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《智能网联汽车信息物理系统参考架构2.0》研究报告

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概述

编制说明

汽车产业是国民经济重要的战略性、支柱性产业，与人民生活密切相关。当前，在新一轮科技革命和产业变革的影响下，新一代信息技术与制造技术深度融合，汽车正由传统的机械产品逐步演变为机电一体化、智能化和网联化的高科技产品，呈现与电子、信息、交通等相关产业紧密相连、协同发展的趋势。发展智能网联汽车成为汽车产业的战略发展方向。

智能网联汽车与智能交通紧密相关，两者融合协同发展是未来的主要趋势。智能网联汽车通过搭载先进的车载传感器、控制器、执行器等装置，融合现代通信与网络技术，实现车与 X（人、车、路、云等）智能信息交互、共享，具备复杂环境感知、智能决策、协同控制等功能，可实现“安全、高效、舒适、节能”行驶，进而使汽车成为智能交通网络系统中重要的功能结点。我国《汽车产业中长期发展规划》、《智能汽车创新发展战略（征求意见稿）》、《车联网（智能网联汽车）产业发展行动计划》、《交通信息化“十三五”发展规划》、《推进智慧交通发展行动计划（2017-2020 年）》、《智能网联汽车道路测试管理规范（试行）》，以及 SAE J3016《标准道路机动车驾驶自动化系统分类与定义》等指导文件和技术规范定义了自动驾驶/智能汽车等级，提出了安全、效率、可靠性、环境耐受性、容错性、冗余性等要求，明确了智能网联汽车和智能交通的发展方向。

我国人口众多、汽车保有量大、地理状况和道路环境复杂，亟需构建具有中国属性、适应中国现状、符合中国标准的智能网联汽车 “中国方案”，从而推动我国智能网联汽车和智能交通产业的技术创新、产品创新、新产业生态以及相关体系的构建。

目前，智能网联汽车与智能交通融合所形成的复杂大系统具有跨行业、跨领域、跨地域的高度复杂性、异构互操作性等特性，需要解决移动多接入、多层次互操作和协同、大规模高密度实时控制、低时延高可靠计算决策等协同控制关键问题。同时需要明确相关产业中利益攸关人的视角以及关注点从而更好的理解不同立场下的需要及需求。从宏观上更快的讲智能网联汽车与智能交通融合转变成一个完整的体系，跨越目前的复杂大系统阶段。根据国内外理论研究和工程实践，信息物理系统（Cyber-Physical System）或信息物理复杂大系统（Cyber-Physical System of Systems）通过信息空间（Cyber Space）和物理空间（Physical Space）各要素的映射和互操作，建立实时、动态、闭环的协同控制机制，可以有效解决智能网联汽车和智能交通的协同控制问题。因此，智能网联汽车相关体系的构筑以智能网联汽车信息物理系统理论辅以系统思维作为初期研究基础。

基于此，设计团队提出了智能网联汽车信息物理系统的概念，并于 2019年10月完成了智能网联汽车信息物理系统参考架构 1.0 的设计。旨在通过不断发展和演进，研究成果可以为智能网联汽车和智能交通复杂系统的总体设计、重构设计和中国标准体系完善提供基础支撑，同时促进智能网联汽车自主技术创新体系和“中国方案”的智能网联汽车产业链的完善，支持智能基础设施建设的实施，推动智能网联汽车与智能交通、智慧城市深度融合生态体系的构建。在系统参考架构 1.0 的基础上，设计团队更进一步的提出了智能网联汽车体系的概念，完善了系统、架构以及协同等相关基础概念框架，并对与 ICV 和 CPS 相关的核心概念进行了明确的定义。随后，设计团队明确了智能网联汽车信息物理系统的四个阶段，并对相对应的功能参考架构、逻辑参考架构和分级参考架构进行了定义。同时完成了国内首创的智能网联汽车 7S 体系架构框架，并且全面应用基于模型的系统工程（MBSE）作为具体设计方法步骤，构筑并且描述参考架构模型。此外，设计团队提出了应用数字主线技术连接四大 ICV CPS 数字孪生体的设计流程，并明确了 ICV CPS 落地所需要的关键共性技术突破重点。整合了以上各个研究结果，完成了智能网联汽车信息物理系统参考架构 2.0（以下简称“参考架构 2.0”）。参考架构 2.0 旨在推进智能网联汽车体系的构筑以及对相关使能体系的适配，从宏观上加速智能网联汽车产业从处于复杂大系统阶段的信息物理复杂大系统向协同一致的智能网联汽车体系的转化，从而在根本上为“中国方案”的智能网联汽车的发展提供支持。

