电子电气架构——车载电子电气系统
我是穿拖鞋的汉子，魔都中坚持长期主义的汽车电子工程师。
老规矩，分享一段喜欢的文字，避免自己成为高知识低文化的工程师：
没有人关注你。也无需有人关注你。你必须承认自己的价值，你不能站在他人的角度来反对自己。人生在世，最怕的就是把别人的眼光当成自己生活的唯一标准。到最后，既没有活成别人喜欢的样子，也没有活成自己想要的样子。
我们只有接纳真实的自己，不自卑、不自傲，才能拥有更强大的内心；只有找到自己的核心价值，才能活出自己的精彩人生。
这个时代不缺乏寻找答案的手段，但是缺乏系统的思考和认知。碎片化的当下，给人无形中的急促感，做什么都指向答案，没有静下心思考，形不成体系。
系统思考是一门帮助大家看到事物整体的学科。它是一个框架，可以帮助大家看到事物之间的关系而不只是事物本身，能够看到变化模式而不只是静态快照。
随着造车新势力的强势崛起，软件定义汽车(Software Defined Vehicle，SDV)一词迅速传遍了包括车企和零部件厂商在内的整个汽车行业。无论传统车企还是与之相关的各种供应商，甚至各种投资机构都对软件定义汽车展现了浓厚的兴趣，并相继展开了各种讨论与研究。而且，已经有许多企业采取了切实的行动。在相关论坛、会议上，众多业内人士纷纷阐述自己对这个概念的理解，其中讨论最多的话题是商业模式对汽车行业的影响。
诚然，将软件作为商品卖给汽车消费者是一个看起来很新颖的想法，这的确为车企带来了新的利润增长点，但是究竟效果有多好，却是仁者见仁、智者见智的。无论如何，历史长河中出现的每种被广泛应用的新模式或新技术，都一定会对相关的产业格局产生重大的影响。软件定义汽车的影响究竟几何？这个问题也许只能留给时间来回答。
有一个事情是确认无疑的，那就是软件的重要性在汽车行业中正在不断提升。而且，我们可以看到的趋势是，软件开发的相关投入在汽车的开发成本中所占比重越来越大，通过软件可以实现越来越多的新功能，车企也越来越注重软件的研发。
车载软件本身只是一种载体，没有专业知识支撑的代码没有任何用处，真正的竞争力来源于体系与专业知识。
上述观点经典，车载功能源于系统的分析和技术积累。
如果没有优秀的电子电气架构(Electrical Electronic Architecture，EEA)的支撑，软件就没有用武之地。
无论软件对汽车的定义是否能够实现，也无论软件如何定义汽车，随着某些“新势力”的股票市值被推上史无前例的高位，软件定义汽车的概念已经迅速流行。同时汽车行业内迅速火热起来另外一个名词：电子电气架构。
虽然车企相继设立相关部门负责电子电气架构的开发，但是关于电子电气架构一词的具体含义，不同的人有不同的理解。为了梳理软件定义汽车的脉络，需要先明白电子电气架构这个名词。为了解释电子电气架构的含义，我们先来讨论“架构”这个工作中经常使用的词。
而为了解释“架构”一词，我们将从“系统”这个同样高频出现在工作与生活中的词入手。只有理解了“系统”这个概念，才能真正明晰“架构”的含义。
一、系统的定义
系统的定义：系统是一个由多个组件组成的对象，并由以下3个紧密关联的部分组成。
组件：系统的重要组成部分。
环境：并不是构成系统的组成部分，而是系统组件之外的各种对象或事物。如果一个系统与外界环境之间没有任何关系，那么这就是一个封闭的系统。反之，则称之为开放的系统。
结构：指各个部分之间的关系网络，既包括组件之间的关系，也包括组件与外部环境之间的关系。一个组织机构中的结构究其本质，是各个部门或各个人之间的关系。
系统可以分为具象系统与抽象系统。例如，车辆中所有的线束所组成的系统通常被称为线束系统，这个系统就是一个由具象的组件组成的具象系统；整车的网络通信信号所组成的系统可以被称为通信系统，属于一个由抽象的组件组成的抽象系统。
简单来说：系统可以被理解为一种由组件或元素组成的集合，这个集合中的组件或元素之间有着特定的关联，并按照一定的结构关联在一起，从而拥有了单个组件或元素所不具有的特性或功能。
系统这个集合不但包含了具体的组件——有形的和无形的，还包含这个系统所处的环境、内部组件或元素之间的关系。它们作为生成系统级结果所必备的因素，以系统的形式共同发挥作用。这个系统也拥有与任何内部组件或元素都不同的质量、属性、特征、功能、行为和性能。系统作为一个整体所增加的价值，除了各部分独立贡献的价值外，主要由各组件或元素之间的关系所创造，即系统的结构。
