CN111314420B - 面向智能驾驶的柔性车载网络系统及车辆 - Google Patents

面向智能驾驶的柔性车载网络系统及车辆 Download PDF

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Abstract

本申请实施例公开一种面向智能驾驶的柔性车载网络系统及车辆。所述系统包括：中央计算与管理平台、外围设备和多台确定性低延时交换机；所述多台确定性低延时交换机按位置布置在车身上；所述多台确定性低延时交换机组成环网与所述中央计算与管理平台连接；所述外围设备按照物理位置划分区域组网且就近连接所述确定性低延时交换机；所述中央计算与管理平台部署有虚拟化的电子控制单元；整个车载网络系统采用全以太网布线。所述车辆包括所述系统。本申请实施例可以使得在整车电子设备数量增多、通信量增多、网络拓扑复杂多变的情形下保证整车通信能力，可提升车载网络的可扩展性和灵活性。

Description

面向智能驾驶的柔性车载网络系统及车辆
技术领域
本申请涉及车载网络系统技术领域，特别涉及一种面向智能驾驶的柔性车载网络系统及车辆。
背景技术
近年来车辆电子器件的增多和智能化程度的提升使得车辆从原来的机械产品越来越趋向于复杂的电子设备系统；其不断增加的复杂性反映在其电气和电子组件上，例如传感器、执行器、电子控制单元(ECU)以及车载网络上。
现有的车载网络为CAN、FlexRay、MOST等多种总线并存通过网关连接的异构车载网络。通过域控制器按照功能域分域控制，比如动力域、底盘域、车身电子域、智能驾驶域等。随着自动驾驶和车联网的概念日趋成熟，新一代自动驾驶车辆具有大量新的系统(例如行人检测，避撞，车道保持等)，它们需要以更加安全，快速的方式相互通信。
由此带来的汽车产业正在发生着变革，与此同时车载网络也面临挑战：一方面，自动驾驶和信息娱乐系统的升级带来的海量数据使得原有车载网络通信能力受限。基于CAN和FlexRay的现有车载通信网络足以满足过去几年车辆通信的要求；然而，随着智能化水平的提高，智能网联汽车所涉及到的感知、控制、决策复杂性会更高，传感器数目增多，车辆内部对于数据的共享需求以及跨域通信会增多，对于确定性低时延通信的要求也更高。传统的车载网络越来越难以支持和有效地满足复杂的高带宽、确定性低延迟通信需求。
另一方面，现有车内网络架构的柔性不足，难以满足车辆智能网联化的新需求。随着智能网联汽车的逐渐发展，车内自动驾驶相关需求不断增加，且交通场景的多变使得业务需求的增加、变更都需要动态改变车载网络，对网络配置的维护和更新带来挑战，如添加新的通信传感器，或者是汽车中增加新的ECU和软件应用程序；而且这种需求同时也会促使车端OTA(Over the Air，空中下载技术)需求的增多。
这对现有车载网络架构的通信带宽、布线复杂度、时延确定性和可扩展性带来了挑战，这种架构的主要瓶颈可总结为以下几点：
1、带宽瓶颈：传感器的增多带来的数据量突增使得传统车载网络带宽受限；
2、布线复杂度：节点的增加带来的布线复杂度、线束重量的增加对汽车维护、轻量化、动力性和经济性都带来负面影响；
3、确定性低延时：域内和跨域通信增多，现有的总线技术难以满足高并发大流量增多情形下的对于低确定性时延的要求；
4、架构的灵活性可扩展性：难以实现车载设备的在线升级维护、可扩展性以及网络的动态配置需求。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本申请的发明构思及技术方案，其并不必然属于本申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
本申请提出一种面向智能驾驶的柔性车载网络系统及车辆，可提升车载网络的可扩展性和灵活性。
在第一方面，本申请提供一种面向智能驾驶的柔性车载网络系统，包括：中央计算与管理平台、外围设备和多台确定性低延时交换机；
所述多台确定性低延时交换机按位置布置在车身上；所述多台确定性低延时交换机组成环网与所述中央计算与管理平台连接；
所述外围设备按照物理位置划分区域组网且就近连接所述确定性低延时交换机；
所述中央计算与管理平台部署有虚拟化的电子控制单元；
整个车载网络系统采用全以太网布线。
在一些优选的实施方式中，所述中央计算与管理平台包括中央计算平台和网络管理平台；
所述中央计算平台用于开展计算和决策；
所述网络管理平台设有南向接口和北向接口；
所述南向接口面向整个车载网络对流量转发、调度进行配置和管理；
所述北向接口面向所述中央计算平台，可根据业务应用需求提供接口。
在一些优选的实施方式中，所述网络管理平台为SDN控制器。
在一些优选的实施方式中，所述SDN控制器可动态地依据场景的不同对网络中的流量配置调度采取不同的方案，使得所有流量都可以最大化满足对应的确定性延时需求。
在一些优选的实施方式中，所述外围设备包括传感器、控制器、执行器和实体电子控制单元中的一种或多种。
