智能网联汽车信息物理系统参考架构2.0.pdf

1 2021 年 5 月 研究报告 2 编制说明.4 第一章 概述.12 1.1 背景与挑战.12 1.1.1 中国智能网联汽车发展背景.12 1.1.2 信息物理系统发展背景.21 1.1.3 智能网联汽车信息物理系统研究背景.25 1.1.4 智能网联汽车信息物理系统研究挑战.28 1.2 智能网联汽车信息物理系统参考架构研究目的与意义.32 1.3 架构研究原则与方法.37 1.4 特别说明.42 第二章：ICV CPS 相关核心概念定义.44 2.1 信息物理系统.44 2.1.1 CPS 的通用定义.44 2.1.2 CPS 中的“C”.47 2.1.3 CPS 中的“P”.51 2.2 系统与相关概念.52 2.3 架构相关概念.63 第三章：智能网联汽车信息物理系统参考架构.77 3.1 智能网联汽车信息物理系统分类架构.77 3.2 ICV 研发设计 CPS.83 3.3 ICV 车用 CPS.90 3 3.4 ICV 运行管理 CPS.98 第四章：ICV CPS 的设计与实施.105 4.1 智能网联汽车 7S 体系架构框架.105 4.2 基于 MBSE 设计方法的 ICV CPS 设计流程.108 4.3 数字主线技术连接四大 ICV CPS.112 第五章：ICV CPS 关键共性技术体系架构.115 5.1 ICV 研发设计 CPS 相关关键共性技术.115 5.2 ICV 车用 CPS 相关关键共性技术.119 5.3 ICV 运行管理 CPS 相关关键共性技术.132 第六章：总结与展望.143 附录 1：ICV 运行管理 CPS 在典型 AVP 场景的设计案例.145 需求分析.147 运行分析.148 系统分析.150 逻辑架构.157 附录 2：术语表.163 参考文献.167 4 编制说明编制说明 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 5 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 6 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 7 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 8 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 9 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 10 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：1)支持多领域多层次系统的深度协同控制。2)支持异构系统互操作，兼顾技术中立性和系统兼容性。3)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。4)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。5)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。6)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。7)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 11 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。感谢主管部门领导、业界专家以及参与设计单位对智能网联汽车信息物理系统参考架构设计工作给予的大力支持。限于时间和研究水平，参考架构 2.0 仍存在有待改进之处，需要不断修订和完善，欢迎领导、专家以及业界同仁提出指导意见和建议，也欢迎相关单位加入智能网联汽车体系架构以及智能网联汽车信息物理复杂大系统参考架构的研究工作。设计单位将根据各方面的反馈意见，结合智能网联汽车系统工程体系建设效果和国内外技术发展情况，对参考架构进行持续修订和更新。12 第一章第一章 概述概述 1.1 背景与挑战背景与挑战 汽车产业是中国国民经济重要的战略性、支柱性产业，与人民群众生活密切相关。本世纪以来，我国汽车产业快速发展，产业规模稳居世界首位，综合实力显著增强。