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羅 安
1 前言
隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，它對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的影響已愈見明顯，當(dāng)前的一個非常明顯的發(fā)展趨勢是傳統(tǒng)機械裝置向電腦裝置轉(zhuǎn)化，傳統(tǒng)機械產(chǎn)品向高科技產(chǎn)品轉(zhuǎn)化。以微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心內(nèi)容的計算機技術(shù)在很多地方取代了傳統(tǒng)的機械技術(shù)、液壓技術(shù)和電氣技術(shù)，成為最新一代控制系統(tǒng)的主體。
汽車是傳統(tǒng)機械行業(yè)高度發(fā)展的產(chǎn)物，是多項技術(shù)發(fā)明和創(chuàng)新的結(jié)晶。在機械時代，汽車的控制完全是通過機械裝置實現(xiàn)的，如各種類型的齒輪、絲杠、傳動皮帶等。后來出現(xiàn)了氣動技術(shù)和液壓技術(shù)，利用流體力學(xué)的原理實現(xiàn)各種控制功能。近年來電子技術(shù)得到了快速的發(fā)展，自然基于電子技術(shù)的控制器也有了長足的進步，形成了很多利用電磁原理的控制裝置，這些電子的控制裝置在功能、靈敏度、可靠性、體積小巧、重量輕等特性上大大優(yōu)于傳統(tǒng)的機械式和液壓式控制器，因此在許多方面逐步取代了傳統(tǒng)的控制器，形成了汽車電子這一大產(chǎn)品門類，而且隨著技術(shù)的不斷進步，這類產(chǎn)品還在以相當(dāng)高的速度不斷發(fā)展。
當(dāng)前科技發(fā)展的速度非常快，電子技術(shù)在其前進的過程當(dāng)中，產(chǎn)生了一個新的分支，這就是近三十年來發(fā)展迅猛的微電子技術(shù)，由此又催生了一系列新技術(shù)，如數(shù)字技術(shù)、軟件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。而且，這些新技術(shù)的發(fā)展更為迅猛，這使得許多傳統(tǒng)的東西都要重新改造甚至徹底更新，用新的數(shù)字技術(shù)來實現(xiàn)各種人們所需的功能。
與機械原理、液壓原理、電磁原理等傳統(tǒng)的控制實現(xiàn)原理相比較，數(shù)字控制實現(xiàn)原理更具有功能強大、性能穩(wěn)定、精確度高、控制靈敏、控制參數(shù)調(diào)整范圍大、靈活和通用性強等優(yōu)點，特別是在多個數(shù)字控制裝置之間可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，這是以往任何控制裝置所無法實現(xiàn)的功能。依靠數(shù)字控制裝置的網(wǎng)絡(luò)功能，人們可以實現(xiàn)多個控制器的連鎖和協(xié)調(diào)控制，更可以實現(xiàn)功能強大的人機界面，達到人與機器的完美結(jié)合，使人可以比以往任何時候都更加全面、深入地了解機器的運行，并得心應(yīng)手地實現(xiàn)操縱和控制。另外，數(shù)字技術(shù)還是信息技術(shù)的基礎(chǔ)，以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的控制裝置，已經(jīng)被認為是一個大的信息系統(tǒng)中的若干子系統(tǒng)，成為了信息系統(tǒng)的重要組成部分。
汽車計算平臺的概念正是在這一大的技術(shù)發(fā)展背景下提出來的，是汽車的控制從機械式到液壓式，又到電子式以后的新一代控制系統(tǒng)，其最大的特點是采用了數(shù)字化的控制實現(xiàn)原理，并繼承了傳統(tǒng)控制裝置中的最優(yōu)秀部分，形成了一個集光、機、氣、液、電、數(shù)字、信息等技術(shù)為一體的全新的產(chǎn)業(yè)。
2 汽車電子與汽車計算平臺的比較
