從無到有—如何開發(fā)汽車電子電氣架構(gòu)

電子電氣架構(gòu)的開發(fā)，需要涉及整車開發(fā)中的大部分系統(tǒng)、功能與部件，橫跨軟件開發(fā)、硬件開發(fā)、機(jī)械設(shè)計(jì)、材料科學(xué)、生產(chǎn)工藝、人機(jī)交互和造型設(shè)計(jì)等各個(gè)工程領(lǐng)域，而且各個(gè)車企都有自己的獨(dú)特之處，加之智能網(wǎng)聯(lián)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，新的挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)方法在不斷出現(xiàn)，任何一本書都無法詳盡地描述電子電氣架構(gòu)的所有開發(fā)活動(dòng)……

然而，萬(wàn)變不離其宗，當(dāng)拋開各種細(xì)節(jié)之后，其本質(zhì)可以被視為系統(tǒng)工程理論在汽車電子電氣系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用。

電子電氣架構(gòu)專家侯旭光先生在《智能汽車：電子電氣架構(gòu)詳解》一書中，將汽車電子電氣系統(tǒng)開發(fā)方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述和簡(jiǎn)化總結(jié)（如下7項(xiàng)）；本文摘取書中片段進(jìn)行分享，希望給大家以啟發(fā)~

按照需求工程的方法收集、確認(rèn)和管理需求。將需求進(jìn)行細(xì)化分解并分配到各個(gè)子系統(tǒng)。將各個(gè)子系統(tǒng)的需求分解到各個(gè)部件。各個(gè)部件按照步驟1至3進(jìn)行部件級(jí)的設(shè)計(jì)。開發(fā)部件的軟件、硬件和機(jī)械等子系統(tǒng)。進(jìn)行部件、子系統(tǒng)、電子電氣系統(tǒng)、整車等各個(gè)層級(jí)的集成、驗(yàn)證與確認(rèn)。電子電氣系統(tǒng)交付與持續(xù)迭代。

【1】一個(gè)源頭：需求?

一切的設(shè)計(jì)都源于需求，設(shè)計(jì)的目的是滿足需求。需求來自各種利益相關(guān)者，雖然收集需求并不一定是架構(gòu)師需要完成的工作，但對(duì)需求的判斷和分析卻是架構(gòu)師責(zé)無旁貸的義務(wù)。通過對(duì)各種需求的分析，將決定哪些需求被納入開發(fā)范圍、以何種方式實(shí)現(xiàn)等，并將其轉(zhuǎn)化為電子電氣架構(gòu)的具體設(shè)計(jì)。大部分的需求將被以樹狀結(jié)構(gòu)的形式被不斷分解和拓展，在不同的層級(jí)被進(jìn)行不同的細(xì)化工作，最終變?yōu)榫唧w的軟件、硬件和機(jī)械等的需求，從而得以實(shí)現(xiàn)，并被逐層和逐條的驗(yàn)證。

并不是所有的需求都有唯一的來源，有很多下層的需求可能來自上一層級(jí)的多個(gè)需求。這些錯(cuò)綜復(fù)雜的需求構(gòu)成了一張龐大的網(wǎng)，共同撐起了電子電氣架構(gòu)。盡管電子電氣架構(gòu)的形態(tài)可能會(huì)大幅度變化，但很多需求卻并不依賴電子電氣架構(gòu)的形態(tài)而存在，它們只與原始的功能或性能需求相關(guān)。對(duì)于任何一個(gè)車企而言，積累各個(gè)層級(jí)的需求就是積累自己的電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)能力，只不過有些車企的能力存在于人的大腦中，有的存在于各種文檔里，有的則存在于各種工具鏈中。

能夠提出正確且全面的需求，就是實(shí)力的體現(xiàn)。不斷創(chuàng)造出新的需求，就是不斷地成長(zhǎng)。掌握需求，就是掌握自己的命運(yùn)。

【2】 兩條主線：功能與性能?