随着汽车普及程度不断提高，我国已快速进入汽车社会。当前，新一轮科技革命和产业变革蓬勃兴起，智能汽车已成为汽车产业发展的战略方向。发展智能汽车不仅是解决汽车社会面临的交通安全、道路拥堵、能源消耗、环境污染等问题的重要手段，更是深化供给侧结构性改革、实施创新驱动发展战略、建成现代化强国的重要支撑，对不断满足人民日益增长的美好生活需要具有十分重要的意义。随着智能化、网联化等技术取得长足进步，智能网联汽车已经成为中国智能汽车明确的发展方向。1.1.1 中国智能网联汽车发展背景中国智能网联汽车发展背景 1.中国汽车工业发展背景 汽车工业发展从 18 世纪后期第一辆汽车诞生至今，经历了工业1.0 阶段的机械化、工业 2.0 阶段的电气化、工业 3.0 的信息化和机电一体化，汽车从最初的纯机械产品，一路进化至目前工业 4.0 的信息物理系统产品。这一发展历程如图 1-1 所示。13 图 1-1 汽车发展与趋势 每一次工业转型都给汽车产业和汽车交通系统带来了深刻的变革，有理由判断在以信息物理系统为标志的工业 4.0 时代，基于网络一体化的新型智能汽车智能网联汽车也将在未来的10到15年给中国的汽车工业和交通系统带来全面的革新。根据2020年2月24日我国国家发改委等11部委联合印发的 智能汽车创新发展战略中的定义，智能汽车是指通过搭载先进传感器等装置，运用人工智能等新技术，具有自动驾驶功能，逐步成为智能移动空间和应用终端的新一代汽车。在中国，智能汽车的未来发展目标明确是智能网联汽车，从而更好、更安全的实现自动驾驶。智能汽车已成为汽车产业发展的战略方向。从技术层面看，汽车始终是新技术应用的重要载体，随着信息通信、互联网、大数据、云计算、人工智能等新技术在汽车领域广泛应用，汽车正由人工操控的机械产品加速向智能化系统控制的智能产品转变，智能汽车已成为产业技术的战略制高点。从产业层面看，智能汽车已成为产业融合发展的重点，传统汽车企业快速转型，电子信息、网络通信等企业加速渗透，汽车与相关产业全面融合，产业链面临重构，价值链不断延伸，14 产业边界日趋模糊，呈现智能化、网络化、平台化发展特征。从应用层面看，汽车产品功能和使用方式正在发生深刻变化，由单纯的交通运输工具逐渐转变为智能移动空间，兼有移动办公、移动家居、娱乐休闲、数字消费、公共服务等功能，推动 车联网数据服务、共享出行等生产生活新模式加快发展。从竞争层面看，智能汽车已成为新一轮产业布局必争之地，一些传统行业巨头和新兴创新企业强强联合、优势互补，率先开展产业布局，在竞争中占据主动，主要发达国家通过制定国家战略、强化技术优势、完善标准法规、营造市场环境，形成了智能汽车先发优势。2.智能网联汽车发展背景 对于面向自动驾驶以及其他高等级服务的智能汽车，目前国际上主要有两种技术发展路径，一是智能化，二是网联化。其中自主式智能主要依赖车载传感器来感知信息，并辅之以高精度地图和高精度定位技术。在智能化交通基础设施尚未普及，V2X 车用通信技术也不够成熟的情况下，自主式技术路线是当前智能驾驶发展的主流路线。然而，随着智能驾驶向更高级别发展，自主式智能由于依赖于传统的汽车软硬件技术架构，因此对车载计算芯片、传感器的要求愈发严苛。从单个汽车来看，这无疑带来了成本控制、功耗控制等多方面的巨大压力和问题，也将影响和制约规模化生产，同时安全性和可靠性也有待检验；从整个交通系统来看，节点间信息交互的滞后降低了单节点高度智能化的效能。网联式发展路径以车内网、车际网和车载移动互联网为基础，按 15 照约定的通信协议和数据交互标准，在车-路-云-网之间，进行无线通讯和信息交换。随着公路等基础设施的网联化程度提升，以及 V2X车用通信技术的快速产业化应用，局部交通道路信息感知、高精度定位等均可依赖外部通信提供，不仅可以大幅降低车辆的成本，以及车辆对车载软硬件的依赖和要求，亦可提升车辆可靠性。结合当前我国国情、汽车产业基础和总体工业发展背景来看，需要结合这两条技术发展路径，融合自主式智能和网联式智能，取长补短，构建具有中国特色的智能网联汽车。智能网联汽车的发展路径已经经过充分的论证。然而，这条技术路线的前方没有国际成功经验和既定道路可以借鉴，必须立足高新技术与产业发展要求，并结合国情，打造智能网联汽车创新发展的中国方案。具体而言，需要通过建立中国方案的智能网联汽车信息物理系统，充分融合智能化与网联化发展特征，以五大基础平台（包括云控基础平台、高精度动态地图基础平台、车载终端基础平台、计算基础平台、信息安全基础平台）为载体，实现“人-车-路-云”一体化的智能网联汽车系统。