在一些优选的实施方式中，所述传感器的具体形式包括摄像头和雷达。
在一些优选的实施方式中，还包括V2X设备，可与路侧设备、其它车辆以及云端进行通信。
在一些优选的实施方式中，所述确定性低延时交换机为时间敏感网络交换机。
在一些优选的实施方式中，所述外围设备与所述确定性低延时交换机连接的拓扑形式包括星形拓扑、树形拓扑和环形拓扑。
在第二方面，本申请提供一种车辆，包括上述柔性车载网络系统。
与现有技术相比，本申请的有益效果有：
外围设备按照物理位置划分区域组网且就近连接按位置布置在车身上的确定性低延时交换机。多台确定性低延时交换机组成环网与中央计算与管理平台连接。电子控制单元通过虚拟化的形式部署在中央计算与管理平台，实现车辆在线升级和维护。整个车载网络系统采用全以太网布线。如此，通过采用实时以太网和确定性低延时交换机可达到整车网络通信不同级别的确定性低时延要求，可以使得在整车电子设备数量增多、通信量增多、网络拓扑复杂多变的情形下保证整车通信能力，可提升车载网络的可扩展性和灵活性。
附图说明
图1为本申请一个实施例的面向智能驾驶的柔性车载网络系统的架构图；
图2为本申请一个实施例的面向智能驾驶的柔性车载网络系统的另一种表现形式的架构图。
具体实施方式
为了使本申请实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合图1至图2及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本实施例提供一种面向智能驾驶的柔性车载网络系统，也即柔性车载网络架构，可以应用在智能网联汽车中。参考图1和图2，本实施例的柔性车载网络系统包括中央计算与管理平台1、外围设备2、V2X设备3和多台确定性低延时交换机4。
中央计算与管理平台1部署有虚拟化的电子控制单元(ECU)。具体是采用ECU功能虚拟化技术，对车载设备ECU进行虚拟化，通过软硬件解耦，将部分的软件功能集中到中央计算与管理平台1中。
V2X(Vehicle to X，车用无线通信技术)设备3，又称为V2X-BOX，可与路侧设备、其它车辆以及云端进行通信。中央计算与管理平台1可通过V2X设备3与路侧设备、其它车辆以及云端进行通信。
多台确定性低延时交换机4按位置布置在车身上。也即，以中央计算与管理平台1为核心，在车身上按位置布置多台确定性低延时交换机4，示例的，前、后、左、右各布置一台，但不限定具体位置和具体数目。示例的，确定性低延时交换机4为时间敏感网络(TSN，Time Sensitive Network)交换机。
多台确定性低延时交换机4之间组成环网，同时与中央计算与管理平台1连接。
参考图1和图2，外围设备2包括传感器、控制器、执行器和实体电子控制单元。
传感器用于接收采集环境信息和车辆行驶状态信息。传感器具体包括摄像头和雷达。其中，雷达包括激光雷达、毫米波雷达和超声波雷达。传感器的数量可为多个。
控制器用于控制其它设备。
执行器用于车辆在运行时用于接收控制命令并执行操作。执行器具体可以是转向电机。执行器的数量可为多个。
实体电子控制单元是指车辆节点中部分未虚拟化到中央计算与管理平台中的具有处理和控制功能的电子单元。实体电子控制单元的数量可为多个。
外围设备2打破原始的按照功能域组网的方式，按照物理位置划分区域组网，就近连接确定性低延时交换机4。具体的，激光雷达、毫米波雷达、高清摄像头和转向电机等外围设备2通过星形拓扑、树形拓扑或环形拓扑与车辆中按位置部署的确定性低延时交换机4连接，至多一层汇聚，如此，可简化车辆线束复杂度和布线长度。
整个车载网络系统采用全以太网布线，也即整个车载网络系统采用全以太网进行通信，替换CAN、FlexRay、MOST等异构网络总线。以太网是指可满足确定性低延时的实时以太网。具体的，外围设备2通过以太网与确定性低延时交换机4进行通信；确定性低延时交换机4也通过以太网与中央计算与管理平台1进行通信。
中央计算与管理平台1承担网络管理以及车辆中央计算处理器的功能，包括中央计算平台11和网络管理平台12。
中央计算平台11是整车的计算和决策“大脑”，用于开展计算和决策。通过将部分ECU功能虚拟化部署到中央计算平台11中，可达到车载设备软硬件解耦的目的，可提升ECU功能部署的灵活性和可扩展性，可实现SDN(Software Defined Network，软件定义网络)控制与管理。
网络管理平台12具体是SDN控制器，设有南向接口和北向接口。
南向接口面向整个车载网络对流量转发、调度进行配置和管理。具体的，通过南向接口协议实现包括链路发现、拓扑管理、策略制定、表项下发等网络配置管理工作，面向整个车载网络对设备进行监管并对流量的转发、调度进行配置和管理。
北向接口面向上层的中央计算平台11，可根据业务应用需求提供接口，具体是为车载计算平台的不同业务场景应用需求提供合理且便捷的接口。具体的，通过北向接口向上层中央计算平台11的业务应用开放接口，实现便利地调用整个车载网络资源，根据业务需求，全局调度和优化网络。