整個(gè)電子電氣系統(tǒng)的開發(fā)有兩條主線：功能與性能，它們均以需求的形式進(jìn)入到電子電氣架構(gòu)開發(fā)的活動(dòng)中，是電子電氣架構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)、開發(fā)的起點(diǎn)。

功能的設(shè)計(jì)多以邏輯設(shè)計(jì)為主，最終以軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。性能的滿足雖然大多以硬件為最終實(shí)現(xiàn)載體，但在軟件占比越來越大的情況下，越來越多的電子電氣相關(guān)性能需要軟硬件結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。例如：最為常見的EMC性能的滿足不但需要硬件層面良好的設(shè)計(jì)，軟件控制邏輯的配合也已經(jīng)成為必不可少的保障。

沒有良好的功能，就不可能有良好的用戶體驗(yàn)與產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。而沒有良好的性能，一切都是鏡花水月。

【3】?jī)蓚€(gè)工作：分解和分配

對(duì)于任何復(fù)雜的事物，對(duì)其進(jìn)行合理的分解都是一種可以對(duì)其了解或掌握的基本手段。電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)過程中主要活動(dòng)的核心方法可以使用兩個(gè)詞來表示：分解和分配。

鑒于電子電氣系統(tǒng)的龐大和復(fù)雜，一般需要將其進(jìn)行縱向分解和橫向分解。

下圖展示了一種電子電氣系統(tǒng)的分解方式，首先按照邏輯功能開發(fā)的過程分為三個(gè)層級(jí)：需求層、子系統(tǒng)層和部件層（主要為ECU，傳感器和執(zhí)行器可被視為ECU的一部分）。然后將每一層中的主要組件進(jìn)行分解：需求層中的組件為Feature/Function，子系統(tǒng)層的組件為子系統(tǒng)及其所包含的邏輯功能，部件層的核心組件為ECU。各種性能需求和基礎(chǔ)技術(shù)的需求將按照實(shí)際情況被非分解和分配到每一層中的每一個(gè)組件。

電子電氣系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)

? ? ? ? 為了方便管理，每一層中的原子組件一般都會(huì)被分配到本層中的較大一些的組合組件中。如Feature/Function會(huì)被歸類到各個(gè)域中，如車身域、動(dòng)力域等。邏輯功能組件會(huì)被分配到各個(gè)邏輯子系統(tǒng)中。部件層的組件也會(huì)被歸類到各個(gè)域中，或是更小一些的系統(tǒng)中。

總結(jié)一下?在整個(gè)電子電氣架構(gòu)的開發(fā)過程中，首先進(jìn)行的工作是收集各種需求，其中的功能性需求（特性或功能）將被細(xì)化和分解，從而轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)具體子系統(tǒng)的需求。由于每個(gè)子系統(tǒng)都會(huì)承接來自需求層的眾多具體需求，同時(shí)也會(huì)收到各種性能和基礎(chǔ)技術(shù)的需求，這些需求在子系統(tǒng)層進(jìn)行匯總并整合，進(jìn)而產(chǎn)生了對(duì)每個(gè)LF的詳細(xì)需求。同時(shí)，每個(gè)子系統(tǒng)的詳細(xì)邏輯設(shè)計(jì)、軟件架構(gòu)和硬件設(shè)計(jì)也會(huì)被完成，并轉(zhuǎn)換為對(duì)部件的各種詳細(xì)需求。將軟件組件和對(duì)硬件端口需求部署到各個(gè)部件之后，電子電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作就基本完成。余下的工作就是部件的開發(fā)、實(shí)現(xiàn)和測(cè)試驗(yàn)證了。

對(duì)于任何一個(gè)車企而言，如果能夠?qū)⑿枨髮雍拖到y(tǒng)層的設(shè)計(jì)全面掌握在自己的手中，那么零部件供應(yīng)商就只需要按照車企的需求進(jìn)行軟硬件實(shí)現(xiàn)。另外，不同ECU的差異主要在軟件與硬件，相對(duì)而言，硬件設(shè)計(jì)的工作量要小于軟件。在上述分層結(jié)構(gòu)中，ECU的軟件主要取決于對(duì)軟件組件的部署，如果軟件組件的設(shè)計(jì)都掌握在車企自己手中，那么ECU之間的合并、拆分或是控制邏輯的集中就只取決于部署的結(jié)果。無論對(duì)于集中式架構(gòu)設(shè)計(jì)、區(qū)域控制器設(shè)計(jì)，還是車企自己進(jìn)行軟硬件開發(fā)，對(duì)需求層和系統(tǒng)層的深度掌握是必備的基礎(chǔ)。

【4】?jī)煞N思路：增量與重構(gòu)?

