GIV2022|合肥工业大学朱仲文:L4自动驾驶可能需要上千TOPS的高算力和高存储单元

2022年12月16日-17日，由安徽省发展和改革委员会作为指导单位，合肥市人民政府、中国电动汽车百人会联合主办的“2022全球智能汽车产业峰会”在安徽合肥召开。本届论坛围绕“全球新变局与智能汽车发展新战略”主题，共设置5个主题论坛和2场闭门会议，与行业机构、高校院所和领先企业代表共同探索我国智能汽车发展新路径。

其中，在12月16日举办的“科学家论坛”上，合肥工业大学汽车工程技术研究院副院长 朱仲文发表精彩致辞。以下内容为现场演讲实录：

各位来宾，各位朋友，大家下午好！下面时间由我跟大家一起讨论智能汽车域控制器的技术领域，将我们的一些思考、一些观点和我们做的一些工作做一个分享。

今天组织方主办的非常好，前面徐院士讲电子电气架构，其实域控制器这个领域，跟电子电气架构技术发展是紧密相联系的。

我们知道，随着汽车智能化、电动化、网联化发展，车从传统器械的产品更多地向电子产品去转变，这个过程中会有更多的控制器、更多的芯片去参与，就有更多的信号去处理。我们传统的一些做法就是，每增加一个功能我们就增加一个控制器，我们现在知道豪华车上面可能有100多个控制器，这个数量已经非常庞大了，各个控制器彼此之间传递的信号可能超过1万种，也是一个非常复杂的系统。在控制器方面，有发动机的控制器ECU、整车控制器VCU、电池管理系统BMS，还有像ESC、MCU……越来越多的控制器，这必然带来复杂性的提高。还有，控制器之间会通过低压线束连接去做一个信号的传递。我们也发现，现在每辆车上面低压线束可能已经有几十公斤、上百公斤重量了，这一切的一切，会带来成本的增加和整个功能复杂性的提高。

我们在产业发展过程中，就提出将整个行业界归纳和总结出几个电子电气架构发展的趋势，分为六个步骤。最传统的“一个功能、一个控制器“这种模块化的控制器设计，往上发展之后，随着控制器数量的增加，我们自然就会想到去做一个集成化，我们叫集成式的电子电气架构，这可能是我们今天或者刚刚过去的过往我们所做的工作。今天或者未来我们向集中化发展，这个时候我们就会提出域控制单元。随着域控制单元的发展，我们可以把几个域合并到一起，当然这个也是随着芯片产业的发展和半导体算力的提高，这样几个域合到一起，我们叫跨域融合的架构，再往上发展可能这个车就是一个“电脑+”了。这个车上面有一个中央计算平台，这个中央计算平台承担了全部智慧的载体和控制信号的输出。再往上发展，可能随着5G信号发展、随着无线传输速度的增加，这个时候就会产生车云一体的架构。很多需要高算力的平台，我们把这些推到云端上面去计算，在车上面的算力资源要求就可以逐步降低。

如果按照整车级架构演变脉络做一个分析和分解，我们认为可以有这么几个阶段。首先主机厂经常讲线束和电气架构，早期那个时候，我们车上可能主要用到各种继电器简单的逻辑控制，这个时候我们讲汽车电气，用线束把这些电气连接起来。随着电子的发展，我们进入电子的时代、电气的时代，就是电子电气的架构。再随着技术的发展，电子电气里面每家软件系统逐渐复杂以后，我们讨论电子电气软件的架构。再往后发展，我们讨论车云一体化的架构。到最后我们把整个车放在大交通背景下，去讨论车、路、驾驶员协同的架构。

我们当前或者未来三年左右，尤其在量产车上面，还是处于域架构里面。根据很多学者的研究和行业的分析，我们一般通常认为，今天或者未来三五年我们大概把车的控制系统可以分成五大域，这五大域考虑是智能座舱域，车身域、动力域、底盘域、自动驾驶域。我们这个研究团队也在这个领域做了一些工作，我们合工大汽车研究院这个团队主要是做动力域和自动驾驶域的一些研究，同时我们现在也正在做跨域融合的控制，后面我会分享一些初步的结果。

