智能汽车：电子电气架构详解

前　言

为什么要写这本书

大学毕业之后，我一直在工程领域从事开发工作。虽然开发过的产品种类繁杂，如移动通信交换机、汽车电子产品、整车电子电器以及电子电气架构，但大部分工作都集中在电子产品的软件开发与测试领域，工作岗位也在过去二十多年的时间中从工程师转变为管理者。回顾职业生涯，我总结出一个规律：个人的成长在转型期为迅速。

虽然在稳定的工作环境中可以不断精进技能，但每当换了一个环境或者尝试一份从未做过的工作时，我好像会进入一个新的世界。全新的环境或挑战可以刺激我进行更多的思考和学习新的知识，这是一个既痛苦又快乐的过程。我特别喜欢重阳投资合伙人舒泰峰先生在《财富是认知的变现》一书中的一句话：“只有认知提升，财富才能增加。”真正能让内心充盈的是知识与经历，而知识与经历会转换为认知。认知与物质财富的不同之处在于其具备可分享性。

回想起初入职场时我对一切都懵懵懂懂，虽然也很努力，但是由于认知水平有限而走过不少弯路。如果当时能有人多给我一些指引，也许现在的我会做得更好。弯路走多了，就想着如何能让与我有缘的人可以少走一些弯路。

世界的发展有其自然规律，个人无法改变。然而，当一个群体中的所有个体都能朝着一个方向前进时，个体的力量就可以汇聚到大潮之中，成为群体力量的一部分，进而改变世界。个人的成就建立在他人的基础之上，他人的进步又会促进个人能力的提升。

悟出以上这个道理我花了30年的时间，那是当我在而立之年有幸成为一个团队的负责人之时。一个人在不得不承担起更大的责任时，就会反思自己存在的问题。带领他人前进的负重感既会让人变得更加清醒和坚强，也会令人思考得更多，学到更多。

2019年，在一个朋友的帮助下，我创建了自己的微信公众号“侯哥工作感悟”。目的有两个，一个是让自己的业余生活更加充实，另一个是希望帮助更多的“汽车人” 　汽车人指的是汽车行业从业者。。让我感到意外的是，篇关于软件定义汽车的文章大受欢迎，被众多公众号转载。接下来的一系列相关文章也得到了广泛的好评，让我的知名度迅速蹿升，并受邀在多个大型会议与论坛上进行分享。从此，我开始了码字生涯。

在这个汽车行业百年未有之大变局来临之际，无数的“汽车人”处于迷茫之中。各种不断出现的新名词、新技术和新方向让人眼花缭乱。可是，并非所有的新事物都值得去坚持和投入。未来究竟如何，尚未可知。作为一名多年从事汽车电子相关研发工作的人员，我总觉得应该为中国汽车行业做点什么。

秉着让自己生活在一个更加美好的世界的初衷，我坚持去帮助或影响身边的一些人，并逐渐发现自己的经验和观点确实能够帮助他们，让他们少走一些弯路并成长得更快一些。于是，当2021年杨福川编辑与我讨论是否可以写一本关于电子电气架构与智能网联汽车方面的书时，我很快答应了。从那天开始，我每天的空闲时间都被填满了。原以为可以很快完成书稿写作，然而动笔之后，我才明白写书与写网文的区别：网文可以自由发挥，即使有些小的瑕疵，也无伤大雅；而写一本书——一本要被印刷出来并可能被万千读者仔细研读的书，就无法那么随意了，书中的每一个词、每一张图、每一个观点、每一个知识点都要仔细推敲。在这一年多的时间中，我查阅了大量的资料，阅读了大量国内外相关文章，力求书中每一句话都经得起推敲，每一个数据都有权威的出处。然而，越是仔细研究电子电气架构这个概念，我就越觉得遗憾，对于这么一个被广泛使用的词汇，竟然找不到一本书可以将其含义解释清楚！同时，关于如何开展电子电气架构的设计与开发、如何应对当前汽车行业的变革等问题，更是找不到有实用价值的专著！我所能看到的都是各种文章与其中的零散观点。

基于这种情况，我把本书的写作目的从简单的电子电气架构介绍与讨论智能网联汽车的概念，变为普及电子电气架构的基本知识与探讨汽车行业的转型。电子电气架构的基本知识与汽车行业转型这两个主题看似关联不大，却在本质上深刻地互相影响。

