内容提要：E/E架构是一种新的商业模式，也是未来汽车厂商的收益点。

汽车E/E架构日益复杂，有可能成为阻碍汽车电子进步的路障。那么，什么样的架构方式能在这个困局中脱颖而出呢？

当今的汽车，有一个外号叫“轮子上的电脑”。之所以得此名，就是因为近年来，汽车制造商给汽车配置的计算能力和电子功能呈爆炸性增长。但是，世界上第一辆汽车相对简单，完全是由机械操作。直到20世纪30年代，汽车制造商开始在汽车上配置真空管收音机时，汽车上才出现了第一批汽车电子元件。

随着时间的推移，由于技术进步和消费趋势，汽车变得越来越复杂。在汽车发展史中，机械系统一直是汽车这个复杂系统的大头。但同时，汽车电气和电子系统的复杂程度也在稳步提高。今天，大部分的汽车功能都是通过车上配置的电子元件和底层电气和电子（E/E）架构来辅助实现的。发动机管理、制动、转向、信息娱乐和其他舒适性和便利性功能都依赖于电气和电子系统。嵌入式软件在汽车功能中也发挥了主导作用。当今汽车行车电脑中，包含了数百万行代码，这些代码就是汽车上的各种应用，比如最先进的信息娱乐、被动安全功能和自动门锁等各种应用。

随着车辆功能的不断发展和复杂程度的提高，以前互不相关的子系统也相继出现，以前独立开发的系统开始被整合，并相互依赖，从而实现新的功能。20世纪50年代末，巡航控制系统的引入是车辆中电气和机械系统的首次集成（图1a）。此后，巡航控制系统不断发展。自适应巡航控制系统实现了让汽车根据需要减速和加速，以保持跟车距离（图1b）。而且，当前的汽车自动紧急制动系统能在驾驶员疏忽的情况下，使车辆停止。

Figure 1a: Cruise control was the first integration of electrical and mechanical systems in a vehicle. Early systems used fluid pressure to activate the throttle and were governed by solenoids (U. S. Patent No. 2,714,880, 1955).

Figure 1b: Adaptive cruise control systems rely much more on the vehicle’s E/E system to govern vehicle speed based on sensor inputs (U. S. Patent No. 5,454,442, 1995).

这种汽车创新和集成的结果就形成了由电子控制单元(ECU)、传感器、执行器和连接这一切的线路组成的极其复杂的系统。这种架构规模和复杂性给汽车整车厂（OEM）和供应商带来了新的挑战。随着各汽车厂商不断推进汽车技术的发展，特别是在自动驾驶领域的发展，使得各个厂家之间的竞争更加激烈。在此大背景下，底层E/E架构就显得尤为重要。

尽管困难重重，但E/E架构是一种新的商业模式，也是未来汽车厂商的收益点，因此，各个汽车厂商依然在投资E/E架构。线束供应商也在努力扩大他们的产品范围，希望能提供即包括线束的设计，也包括汽车线束的制造的产品和服务。同样，系统集成供应商也在根据汽车整车厂定义的约束条件和要求开发和提供完整的汽车子系统服务。

与此同时，汽车整车厂也在进行大量投资，欲将软件等关键领域的开发工作引入内部。最近，大众汽车宣布成立一个新的软件开发小组，该小组的目标就是在各个下属品牌中建立基本统一的软件功能，该小组最终将由五千名软件专家和工程师（AutomotiveNews，2019）组成。有了自己的软件团队，汽车整车厂就可以通过常规的软件更新来提高系统性能和修复潜在问题，从而改善驾驶体验。汽车整车厂还可以通过这种方式，给客户提供全新的功能，供车主选购，从而延长车辆的使用寿命或提高汽车性能和价值。

在大规模的技术变革中，成熟的汽车整车厂必须通过E/E架构进行创新和差异化。这就意味着，汽车整车厂必须创建可跨车辆平台扩展的架构，灵活应对未来技术的挑战，并能在延长汽车寿命的情况下保持汽车的可靠性。这就需要汽车整车厂要拥有先进的车辆平台来击败市场中的竞品（图2）。但是，为了能跟上市场的创新速度，汽车整车厂需要改进其设计流程，以实现跨领域集成和设计任务自动化，并能提供强大的数据一致性。

路障

在满足新的消费者需求和技术进步的过程中，汽车整车厂及其供应商都将面临一些挑战。

从消费者角度讲，消费者肯定是希望在不支付高价的情况下，能扩大自己选装配置的自由度。（为了满足市场需求，）汽车整车厂正在不断扩大这种定制化服务。之所以这么做，主要是因为，汽车厂商的收益主要还是依赖于制造和销售的汽车量。同时，汽车整车厂也在尝试在各个型号的汽车平台上反复使用物料清单（BOM），以降低设计和制造成本。这种做法是和配置定制化相冲突的。有鉴于此，如果车辆上未来的配置越多，制造每辆车的成本就会越高。ECU或软件构建的正确版本等的架构组件，以及相应的连接器和终端跨车辆平台的追踪和协调，实现设备之间的功能连接，对汽车整车厂来说，这些都是挑战。

