汽車(chē)的智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何構(gòu)建

在汽車(chē)智能化的進(jìn)程中，除了車(chē)載CPU、顯示屏以及傳感器的升級(jí)外，還有一個(gè)不可或缺的組成部分：總線系統(tǒng)。汽車(chē)解碼之前在介紹特斯拉底盤(pán)時(shí)，曾涉及過(guò)Model S內(nèi)部的總線設(shè)計(jì)。

本文，我們來(lái)了解下總線到底是什么?以及它為何對(duì)汽車(chē)智能化如此重要?簡(jiǎn)單來(lái)講，如人的大腦要發(fā)號(hào)指令，需要神經(jīng)系統(tǒng)去傳遞信息一樣，汽車(chē)也有自己的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”。

ECU無(wú)處不在

最常見(jiàn)的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”叫做CAN Bus，Bus即總線的意思。CAN總線是目前最常見(jiàn)，也是最普及的一種汽車(chē)內(nèi)部通訊協(xié)議，它最早由博世集團(tuán)制定。目前，除了一些非常低端的車(chē)型，大部分量產(chǎn)車(chē)都采用了CAN作為通訊標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議。

CAN本身并不是所謂的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，它只是這個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間對(duì)話的語(yǔ)言，就如同兩臺(tái)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)之間，可以通過(guò)HTTP或FTP進(jìn)行對(duì)話一樣。在一輛現(xiàn)代化的汽車(chē)上，大致有100~300個(gè)、甚至更多個(gè)ECU，即電子控制單元(Electric Control Unit)，來(lái)作為“神經(jīng)節(jié)點(diǎn)”。

一輛汽車(chē)能否正常運(yùn)營(yíng)，就要看這些ECU之間是否配合融洽;而ECU數(shù)量的多少，也代表著汽車(chē)數(shù)字化程度的高低?，F(xiàn)在，越來(lái)越多的機(jī)械零部件，被電控零部件所取代。比較典型的例子有轉(zhuǎn)向助力：液壓助力、電子液壓助力、電子助力，再到線控轉(zhuǎn)向。ECU已經(jīng)被應(yīng)用到了汽車(chē)的核心功能上。

這數(shù)百個(gè)ECU，在汽車(chē)內(nèi)部組成了一個(gè)局域網(wǎng)。與外網(wǎng)不同，局域網(wǎng)的信息傳輸特點(diǎn)是，一個(gè)ECU發(fā)出的數(shù)據(jù)包，所有的節(jié)點(diǎn)都會(huì)接收到，但只有承擔(dān)該數(shù)據(jù)包任務(wù)的節(jié)點(diǎn)，才會(huì)去執(zhí)行命令。

舉個(gè)例子，比如剎車(chē)燈。當(dāng)監(jiān)控剎車(chē)踏板的ECU，監(jiān)測(cè)到踏板行程有變動(dòng)時(shí)，就會(huì)通知監(jiān)測(cè)尾燈的ECU。此時(shí)，該ECU控制尾燈，并將其通電點(diǎn)亮。這一個(gè)簡(jiǎn)單的操作，其實(shí)背后有至少2個(gè)ECU的配合。

此外，由于汽車(chē)模塊化設(shè)計(jì)，ECU也分為了不同模塊。比如，發(fā)動(dòng)機(jī)有一個(gè)單獨(dú)的ECU體系，叫做ECM(Engine Control Module )。這個(gè)模組由多個(gè)控制發(fā)動(dòng)機(jī)不同功能的ECU組成，比如節(jié)氣門(mén)的開(kāi)合、燃油噴射劑量、渦輪介入時(shí)機(jī)等。

CAN負(fù)責(zé)組建局域網(wǎng)

要讓所有的這些ECU之間相互配合，需要一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議來(lái)作為“傳令者”。CAN協(xié)議是其中之一，它的全稱叫做Controllers Area Network。該協(xié)議誕生于1983年，是全球最大汽車(chē)零部件集團(tuán)博世的獨(dú)家專(zhuān)利。

CAN協(xié)議存在的意義是，它為汽車(chē)的電子化、數(shù)字化進(jìn)程起到了巨大推動(dòng)作用。借助CAN協(xié)議，汽車(chē)內(nèi)部的數(shù)百個(gè)ECU，可以在沒(méi)有主機(jī)(也就是車(chē)載CPU)的情況下組建一個(gè)局域網(wǎng)。1986年，SAE(汽車(chē)工程師協(xié)會(huì))正式發(fā)表CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

其實(shí)，CAN總線是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)與計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)有效配合的一個(gè)成功典范：在CAN標(biāo)準(zhǔn)被公布后的第二年，也就是1987年，英特爾與飛利浦開(kāi)發(fā)出了全球第一款CAN總線適用的芯片(即ECU)。1988年發(fā)布的寶馬8系，是全球第一款搭載CAN總線的量產(chǎn)車(chē)型。

CAN協(xié)議的普及，讓汽車(chē)大幅度數(shù)字化，其意義不僅體現(xiàn)在汽車(chē)電子化程度的提升，也對(duì)于車(chē)輛的故障檢修帶來(lái)了革命性的變化。要知道，一輛現(xiàn)代化的汽車(chē)正常行駛，其需要的代碼數(shù)量，要遠(yuǎn)超于一架波音747客機(jī)所需的。