回顧整車電子電氣架構(gòu)的發(fā)展歷史，我們可以明顯的關(guān)注到一個(gè)持續(xù)不變的現(xiàn)象：變化--形態(tài)在變化、功能在增加、性能在提升。雖然每隔一段時(shí)間，電子電氣架構(gòu)就會(huì)由于新技術(shù)的出現(xiàn)而發(fā)生較大的變化，但很少進(jìn)行徹底的“重構(gòu)”。無論是軟件還是硬件，基本都是基于以前的基礎(chǔ)逐漸發(fā)展而來。

對(duì)于車企而言，雖然不同代際的電子電氣架構(gòu)中很多控制器都變化很大，但這并不意味著進(jìn)行了真正的重構(gòu)，因?yàn)槟切┛刂破鞯奶峁┱呷匀粫?huì)沿用原有的很多設(shè)計(jì)，僅僅在物理形態(tài)上發(fā)生了一定的變化，其內(nèi)部的很多電路仍然會(huì)借鑒甚至沿用原來的設(shè)計(jì)。

軟件邏輯層面更是如此，代碼級(jí)的沿用和移植是每個(gè)供應(yīng)商都會(huì)采用的方式?？刂破魃?jí)的主要目的是功能的增加與性能的提升，其增量與變更部分才是大量資源被投入的地方。這個(gè)過程如同很多人在共同堆起一座高山，每增加一點(diǎn)高度，其實(shí)都是在前人的基礎(chǔ)上填了一筐土而已，只是當(dāng)山越來越高的時(shí)候，填土的成本越來越高，人們不得不換一種方法繼續(xù)增加山的高度。域控制器也好，中央計(jì)算機(jī)也好，無非是將原來的土用新的形式進(jìn)行了整合。這一點(diǎn)可以從很多領(lǐng)域功能的增長(zhǎng)變化看出：車身控制、底盤、信息娛樂等領(lǐng)域所增加的功能無一不是對(duì)新需求的滿足，而那些基本的功能則很久沒有本質(zhì)地變化了，更鮮見有消失的功能。即使是自動(dòng)駕駛等“新興”領(lǐng)域，也是在逐漸地增加功能，從基本的ADAS逐漸拓展而成。

然而，量變不斷積累必然會(huì)引起質(zhì)變。隨著芯片與軟件等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，汽車電子這棟大廈從“石頭與茅草”為主要材料變成了“鋼筋和水泥”的“現(xiàn)代化”，實(shí)現(xiàn)手段有了翻天覆地的變化。這主要體現(xiàn)在以各種控制器和通信總線為核心的電子電氣架構(gòu)的形態(tài)上，以及設(shè)計(jì)工具上。

如果拋開電子電氣架構(gòu)的物理形態(tài)，那么其內(nèi)部的邏輯在過去的幾十年中一直處于不斷增長(zhǎng)的狀態(tài)。邏輯的增長(zhǎng)源于功能需求的增加。電子電氣架構(gòu)是逐漸成長(zhǎng)起來的，其中的每個(gè)子系統(tǒng)也是成長(zhǎng)起來的。只不過當(dāng)今電子電氣架構(gòu)中的子系統(tǒng)數(shù)量在不斷地增加，每個(gè)子系統(tǒng)中的邏輯與相應(yīng)的需求也在不斷地增加。

如果我們將視角聚焦在電子電氣架構(gòu)的物理形態(tài)，那么，電子電氣架構(gòu)工程師就不得不面對(duì)一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問題：使用增量模式還是完全重構(gòu)的方式來設(shè)計(jì)新的電子電氣架構(gòu)。雖然兩種方式的共同點(diǎn)都是要在新電子電氣架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)相比原有電子電氣架構(gòu)的功能和性能的拓展，但其開發(fā)難度和成本投入有很大差異。簡(jiǎn)而言之，這兩者之間的差異可以類比為城中村的改造與拆遷重建之間的差異。改造的實(shí)施成本低、周期短、資源消耗少，但可擴(kuò)展的功能與性能有限。而拆遷則可以將一切現(xiàn)有的東西推倒重來，按照當(dāng)前最理想的情況重新構(gòu)建，但必然會(huì)要求投入大量的資源與時(shí)間，相應(yīng)的成本和風(fēng)險(xiǎn)必然要更高。