当谈及一个系统时，被关注最多的是其具备的功能。然而，功能并非系统的组成部分，它是系统存在的意义。对于如汽车电子电气系统这种人为设计的系统而言，设计目的是实现某种或某些功能。对于非人为设计的系统，如生态系统，人们将其命名为系统是因为各种组件具有一定的关联性，并且这些组件在被划归入某个系统之后，能够共同对外界环境体现出某种特别的功能。
本书所讨论的系统是工程系统。工程系统是一个被设计或调整为与预期的操作环境相互作用的系统，以实现一个或多个预期的目的，同时遵守适用的约束，是一个由人、产品、服务、信息和过程（可能还有自然成分）组成的复合体。它提供一种能力，以满足客户的需求或目标。工程系统包括产品、服务和企业等子类别。
系统虽然是由组件构成的，但绝不是这些组件的简单叠加，而是通过组件的有机组合产生了新的特性或功能。纯粹的堆叠无法构成好的系统。一个系统可以拥有某些属性，即使这些属性是组成系统的部件所不具有的。例如，一双草鞋虽然只由“草”这一单一的组件构成，但是由于这些组件之间的特殊连接，因此具备了单一一株草所不具备的功能。生物体也可以被看作一个系统，这个由各种基本元素所构成的系统有着任何一种单一的元素所不具有的属性——生命。
系统工程
世界上存在着无数系统，它们虽然千差万别，但存在着一些共性。对这些存在于各个系统中的共性在工程领域进行研究的科学被统称为系统工程。根据ISO/IEC/IEEE 15288:2015的定义，系统工程(Systems Engineering，SE)是一种跨学科的方法，被用来管理如下工作中所需的全部技术和管理活动。
将一组来自各利益相关者的需求、期望和约束等转化为具体的解决方案。
在系统的整个生命周期内支持该解决方案的实现。
系统工程是一种方法，其研究重点是在预期使用的环境中，在成本、进度和其他约束条件下，在系统的计划生命周期内如何实现利益相关者期望的功能和操作性能。系统工程是一种控制系统生命周期成本的方法，更是一种逻辑思维方式和艺术。
系统工程是开发可运行系统的艺术和科学，能够在一定的约束条件下满足需求。它是一门整体的、综合的学科，各个学科在系统中的贡献被系统地评估和平衡，从而产生一个整体，不再受单一学科视角支配。
系统工程的目标之一是在面对各种约束时寻求安全和平衡的设计，有时候，这些约束来自相互对立的利益。约束也有可能是多重的或相互冲突的，系统工程师应该以优化总体设计为目标，需要精通如何平衡复杂系统中的管理、成本和技术，更需要着眼于大局，不仅要确保设计得正确（满足需求），而且要确保正确地设计（实现运行目标并满足利益相关者的期望）。
系统工程不但能够指导技术开发，也能够在项目的组织和管理中起到关键的作用。管理一个项目的主要目标包括：管理项目的技术、管理项目的团队、管理项目的成本和进度。这几个目标是相互关联、彼此影响的。系统工程的流程主要包括如下4个主流程及包含在其中的30个子流程。
系统工程与其他工程学科有许多共同点，比如关注细节、需要对物理现象进行建模和预测性能等。系统工程在如下方面与其他工程学科有着不同之处。
程开发流程对比中，如果从汽车电子电气系统的生命周期角度看，电子电气架构的设计工作主要集中在虚框包含的范围内，但不限于这几个阶段的活动，因为电子电气架构的设计和开发涉及整个系统生命周期内的所有活动。同样的，如果将视角转移到每个子系统，那么每个子系统的开发和设计工作虽然主要集中在前端，但也将覆盖整个流程的各个阶段。
系统的开发，尤其是汽车这样涉及多个专业领域、强调高度协同、成本高且周期长的系统，遵循系统工程的方法和理念是目前最优的选择。即使是整车开发流程，本质上也是系统工程在汽车开发中的一种实践。掌握系统工程相关知识是对电子电气架构设计人员的基本要求。
系统思维
一门着眼于整体的学科，它是一个框架，用来观察相互关系而非事物本身、变化模式而非静态快照。
运用系统思维，有助于我们在分析系统时充分识别系统中的各个组件，描述它们之间的联系，并把这些组件看成一个整体。系统思维强调通过观察系统之间和内部的联系，识别出那些并不明显的反馈循环和因果关系。运用系统思维可以帮助我们识别问题，并平衡管理系统的复杂性。
