涉及硬件部件的整车安装布局、内部构成以及对外接口的详细信息，包括部件之间的组合关系和部件的内部细节。连接拓扑架构描述了各部件之间的逻辑连接方式和实现情况，包括具体的导线、线缆连接方式以及保险继电器盒的内部结构等。通信拓扑基于域间/域内不同的通信需求，完成通信网络的组网以及协议的确定。
2.2.4架构系统设计
根据前面阶段制定的电源分配图、接地点、整车布局以及供应商提供的接口控制文件，架构系统设计需要完成整车原理、接口定义和功能规范的设计，并建立整体架构模型。通过拓扑层信息、已有的开发数据库和经验输入等条件的支持，实现正确的逻辑和算法定义。完成系统级电子电气架构的解决方案制定和系统级验证测试规范制定。最终实现功能的下发，更新到产品部件设计中进行落实和验证。
2.2.5架构分析评估
（2）平台是否具有良好的可沿用性和公用性，能否满足高等级自动驾驶和智能网联的基本技术需求，具备领先的技术先进性。
多域电子电气架构的硬件系统
3.1功能域控制器及关键技术
图6智驾域控制器功能示意图
图7智能座舱域控制器功能示意图
3.2区域控制器及关键技术
图8区域控制器功能示意图
3.3中央计算单元及关键技术
3.4电源系统及关键技术
3.5线束系统及关键技术
多域电子电气架构的通信系统
4.1车载通信系统的发展和现状
表1各通信技术特性表
除了这些通信技术之外，还有一些正在试验阶段的新型车载通信技术。例如，第三代CAN通信技术CANXL，它缩小了CAN与以太网之间传输速度和耦合的差距，能够与以太网共同在基于信号的通信和面向服务的通信之间提供连接。在未来，车载通信系统的安全性和保密性将受到重视，光纤通信具有抗电磁干扰、无辐射、难以窃听等优点，将在车载通信安全、故障诊断和高精度控制等领域具有广泛应用。
随着汽车智能驾驶等级的不断提高，车载元器件数量呈指数级增长，信息数据量不断增多，对车载总线网络的传输速率、实时性、容错率和成本提出了更高的要求。
TSN能够实现低成本大带宽传输，传输速率可达10Mb/s至10Gb/s，并且使用非屏蔽双绞线实现全双工通信，相比传统的屏蔽线缆成本降低了80%，质量减轻了30%。此外，TSN还具有良好的扩展性和通用性，能够支持多种构型的车载网络拓扑结构，实现不同应用数据的传输。
4.2.2流量控制类协议
流量控制是实现TSN低时延传输和流确定性的关键技术之一。TSN的流量控制过程包括流量分类、流量整形、流量调度和流量抢占，对应的TSN协议如表2所示。
表2流量控制类协议表
4.2.3可靠性协议
4.2.4资源管理类协议
TSN作为多域E/E架构的重要组成部分已经受到了充分的重视。然而，目前对TSN的研究主要集中在工业互联网领域，车载TSN网络的研究还不够深入。在技术迁移过程中，存在几个亟待解决的难点：
（1）场景构建问题：大数据和多种类的车载TSN网络模型构建较为复杂，难以对事件触发的随机信号流进行建模。
（3）硬件支持问题：目前支持TSN以太网的芯片相对较少，也没有针对车载TSN的专业测试设备，搭建硬件实验平台较为困难。尽管面临重重困难，但无法否定TSN在车载实时通信应用方面的潜力。未来，TSN的带宽优势有望进一步提高；车载TSN与IP协议的结合将使更多更复杂的车载安全和多媒体应用成为可能；随着自动驾驶等级的提升，TSN的可靠性将随着车载网络信息安全性的提高而得到进一步提升；TSN协议的开放性也为学术研究和工业部署提供了更广阔的空间。
4.3基于服务的软件定义网络
综合上述，未来车载通信网络将具有以下特点：
（1）未来车载的通信协议将向着大带宽、低成本、高安全的方向发展，车载TSN将成为骨干网络，提供确定性、高带宽和高安全的连接，现有总线形式在某些特定场景仍将保留。
（2）为应对智能驾驶带来的挑战，车载网络将实现更多的安全功能，SDVN的应用将进一步提高网络的可配置性和灵活性。
（3）不同通信软件组件之间的接口将进一步标准化，软件的互换性将显著提高。
多域电子电气架构的软件系统
5.1软件定义汽车
5.1.1SDV的基本理念
随着功能的不断增加，车辆设计的核心逐渐从硬件设计转移到软件开发。软件成为塑造整车厂竞争力的核心要素。SDV的概念已成为产业界的共识，软件的开发和升级将成为贯穿设计、销售和服务的车辆全生命周期的关键组件。基于SDV的汽车整车开发流程将形成用户交互评价信息指导新车开发、OTA技术实现软件持续更新迭代的双闭环模式。基于服务的软件架构如图9所示。该软件架构一般被分为4层。
图9基于服务软件架构
5.1.2软硬件解耦与映射
SDV实现的重要前提是软硬件解耦，它是指软件系统的设计完全独立于硬件，在软件框架中通过对硬件接口进行抽象化处理来兼容不同硬件设备。软硬件解耦的关键在于接口定义的标准化，这需要整个汽车产业合理分工，通力配合，形成统一的软硬件接口定义技术规范。实现软硬件解耦对未来汽车开发、验证和售后都将产生重要影响。
首先，软硬件的解耦使得数据被从一个个子系统中解放出来，整车厂对功能实现的控制能力增强，这将对产业分工产生重要影响。其次，软件可以脱离硬件进行独立验证，原本需要通过硬件在环测试的功能可以通过集成硬件环境的软件在环测试进行验证，这将极大地加快整车开发与测试速度，降低验证成本。另外，汽车全生命周期的可升级将有效提高汽车售后的可维护性和安全性，通过远程升级（OTA）软件可以逐步解放功能，有效增强用户体验和提高汽车保值能力。然而，目前受到传统研发模式、企业转型困难以及产业分工矛盾的影响，软硬件的解耦仍然与理想状态相去甚远。
