CN115576309A - 一种基于多目标设计的车载网络区域架构方法和车辆 - Google Patents

一种基于多目标设计的车载网络区域架构方法和车辆 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多目标设计的车载网络区域架构方法和车辆，该方法包括：设置与车载网络区域架构相关的物理设备；根据设计判据初步确定网桥整形周期T的取值范围；设置通信内存占用、系统回路延时、网络吞吐量、链路负载率为架构性能评价目标；根据设计需求确定架构性能评价目标最优解，确定网桥的整形周期T。本发明采用网桥整形策略和车载网络信息的扁平交换，提出了一种基于多目标设计的车载网络区域架构方案，解决了智能汽车新型电子电气架构下的网关设计复杂、网络拥塞、链路上流量易爆发、实时性不好且时延分析复杂等难题，将汽车电子电气架构设计进一步简单化。

Description

一种基于多目标设计的车载网络区域架构方法和车辆
技术领域
本发明涉及车载领域，具体为一种基于多目标设计的车载网络区域架构方法和车辆。
背景技术
随着汽车产业快速发展，汽车功能需求越来越丰富多样，车载电子器件、ECU数量越来越多，汽车通信网络越来越复杂，相应的电子电气架构设计开发理论应运而生，对整车平台顶层进行统筹规划的问题一般遵循V型流程，主要考虑网络拓扑、通信性能、项目开发周期以及可实现性等几个方面，然而对新架构下的通信性能缺乏明确且可靠的评价指标。
在E/E架构发展逐步演进的趋势下，基于以太骨干网的集中式网络架构已经逐步成为主流，其中区域架构是根据车辆物理空间布局集群的一种典型集中式网络架构，主要特点为：在中央计算单元中引入高性能处理器，进行数据处理和子系统协调及任务决策，大大提升了硬件整合度与系统可拓展性；同时，采用车载以太网作为区域控制器间的通信方式，极大地提升了通信带宽与信息安全，降低了系统供电复杂度和线束重量、成本。
由于在区域架构的基本形式中，一般涉及以太网、CAN、LIN、CANFD等多种复杂车载网络通信协议，为了保证通信的实时性和可靠性，目前各主机厂和科研机构纷纷提出各种流量监管、整形和调度策略，以提供对跨异构网络的数据包传输精确保证，但是要设计不同场景下的路由策略、整形器、调度器以及配置参数和算法并不容易。如何在保证车载网络通信强实时性、高可靠性、大吞吐量的前提下将电子电气架构设计进一步简单化还有待商榷。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种基于多目标设计的车载网络区域架构方法和车辆。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种基于多目标设计的车载网络区域架构方法，包括如下步骤：
（1）设置与车载网络区域架构相关的物理设备：包括中央计算单元、左前区域控制器、右前区域控制器和后区域控制器，通过车载以太网通信连接，且车载网络信息进行扁平交换；
（2）根据设计判据初步确定网桥整形周期T的取值范围；
（3）设置通信内存占用
Figure DEST_PATH_IMAGE001
、系统回路延时
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、网络吞吐量
Figure DEST_PATH_IMAGE003
、链路负载率
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为架 构性能评价目标；
（4）根据设计需求确定架构性能评价目标最优解，确定网桥的整形周期T。
所述步骤（1）中，中央计算单元包括中央交换机、网桥、高性能处理器；中央交换机与各区域控制器相连，仅负责转发；网桥与传感器节点、执行器节点及ECU相连，进行流量整形；高性能处理器包括车联网模块、智能车控模块、智能驾驶模块、智能座舱模块；所述车联网模块用于实现车辆与云端互联通信；智能车控模块用于实现电机控制、转向控制、充电电池管理等；智能驾驶模块用于实现车道保持、自适应巡航控制、自动紧急制动等智能驾驶功能；智能座舱模块用于实现仪表大屏显示、行车记录、人机交互等功能。
所述步骤（1）中，车载网络信息进行扁平交换，传感器节点、执行器节点和ECU根据物理空间上就近原则直接连接到区域控制器或者中央计算单元的网桥上，连接到左前区域控制器、右前区域控制器和后区域控制器内网桥的整形后发送至交换机，然后发送至中央计算单元，连接到中央计算单元内网桥的整形后发送至高性能处理器，从而实现车载网络信息可以通过更多的路径交换。
所述步骤（1）中，车载以太网采用100BASE-T1技术。
所述步骤（2）中，网桥包括多条数据流、队列缓冲区、门控列表、输出端口。网桥整形具体为：数据流进入队列缓冲区，每一条发送队列对应一个门控，门控有“Open”和“Close”两种状态，仅当数据所在发送队列的门控状态为“Open”的情况下，该队列缓冲区中的数据才可以传输，继而实现了在每个周期内只传输特定的数据流。
所述步骤（2）中网桥整形周期T设计同时满足的判据，具体为：
网桥的整形周期T需要满足的判据一为：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为流的个数，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
表示求和运算，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为该流中的数据包长度，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为该流的 个数，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为链路的传输速率。