究竟哪個(gè)方式更好，無法一概而論。這取決于企業(yè)當(dāng)前的資源擁有情況以及企業(yè)的目標(biāo)。如果企業(yè)的人力與資金豐富，現(xiàn)有的產(chǎn)品線能夠在未來很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍然支撐其收入和市場(chǎng)拓展，且其目標(biāo)是構(gòu)建領(lǐng)先所有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的全新技術(shù)平臺(tái)，那么完全重構(gòu)的電子電氣架構(gòu)也許可以為其帶來未來幾年的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。

在進(jìn)行兩種方式的選擇時(shí)，還有一個(gè)重要因素?zé)o法回避——電子電氣架構(gòu)相關(guān)技術(shù)的可獲得性與電子電氣系統(tǒng)的總成本。如果將實(shí)現(xiàn)一個(gè)完美電子電氣架構(gòu)所需要的各種技術(shù)能力的總和定為100分，那么無論是車企還是各種供應(yīng)商都無法獨(dú)自達(dá)到100分的要求，但車企和各個(gè)供應(yīng)商能力的總和卻可能達(dá)到這個(gè)要求。如果車企的能力較強(qiáng)，則可以以較低的成本獲得自己所欠缺的技術(shù)能力。反之，獲得成本就會(huì)很高。還有一種情況是雙方能力的總和低于100分，即車企的能力較弱，合作的供應(yīng)商的能力也不夠強(qiáng)，那么，他們合作完成的電子電氣架構(gòu)的質(zhì)量就一定會(huì)低于預(yù)期值。

評(píng)估一個(gè)電子電氣架構(gòu)的成本及其收益，單從開發(fā)成本或系統(tǒng)BOM成本的角度都是不完整的。至少要將二者結(jié)合起來，并考慮該電子電氣架構(gòu)所能搭載的車型的總銷量，而且還要考慮新電子電氣架構(gòu)帶來的各種其他附加收益：如功能的增加、質(zhì)量的提升、品牌美譽(yù)度的提升、數(shù)據(jù)的收集、各種生產(chǎn)和售后成本的下降等。對(duì)于如此之多的因素，很難有任何一個(gè)企業(yè)能夠?qū)ζ溥M(jìn)行完整評(píng)估，因此，實(shí)際情況是大家仍然較多地采用系統(tǒng)BOM成本作為一個(gè)主要的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

【5】一個(gè)問題：架構(gòu)設(shè)計(jì)是技術(shù)還是管理?

架構(gòu)設(shè)計(jì)無疑是一個(gè)對(duì)技術(shù)能力和經(jīng)驗(yàn)要求很高的工作，這是任何一個(gè)汽車行業(yè)的從業(yè)者都不會(huì)否定的事情。但對(duì)于架構(gòu)設(shè)計(jì)工作的范圍或邊界究竟該如何確定，在不同的車企中卻有不同的看法。架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)和各種基礎(chǔ)技術(shù)開發(fā)等一直有剪不斷理還亂的復(fù)雜關(guān)系。以下的架構(gòu)設(shè)計(jì)的工作內(nèi)容是各方基本可以達(dá)成共識(shí)的。

架構(gòu)設(shè)計(jì)是一種電子電氣系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)工作。架構(gòu)定義了平臺(tái)開發(fā)的邊界以及開發(fā)框架：需求，限制和解決方案等。架構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)電子電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分，更多著重于系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)這一方面，至少包括物理結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)等，但也包括那些對(duì)系統(tǒng)的性能、可靠性、成本和演進(jìn)性等有關(guān)聯(lián)、有影響的其他方面。各種設(shè)計(jì)原則的制定也是架構(gòu)設(shè)計(jì)的重要工作。架構(gòu)設(shè)計(jì)的工作不直接包括具體子系統(tǒng)和部件的開發(fā)實(shí)現(xiàn)，但與上述組件的實(shí)現(xiàn)緊密相關(guān)。基礎(chǔ)設(shè)施（如軟硬件平臺(tái)選擇、通信總線、中間件等）的選擇同樣也是架構(gòu)的主要工作內(nèi)容。相關(guān)流程、方法論和工具的設(shè)計(jì)和管理維護(hù)也是架構(gòu)工作中的重要部分。