3.本地属性概述 智能网联汽车是自动驾驶汽车发展的新阶段，也是单车智能与网联式汽车融为一体的新产品，其必将带来新模式与新生态。与常规汽车相比，智能网联汽车具备两大重要特征：一是多技术交叉、跨产业融合。常规汽车是机电一体化产品，而智能网联汽车是信息物理系统产品，需要汽车、交通设施、信息通信基础设施（包含 4G/5G、地图 16 与定位、数据平台）、数字设施等多个产业跨界融合。二是区域属性与社会属性增加。智能网联汽车在行驶过程中需要具有高度本地属性的通信、地图、数据平台等的支撑与相应的安全管理，每个国家都有自己的使用标准规范，加之各国的交通基础设施、各国人民的总体驾驶行为不一样，所以产品也会不一样。因此智能网联汽车开发和使用具有强烈的本地属性。中国具有较为复杂的交通环境以及与西方国家不同的驾驶行为特点，国外标准下的智能网联系统经常会出现不适应中国交通环境和驾驶行为特点的情况。近几年我国在 C-V2X、5G 通信、基础设施建设以及智能交通系统等领域发展迅速，同时中国具有强大的 ICT、互联网产业基础和创新能力。汽车产业与优势的 ICT、互联网产业深度融合，是中国智能网联汽车产业发展的必然趋势。中国具有不同于西方国家的政府治理机制，必须要匹配适合中国治理机制的智能网联汽车产业发展标准和路线。同时，智能网联汽车更关乎到国家信息安全、产业安全等战略安全层面，更需要发展中国标准下的智能网联汽车。所谓中国标准智能网联汽车，是指符合中国一系列智能化、网联化产业标准体系的汽车产品，从而使其能够适应中国独特的交通与驾驶环境，充分发挥中国产业“两化融合”的发展特色与体制优势，在保障国家信息安全的同时开创智能网联汽车发展的新路径，加速中国汽车产业转型超越，在全球范围内构筑竞争优势，实现智能网联汽车强国的发展目标。具体来说，中国标准智能网联汽车应符合中国智能基础设施标 17 准，包括道路基础设施、地图数据标准、V2X 通信标准以及中国交通法规等；要符合中国联网运营标准，包括智能网联汽车准入机制、网联运营监管等相关标准；要符合中国汽车新型架构条件下的产品标准，包括中国标准的智能终端、通信系统、云平台、网关、驾驶辅助系统以及自动驾驶系统等；要符合中国信息安全管理标准，遵循我国信息安全监管、数据隐私保护等规范。4.相关总体成果 智能网联汽车发展至今，各部委及地方政府陆续出台了相应的政策法规来推动和助力自动驾驶汽车的应用示范。表 1-1 列出至 2021年 4 月，中国智能网联汽车行业发展相应成果。表 1-1 中国智能网联汽车行业发展相关成果 相关政策 发布时间 国家车联网产业标准体系建设指南（指南交通相关）2021 年 3 月 交通运输部关于服务构建新发展格局的指导意见 2021 年 1 月 交通运输部关于促进道路交通自动驾驶技术发展和应用的指导意见 2020年12月 中国智能网联汽车 7S 体系架构框架 2020年11月 智能网联汽车技术路线图 2.0 2020年11月 关于推动交通运输领域新型基础建设的指导意见 2020 年 8 月 2020 年智能网联汽车标准化工作要点 2020 年 4 月 关于推动 5G 加快发展的通知 2020 年 3 月 智能汽车创新发展战略 2020 年 2 月 推进综合交通运输大数据发展行动纲要（2020-2025 年）2019年12月 交通强国建设纲要 2019 年 9 月 车联网（指南网联汽车）产业发展行动计划 2018年12月 国家车联网产业标准体系建设指南 2018 年 6 月 智能网联汽车道路测试管理规范 2018 年 4 月 关于加快推进新一代国家交通控制网和智慧公路试点的通知 2018 年 2 月 智慧交通让出行更便捷行动方案（2017-2020 年）2017 年 9 月 新一代人工智能发展规划 2017 年 7 月 智能网联汽车技术路线图 1.0 2016年10月 车联网发展创新行动计划（2015-2020 年）2015年12月 中国制造 2025 2015 年 5 月 18 中国制造 2025指出到 2020 年我国将掌握智能辅助驾驶总体技术和各项关键技术，初步建立智能网联汽车自主研发体系和生产配套体系，到 2025 年掌握自动驾驶总体技术和各项关键技术，建立完善的智能网联汽车自主研发体系，生产配套及产业群，基本完成汽车产业的转型升级。