汽車計算平臺跨越了傳統(tǒng)的汽車電子概念，將過去基于電子、電氣技術(shù)的單個的汽車控制單元提升到了從汽車整體控制出發(fā)的、基于數(shù)字技術(shù)和信息技術(shù)的、整車各部分控制互相緊密關(guān)聯(lián)與協(xié)調(diào)的計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。表1概括了從汽車電子到汽車計算平臺所產(chǎn)生的變化。
如果說汽車電子是基于電子技術(shù)的汽車控制產(chǎn)品，汽車計算平臺則是基于數(shù)字技術(shù)的汽車控制、管理、服務(wù)的一體化系統(tǒng)，這種革命性的改變可從表1看到幾個具體的方面。
下面從功能、技術(shù)、產(chǎn)品等幾個方面對汽車計算平臺進行較具體的描述。
(1) 汽車計算平臺的功能方面
汽車計算平臺在功能方面可分為底層、中層、高層這三個層面：
底層 對汽車各主要構(gòu)成部分的控制，如發(fā)動機、懸掛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、變速箱、啟停控制等。這些部分的控制要求安全可靠、穩(wěn)定快速。一般采用專門設(shè)計的數(shù)字控制器及相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)。同時具有現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)接口以向上層傳遞運行信息并從上層或相鄰控制器獲取高級控制功能所需的信息。這一層的功能可以歸結(jié)為對車輛本身的控制層。
中層 車輛監(jiān)視與乘客服務(wù)，實時監(jiān)視車輛各部分的運行狀態(tài)，對異常情況進行報警，對預(yù)測到的異常情況發(fā)出預(yù)警以提前進行預(yù)防性維護，包括汽車駕駛輔助系統(tǒng)、車載娛樂系統(tǒng)等，這一層的功能可以歸結(jié)為人與車的交互層。
高層 信息通信及信息服務(wù)。如移動通信、移動定位與導(dǎo)航、移動上互聯(lián)網(wǎng)、車輛管理與交通管理、車輛維護、服務(wù)等，這一層的功能可以歸結(jié)為車與外界環(huán)境的交互層。
根據(jù)“網(wǎng)絡(luò)就是計算機”的理念，這三層功能將分別由傳感器、執(zhí)行器級現(xiàn)場總線網(wǎng)（底層網(wǎng)絡(luò)）、車載局域網(wǎng)及現(xiàn)場總線網(wǎng)（中層網(wǎng)絡(luò)）及無線廣域網(wǎng)（高層網(wǎng)絡(luò)）實現(xiàn)。
(2) 汽車計算平臺的技術(shù)方面
數(shù)字技術(shù) 包括模擬信號數(shù)字化技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)、數(shù)字控制算法等。
微電子技術(shù) 嵌入式芯片、微處理器、基于MEMS的傳感器、執(zhí)行器技術(shù)。
光機電一體化技術(shù) 構(gòu)成傳感器、執(zhí)行器的關(guān)鍵技術(shù)，是汽車計算平臺中難度最高的技術(shù)。
總線/網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 包括傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線網(wǎng)、信息網(wǎng)、無線網(wǎng)等。
信息處理技術(shù) 對各類信息的處理，包括規(guī)格化、分類、存儲、分析、檢索、分發(fā)等。
軟件技術(shù) 高效、高可靠、高速軟件的編制與管理，質(zhì)量控制，大型軟件系統(tǒng)的編制與管理，質(zhì)量控制，軟件生命周期維護。
人機界面技術(shù) 利用人機工程學(xué)形成新一代更加人性化的汽車駕駛方式，使汽車駕駛更加省力、自如、方便、快捷、簡單、安全、高效。其中包括顯示技術(shù)和操縱技術(shù)。
(3) 汽車計算平臺的產(chǎn)品方面（基礎(chǔ)產(chǎn)品）
嵌入式單片系統(tǒng)SOC 包括CPU、ADC/DAC、網(wǎng)絡(luò)接口等集成一體化芯片。
現(xiàn)場總線網(wǎng) CAN、LIN、Profibus等。