为防范中央计算与管理平台1的宕机风险，可采取冗余备份。
中央计算平台11接收各电子设备也即外围设备2传输的数据信号，通过应用层软件进行归整、计算和决策；示例的，对摄像头、激光雷达、毫米波雷达等传感器通过确定性低延时交换机4调度传输至中央计算平台11的数据进行原始数据级别的前端融合，全面感知车辆周围环境，同时综合车辆此刻行驶状态以及云端信息进行决策，输出控制命令，再次通过确定性低延时交换机4转发调度至对应执行器，执行相应操作。
确定性低延时交换机4分散置于车辆的不同位置，具体个数和接口数根据连接设备的节点数决定。车载电子设备也即外围设备2根据物理位置就近选择确定性低延时交换机4连接至车载网络中，支持以太网接口的设备可以直接与确定性低延时交换机相连，暂不支持以太网接口的设备可以通过协议转换器相连。
确定性低延迟交换机4依据SDN控制器也即网络管理平台12下发的网络配置要求对整车数据进行转发和调度。不同数据可带有不同优先级标记，时延要求越高的数据优先级越高，如按照802.1Q标准标记1至7，数字越大优先级越高。对入口数据进行整形、调度，达到整车的不同类别数据均满足延时需求。
SDN控制器的工作流程为：导入所有摄像头、雷达和ECU等设备的网络参数至SDN控制器；这些网络参数包括数据带宽、频率、报文长度和最大延时需求等；同时SDN控制器还对车辆底层的所有网络节点设备进行统一的监控和统计。
SDN控制器为不同的流量制定转发和调度策略并下发，比如是否允许该流量被抢占，计算其对应的时间窗口，然后将计算结果下发至对应的交换机，完成一次静态配置。
在车辆运行过程中，依据道路环境场景的不同，车辆中所使用的传感器、ECU以及执行器会有所差别，SDN控制器也因此根据应用层虚拟化的软件系统需求，动态地依据场景的不同对网络中的流量配置调度采取不同的方案，使得所有流量都可以最大化满足其对应的确定性延时需求。例如，所使用的摄像头、激光雷达以及毫米波雷达的流量不同，网络拓扑和配置由此不断变化。
中央计算平台11依据SDN控制器的北向接口获取需要的数据，在平台中的虚拟化软件平台中进行处理。将处理完的控制指令下发至交换机和执行设备，响应指令并执行相关操作。
本实施例还提供一种车辆，该车辆包括上述柔性车载网络系统。示例的，车辆为汽车。
本实施例面向智能网联汽车，引入了柔性化开发的理念，可以使得在整车电子设备数量增多、通信量增多、网络拓扑复杂多变的情形下，保证整车通信能力，可提升车载网络的可扩展性和灵活性。本实施例的性车载网络系统是一种可满足智能驾驶的车载网络架构。
本实施例可满足由自动驾驶需求带来的逐渐增长的高带宽和确定性低延时的通信需求。全以太网通信的架构解决了原有的基于CAN、FlexRay的车载网络带宽受限的问题，可以达到百兆、1G甚至100G的通信带宽。同时通过实时以太网的采用，可以确保整个车载网络节点之间的确定性低延时网络通信。
本实施例可简化车内线束复杂度，减小线束长度，减轻线束重量。由于本实施例的车载网络架构按照物理位置连接到相应的交换机组网，不再是按照原来的点到点或者是功能域的方式进行总线连接，因此可以在很大程度上减少布线的长度，以及布线的复杂度，也便于后续的线束维护和检修。
本实施例可提升车载网络架构的可扩展性和灵活性。当前的车辆中ECU数量多达上百个，车辆的电子电气架构的可扩展性和灵活性都很差，增加、减少或者变更某一个设备可能都需要对整个网络带来变更。而本实施例对车载设备ECU进行虚拟化，通过软硬件解耦，将部分的软件功能集中到中央计算平台中，通过软件的配置更新提升架构的可扩展性。与此同时，还可以有效地改善当前车辆在线升级维护困难、时间长的问题。
本实施例可改善静态和手动配置方式不能很好适应智能网联汽车的问题。通常，汽车网络的配置或重新配置过程需要使用诸如仿真或网络建模工具之类的配置工具；例如，由于网络需求的变化，首先，网络工程师需要重新检查网络特性，比如传输模式(例如消息大小和周期，源和目的地，传输约束)、设备特征(例如处理能力，设备内消息的平均停留时间，队列大小等)和链路(例如比特率，传播延迟等)；基于这些特征，使用离线工具生成适当的网络配置。但是，设备的增加和变更对网络(如时间敏感网络TSN)配置的维护和更新构成了直接挑战，而且将来将需要动态更改这些网络配置，例如汽车中可能会添加新的通信传感器，或者是汽车中增加新的ECU或者软件应用程序，需要动态改变车载网络。当网络拓扑或流量模式的变化更频繁地发生时，静态和手动配置方式不再能很好的适应。因此，动态配置的解决方案(如SDN)可以很好地用来管理和改善此类情况，可应对网络拓扑和流量模式变更频繁发生时对网络配置带来的挑战。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本申请的保护范围。