系统思维有别于系统化的思考，二者的思考角度有本质的不同。系统化的思考指的是按照既定的规则或方法来思考，如遵循良好的计划、收集统计数据或有条理地行事等。例如，当我们遇到一个问题的时候，如果有既定的解决方案，那么最高效的方式就是按照解决方案一步一步解决问题。如果这个问题没有解决方案，我们就要使用系统思维，把这个问题当作一个系统去思考：识别出这个系统的组件、所处的环境，以及这个系统内部组件之间的关系和系统与外部环境的关系，然后寻找解决方案。
系统思维要求的基本能力是抽象。只有正确地通过抽象的方法定义了系统的边界以及系统中包含的各种组件和关系，才可能找到正确的或最优的解决方案。系统思维的基本步骤如下。
-> 识别系统，定义这个系统的外在形式，以及整个系统的功能。
-> 识别系统内的每个组件，以及每个组件的形式和功能。
-> 识别系统的边界和外部环境。
-> 识别系统中组件之间的关系，以及系统与外部环境之间的关系，包括外部环境的形式和功能。
-> 基于系统中组件的功能和它们之间的交互来识别系统的新属性，从而可以确定系统开发工作的优先级和任务量。
系统思维是我们在进行汽车电子电气架构设计和开发过程中最需要具备的基本能力和素养。架构开发和设计涉及的组件数量巨大，而且这些组件之间的关系以及整个电子电气系统与外部环境的关系错综复杂，孤立的思考无法保证系统开发成功。只有系统地从全局来思考问题，才能得到一个高质量的架构。如同艺术家埃利尔·沙里宁所言：“在设计一件东西时，一定要考虑到它所在的更大的背景，椅子在房间里，房间在房子里，房子在环境里，环境在城市规划里。”
汽车电子电气系统的构成
在进行深入讨论之前，我们先探究一下电子电气的具体内容和范围。电子电气由两个独立的词组成：电子(Electronic)和电气(Electrical)。电子指的是全部或主要部分由电子器件和电子线路构成的电器元件或装置的总称，也称作电子电器，在汽车行业内多指汽车上的各种控制器，以及相关的传感器和执行器。电气多指电能的产生、分配、传输和使用等，在汽车行业内多指汽车上的线束、电器盒以及电池等部件。从工程角度，两者虽有一定的差异，但是又紧密关联。电子一词多与电子学相关，与半导体强关联。而电气一词则多与电气工程相关，与电能关联较大。
汽车上的电子电气系统指的是一辆汽车上所有电子、电气部件所组成的系统。在汽车行业中，由于电子和电气紧密关联，一般不特别区分，统称为电子电气(Electrical and Electronic，EE)。
汽车电子电气系统的定义
在传统的观念中，汽车电子电气系统包含汽车上的所有电子电气类部件，但是这并不是电子电气系统的全部。我们可以从系统的概念出发，根据系统的三要素将汽车的电子电气系统进行分解，从而进一步认识电子电气系统。
组件：包含所有与电相关的部件，不但包含所有的控制器，也包含所有相关的执行器、传感器，还包含各种线束、保险丝等。
环境：既包括车辆内部的环境，如各种电器部件所在位置，也包括车辆本身所处的空间环境，如各种基础设施、自然环境等组成的与车辆有关系的外部环境。
结构关系：指各个组件之间的关系，以及这些组件与外部环境的关系，通过以下两种连接方式来体现。
物理连接，即组件之间及系统与外部环境之间的连接，既包括可见的连接，也包括通过电磁场等不可见形式产生的连接。
逻辑连接，即组件之间及系统与外部环境之间不可见的、仅在功能逻辑上的相互作用。系统内部组件之间的逻辑连接决定了各个组件的功能，系统与外部环境之间的逻辑连接决定了系统自身的功能及存在的意义。
汽车电子电气系统三视图
在电子电气系统中，各种零部件是直接可见的。车辆的内部环境既是电子电气系统中部件存在的基础，也是部件作用的主要目标。对于车外的环境来说，车辆在很多时候是作为一个整体系统存在并与之进行交互的。
对于任何一个复杂的事物，我们都很难从单一的维度来简单定义或描述，尤其对于汽车电子电气系统这样一个无比复杂的事物。为了能够更准确地描述和理解它，我们可以通过三视图进行了解，如图1-6所示。
从一个维度看到的汽车电子电气系统可以称作一个汽车电子电气系统视图，每一个视图都可以被当作一个独立系统来看待。这3个通过视图分割出的系统既相对独立又相互联系，共同构成了完整的汽车电子电气系统。
物理视图
从物理视图可以看到汽车电子电气系统中可见的物理部分，我们将其称为物理子系统，这是一个具象的系统。