我们可以小结一下，域控制器，相对于经典的分布式控制方案，有以下几个优点：

一是高安全性。因为本身随着控制器数量的减少，每个控制器可以采用更多高安全的设计，包括现在半导体产业提供的多核控制芯片，满足功能安全的设计，还有硬件加密设计，软件可以增加协作标准化AUTOSAR软件的架构发展，软件可靠性、可拓展性，实现CPU的计算资源，包括传感器资源的共享，包括减少整车的线束，降低整个车辆的成本。

控制器的发展趋势，随着电子电气架构的发展，单个控制器逐渐向大的算力去发展，我们早期的控制器CPU可能是200兆或者100兆的主频，到自动驾驶的控制时代算力是TOPSs作为单位，我们可以做L2以下的，L1到L2可能是10—20个TOPs算力，真正到L4自动驾驶可能200、300个，甚至上千个TOP的高算力和高存储单元。

这个就是我们分析的、研判的电子电气架构和控制系统的发展规律。我们经常讲，“一代架构、一代车、一代控制解决方案”，我们现在以比较经典的新能源汽车或者电动车为例，其实这个电动车的网络架构是围绕着我们讲的“三大电”电机、电池、电控，整车的控制现在是VCU，电机的控制是MCU，电池管理系统BMS，其实是围绕着“三大电”去进行网络架构的拓展，这也是我们分析比较经典车型的电子电气架构的示意图。

这个过程中，我们的研究团队也一直在控制器和域控制器这个领域开展研究，我们也研发了自主的整车控制器，新能源汽车的VCU，也具备了一系列整车控制器应该具备的功能，同时我们也跟一些合作企业合作去实现产业化的转化。

我们也同时研发了新能源汽车动力电池的管理系统，我们叫BMS。BMS我们同样有一些相应的核心技术，同时我们也是针对产业应用做了很多工程化的开发，能提供系列化的电池管理系统解决方案。在电机控制器方面，我们也做过矢量控制、参数识别等等一系列控制。

在这个基础之上，我们研究团队开展动力域的域控制器域融合的设计，PPT这里面我们是整体软件系统的示意图，我们用到的是一款多核的，具体说是三个核的高性能半导体芯片。这个芯片之上我们会让不同的核去运行整车的控制算法、电池管理系统的控制算法、电机的控制算法，这样我们就在一个控制器、一个硬件平台去实现动力域的控制，因为三者之间是共同实现了新能源汽车的整车能量流的控制。以前传统的分布式控制信息之间的交互我们通常是通过CAN总线，我们知道CAN总线有一个波特率限制，很多信息交互相对来说是不能满足像现在做的一些经典的现代控制理论的控制算法的要求。用域控制器这种架构，我们CPU里面是通过去访问不同的地址，和远远高出彼此之间通过CAN总线的通信速率，实现信号信息更快的共享，这个系统之上，尤其是在高效的环境，我们可以研究更多基于微分方程快速高效的算法。

新能源汽车我们通常讲是汽车产业变革的上半场，下半场是智能汽车。这个智能汽车，我们也是在新能源汽车基础之上去做，我们也是解析了典型的智能汽车的架构。其实这个架构的下方我们可以看到，还是一个新能源汽车的控制，有一些控制，但是它的上方更多的是增加了一些摄像头的信号，像激光雷达、毫米波雷达等等信号控制。这些控制，我们主要通过车载以太网的总线，把摄像头和雷达的数据送给自动驾驶的域控制器来实现。

关于我们研究团队做的方案，因为我们在动力域的基础上想实现动力域和自驾域的跨域融合，对这个跨域融合的控制，我们提出异构的处理方案。这个异构方案是把像整车的控制是通过微控制器，像自动驾驶很多大量的信号处理是通过微处理器，有微控制器和处理器共同去构建了跨域的面向自动驾驶的跨域融合控制器的硬件平台。