网桥的整形周期T需要满足的判据二为：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为整形周期，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为帧的个数，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
表示取最大值运算，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为第
Figure DEST_PATH_IMAGE016
个帧的长度，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为总线的传输速率。
网桥的整形周期T需要满足的判据三为：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为系统回路的时延，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为上界算子，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为传感器的时延，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为传 感器到控制器的时延，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE023
为控制器的时延，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为控制器到执行器的时延，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE025
为执行器的 时延，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为系统设计时所能容忍的最大时延。
一种车辆，包括应用上述任意一项所述的基于多目标设计的车载网络区域架构方法。
本发明的有益效果：
1.本发明提出了一种基于多目标设计的车载网络区域架构方法和车辆，采用网桥整形策略，设置队列缓冲区和动态调整门控状态，解决了汽车新型电子电气架构下的网关设计复杂、网络拥塞、链路上流量易爆发等难题，将汽车电子电气架构设计进一步简单化。
2.本发明中的区域架构中车载网络信息进行扁平交换，而不是传统的复杂的多级分层结构，解决了实时性不好且时延分析复杂的问题，车载设备空间布置更加灵活。
3.本发明提出了一种基于多目标设计的车载网络区域架构方法，设置通信内存占用、系统回路延时、网络吞吐量、链路负载率为架构性能评价目标，在不额外增加硬件设备和复杂软件策略的基础上大大提高了网络资源利用率，同时确保车载网络通信的实时性、可靠性。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实施例中的一种基于多目标设计的车载网络区域架构方法的流程图；
图2为本发明实施例中的一种网桥整形的原理图；
图3为本发明实施例中的一种基于多目标设计的车载网络区域架构的拓扑图；
图4为本发明实施例中的一种开启电子制动系统功能的信号流示意图；
图5为本发明实施例中的一种开启电子制动系统功能的回路延时分析时序图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本发明提出了一种基于多目标设计的车载网络区域架构方法和车辆，如图1所示，
图1为本发明实施例中的一种基于多目标设计的车载网络区域架构方法的流程图，包括如下步骤：
（1）设置与车载网络区域架构相关的物理设备：包括中央计算单元、左前区域控制器、右前区域控制器和后区域控制器，通过车载以太网通信连接，且车载网络信息进行扁平交换；
（2）根据设计判据初步确定网桥整形周期T的取值范围；
（3）设置通信内存占用
Figure 240551DEST_PATH_IMAGE001
、系统回路延时
Figure 485588DEST_PATH_IMAGE002
、网络吞吐量
Figure 734166DEST_PATH_IMAGE003
、链路负载率
Figure 191693DEST_PATH_IMAGE004
为架 构性能评价目标；
（4）根据设计需求确定架构性能评价目标最优解，确定网桥的整形周期T。
所述步骤（2）中网桥的整形周期T需要同时满足的判据具体为：
网桥的整形周期T需要满足的判据一为：
Figure 333961DEST_PATH_IMAGE005
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为流的个数，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
表示求和运算，
Figure 283987DEST_PATH_IMAGE008
为该流中的数据包长度，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为该流的 个数，
Figure 613337DEST_PATH_IMAGE010
为链路的传输速率。网桥的整形周期T需要满足的判据二为：
Figure 281079DEST_PATH_IMAGE011
式中，
Figure 543433DEST_PATH_IMAGE012
为整形周期，
Figure 5638DEST_PATH_IMAGE013
为帧的个数，