组件 物理子系统的组件包括汽车电子电气系统内部所有的物理实体，即所有的实体零部件，如各种控制器、传感器、执行器、线束等。
环境 物理子系统的环境包括车辆内部和外部的物理环境，如各种电器部件的布置位置、与车辆本体的结合方式等，车辆所处的空间环境也是物理子系统所处环境的一部分。值得注意的是，物理环境并非一成不变，而是随着时间、空间以及车辆的使用状态等动态变化的，这导致了物理子系统的组件在设计要求上的高复杂性与高可靠性。
结构关系 物理子系统内部的结构关系指的是各个组件之间的物理连接关系。这种连接关系一方面通过线束的连接以及相对的物理位置体现，另一方面也通过它们之间在物理信号上的交互关系来体现——如物理电平的输出与输入、电源的供给等。
逻辑视图
从逻辑视图可以看到汽车电子电气系统中仅在逻辑层面可见的部分，可以称为逻辑子系统，这是一个抽象的系统。
组件 逻辑子系统的组件分布在物理子系统的各个物理实体组件中。在实际的设计与开发过程中，我们将逻辑子系统的组件称为逻辑功能或者逻辑部件。逻辑子系统中组件的定义高度依赖对具体的逻辑进行抽象与分解的结果，例如我们可以将与车窗控制功能相关的功能都抽象为一个逻辑功能，也可以将车窗升降的控制指令的判断或处理抽象为一个逻辑功能。逻辑子系统组件的边界完全取决于设计者，具体组件的颗粒度依赖于设计目的和设计者对细节的把控能力。
环境 逻辑子系统所在的环境包括3个方面。
各种物理子系统的组件及组件内部的物理环境所构成的汽车电子电气系统的内部环境，这是逻辑子系统组件的存在基础。
当逻辑组件以软件形式表现时所处的控制器中的软件环境。
车辆内部和外部与物理子系统相互作用的各种因素所组成的大环境，这是逻辑子系统存在的目的与意义。没有汽车电子电气系统的外部环境，整个系统也就没有了意义。
结构关系 逻辑子系统内部组件之间的结构关系是指各个逻辑功能间相互依存和相互影响的关系。例如车辆的挡位状态与发动机控制功能之间的关系，开关的输入与门锁电机控制功能之间的关系等。
逻辑子系统与汽车电子电气系统外部事物之间的结构关系也是逻辑子系统中结构关系的重要组成部分。汽车电子电气系统存在的意义是获取系统外部的信息，并作用于系统的外部环境，如动力控制功能与车辆速度之间的关系、空调控制功能与乘员舱内的温度之间的关系等。这些层面之间存在着强关联，一般而言，逻辑层面的设计要优先开始。在确定了功能逻辑之后，才能深入展开物理层面的设计。所有的物理实体都是为实现逻辑服务的，而逻辑设计是为了实现用户的需求或产品的功能而进行的。
对于汽车电子电气架构，我们最熟悉的呈现形式是网络拓扑图，如图1-7所示。它既呈现了部分的物理结构关系，也呈现了部分的逻辑结构关系。
过程视图
从过程视图可以看到汽车电子电气系统中仅在过程层面可见的部分，可以称为过程子系统，这也是一个抽象的系统。汽车电子电气系统的开发过程虽然不是最终电子电气系统交付的一部分，但是深刻地影响着电子电气系统开发中的利益相关者，并直接决定了电子电气系统开发的成本、质量与周期。不同的电子电气架构需要不同的开发过程，以匹配不同的物理子系统与逻辑子系统的开发需求，并保证电子电气架构的开发质量与效率。
组件 过程子系统的组件包括包含在汽车电子电气系统开发过程中的所有活动以及其中的具体交付物、模板等，如需求定义、架构开发、系统开发、零部件开发和各种验证活动。
过程并不等同于开发流程，流程是工作过程最佳实践的总结与固化，而过程则反映的是开发活动中的实际活动。每个整车厂的电子电气系统开发过程虽然大体一致，但是具体流程不尽相同。
环境 过程子系统的环境包括组织内部的组织结构、人员能力、可用的资源种类与数量等，也包括组织外部的各种可能影响到汽车电子电气系统开发过程的因素，如客户的诉求、竞争者、社会环境等。这些环境中的每一个因素都会影响汽车电子电气系统的开发，并以某种形式反映到最终的交付上。
结构关系 过程子系统内部的结构关系指的是每个开发活动之间的相互关系。如需求对架构设计的影响，架构设计对需求的实现范围与质量的影响等，也包括组织内部不同职能部门之间的关系。过程子系统外部的结构关系指的是开发过程中与外部环境的交互关系，如竞争者的产品对电子电气系统设计的间接影响（开发周期、开发内容、质量目标等）、组织与外部合作方的关系等。