参考架构 2.0 提出了从智能网联汽车系统到智能网联汽车信息物理复杂大系统再到智能网联汽车体系的概念。明确了目前智能网联汽车信息物理复杂大系统的参考架构模型描述对减少复杂性的重要性，同时也论证了智能网联体系和信息物理复杂大系统之间的递进关系。定义了智能网联汽车体系是在智能网联汽车信息物理复杂大系统的基础上，通过构筑使能体系、协调不同立场下的各方视角、统一车路云三方需求以及明确产业定位从而完成转化。基于相关概念的相关性以及行业共识的缺失，参考架构 2.0 提出了系统和架构相关的基础理论框架。明确了系统、复杂大系统与体系的递进关系，定义了架构、参考架构以及架构框架的相关特点，同时明确了在不同视角下，针对不同概念级别的系统需要对整合、互操作以及协同的不同需要。此外，参考架构 2.0 从智能网联汽车全生命周期和主要的利益攸关者考虑，将智能网联汽车信息物理系统按阶段划分，分成了智能网联汽车研发设计信息物理系统（ICV D CPS）、智能网联汽车生产制造信息物理系统（ICV M CPS）、智能网联汽车车用信息物理系统（ICV V CPS）以及智能网联汽车运行管理信息物理系统（ICV OM CPS）。为了更清晰地定义不同阶段的智能网联汽车信息物理系统，参考架构 2.0 同时描述了其对应的功能参考架构、逻辑参考架构和分级参考架构。

为了加速智能网联汽车体系的构建同时完善智能网联汽车信息物理复杂大系统的参考架构模型，参考架构 2.0 融合了国际上流行的体系架构框架（EAF），参考复杂体系的开发和构筑流程，首创了适用于“中国方案”的智能网联汽车 7S 体系架构框架。通过定义包含 7 个主视图 47 个子视图且可应用于智能网联汽车和智能交通中不同立场的架构框架，在三个方面助力智能网联汽车体系的构建以及智能网联汽车信息物理系统参考架构模型的规范化：1）通过 7 个主视图 47 个子视图的具体细分，支持对各方立场和相关视角下不同层级不同方面的需求的深层挖掘，从而更好的明确智能网联汽车体系中方方面面的开发需求。2）通过对统一的整理各方对智能网联汽车体系中相关方面的认识，从而支持无障碍的沟通以达到统一产业认识的目的。3）通过体系架构框架作为参考架构模型构建的基础，规范化的对智能网联汽车信息物理复杂大系统参考架构模型进行搭建。

在 7S 体系架构框架内，针对智能网联汽车信息物理系统设计、开发、集成和运营的复杂性问题，参考架构 2.0 全面采用已被广泛证明适用于复杂系统设计开发的基于模型的系统工程方法（Model-Based Systems Engineering，MBSE），以提高系统的开发效率、保障产品质量和系统可靠性，支持系统快速迭代和持续演进。除此之外，参考架构 2.0 贯彻应用 MBSE 配套的系统建模语言（SysML）与面向对象的系统工程方法（OOSEM），严格规范的构建了参考架构模型样板。具体模型在参考架构 1.0 的基础上更加明确了国际上流行的 “需求-功能-逻辑-参数（RFLP）”系统工程框架。通过对参考架构模型的构建，作为样板为产业共同参与搭建不同立场不同行业的系统参考架构模型提供参考依据。此外，参考架构 2.0 提出应用数字主线智能网联汽车信息物理系统四个阶段的数字孪生体连接起来，覆盖并建立从设计到运维的全生命周期数据的连接和有效传递，为各业务环节提供统一的、一致的、实时的数据，提高业务运营效率。