Figure 353443DEST_PATH_IMAGE014
表示取最大值运算，
Figure 559296DEST_PATH_IMAGE015
为第
Figure 676157DEST_PATH_IMAGE016
个帧的长度，
Figure 840422DEST_PATH_IMAGE017
为总线的传输速率。
网桥的整形周期T需要满足的判据三为：
Figure 675523DEST_PATH_IMAGE018
式中，
Figure 419488DEST_PATH_IMAGE019
为系统回路的时延，
Figure 656434DEST_PATH_IMAGE020
为上界算子，
Figure 194863DEST_PATH_IMAGE021
为传感器的时延，
Figure 251681DEST_PATH_IMAGE022
为传 感器到控制器的时延，
Figure 673040DEST_PATH_IMAGE023
为控制器的时延，
Figure 639859DEST_PATH_IMAGE024
为控制器到执行器的时延，
Figure 4981DEST_PATH_IMAGE025
为执行器的 时延，
Figure 424461DEST_PATH_IMAGE026
为系统设计时所能容忍的最大时延。
图2为本发明实施例中的一种网桥整形的原理图，网桥包括多条数据流、队列缓冲区、门控列表、输出端口。网桥整形具体为：数据流进入队列缓冲区，每一条发送队列对应一个门控，门控有“Open”和“Close”两种状态，仅当数据所在发送队列的门控状态为“Open”的情况下，该队列缓冲区中的数据才可以传输，继而实现了在每个周期内只传输特定的数据流，解决了网络拥塞、链路上流量易爆发等难题。
图3为本发明实施例中的一种基于多目标设计的车载网络区域架构的物理拓扑图，包括中央计算单元、左前区域控制器、右前区域控制器和后区域控制器，以及若干传感器节点、执行器节点和多个ECU；
其中车载网络信息进行扁平交换，传感器节点、执行器节点和ECU根据物理空间上就近原则直接连接到区域控制器或者中央计算单元的网桥上，连接到左前区域控制器、右前区域控制器和后区域控制器内网桥的整形后发送至交换机，然后发送至中央计算单元，连接到中央计算单元内网桥的整形后发送至高性能处理器，从而实现车载网络信息可以通过更多的路径交换；
中央计算单元包括中央交换机、网桥、高性能处理器；中央交换机与各区域控制器相连，仅负责转发；网桥与传感器节点、执行器节点及ECU相连，进行流量整形；高性能处理器包括车联网模块、智能车控模块、智能驾驶模块、智能座舱模块；所述车联网模块用于实现车辆与云端互联通信，智能车控模块用于实现电机控制、转向控制、充电电池管理等；智能驾驶模块用于实现车道保持、自适应巡航控制、自动紧急制动等智能驾驶功能；智能座舱模块用于实现仪表大屏显示、行车记录、人机交互等功能。
图4为本发明实施例中的一种开启电子制动系统功能的信号流示意图；
当开启电子制动系统功能后整个回路信号流为：激光雷达节点探测的信息通过网络发送到后区域控制器网桥中，网桥整形后发送给交换机，交换机再通过网络发送至中央计算单元内的中央交换机，再发送至智能车控模块，智能车控模块产生相应的控制命令通过网络一起发送至后区域控制器内交换机中，交换机发送至后区域控制器内的网桥中，经过网桥整形后发送给电子制动系统，实现相应的功能指令。
图5为本发明实施例中的一种开启电子制动系统功能的回路延时分析时序图,实施例中激光雷达节点、后区域控制器、中央计算单元、电子制动系统均工作在时间触发模式下，网桥整形周期为T。
Figure DEST_PATH_IMAGE030
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为系统回路的时延，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
为上界算子，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为传感器的时延，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为激 光雷达节点到后区域控制器的时延，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
为错步时延，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为控制器的时延，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
为中央计算 单元到执行器的时延，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
为后区域控制器到中央计算单元的时延，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
为中央计算单 元到后区域控制器的时延，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
为执行器的时延。
通信内存占用、系统回路延时、网络吞吐量、链路负载率这四个作为车辆新型电子电气架构性能评价指标，网桥整形周期需要根据设计需求从评价指标最优解中选取合适参数，进而确定整形周期T。
在应用网桥整形时，上面部署的策略和整形器的配置也非常简单，因为它们只依赖于连接到桥的源的特征，而不依赖于网络拓扑、路由和其它源，此外交换机的配置也很简单，只起转发信息的作用。
在传统分布式架构下，信号的发送周期一般为1000ms,100ms,50ms,10ms等，尚且能满足点对点的车载网络通信方式，满足不了新的发展需求。通过网桥整形，可满足大吞吐量、合适的链路负载率、系统回路延时较低、通信内存占用较小等目的。