首先，无论电子电气架构还是汽车行业都是无比复杂的系统，并且有着共同的特征与规律。这些共同的特征与规律可以通过系统工程理论进行抽象的描述。因此，本书的讨论从“系统”这个看似常见又有点模糊的概念开始，逐步展开。

其次，对于复杂如电子电气架构、汽车及汽车行业这样的工程系统而言，开发与运行有着一些共同的方法与规则。这些方法与规则虽然在系统工程理论中也有相应的描述，但过于抽象。本书试图以朴实的方式来讲解这些复杂系统的共同点。不但如此，这些共同点还可以被推广和应用到更多的复杂系统的分析、开发与管理过程中。

后，本次汽车行业变革在技术上的主要标志是电子电气架构的变革，而电子电气架构的变革又是由无数个技术点的量变积累而成的质变。因此，本书也花了一定的篇幅来介绍各种引起电子电气架构变革的关键技术，涵盖了通信、电气、芯片、网联、座舱、智能驾驶及开发工具等方面。同时

本书以智能汽车的电子电气架构为主线，微观层面上，从复杂系统工程视角讲解了智能汽车电子电气架构的原理、技术、设计、开发与管理；宏观层面上，用全局性和前瞻性的视角梳理了电子电气架构与“软件定义汽车”、“新四化”以及智能座舱、自动驾驶、汽车安全等新技术的关系，揭示了以电子电气架构变革为代表的汽车行业变迁的底层逻辑，旨在帮助车企能更快地实现转型并看清未来的发展方向。通过阅读本书，你将：（1）全面了解汽车电子电气系统的构成与分解方法；（2）深刻理解复杂系统的工程方法和系统思维在汽车行业的应用；（3）全面了解智能汽车电子电气架构的必知常识和技术基础；（4）深刻理解系统工程、 需求工程、 工程哲学的基本思想和原理及其在汽车行业的应用； （5）掌握智能汽车汽车电子电气架构设计的目标与原则；（6）掌握智能汽车电子电气架构开发的流程和方法；（7）学会在项目中平衡电子电气系统中各种利益相关者的关系；（8）了解电子电气架构师的能力体系；（9）了解“软件定义汽车”和“新四化”及其与电子电气架构的深层关系；（10）了解智能网联汽车中智能座舱、自动驾驶、汽车安全等各种关键技术的概况；（11）洞察汽车行业的商业模式变革、产业格局变化和未来发展方向；（12）窥见汽车行业发展的一些基本规律。

侯旭光

智能汽车领域资深技术专家，现就职于广汽集团汽车工程研究院，担任智能网联中心电子电气架构总师；曾就职于西门子和吉利汽车，在吉利汽车从事整车电子电气架构开发和车身电子产品的开发与管理工作；中国汽车工程学会智能网联汽车系统架构分会委员。

富有思想和创造力，在汽车电子电气相关领域从业超过20年，拥有从汽车软件开发测试到硬件的设计和生产、从零部件开发到整车电器架构设计、从通信行业到汽车电子行业的全面经验，对软件开发、汽车电子、智能网联汽车，软件定义汽车和汽车电子产业等有独到的理解。

所服务的公司均为世界500强企业。多次与国际一流公司合作，参与并主持过多个正向开发的电子电气架构设计。对整个汽车电子电气行业始终保持着冷静的思考，乐于分享，在国内的汽车电子领域有着良好的声望。