OBD接口便是最直接的受益者，這個(gè)在1996年被美國(guó)政府強(qiáng)制推行的檢修接口，通過(guò)采集CAN總線的各種數(shù)據(jù)，可以對(duì)車(chē)輛的運(yùn)行狀況做一個(gè)更精確的評(píng)估。甚至在逆向破解后，黑客通過(guò)CAN總線可以遠(yuǎn)程控制車(chē)輛。

但是，CAN并非是唯一的車(chē)用通訊協(xié)議。為了彌補(bǔ)CAN協(xié)議在某些方面的不足，汽車(chē)工業(yè)還研發(fā)出了很多其他協(xié)議，比如LIN協(xié)議。相比CAN，LIN的帶寬要更小、承載的數(shù)據(jù)量更少，但同時(shí)成本也更低，適合應(yīng)用于一些簡(jiǎn)單的ECU中，比如車(chē)窗升降等。

隨著技術(shù)進(jìn)步，汽車(chē)內(nèi)部的數(shù)據(jù)量暴增。尤其是大屏幕的普及和流媒體技術(shù)的介入，讓CAN總線在某些時(shí)候“力不從心”，已無(wú)法勝任工作。于是，更高級(jí)的通訊協(xié)議問(wèn)世了，比如MOST、FlexRay、以太網(wǎng)等。

這些協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，擁有更大的帶寬與更強(qiáng)的穩(wěn)定性。其中，MOST是一種高速多媒體傳輸接口，專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)內(nèi)部的一些高碼率音頻、視頻提供傳輸。FlexRay 也是一種高速協(xié)議，但不僅限于多媒體傳輸。在自動(dòng)駕駛的奧迪A7中，位于后備箱的車(chē)載CPU(奧迪稱之為zFAS)模組，就是依靠FlexRay協(xié)議來(lái)讀取前置攝像頭捕捉的數(shù)據(jù)。

至于以太網(wǎng)，這本不是專(zhuān)用于汽車(chē)技術(shù)的，而是計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。與上述多種協(xié)議相比，以太網(wǎng)的傳輸速度是最快的。按照帶寬劃分，以太網(wǎng)可以分為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)(10Mbit/s)、快速以太網(wǎng)(100Mbit/s)，以及10G(10Gbit/s)以太網(wǎng)。注意，與HTTP等超文本傳輸協(xié)議不同，以太網(wǎng)是物理層的標(biāo)準(zhǔn)。

目前總線協(xié)議最發(fā)達(dá)的車(chē)型，當(dāng)屬特斯拉Model S，該車(chē)采用了CAN、LIN，以及以太網(wǎng)三種標(biāo)準(zhǔn)，分別處理不同級(jí)別的數(shù)據(jù)。注意，雖然特斯拉有兩個(gè)車(chē)載CPU(Nvidia Tegra處理器)，但其總線依然是局域網(wǎng)架構(gòu)。

除上述這些總線協(xié)議外，汽車(chē)工業(yè)使用的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，還有諸如Byteflight、D2B、DC-Bus、IEBus、SPI，以及VAN等多種。這些協(xié)議由不同機(jī)構(gòu)研發(fā)，打破了博世CAN協(xié)議的壟斷。目前已經(jīng)被部分汽車(chē)品牌應(yīng)用到旗下車(chē)型，但都不如CAN協(xié)議普及。

其實(shí)，CAN協(xié)議不僅應(yīng)用到汽車(chē)內(nèi)部，某些外部場(chǎng)景也需要CAN協(xié)議的支持。最典型的就是OBD接口。通過(guò)這個(gè)接口，檢修員可以讀取到車(chē)輛的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況、機(jī)油余量、里程數(shù)等信息。

通用、沃爾沃、特斯拉等車(chē)型支持遠(yuǎn)程控制，其原理就是手機(jī)發(fā)出的指令先到達(dá)服務(wù)器，然后被轉(zhuǎn)發(fā)到車(chē)載通訊模塊。車(chē)載通訊模塊接收到指令后，再通過(guò)CAN總線將指令傳達(dá)到各個(gè)ECU。

在電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域，充電接口其實(shí)也需要CAN總線的支持。無(wú)論是歐標(biāo)還是美標(biāo)的接口，其中有一項(xiàng)是CAN協(xié)議通訊接口。這一項(xiàng)的作用，是告訴充電樁電池目前有多少電，這個(gè)數(shù)據(jù)將從電池組的監(jiān)控ECU上讀取。

隨著汽車(chē)智能化的提升，CAN總線將更多的暴露到外網(wǎng)中，因此汽車(chē)信息安全成為了新的課題。比如特斯拉，就不只一次被車(chē)主和黑客成功破解。此外，隱私問(wèn)題也因此而升級(jí)，當(dāng)車(chē)輛這個(gè)局域網(wǎng)接入物聯(lián)網(wǎng)時(shí)，你的一舉一動(dòng)都受到監(jiān)控。這就要求，不僅車(chē)聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器提升安全級(jí)別，CAN總線也要從基本層面做好加密、認(rèn)證、防偽等工作。