2020 年 2 月，由国家发改委等 11 部委联合发布的智能汽车创新发展战略指出到 2025 年，中国标准智能汽车的技术创新、产业生态、基础设施、标准法规、产品监管和网络安全体系基本形成。实现有条件自动驾驶的智能汽车道道规范化生产，智能交通系统和智慧相关设施建设取得积极进展。展望 2035-2050 年，中国标准智能汽车体系全面建成、更加完善。安全、高效、绿色、文明的智能汽车强国愿景逐步实现，智能汽车充分满足人民日益增长的美好生活需要。2019 年由清华大学教授，国家智能网联汽车创新中心首席科学家李克强教授提出智能网联汽车发展需要本地属性的产品，例如车载终端基础平台、高精度动态地图基础平台等五大基础平台的支撑，而这些基础平台要从国家战略层面做好顶层设计。2020 年 12 月，交通运输部发布关于促进道路交通自动驾驶技术发展和应用的指导意见提出支持开展自动驾驶载货运输服务，鼓励港口，机场，物流场站等开展自动驾驶载货示范应用。稳步推动自动驾驶客运出行服务。支持自动驾驶公交出行示范应用。鼓励自动驾驶新业态发展，鼓励开展自动驾驶车辆共享、摆渡接驳、智能泊车等试运行及商业运营服务 19 5.智能网联汽车目前面临的问题 目前智能网联汽车面临着一些挑战，如相关技术离散度高、五大平台相对独立，智能网联汽车示范难度大、产品设计研发方法论不清晰、缺少国产自主工具链等。a)相关技术离散度高 智能网联汽车具有多学科多专业高度参与的特点，因此多种多样的相关技术均需要进行发展与突破，但是在智能网联汽车方兴未艾的当下，各种技术的蓬勃发展也带来了技术之间离散度高，协同性低，缺乏顶层设计的问题。同时，亟需建立中国方案的智能网联汽车信息物理系统参考架构，通过充分融合智能化与网联化发展特征，以五大基础平台为载体，实现“人-车-路-云”一体化的智能网联汽车系统。然而五大平台间的关系目前相对对立，未能很好地形成协同。需加强统筹规划、统一标准、提高各平台能力和整体能力。b)需加强多领域融合 发展中国方案的智能网联汽车需建立跨界协同的技术创新体系，形成世界一流的创新能力。在新一轮科技变革的形势下，亟需抓住汽车电动化、智能化、网联化发展的机遇，实现整车及关键零部件核心技术的自主突破，形成中国在智能网联汽车领域技术的总体领先优势。c)示范难度大，不同技术路线没有融合。当前阶段，尚未统一最优的自动驾驶汽车技术路线，多种技术路 20 线共同发展，这给自动驾驶汽车的示范应用带来了难度，难以保证各路线间的兼容性和一致性。诚然，在现阶段多种技术路线之间存在“百家争鸣”是有相应的好处，但是亟需完善智能网联汽车总体的顶层设计，从而集中国家和社会资源，以示范带动整体智能网联汽车产业的发展。d)智能网联汽车研发方法论不清晰 当前的智能网联汽车研发仍遵循传统汽车开发的经验方法与流程，而智能网联汽车作为包含“车”、“路”、“云”、“网”的 System of Systems(SoS)，需要更具针对性且创新的方法论指导。根据其他领域，例如航空航天国防军事领域的相关经验，智能网联汽车这种高复杂度、总体高投入、社会影响极大的系统开发需要明确架构开发的方法论，同时搭配例如基于模型的系统工程（Model-Based System Engineering，MBSE）的复杂大系统研发方法论与相应范式的支撑。而目前，我国的汽车工业对新型研发方法论和范式的接受度还未到适当的程度，这一定程度上是因为作为庞大的工业领域，汽车工业的研发方法论和范式具有很大的惯性。为了实现引入新型研发方法论和范式，亟需结合中国汽车工业现状，有针对性地开发创新方法论和范式，同时以应用案例作为支撑，加速我国智能网联汽车的研发方法论的形成。e)发展国产自主工具链 中国发展智能网联汽车，必然在未来实现对国际传统汽车工业国家的追赶甚至反超，但是最近几年，西方一些国家对中国的某些高精 21 尖工业领域实施了错误的封锁政策，这无疑给中国的汽车工业敲响了警钟。智能网联汽车的研发、生产制造、车用操作系统的开发以及运行管理系统的开发都离不开工业软件工具链。目前，绝大大多数的相关工业软件均来自国外。这无疑是中国智能网联汽车发展的“达摩克里斯之剑”。因此，中国的智能网联汽车乃至汽车工业的发展不但应该建成全球顶级的中国品牌整车企业和世界顶级的自主品牌零部件企业，也应该培育出全周期工具链供应商。在汽车信息化、电子化发展的今天，还应该培育出全球标杆性的 IT 企业巨头对智能网联汽车进行赋能。总之，就是需要打造一批中国汽车行业的“航空母舰战斗群”，形成中国汽车产业在全球层面的影响力和竞争优势。