前　言

第1章　电子电气系统1

1.1　系统的定义2

1.2　系统工程4

1.3　系统思维7

1.4　汽车电子电气系统的构成8

1.4.1　汽车电子电气系统的定义8

1.4.2　汽车电子电气系统三视图9

1.5　汽车电子电气系统分解12

1.5.1　系统分解的目的和意义12

1.5.2　系统分解的4个步骤与3个原则13

1.6　本章小结19

第2章　电子电气架构技术基础20

2.1　架构的定义20

2.1.1　架构词解21

2.1.2　架构与系统的关系21

2.1.3　电子电气架构22

2.2　电子电气架构三视图23

2.2.1　逻辑视图24

2.2.2　物理视图26

2.2.3　过程视图27

2.2.4　3种视图的关系29

2.3　电子电气架构的4个子架构30

2.3.1　网络架构31

2.3.2　电气架构35

2.3.3　功能架构41

2.3.4　软件架构44

2.4　理解架构设计与系统开发的关系56

2.4.1　架构设计与城市规划57

2.4.2　系统开发与街区设计57

2.4.3　零部件设计与建筑设计58

2.4.4　供应商开发与施工实现58

2.4.5　架构设计的重要性58

2.4.6　架构设计与系统开发的区别59

2.5　架构设计的意义59

2.6　本章小结60

第3章　电子电气架构的发展历程61

3.1　IPO模型61

3.2　电子电气架构发展的驱动因素63

3.2.1　汽车电子的诞生63

3.2.2　ECU的诞生64

3.2.3　汽车电子电气架构的诞生65

3.2.4　汽车电子的6个发展阶段65

3.3　基础技术的发展66

3.3.1　芯片66

3.3.2　通信和网络68

3.3.3　软件73

3.3.4　电气架构的相关技术89

3.4　电子电气架构的演进93

3.4.1　车身控制模块的诞生93

3.4.2　电子电气架构的演进94

3.4.3　电子电气架构的8条基本发展规律101

3.5　本章小结102

第4章　系统开发方法与工具103

4.1　基本开发方法103

4.1.1　正向开发与逆向工程103

4.1.2　瀑布开发模型104

4.1.3　瀑布开发模型在整车开发中的应用107

4.2　需求工程110

4.2.1　需求的定义111

4.2.2　需求的种类112

4.2.3　需求工程的5个活动113

4.2.4　需求工程的意义和目的120

4.3　基于模型的系统工程121

4.3.1　MBSE的定义122

4.3.2　MBSE模型的4个象限123

4.3.3　MBSE的三大支柱124

4.3.4　MBSE的实施130

4.4　本章小结133

第5章　电子电气架构设计的目标与原则134

5.1　架构设计的目标134

5.1.1　为什么需要架构设计135

5.1.2　理想的架构设计136

5.2　架构设计的原则137

5.2.1　设计原则的产生与传递138

5.2.2　设计原则的分层138

5.2.3　架构设计的三大原则139

5.3　本章小结143

第6章　电子电气架构开发方法144

6.1　定义产品特性145

6.1.1　用户的需求145

6.1.2　从用户故事开始设计147

6.1.3　特性149

6.1.4　用例151

6.1.5　卡诺模型155

6.2　功能开发157

6.3　架构形态设计161

6.3.1　电子电气系统的物理分解162

6.3.2　架构形态设计的5个步骤166

6.3.3　电气架构与网络架构的雏形167

6.4　系统开发170

6.4.1　子系统开发概览170

6.4.2　收集需求172

6.4.3　系统设计173

6.4.4　评审和更新179

6.5　线束开发180

6.6　网络设计181

6.7　基础技术开发183

6.8　零部件开发184

6.9　验证和确认185

6.9.1　测试的种类185

6.9.2　测试的基本理念186

6.10　电子电气架构开发方法总结189

6.10.1　一个源头：需求189

6.10.2　两条主线：功能与性能190

6.10.3　两个工作：分解和分配190

6.10.4　两种思路：增量与重构191

6.10.5　一个问题：架构设计是技术还是管理193

6.11　本章小结194

第7章　电子电气架构管理195

7.1　电子电气系统4类关系的管理195

7.2　电子电气系统的利益相关者197

7.2.1　利益相关者的分类197

7.2.2　常见的6类利益相关者198

7.3　架构团队：利益相关者之间的平衡器200

7.4　架构师的8项基本能力202

7.4.1　洞察业务本质的能力203

7.4.2　强大的学习能力203

7.4.3　高瞻远瞩的能力204

7.4.4　适当妥协的能力204

7.4.5　高度的抽象能力205

7.4.6　系统思考的能力205

7.4.7　良好的沟通能力206

7.4.8　强大的领导力207

7.5　电子电气架构的哲学思考207

7.5.1　忒修斯之船与系统结构208