车主所青睐的很多甚至大部分汽车功能，都和电气化功能有关，比如：信息娱乐、ADAS，甚至是空调接口与运行嵌入式软件的ECU等等。随着汽车电子产品日渐增多和日益复杂，汽车供应商所需要管理的事项也越来越多。庞大的供应商数量，会大大增加级联和实施设计变更所需的时间。确保所有团队了解正在实施的变更及其对其领域的影响就变得异常关键。扩大供应商生态系统，与日渐庞大的供应商签订合同以提供理想的功能，都会使这个问题愈加复杂。

缩短变更实施周期有助于汽车整车厂以更快地速度将新车推向市场。这一点，对于在这个竞争性市场中运营的公司来说，是一个关键的竞争优势。为了缩短开发周期，一些汽车整车厂正尝试将这个以前由供应商管控的工作引入内部。比如，在多年外包之后，通用汽车公司增加了近万名信息技术员工，大规模地将IT服务重新纳入公司内部管控。（Automotive News，2017）。

另外，当前市场上的新车，每台车平均包含70-100个ECU。在未来的车辆中，汽车整车厂将会将这些林林总总的ECU整合到控制单元中，以减少其数量，但功能会更强大。但是，这种整合形式能有多大市场，现在还未有定论。业内一部分人主张采用集中式架构，由少数或单一的强大ECU管理车辆功能。另一些人则认为ECU的分布式结构更多未必就不是好事，更多的分布式结构，就能在车辆系统中建立更多的冗余。

作为一种成本节约策略，汽车整车厂也可以研究零部件的整合。通过将传感器、执行器和其他组件整合在一起，汽车整车厂可以在降低成本的同时，实现相同的功能。而另一方面，汽车整车厂也希望保持独立的组件以保持系统冗余。

此外，为了控制成本，汽车整车厂会严格控制投资预算。但日益增加的架构复杂性和更严格的安全要求使得车辆设计工作更加复杂。但架构越复杂，成本也会相应的增加。想要在竞品市场中占有一席之地，投资必不可少。

清除路障

对于汽车整车厂及其供应商来说，未来的道路依然漫长，迷雾重重。虽然实现车辆完全自动驾驶是当前的一个热门话题，但在实现真正的自动驾驶之前，这种技术还有很长的路要走。全自动新技术对E/E架构的能力和可靠性提出了更高的要求。

E/E架构是各种电子电气产品的整合，包括电子硬件、网络通信、软件应用和布线等，将这些部件整合到一起，构成了车辆架构。目前，各个部件在运作时对其他部件的活动、约束和目标不甚了解。正因为如此，这些电子电气产品相互作用，就可能会导致重大安全问题。例如，一个汽车整车厂内部的几个团队可能正在为车辆中的核心ADASECU开发软件应用。这些团队按功能组织，独立工作。例如，车道偏离、主动巡航控制和其他应用会有单独的团队。为确保未来更新的灵活性，有一个约束条件，那就是将该ECU的处理器利用率限制在75%左右。当每个团队将他们的软件加载到ECU上时，就会超过利用率上限，甚至超过处理器的能力。出现这种情况是因为每个团队都是独立开发的，在开发过程中超过关键点之前，各个团队不掌握ECU上负载的全部情况。

在设计日益复杂的背景下，要解决这些电子电气产品之间的协调问题，就需要汽车制造商和供应商采用新的设计方法。为了适应这种变化，有些主要的汽车整车厂，比如福特、菲亚特-克莱斯勒、戴姆勒等整车厂，已经进行了重大重组。重组后的设计必须确保各个产品之间紧密整合，具有强大的设计自动化和全面的数据一致性。这样设计方法给每个电子电气产品提供一个系统级的上下文，以便在设计特定领域工程时，能有所考虑。有了系统级的上下文，工程师可以评估设计方案，找出问题，并在更短的时间内实现更高质量的设计。

然而，技术创新不是行业所面临的唯一挑战。移动行业所带来的巨大而多样的挑战使得汽车整车厂在考虑设计方案时，必须超前。市场上一些主要的汽车整车厂及其供应商都意识到，公司内部的组织结构和公司的商业模式必须改变，这是未来成功的基础。汽车整车厂正大力投资软件方面，以提高软件设计能力。长期合作的供应商也在扩大服务范围，以覆盖从设计到制造的所有组件开发。事实上，有些供应商已经具备了汽车自主穿梭和包裹交付平台技术。总体来讲，汽车行业所面临的真正挑战是新技术在被验证后如何规模生产以及如何从中创造利润的问题。

在汽车行业，汽车E/E架构的不断发展使其设计更加复杂，但也成为汽车厂商能否成功的关键。在实现汽车核心功能方面，E/E架构的作用越来越大。因此，为了满足需求，包括汽车传感器、ECU等设备以及网络和布线等各个方面都变得越来越复杂。ECU处理信息功能越强大，就越能利用日益强大的软件来处理大型传感器阵列的数据。同时，车辆的网络功能必须能管理这个错综复杂的传感器和控制器系统中的通信。

只有那些能够及时调整设计方法和组织结构，并能提供高质量的电气、电子和数字功能汽车的公司，才能在日新月异的行业竞争中获得巨大成功。

作者：牛喀网特邀专家
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