Claims (8)

1.一种面向智能驾驶的柔性车载网络系统，其特征在于，包括：中央计算与管理平台、外围设备和多台确定性低延时交换机；
以中央计算与管理平台为核心，所述多台确定性低延时交换机按位置布置在车身上；所述多台确定性低延时交换机组成环网，同时与所述中央计算与管理平台连接；
所述外围设备按照物理位置划分区域组网且就近连接所述确定性低延时交换机；
所述中央计算与管理平台部署有虚拟化的电子控制单元，即采用电子控制单元功能虚拟化技术，对车载设备电子控制单元进行虚拟化，通过软硬件解耦，将部分的软件功能集中到所述中央计算与管理平台中，通过软件的配置更新提升架构的可扩展性；
整个车载网络系统采用全以太网布线，所述以太网是指可满足确定性低延时的实时以太网，所述外围设备通过以太网与确定性低延时交换机进行通信，确定性低延时交换机也通过以太网与中央计算与管理平台进行通信；
确定性低延迟交换机对入口数据进行整形、调度，达到整车的不同类别数据均满足延时需求，即通过采用实时以太网和确定性低延时交换机可达到整车网络通信不同级别的确定性低时延要求，可以使得在整车电子设备数量增多、通信量增多、网络拓扑复杂多变的情形下保证整车通信能力，可提升车载网络的可扩展性和灵活性；
所述中央计算与管理平台包括中央计算平台和网络管理平台；
所述中央计算平台用于开展计算和决策；
所述网络管理平台为SDN控制器，为不同的流量制定转发和调度策略并下发,设有南向接口和北向接口；
所述南向接口面向整个车载网络对流量转发、调度进行配置和管理；
所述北向接口面向所述中央计算平台，可根据业务应用需求提供接口,通过北向接口向上层中央计算平台的业务应用开放接口，实现便利地调用整个车载网络资源，根据业务需求，全局调度和优化网络；
所述多台确定性低延时交换机环形连接。
2.根据权利要求1所述柔性车载网络系统，其特征在于：所述SDN控制器可动态地依据场景的不同对网络中的流量配置调度采取不同的方案，使得所有流量都可以最大化满足对应的确定性延时需求。
3.根据权利要求1所述柔性车载网络系统，其特征在于：所述外围设备包括传感器、控制器、执行器和实体电子控制单元中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述柔性车载网络系统，其特征在于：所述传感器的具体形式包括摄像头和雷达。
5.根据权利要求1所述柔性车载网络系统，其特征在于：还包括V2X设备，可与路侧设备、其它车辆以及云端进行通信。
6.根据权利要求1所述柔性车载网络系统，其特征在于：所述确定性低延时交换机为时间敏感网络交换机。
7.根据权利要求1所述柔性车载网络系统，其特征在于：所述外围设备与所述确定性低延时交换机连接的拓扑形式包括星形拓扑、树形拓扑和环形拓扑。
8.一种车辆，其特征在于：包括根据权利要求1至7任一项所述柔性车载网络系统。
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Automotive E/E-architecture enhancements by usage of ethernet TSN;Stefan Brunner等;《2017 13th Workshop on Intelligent Solutions in Embedded Systems (WISES)》;20170724;第1-4节 *
基于模型的智能汽车电子电气架构发展综述;华一丁;《汽车零部件》;20190228;第0-4节 *

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