7.5.2　熵增原理与架构发展209

7.5.3　电子电气架构的评价210

7.6　本章小结210

第8章　“新四化”与软件定义汽车212

8.1　汽车行业的“新四化”212

8.1.1　“新四化”概念的诞生212

8.1.2　“新四化”的演进213

8.1.3　“新四化”的最新定义215

8.2　软件定义汽车216

8.2.1　软件定义汽车的起源217

8.2.2　软件定义汽车的含义218

8.3　软件定义汽车实现的基础222

8.3.1　技术条件222

8.3.2　量产后软件更新的成本222

8.3.3　用户为软件付费的意愿223

8.3.4　车载半导体技术223

8.3.5　观念224

8.4　软件定义汽车面临的挑战224

8.4.1　物理视图的挑战225

8.4.2　逻辑视图的挑战227

8.4.3　过程视图的挑战229

8.5　不变的基本价值233

8.6　本章小结235

第9章　智能网联汽车新技术236

9.1　智能座舱237

9.1.1　激烈的竞争237

9.1.2　发展历程239

9.2　座舱技术241

9.2.1　显示设备242

9.2.2　多模态交互245

9.3　自动驾驶251

9.3.1　自动驾驶汽车的历史252

9.3.2　自动驾驶的等级254

9.3.3　自动驾驶系统257

9.3.4　自动驾驶感知设备259

9.3.5　自动驾驶控制器268

9.3.6　自动驾驶执行器269

9.3.7　自动驾驶的挑战270

9.4　人工智能与大数据274

9.4.1　人工智能274

9.4.2　大数据276

9.5　系统安全278

9.5.1　系统安全的概念与流程278

9.5.2　系统安全的母标准280

9.5.3　功能安全282

9.5.4　预期功能安全288

9.5.5　对系统安全的思考291

9.6　网络安全291

9.6.1　ISO/SAE21434简介292

9.6.2　网络安全管理293

9.6.3　网络安全开发294

9.7　本章小结297

第10章　汽车行业的变革与机遇298

10.1　变革——历史的必然298

10.1.1　第二曲线299

10.1.2　产品的变革300

10.1.3　电子电气架构的变革将持续进行303

10.1.4　性价比——产品普及的根本动力304

10.2　商业模式的变革307

10.2.1　盈利模式变革307

10.2.2　营销模式变革309

10.2.3　售后服务模式变革312

10.3　产业格局的变革313

10.3.1　新势力的进攻314

10.3.2　分工的变化316

10.4　政府的力量320

10.5　车企的基本能力322

10.5.1　车企五力模型322

10.5.2　从“打铁”到“服软”326

10.6　重塑能力，迎接挑战329

10.6.1　明确愿景329

10.6.2　确立原则330

10.6.3　行动方向333

10.7　本章小结336

本书以智能汽车的电子电气架构为主线，微观层面上，从复杂系统工程视角讲解了智能汽车电子电气架构的原理、技术、设计、开发与管理；宏观层面上，用全局性和前瞻性的视角梳理了电子电气架构与“软件定义汽车”、“新四化”以及智能座舱、自动驾驶、汽车安全等新技术的关系，揭示了以电子电气架构变革为代表的汽车行业变迁的底层逻辑，旨在帮助车企能更快地实现转型并看清未来的发展方向。通过阅读本书，你将：（1）全面了解汽车电子电气系统的构成与分解方法；（2）深刻理解复杂系统的工程方法和系统思维在汽车行业的应用；（3）全面了解智能汽车电子电气架构的必知常识和技术基础；（4）深刻理解系统工程、 需求工程、 工程哲学的基本思想和原理及其在汽车行业的应用； （5）掌握智能汽车汽车电子电气架构设计的目标与原则；（6）掌握智能汽车电子电气架构开发的流程和方法；（7）学会在项目中平衡电子电气系统中各种利益相关者的关系；（8）了解电子电气架构师的能力体系；（9）了解“软件定义汽车”和“新四化”及其与电子电气架构的深层关系；（10）了解智能网联汽车中智能座舱、自动驾驶、汽车安全等各种关键技术的概况；（11）洞察汽车行业的商业模式变革、产业格局变化和未来发展方向；（12）窥见汽车行业发展的一些基本规律。

侯旭光

智能汽车领域资深技术专家，现就职于广汽集团汽车工程研究院，担任智能网联中心电子电气架构总师；曾就职于西门子和吉利汽车，在吉利汽车从事整车电子电气架构开发和车身电子产品的开发与管理工作；中国汽车工程学会智能网联汽车系统架构分会委员。

富有思想和创造力，在汽车电子电气相关领域从业超过20年，拥有从汽车软件开发测试到硬件的设计和生产、从零部件开发到整车电器架构设计、从通信行业到汽车电子行业的全面经验，对软件开发、汽车电子、智能网联汽车，软件定义汽车和汽车电子产业等有独到的理解。

所服务的公司均为世界500强企业。多次与国际一流公司合作，参与并主持过多个正向开发的电子电气架构设计。对整个汽车电子电气行业始终保持着冷静的思考，乐于分享，在国内的汽车电子领域有着良好的声望。