这是我们当时研究生做的方案，我们通过微控制器和微处理器的融合去实现动力域和动力域基础之上现在主要实现ADAS，就是L1和L2级自动驾驶的控制。

我们也开发了这么一个硬件的平台，这个硬件平台上，我们也突破了相应的技术限制，包括大算力的芯片，热设计、热模型的搭建。因为微处理器是一个非常高的运算速度，这种超高速电路的硬件设计和EMC的设计，我们需要去建立EMC的模型，去降低EMC彼此的干扰。

软件方面，我们搭建了微处理器和微控制器耦合的解决方案。微处理器这端主要是通过目前的Linux的操作系统，微控制器这端主要用现在应用比较多的AUTOSAR的软件架构，去实现基础软件的研发。

不同的操作系统有不同的特点，Linux操作系统比较适合处理大的数据流量的场景，但是实时性和可靠性要稍微弱一点。AUTOSAR的操作系统，可能大数据并发处理能力小一点，但是安全性和可靠性是非常有保障的，也适合对汽车控制的场景。

在整个软件系统的开发商层面，我们也把复杂的跨域融合的控制分成几个层面，尤其在自动驾驶这块分为感知层、定位层、决策层、规划层，彼此之间通过信号流动去实现自动驾驶，尤其是ADAS的高级辅助驾驶的功能。

这个基础之上我们知道这种域控制器汽车安全追求是非常高的，因为这样一个控制器既实现了动力系统的控制、又实现了自动驾驶的控制，某种意义上来说是一个车的灵魂。怎么让它安全、可靠的去工作起来，我们也提出了一种多级监控的架构，这里面包括传感器信号的一些监控、传感器工作状态的监控、本身控制器的硬件和软件互相的搅合、备份的机制，执行器的监控、车辆状态的监控，通过这种多级的搅合和监控实现高的安全性和高的可靠性。

同时这个过程中我们也是按照目前国际上流行的ISO26262功能安全的标准区做高的功能安全的设计。

其实我们做智能车，一旦车辆进入智能网联这个领域，其实有很多很有意思的事情可以做。在这个基础之上我们首先能做的，因为有一个网联通道，我们可以做车载域控制器程序的远程升级或者在线升级，叫SOTA或者叫OTA系统。我们也知道，像特斯拉这些新势力的车型，很多不是靠卖硬件挣钱，后面是靠卖软件、靠服务挣钱，BMS可能每次发新版本会收一定费用，发新版本性能会提升、续航能力可能会提多少公里。在智能汽车领域我们会实现OTA的功能，当然一旦实现OTA和网联的信息交互，信息安全就会是一个迫在眉睫的问题。信息安全如何解决，在芯片本身这端现在有这种硬件加密的模块HSM模块的一些理念，在通信链路这一端有各种加密算法。刚刚前面有专家也讲到，智能汽车如果是高的信息安全，某种意义上就是一个炸弹，这个东西安全性比电脑的安全其实是有更大的迫切性和挑战的。

进入到智能汽车这个领域，其实有很多事情可以做。在搭建这么一个平台以后我们把红色的框线内实现动力域和自动驾驶域的融合，我们现在在ADAS的语义环境下可以实现人机共驾，尤其可以实现云端平台的数据处理。我们搞控制的人知道全局最优，以前车跑起来，因为它的历史数据记录，包括未来数据的预测等等，几乎是缺失的，所以很多做优化控制的时候难以做到全局最优和能耗最优。现在智能网联汽车有云端平台的历史数据，有云端平台根据其他车型在同一个路上面的预测数据，可以做到接近于，甚至全局最优的能耗控制。

这块，其实我们做了很多工作，因为时间关系有很多论文领域我们不展开讲，这是我们之前做的一款能耗优化算法。我们基于历史数据实现全局最优，（见PPT）我们看左下角能耗图，经过智能网联汽车的优化以后，能耗比只用传统汽车能耗的绿线有比较明显的降低，其实随着智能网联汽车时代到来，我们有很多工作，有很多有意义的事情、有很多有趣的事情可以做，我们也希望有机会和学习圈、和产业圈共同去推动域控制器的研究和更多的彼此交流的工作。

我的报告到此结束。谢谢！

（注：本文根据现场速记整理，未经演讲嘉宾审阅）