一、車云計(jì)算是E/E架構(gòu)演進(jìn)的重要方向，但當(dāng)前缺乏實(shí)時(shí)性應(yīng)用

“硬件趨同、軟件定義、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”已成為智能駕駛產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)。汽車電子電氣架構(gòu)向“中央域控”發(fā)展已基本形成共識(shí)，而車云計(jì)算（Vehicle Cloud Computing）將成為E/E架構(gòu)演進(jìn)的重要方向（圖1）。“車云計(jì)算”是指車通過C-V2X和/或蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)，與各級(jí)云平臺(tái)之間的協(xié)同計(jì)算。1、非實(shí)時(shí)應(yīng)用：目前，車與區(qū)域云、中心云的協(xié)同計(jì)算主要面向異步、非實(shí)時(shí)的應(yīng)用，已經(jīng)有成熟框架和應(yīng)用，如車載導(dǎo)航、智能語音助手、車載娛樂、自動(dòng)駕駛算法訓(xùn)練、車輛管理運(yùn)維大數(shù)據(jù)分析等。2、弱實(shí)時(shí)應(yīng)用：車云弱實(shí)時(shí)協(xié)同計(jì)算已建立起部分標(biāo)準(zhǔn)，并在示點(diǎn)示范區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)落地應(yīng)用，如網(wǎng)聯(lián)碰撞預(yù)警、網(wǎng)聯(lián)車速引導(dǎo)等。3、實(shí)時(shí)應(yīng)用：面向自動(dòng)駕駛的實(shí)時(shí)車云協(xié)同計(jì)算主要是車與邊緣計(jì)算平臺(tái)的協(xié)同計(jì)算，有助于智能網(wǎng)聯(lián)汽車突破車載算力邊界、感知邊界，提升車輛的智能駕駛等級(jí)，降低智能網(wǎng)聯(lián)車輛的成本和普及難度。但其解決方案、應(yīng)用都處于萌芽階段，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)也亟待建立。因此，當(dāng)前車企難以從云端得到一致的信息及服務(wù)以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)聯(lián)協(xié)同駕駛。

圖1 車云計(jì)算 - 汽車電子電氣架構(gòu)演進(jìn)趨勢(shì)（來源：博世）二、基于5G MEC面向自動(dòng)駕駛的實(shí)時(shí)車云協(xié)同計(jì)算面向自動(dòng)駕駛的實(shí)時(shí)車云協(xié)同計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)車輛計(jì)算能力的拓展，在此類協(xié)同計(jì)算模式中，5G-MEC由于其實(shí)時(shí)性佳，是邊緣云的主要采用平臺(tái)。一方面，邊緣云通過路側(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)、車輛信息的匯聚處理、分析，可實(shí)現(xiàn)面向所有車輛的普適性協(xié)同感知、規(guī)劃、決策。另一方面，可以通過云端平臺(tái)容器部署車輛孿生體，與車端協(xié)同形成“邏輯整車”，在5G-MEC和車載計(jì)算平臺(tái)之間實(shí)現(xiàn)個(gè)性化功能和算力的動(dòng)態(tài)編排，通過邏輯統(tǒng)一來突破單車計(jì)算的物理邊界并提供整車功能服務(wù)，實(shí)現(xiàn)面向單車個(gè)體的協(xié)同感知、規(guī)劃、決策、控制、故障診斷等。

圖2 車云計(jì)算邊緣云OS此外，經(jīng)由數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，邊緣計(jì)算平臺(tái)能夠更好的與第三方生態(tài)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)與智慧交通、智慧城市等服務(wù)與應(yīng)用的集成。三、國(guó)汽智控方案ICVEC國(guó)汽智控推出的車云協(xié)同基礎(chǔ)軟件ICVEC（intelligent Connected Vehicle Edge Computing）產(chǎn)品，通過云端車輛孿生體將車端OS的相應(yīng)功能運(yùn)行于邊緣云端,從系統(tǒng)硬件層面可以解讀成車端的多板卡/多SoC域控制器的并行分布式系統(tǒng)的一部分運(yùn)行在5G邊緣云的服務(wù)器中。1.車輛孿生及邏輯單車“車輛孿生”是指車端車控操作系統(tǒng)（系統(tǒng)軟件、功能軟件）、應(yīng)用等在邊緣云（5G-MEC）上的容器內(nèi)運(yùn)行。云端車輛孿生體的生命周期基本上對(duì)應(yīng)車輛在云端服務(wù)范圍內(nèi)的一次行駛旅程。與常規(guī)的數(shù)字孿生的主要區(qū)別在于，除基本的數(shù)據(jù)屬性外，它還具備有相應(yīng)的計(jì)算能力。車輛孿生的優(yōu)勢(shì)：一方面，由于車端和邊緣云具有相同的系統(tǒng)軟件、功能軟件和應(yīng)用開發(fā)，車輛孿生與物理車可通過實(shí)時(shí)通信進(jìn)行協(xié)同計(jì)算，包括不限于數(shù)據(jù)同步、算力編排、功能協(xié)同、實(shí)時(shí)控制等，根據(jù)每個(gè)車輛自己的環(huán)境模型和自車信息、行車目標(biāo)等，實(shí)現(xiàn)服務(wù)于單個(gè)車輛的個(gè)性化智能駕駛功能，通過計(jì)算突破物理邊界來提升單個(gè)車輛的智能。在跨邊緣云平臺(tái)之間遷移時(shí)，車輛孿體還可用于保留車端以及上一個(gè)邊緣云節(jié)點(diǎn)內(nèi)，對(duì)應(yīng)車輛的數(shù)據(jù)和內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)。另一方面，通過系統(tǒng)軟件、功能軟件中數(shù)據(jù)流的云端孿生，可以保障云端智能駕駛功能實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和高可靠性等。