1.1.2 信息物理系统发展背景信息物理系统发展背景 1.信息物理系统发展背景 信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）这一名词，最早由美国国家航空航天局（NASA）在 1992 年提出。2006 年，美国国家科学基金会（NSF）的海伦吉尔（Helen Gill）在第一次信息物理系统国际研讨会（NSF Workshop on Cyber-Physical Systems）上将这一术语进行了详细的描述。事实上，Cyber-Physical Systems 的术语来源可以追溯到更早时期，图 1-2 展示了 CPS 术语来源历程。1948 年，诺伯特维纳创造了“Cybernetics”这个单词。1954 年，我国著名学者钱学森在其所著的Engineering Cybernetics一书中，第一次在实际的工程 22 设计和实验应用中使用这一名词。1958 年，其中文版工程控制论发布，“Cybernetics”被翻译为“控制论”。此后，“Cyber”经常被用作为与自动控制、计算机、信息技术及互联网等相关事物的前缀。目前 Cyber-Physical Systems 译名并不统一，国内的专家学者将其翻译成“信息物理融合系统”、“赛博物理系统”、“网络实体系统”、“赛博实体融合系统”等相关译名，本研究报告中将其统一翻译为“信息物理系统”，具体原因将在下文进行解释。随着各种产业发展的信息化和工业化，传统嵌入式系统所采用的单点解决方案已不能完全适应新一代生产装备信息化和网络化的需求。产业信息化和工业化的结合，促使计算、感知、通信、控制等前沿技术需要进行更为深度的融合。因此，在云计算、通信、新型传感、智能控制等新一代信息技术的迅速发展与推动下，作为控制系统和嵌入式系统的扩展与延伸，信息物理系统顺势出现。23 图 1-2 CPS 术语来源历程 面对产能过剩、供需矛盾、成本上升等诸多问题，当前我国工业生产所采用的较为传统的研发设计、生产制造、应用服务、经营管理等方式已经不能满足不断涌现的新消费需求与使用需求。为了提高对资源的配置利用效率，制造业的数字化转型升级迫在眉睫。为了使生产系统向柔性化、个性化、定制化方向发展，制造业企业亟需应用新的数字技术。在这一背景下，对应美国的工业互联网和德国的工业4.0 等前沿概念和技术发展方向，中国制造 2025的两化深度融合战略正式提出了应用 CPS 实现个性化定制、极少量生产、服务型制造和云制造等新的生产模式的关键技术。在大量新需求的拉动下，CPS的出现，为实现制造业数字化转型升级提供了一种有效途径。2.当前国际重要研究成果 2006 年，美国 NSF 发布了NSF 对信息物理系统的认识（NSF Perspective and Status on Cyber-Physical Systems），指出 CPS未来研究方向旨在解决信息系统和物理系统的融合问题。2008 年，美国 CPS 研究指导小组发布了信息物理系统概要，把 CPS 应用于交通、农业、医疗、能源、国防等方面。2010 年，德国工程院启动了 agendaCPS 项目，并发布了信息物理系统综合研究报告（Integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical Systems）。在这个报告中，德国首次提出了“CPS+制造业=工业 4.0”的观点，并在2012 年继续开展了工业 4.0 有关于 CPS 的研究，并于 2013 年发布了德国工业 4.0 未来项目实施建议（Umsetzungsempfehlungen fr 24 das Zukunftsprojekt Industrie 4.0）。2016 年，美国国家标准与技术研究院（NIST）发表了信息物理系统框架，提出了 CPS 的两层域架构模型。同年，美国科学、工程研究院发布了美国信息物理系统教育规划报告（A 21st Century Cyber-Physical Systems Education），揭示了美国的 CPS 体系基本形成，并正式进入 CPS 的应用阶段。为了促进我国 CPS 发展，推动制造业与信息产业融合，2017 年，中国电子技术标准化研究院联合 CPS 发展论坛成员单位，共同研究、编撰形成了信息物理系统白皮书（2017），从“为什么”、“是什么”、“怎么干”、“怎么建”、“怎么用”和“怎么发展”等六个方面对面向制造业的 CPS 展开了论述，并在业界达成 CPS“一个总体定位、连接两大空间、作用三个层次、打通四个环节、四大技术要素以及六大典型特征”的基础理论共识。