智能网联汽车和智能交通涉及的对象具有多样性和复杂性的特点，传统的设计方式难以满足复杂系统工程的开发需求。系统参考架构通过抽象的方法对各类对象及其相互作用建立可复用的形式化模型，支持智能网联汽车和智能交通系统的协同开发、仿真测试以及工程体系建设，推动构建标准化、可演进的研发平台和生态环境。为了向产业参与者和利益相关方呈现科学、完备的智能网联汽车 7S 体系架构框架、智能网联汽车信息物理复杂大系统参考架构模型、确保各方对相关概念形成一致理解，参考架构 2.0 遵循国际标准化组织系统和软件工程架构描述标准（ISO 42010/20/30），系统全生命周期（ISO 15288），复杂大系统（ISO 21839/40/41）以及国际系统工程师协会发布的《系统工程手册》与《系统工程知识体指南》。

为了充分发挥国家智能网联汽车创新中心对行业的引领和支撑作用，设计团队基于团队成员对汽车、交通、通信、公安等行业信息化发展的深刻理解，聚焦国内外汽车业、交通业和信息通信业关注的智能网联汽车关键问题，通过基于模型的系统工程方法和工具设计并首创了智能网联汽车 7S 体系架构框架与参考架构模型，以构建技术中立的平台，推动建立标准化体系，有效促进产业的沟通与融合。

智能网联汽车信息物理系统参考架构 2.0 由国家智能网联汽车创新中心牵头，清华大学、中国信息通信研究院、中国电子信息产业发展研究院、交通运输部公路科学研究院、公安部交通管理科学研究所、中国第一汽车股份有限公司、北京汽车研究总院有限公司、东风汽车集团有限公司、中移（上海）产业研究院、华为技术有限公司、大唐高鸿数据网络技术股份有限公司、北京四维图新科技股份有限公司、北京北斗星通导航技术股份有限公司、启迪云控（北京）科技有限公司、北京地平线机器人技术研发有限公司、黑芝麻智能科技(上海)有限公司、东软睿驰汽车技术（上海）有限公司、麒麟软件有限公司、普华基础软件股份有限公司参与设计。参考架构模型的搭建遵循以下原则：

支持多领域多层次系统的深度协同控制。
支持异构系统互操作，兼顾技术中立性和系统兼容性。
充分考虑汽车工业和交通行业标准的安全性、防护性和标准体系要求。
支持面向业务、可灵活定制、可持续发展的系统优化机制，支持创新、开放、可持续发展、可持续优化的平台运营机制。
支持用户应用平面和控制平面的解耦，控制平面涉及设备控制、平台控制、交通控制、车辆控制等，支持传感、执行和运动控制的虚拟化、边缘化和软件定义。
支持基于 MBSE 方法实现需求管理、产品管理、开发管理、运营管理和全生命周期管理，构建仿真、测试、验证和优化的平台。
建立开源的平台开发环境和支持知识共享的模型库与场景库体系。参考架构 2.0 在 1.0 的基础上通过抽象和归纳出智能网联汽车信息物理复杂大系统的概念模型和系统特征，依据智能网联汽车 7S 体系架构框架搭建属于战略视图、利益攸关方视图、服务视图、系统视图、安全视图、防护视图以及标准化视图的 7 类系统参考架构模型视图。参考架构 2.0 是智能网联汽车信息物理复杂大系统参考架构的第二步方案。设计团队将以参考架构 2.0 为基础，进一步开展基于 MBSE 的模型和方案库建设、仿真测试验证、模型系统开发、示范工程建设以及标准化推动工作。