综上，所提出的一种基于多目标设计的车载网络区域架构方法和车辆，解决了智能汽车新型电子电气架构下的网关设计复杂、网络拥塞、链路上流量易爆发、实时性不好且时延分析复杂等难题，将汽车电子电气架构设计进一步简单化，为汽车新型区域架构设计提供了先进的技术支持。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于多目标设计的车载网络区域架构方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）设置与车载网络区域架构相关的物理设备：包括中央计算单元、左前区域控制器、右前区域控制器和后区域控制器，通过车载以太网通信连接，且车载网络信息进行扁平交换；
（2）根据设计判据初步确定网桥整形周期T的取值范围；
（3）设置通信内存占用、系统回路延时、网络吞吐量、链路负载率为架构性能评价目标；
（4）根据设计需求确定架构性能评价目标最优解，确定网桥的整形周期T。
2.根据权利要求1所述的一种基于多目标设计的车载网络区域架构方法，其特征在于：所述步骤（1）中，中央计算单元包括中央交换机、网桥、高性能处理器，中央交换机与各区域控制器相连，仅负责转发；网桥与传感器节点、执行器节点及ECU相连，进行流量整形；高性能处理器包括车联网模块、智能车控模块、智能驾驶模块、智能座舱模块；所述车联网模块用于实现车辆与云端互联通信，智能车控模块用于实现电机控制、转向控制、充电电池管理；智能驾驶模块用于实现车道保持、自适应巡航控制、自动紧急制动智能驾驶功能；智能座舱模块用于实现仪表大屏显示、行车记录、人机交互功能。
3.根据权利要求2所述的一种基于多目标设计的车载网络区域架构方法，其特征在于：所述步骤（1）中，车载网络信息进行扁平交换，传感器节点、执行器节点和ECU根据物理空间上就近原则直接连接到区域控制器或者中央计算单元的网桥上，连接到左前区域控制器、右前区域控制器和后区域控制器内网桥的整形后发送至交换机，然后发送至中央计算单元，连接到中央计算单元内网桥的整形后发送至高性能处理器，从而实现车载网络信息通过多路径交换。
4.根据权利要求1所述的一种基于多目标设计的车载网络区域架构方法，其特征在于：所述步骤（2）中，网桥包括多条数据流、队列缓冲区、门控列表、输出端口；网桥整形具体为：数据流进入队列缓冲区，每一条发送队列对应一个门控，门控有“Open”和“Close”两种状态，仅当数据所在发送队列的门控状态为“Open”的情况下，该队列缓冲区中的数据才传输，继而实现了在每个周期内只传输特定的数据流。
5.根据权利要求1所述的一种基于多目标设计的车载网络区域架构方法，其特征在于：所述步骤（2）中网桥整形周期T设计判据具体为：
Figure 894059DEST_PATH_IMAGE001
式中，
Figure 948603DEST_PATH_IMAGE002
为流的个数，
Figure 644026DEST_PATH_IMAGE003
表示求和运算，
Figure 151231DEST_PATH_IMAGE004
为该流中的数据包长度，
Figure 963372DEST_PATH_IMAGE006
为该流的个数，
Figure 872422DEST_PATH_IMAGE007
为链路的传输速率。
6.根据权利要求5所述的一种基于多目标设计的车载网络区域架构方法，其特征在于：所述的网桥整形周期T设计判据，同时需要满足：
Figure 738747DEST_PATH_IMAGE008
式中，
Figure 733248DEST_PATH_IMAGE009
为整形周期，
Figure 77642DEST_PATH_IMAGE010
为帧的个数，
Figure 106778DEST_PATH_IMAGE011
表示取最大值运算，
Figure 409583DEST_PATH_IMAGE012
为第
Figure 625801DEST_PATH_IMAGE013
个帧的长度，
Figure 773885DEST_PATH_IMAGE014
为总线的传输速率。
7.根据权利要求6所述的一种基于多目标设计的车载网络区域架构方法，其特征在于：所述的网桥整形周期T设计判据，同时需要满足：
Figure 657528DEST_PATH_IMAGE015
式中，
Figure 865655DEST_PATH_IMAGE016
为系统回路的时延，
Figure 834748DEST_PATH_IMAGE018
为上界算子，
Figure 520944DEST_PATH_IMAGE020
为传感器的时延，
Figure 524672DEST_PATH_IMAGE021
为传感器到控制器的时延，
Figure 903701DEST_PATH_IMAGE022
为控制器的时延，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为控制器到执行器的时延，
Figure 625670DEST_PATH_IMAGE024
为执行器的时延，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为系统设计时所能容忍的最大时延。
8.根据权利要求1所述的一种基于多目标设计的车载网络区域架构方法，其特征在于：所述步骤（1）中，车载以太网采用100BASE-T1技术。
9.一种车辆，其特征在于：包括应用权利要求1-8任意一项所述的基于多目标设计的车载网络区域架构方法。
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