以上各項(xiàng)工作中，設(shè)計(jì)工作無疑是占比最大的，但設(shè)計(jì)工作不等于沒有管理的成分。頂層設(shè)計(jì)的結(jié)果必然會(huì)影響眾多的人、事、資金等的配置與走向。管理是指在特定的環(huán)境條件下，以人為中心通過計(jì)劃、組織、指揮、協(xié)調(diào)、控制及創(chuàng)新等手段，對(duì)組織所擁有的人力、物力、財(cái)力、信息等資源進(jìn)行有效的決策、計(jì)劃、組織、領(lǐng)導(dǎo)、控制，以期高效的達(dá)到既定組織目標(biāo)的過程。按照上述定義，將架構(gòu)設(shè)計(jì)定義為一種技術(shù)管理工作并不為過。

架構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中對(duì)各種方案所做的決策，本身就是一種管理工作。對(duì)電子電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更是決定了眾多人的工作內(nèi)容與工作量。而且，由于電子電氣架構(gòu)開發(fā)的復(fù)雜性，缺少權(quán)威與管理職能的架構(gòu)團(tuán)隊(duì)是難以完成任務(wù)的。即使電子電氣架構(gòu)的設(shè)計(jì)最終得以落實(shí)，其開發(fā)效率也必然是差強(qiáng)人意。

我們?cè)賮砗?jiǎn)單總結(jié)一下架構(gòu)師的主要工作?

完成電子電氣系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的對(duì)象為給定的目標(biāo)電子電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（關(guān)系）與原則。

原則的確定要先于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

在電子電氣系統(tǒng)的開發(fā)過程中，架構(gòu)師需要參與整個(gè)項(xiàng)目開發(fā)的全部過程，包括需求開發(fā)、架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、零部件開發(fā)、系統(tǒng)集成、各個(gè)階段的測(cè)試和驗(yàn)證等各個(gè)階段，負(fù)責(zé)在整個(gè)項(xiàng)目中對(duì)技術(shù)活動(dòng)和技術(shù)規(guī)范進(jìn)行指導(dǎo)和協(xié)調(diào)。

架構(gòu)師在項(xiàng)目開發(fā)過程中要擔(dān)當(dāng)技術(shù)權(quán)威的角色。他需要協(xié)調(diào)所有的開發(fā)人員，與開發(fā)人員一直保持溝通，始終保證開發(fā)者依照架構(gòu)意圖去實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。

任何一個(gè)具體的零部件或者系統(tǒng)都不是架構(gòu)師的交付物，架構(gòu)師的最終交付物是整個(gè)的電子電氣系統(tǒng)。為了交付整個(gè)電子電氣系統(tǒng)，架構(gòu)師還需要設(shè)計(jì)很多供各個(gè)系統(tǒng)和零部件所公用的原則和規(guī)范，包括但不限于開發(fā)工作的方法論、流程和工具等。

架構(gòu)師不僅要保持與開發(fā)者的溝通，也需要與項(xiàng)目經(jīng)理、需求分析員，甚至與最終用戶保持溝通。所以，對(duì)于架構(gòu)師來講，不僅有技術(shù)方面的要求，還有人際交流方面的要求。

在架構(gòu)實(shí)施的過程中，架構(gòu)團(tuán)隊(duì)還有一件最重要的任務(wù)，就是知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的積累，從而可以為整個(gè)組織的下一次架構(gòu)設(shè)計(jì)活動(dòng)提供支撐，并讓整個(gè)組織的能力得以提升。

無論是確定目標(biāo)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還是設(shè)計(jì)各種原則，本質(zhì)都是做出一系列決策的過程，這也是架構(gòu)設(shè)計(jì)與開發(fā)過程中最難的工作。

（本文摘編自機(jī)械工業(yè)出版社圖書《智能汽車：電子電氣架構(gòu)詳解》，作者侯旭光）

侯旭光，?智能汽車領(lǐng)域資深技術(shù)專家，在汽車電子電氣相關(guān)領(lǐng)域從業(yè)超過20年，現(xiàn)就職于廣汽集團(tuán)汽車工程研究院，電子電氣架構(gòu)總師；曾就職于西門子和吉利汽車，在吉利汽車從事整車電子電氣架構(gòu)開發(fā)和車身電子產(chǎn)品的開發(fā)與管理工作；中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)智能網(wǎng)聯(lián)汽車系統(tǒng)架構(gòu)分會(huì)委員。

侯哥工作感悟：侯哥?@Roy 專注汽車電子電氣架構(gòu)開發(fā)