5.2面向服务的软件设计
面向服务的体系架构（SOA）是汽车产业从IT产业引入的先进理念，以其可重用、易升级、易部署和松耦合的特点，被认为是ICV汽车软件发展的重要方向。SOA的理念是通过灵活的接口使服务不再局限于特定的功能环境，实现服务共享。在这一理念中，接口的定义需要遵循SOA标准，独立于操作系统与硬件平台。这与之前提到的SDV原子服务层和设备抽象层的概念相辅相成。SOA的引入打破了传统汽车软件固化、封闭的生态，使之逐渐开放、开源。
为了保证各系统服务之间的信息互通和组合形式的扩展，各服务模块之间通过基于服务的中间件进行通信，从而改变了车内通信方式。传统的基于信号的通信方式在车辆设计时就完成了通信矩阵的定义，信号的数据量、发送周期和路由路径都是固化且静态的。而基于服务的中间件则通过在应用程序和网络之间进行一定的抽象，建立起服务与应用之间的网络连接。这种通信过程通常是动态的，在运行时可以进行配置，而不需要在设计时进行固化。
目前主流的面向服务的中间件主要包括DDS（datadistributionservice）和SOME/IP（scalableservice-orientedmiddlewareoverIP）。它们在AutoSAR中都被集成为标准化模块，因此被行业视为一流的解决方案。下表3对比了SOME/IP、DDS和基于信号驱动的通信机制。
表3通信机制对比
5.3车用操作系统
车用操作系统是车内系统程序的集合，其主要功能包括管理硬件资源、隐藏内部逻辑以提供软件平台、提供用户程序与系统交互接口以及为上层应用提供基础服务等。它包括车控操作系统和车载操作系统两大类。
5.3.1车控操作系统
图10车控操作系统基本架构
在车控操作系统领域，国内外的大部分企业都基于AUTOSAR开发自己的系统，可以说AUTOSAR软件架构标准在车控操作系统领域起到了关键的引领和参考作用，是目前国际上主流的汽车标准软件架构。
5.3.2车用操作系统
车用操作系统主要应用于车辆中的信息娱乐功能，对安全性和实时性要求相对较低，因此在这个领域的发展非常迅速。当前主流的车用操作系统在实时性、安全性和应用场景等方面进行了比较，如表4所示。
表4各类车载操作系统功能属性对比
随着智能化和互联化的不断深入发展，单一的车用操作系统已经无法满足不断丰富的车内信息娱乐功能需求，因此车用操作系统逐渐向多操作系统架构过渡。多操作系统架构主要有两种实现方式，一种是基于硬件隔离的架构，另一种是基于虚拟化管理技术（Hypervisor）的架构。硬件隔离架构通过在物理层面上进行硬件分区，简化了相应的资源分配管理问题，易于开发。然而，固定的硬件分区可能导致灵活性较差，并且可能造成一定程度的资源浪费。而基于Hypervisor进行多操作系统隔离和管理可以避免系统资源的固定分配，提高资源利用率。此外，它利用主机内存作为数据交互媒介，显著提高了数据共享能力。但是，同时也增加了系统开发的复杂性和安全风险。
研究展望
当前，关于智能网联汽车（ICV）的多域电子/电气（E/E）架构研究正日益增多。各国学术界和工业界都在进行大量的研究，并且一些大型汽车制造商已经在先进车型上进行了初步部署。然而，由于E/E架构涉及的要素综合性和复杂性，目前还没有形成一套完备的E/E架构设计理论、工程方法以及工具软件。因此，建议进一步加强以下研究方向。
（1）加强架构总体设计理论和方法的研究
目前业界的架构开发仍然主要依赖于工程经验，但随着功能的复杂化、需求的多元化和迭代的快速化，仅凭经验很难得到最优的设计效果。因此，需要尽快形成完整的设计理论和方法，从总体设计理论到工程实践应用，为架构总体设计提供指导。未来的研究应该从ICV的E/E架构设计问题的本质出发，研究实现安全性、经济性和可扩展性的设计机理。通过理论分析和试验验证，可以梳理汽车功能需求、安全需求与架构设计之间的内在联系，完成需求的规范化建模和功能的准确分割。基于现有的主流架构和技术水平，可以开展架构建模、系统优化和分析的研究，形成架构设计的理论和方法。
（3）开发E/E架构的仿真测试验证体系
（4）加强多维度冗余架构体系设计与信息安全纵深防护技术研究
为了应对ICV架构失效的隐蔽性和突发性难题，需要针对冗余架构体系下的传感器、控制器和执行器层面进行故障检测方法和主动重构控制理论的研究，探索高效精准的故障检测方法，建立完善的主动重构控制机制，确保在一定故障下ICV仍具备正常行驶能力。为了确保高级别自动驾驶系统的网络安全、数据安全和信息安全，需要从外部网联安全、域间控制安全、车载网络通信安全和控制器本体安全等多个维度出发，构建多层纵深防御体系，构建纵深防护技术理论，既保证系统安全，又降低冗余度和系统复杂性。
（5）加速ICV核心部件产业链的国产化进程
总结
多领域电子/电气(E/E)架构对于智能连接车辆(ICV)的普及和实现其预期功能具有重要意义。然而，在目前阶段，该领域仍然缺乏完善的方法论、技术理论体系和工具链，行业仍处于摸索和研究阶段，需要进行大量的研究和实践。