無線網(wǎng) 藍牙局域網(wǎng)WiFi、WLAN等。
各類傳感器件、執(zhí)行器件。
各類智能化、網(wǎng)絡(luò)化的電子控制單元產(chǎn)品及汽車電子產(chǎn)品。
汽車計算平臺的軟件體系 形成汽車計算平臺的各個應(yīng)用子系統(tǒng)。
如上所述，汽車計算平臺是汽車電子向上的自然發(fā)展和延伸，是汽車電子有關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品在新的需求、新的技術(shù)推動下產(chǎn)生質(zhì)變的結(jié)果。因此，簡單地將汽車計算平臺僅僅看成是實現(xiàn)控制的技術(shù)手段的改進是不對的，而割斷技術(shù)發(fā)展歷史，把汽車計算平臺看成是憑空產(chǎn)生的一項新技術(shù)的看法也是不對的。
3 汽車計算平臺的核心技術(shù)
構(gòu)成汽車計算平臺的主要技術(shù)已如上文所述，而此中最核心的技術(shù)，即區(qū)別汽車電子與汽車計算平臺的核心技術(shù)當(dāng)屬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人機界面技術(shù)。
由于汽車計算平臺已將傳統(tǒng)的汽車電子各個獨立的控制器連接成為一個整體的汽車計算機網(wǎng)絡(luò)。而且這個網(wǎng)絡(luò)將按不同層次的功能分成兩層或三層網(wǎng)絡(luò)。因此網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)、各層網(wǎng)絡(luò)的功能、互聯(lián)關(guān)系、信息在網(wǎng)上傳遞的路徑、傳播方式、信息流的控制、信息表現(xiàn)形式的變換、各層網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議規(guī)約等都成為汽車計算平臺設(shè)計中的核心問題。這些問題解決得好，整個汽車計算平臺就能夠發(fā)揮出單個控制器所實現(xiàn)不了的功能和效能，而如果網(wǎng)絡(luò)設(shè)計出現(xiàn)問題，則受到的不良影響將波及整個汽車的功能和性能。因此必須下功夫深入研究、精心設(shè)計，并盡快形成一個基本的標(biāo)準(zhǔn)（因網(wǎng)絡(luò)問題涉及全局和長遠的發(fā)展，如無標(biāo)準(zhǔn)勢必形成無序的開發(fā)生產(chǎn)，造成混亂局面，最終無法形成產(chǎn)業(yè)），以此為基礎(chǔ)循序漸進，不斷完善與擴充，最終成為汽車計算平臺的一個總體框架。
關(guān)于人機界面問題，在以往的汽車電子技術(shù)文獻中很少提及，但這卻是在汽車電子上升為汽車計算平臺以后不容回避的一個核心問題。因其涉及到汽車駕駛員的駕駛模式的改變，必須認真研討。傳統(tǒng)汽車的駕駛模式已經(jīng)非常成熟，基本上形成了標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的汽車電子一般都是在已有的駕駛模式框架內(nèi)，利用電子技術(shù)替代機械裝置完成特定的功能。隨著汽車本身功能的增加，特別是信息技術(shù)被引入汽車工業(yè)后，汽車本身的功能大為增加，相應(yīng)地對汽車駕駛模式也提出了更高的要求，傳統(tǒng)方法已不能滿足要求，而必須在人機工程學(xué)的指導(dǎo)之下，結(jié)合數(shù)字化、信息化、圖形化、語音/聲控等新的人機界面技術(shù)形成新的駕駛模式，才能夠滿足現(xiàn)代汽車的功能需求。
人們目前面臨的是一個技術(shù)革命的年代，汽車計算平臺是新技術(shù)對傳統(tǒng)行業(yè)提出的全新的課題，這無疑是一個巨大的挑戰(zhàn)，同時也給我們帶來了巨大的機遇，因為在任何革命性的技術(shù)變革面前，大家是站在同一起跑線上的，關(guān)鍵是如何抓住這個機遇，在新一輪的發(fā)展中爭取主動，形成具有自己特色的，與國際先進水平接軌并能夠同步發(fā)展的汽車計算平臺系統(tǒng)。
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