圖3 國(guó)汽智控車云協(xié)同計(jì)算產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)邏輯單車是由車控操作系統(tǒng)（ICVOS）和邊緣云端的車輛孿生體所構(gòu)成的具備數(shù)據(jù)同步和協(xié)同工作能力的邏輯整體，實(shí)現(xiàn)完整的車云計(jì)算智能駕駛功能。2、車云通信車云間的通訊機(jī)制是千絲萬縷的。以邏輯單車為界，內(nèi)部云端車輛孿生體中的功能組件與車端操作系統(tǒng)的功能組件之間通過分布式通信中間件（DDS - Data Distribution Service）聯(lián)通，并構(gòu)成相應(yīng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)（Data Centric Architecture）的處理主線，實(shí)現(xiàn)車端與云端之間各種功能靜態(tài)部署與算力動(dòng)態(tài)浮動(dòng)。針對(duì)特定的場(chǎng)景及約束可以采用相應(yīng)的過渡性方案(Broker)實(shí)現(xiàn)車端與云端兩個(gè)通信域的橋接(Bridge)。邏輯單車與外部的通信方案則相對(duì)多樣化，更多是基于生態(tài)的需要采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)(Gateway)。比如，大數(shù)據(jù)采集功能可以采用MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）方案，車云計(jì)算管理控制面的通信可采用IoT（Internet of Things）支持的協(xié)議棧。不論是內(nèi)部的還是與外部的通信通道，均可通過同一個(gè)或多個(gè)相互隔離的網(wǎng)絡(luò)平面實(shí)現(xiàn)。而相應(yīng)的邏輯單車的功能比如數(shù)據(jù)回傳，可以運(yùn)行在車端也可以是運(yùn)行在云端車輛孿生體中。3、車輛孿生體管理從ICVEC管理控制面的構(gòu)成來講，運(yùn)行在5G邊緣云中的車輛孿生體控制器主要實(shí)現(xiàn)車輛孿生體的生命周期管理等功能（包括孿生體創(chuàng)建、車云通信通道的連接與功能協(xié)商、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、孿生體資源釋放等）以及其他服務(wù)和應(yīng)用管理功能。該控制器向上連接中心云的系統(tǒng)管理器，向下對(duì)接邏輯單車的業(yè)務(wù)功能。運(yùn)行在中心云的系統(tǒng)管理器負(fù)責(zé)ICVEC的整體管理功能，主要從系統(tǒng)層面協(xié)調(diào)車端車云協(xié)同組件與邊緣云端車輛孿生體控制器實(shí)現(xiàn)基本的車輛孿生體生命周期管理功能。車端ICVOS中的車云協(xié)同功能組件，與云端系統(tǒng)管理器、車輛孿生體控制器相配合，實(shí)現(xiàn)車輛孿生體生命周期管理及相應(yīng)的車云協(xié)同計(jì)算的靜態(tài)功能部署、動(dòng)態(tài)算力浮動(dòng)、功能安全等。以上是國(guó)汽智控ICVEC車云計(jì)算架構(gòu)的基本實(shí)現(xiàn)方式。在此整體解決方案中，車端與邊緣云間的5G通訊的實(shí)時(shí)性、可靠性是實(shí)現(xiàn)車云計(jì)算模式的前提條件，通過相應(yīng)的監(jiān)控和應(yīng)對(duì)策略來加以保障。四、落地案例