为了进一步推动 CPS 的发展由理论共识转向工程实践，2020 年，中国电子技术标准化研究院联合制造业相关企业共同研究、编撰形成了信息物理系统建设指南（2020）。该指南提出了 CPS 建设的“一个核心认识、一个价值体系、三个要素和四个建设模式”，明确了 CPS 技术体系和安全支撑，并给出了五大典型行业的 CPS 建设实践。2021 年 4 月 30 日，国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会批准了信息物理系统 参考架构和信息物理系统 术语两项国家标准的正式发布。作为我国首次发布的 CPS 基础性标准，信息物理系统 参考架构和信息物理系统 术语对于指导 CPS 设计 25 开发、测试验证、实施应用，以及统一认识具有重要意义和作用。3.CPS 应用范畴 随着产业信息化和工业化的深度融合，系统复杂度的提升，CPS的重要性与被重视程度逐渐上升。过去十年，CPS 的发展得到了许多国家的政府和组织的大力支持，CPS 也被逐步应用于各种具有复杂场景的行业中。图 1-3 展示了 CPS 广泛的应用领域，其中包括了通信、消费、能源、基础设施、制造、卫生保健、机器人、军事、物理安全、智慧建筑以及交通运输等行业。CPS 可以支撑前沿技术的深度融合，帮助企业和国家应对生产装备信息化和网络化的新需求，并进一步提升资源配置的利用效率。图 1-3 CPS 应用范畴 1.1.3 智能网联汽车信息物理系统研究背景智能网联汽车信息物理系统研究背景 1.智能网联汽车信息物理系统的研究背景 26 当前，新一代人工智能、大数据与云计算技术带来革命性变化，智能网联汽车以及智能交通系统正在推动交通系统的变革。传统智能交通系统经多年发展积累了大量创新，但距离完全满足新的车辆交通特点和出行需求还有一定的距离。V2X 信息交互提升了安全和效率，但能否满足汽车运动控制对安全性、实时性、可靠性和精确性的严格要求，还需要进行系统性评估。汽车、通信、交通、信息等行业的协同研发、部署和运营，也亟需建立行业认同的体系架构。随着信息通信、互联网、大数据、云计算、人工智能等新技术在智能网联汽车中得到广泛应用，汽车将由人工操作的机械产品加速向智能化系统控制的智能产品转变；传统汽车企业争相发布智能网联汽车发展规划，加快智能化和网联化转型与布局，互联网公司/科技公司利用智能算法/芯片等技术优势加快智能网联汽车布局，成为智能网联汽车产业链重构的重要参与者，汽车产业的边界日趋模糊，与交通、能源环保、生活服务等联系更加紧密，智能网联汽车呈现智能化、网络化、平台化发展特征；与此同时，汽车产品功能和使用方式将由单纯的交通运输工具逐渐转变为智能移动空间，兼有移动办公、移动家居、娱乐休闲、数字消费、共享出行、公共服务等功能，生产生活的新模式加速涌现。基于智能网联汽车、智能交通和信息物理系统的概念和发展情况，智能网联汽车信息物理系统是指智能网联汽车与交通系统、信息系统和通信系统在数字化大背景下有机融合的多维复杂 SoS。通过汽车、交通、通信、信息等行业产品和系统间的一体化设计、研发、仿 27 真、验证、部署和运营，实现异构信息系统（广义）和物理系统间的安全可靠的协同与互操作，支持智能网联汽车可靠、高效、实时的感知与决策控制，提高驾乘舒适度和便捷性，提升交通安全和效率水平。4.智能网联汽车信息物理系统的前期研究成果总结 2019 年 10 月 22 日在 2019 SAECCE 全体大会上，由国家智能网联汽车创新中心首席科学家李克强教授隆重发布由国家智能网联汽车创新中心牵头，联合清华大学、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、联通智网科技有限公司、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）科技有限公司共同研究和编写的智能网联汽车信息物理系统参考架构 1.0。为支持智能网联汽车中国方案的构建，为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，推动汽车、交通和信息技术链和产业链的转型升级，国家智能网联汽车创新中心组织开展智能网联汽车信息物理系统架构研究。智能网联汽车信息物理系统