圖4 某自動(dòng)駕駛示范區(qū)-5G車云協(xié)同計(jì)算應(yīng)用場(chǎng)景ICVEC當(dāng)前已經(jīng)在某自動(dòng)駕駛示范區(qū)（圖4）進(jìn)行了部署，并完成了車云計(jì)算的應(yīng)用驗(yàn)證。單車的傳感器配置為1個(gè)攝像頭，感知算法運(yùn)行在車端，協(xié)同規(guī)劃及應(yīng)用狀態(tài)處理等算法運(yùn)行在云端，控制指令的執(zhí)行在車端，通過車云計(jì)算實(shí)現(xiàn)了車道保持LKS（Lane Keeping Support）及自適應(yīng)巡航ACC（Active Cruise Control）功能。驗(yàn)證了邊緣云車輛孿生體生命周期管理、車云間有效的功能靜態(tài)部署及動(dòng)態(tài)的算力浮動(dòng)等的實(shí)現(xiàn)。車云通訊通過5G通信通道實(shí)現(xiàn)，車輛與5G MEC機(jī)房相距近10公里。ICVEC還實(shí)際運(yùn)行在了河北徐水長(zhǎng)城車輛測(cè)試場(chǎng)的邊緣計(jì)算平臺(tái)上（圖5），在測(cè)試場(chǎng)封閉道路內(nèi)，車輛根據(jù)測(cè)試大綱和車云計(jì)算，自動(dòng)駕駛完成耐久性測(cè)試任務(wù)，檢驗(yàn)相關(guān)部件的功能和性能。測(cè)試場(chǎng)景包含了城市道路、空?qǐng)龊透鞣N特殊路面等環(huán)境，以及車輛及行人避讓等。同時(shí)該邊緣云系統(tǒng)還對(duì)接了測(cè)試場(chǎng)工單系統(tǒng)，以及在控制臺(tái)進(jìn)行測(cè)試場(chǎng)、測(cè)試任務(wù)和測(cè)試車輛的3D展示。通過數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在虛擬孿生測(cè)試場(chǎng)上對(duì)測(cè)試道路和測(cè)試場(chǎng)景的擴(kuò)展，在物理測(cè)試場(chǎng)上實(shí)車的真實(shí)測(cè)試運(yùn)行。

圖5 河北徐水長(zhǎng)城測(cè)試場(chǎng)自動(dòng)駕駛線路及3D可視化呈現(xiàn)五、價(jià)值定位軟件定義汽車使得更多的車輛功能由軟件實(shí)現(xiàn)，但車載計(jì)算平臺(tái)算力在車輛制造時(shí)就已固定，雖然有少數(shù)廠家可實(shí)現(xiàn)計(jì)算平臺(tái)硬件在出廠后可替換升級(jí)，但高算力硬件必然意味著高成本。5G MEC支持部分所需算力部署在邊端和云端，并與車端協(xié)同工作，解決車端硬件資源受限和軟件對(duì)算力資源需求不斷增高的矛盾，推動(dòng)車輛功能開發(fā)從車內(nèi)“軟件定義”到云端“軟件定義”的演進(jìn)，真正實(shí)現(xiàn)軟件定義汽車，同時(shí)可讓低配車獲得高等級(jí)自動(dòng)駕駛的能力。另外，通過與各種車聯(lián)網(wǎng)云控平臺(tái)、智慧道路交通系統(tǒng)及各種基于大數(shù)據(jù)處理應(yīng)用的對(duì)接，國(guó)汽智控車云協(xié)同計(jì)算能夠給“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”和產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)帶來助力。通過構(gòu)建車云協(xié)同計(jì)算基礎(chǔ)平臺(tái)，推動(dòng)大量汽車數(shù)據(jù)上云、數(shù)據(jù)分析建模、車云一體的協(xié)同工作模式，將助力汽車全產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。

同時(shí)，統(tǒng)一的車云協(xié)同計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)將有助于汽車產(chǎn)業(yè)、通信產(chǎn)業(yè)、IT產(chǎn)業(yè)、交通產(chǎn)業(yè)的協(xié)同發(fā)展，為“新基建”的可持續(xù)性、可擴(kuò)展性建設(shè)提供指導(dǎo)，消除示范區(qū)車云計(jì)算架構(gòu)不統(tǒng)一、行業(yè)碎片化發(fā)展、應(yīng)用開發(fā)受限等障礙，促進(jìn)多產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化擴(kuò)展，減少企業(yè)的部署、遷移、適配成本。

作者Karl，國(guó)汽智控車云計(jì)算架構(gòu)師。有多年嵌入式軟件、云原生SDN虛擬網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)分析、網(wǎng)絡(luò)與車端信息安全等方面的研發(fā)與架構(gòu)經(jīng)驗(yàn)。