軟件定義汽車技術體系的研究*

孟天闖，李佳幸，黃 晉，楊殿閣，鐘志華

（清華大學車輛與運載學院，北京 100084）

前言

新一輪科技革命和產業變革方興未艾，作為新技術集成應用最佳載體之一的汽車正加速向智能化轉型，智能汽車已成為全球汽車產業發展的戰略方向［1］。

整車電子系統功能復雜度呈指數級上升，軟件占比持續增大。有數據顯示［2］，2010 年主流車型約含1 000 萬源代碼行數，而2016 年達到約1.5 億行。2018 年軟件約占D 級車或大型乘用車整車價值的10%，據摩根士丹利估算，未來軟件價值占比將達到60%左右。整車技術與工程核心正從傳統硬件層面轉移到軟件，大眾汽車表示，軟件創新將占未來汽車創新的90%左右［2］。

車輛架構正朝著以通用計算平臺為基礎、面向服務架構的方向發展［3］。未來車輛差異化將更多體現在軟件和先進電子技術賦能的用戶交互界面和體驗層面，軟件將帶動汽車技術革新，引領產品差異化。軟件定義汽車（software defined vehicles，SDV）是大勢所趨。

軟件定義汽車具體是指在模塊化和通用化硬件平臺支撐下，以人工智能為核心的軟件技術決定整車功能的未來汽車。

軟件定義汽車功能的增加與升級可通過軟件的遠程部署與更新來實現，汽車硬件將成為模塊化、通用化的平臺和資源池，支撐整車軟件多樣化開發與部署。

軟件定義汽車已引起業內外廣泛關注，但尚未有文獻提出軟件定義汽車的整車開發、整車物理結構、整車信息結構，軟件定義汽車技術體系也無明確架構。本文中提出軟件定義汽車整車開發、整車物理結構以及整車信息結構，并總結提出軟件定義汽車技術體系。

本文內容結構如下：第1 章討論軟件定義汽車整車開發；第2 章討論軟件定義汽車整車物理結構；第3章討論軟件定義汽車整車信息結構；第4章提出軟件定義汽車技術體系；第5章進行總結。

1 整車開發

1.1 整車開發流程

1.1.1 傳統汽車整車開發流程

整車開發流程界定一輛汽車從概念設計經過產品設計、工程設計到制造、最后轉化為商品的整個過程中各業務部門的責任和活動，是構建汽車研發體系的核心［4］。

傳統汽車開發流程一般包含策劃階段、概念設計階段、工程設計階段、樣車試驗階段和量產階段。目前，國際汽車廠商的研發流程已有成熟模板，圖1展示了通用汽車的全球整車開發流程。

圖1 通用汽車全球整車開發流程

1.1.2 軟件定義汽車整車開發流程

軟件定義汽車整車開發流程在整體上仍包含上述5個階段，但具備以下顯著不同點。

軟件開發比重將大幅增加。據摩根士丹利估計，未來軟件價值占比可能達60%左右。此外，大眾汽車表示，到2030 年軟件開發成本將占整車開發成本的一半左右。

軟硬件開發解耦，但持續協同，如圖2 所示。軟件定義汽車通過軟硬件開發的有效解耦與持續協同，使軟件開發、驗證、交付等不依賴于整車硬件開發進度，在開發各個階段都能即時釋放軟件產品。

圖2 軟硬件解耦、持續協同

硬件開發向架構化、模塊化、工具箱策略趨勢發展，如圖3所示。當前國內外主要車企在整車開發上都注重發展平臺化，將不同產品的子系統、零部件通用化。架構化、模塊化的概念則基于平臺化，當平臺數量過多時會導致冗余浪費，通過研究平臺間的關系，形成統一架構整合各平臺［5］。平臺化的概念側重于物理上的共用零件，而架構化的概念側重于設計過程上的同方法和制造過程中的模塊化。工具箱策略則是指不論車輛尺寸和性能，各種車型都可以通過已有整車開發工具箱內的模塊集成拼裝組成。

圖3 大眾汽車平臺模塊化戰略（圖片來自大眾）

從開發策略與汽車等級的關系角度來看，平臺化是單汽車等級的協同增效，底盤件共用等策略化僅適用于特定汽車等級的開發，架構化和模塊化適用于多汽車等級的開發，工具箱策略則覆蓋所有汽車等級的開發需求。

用戶需求導向的定制化開發。軟件定義汽車將從單一交通工具轉變為用戶的第三生活空間，整車開發將更加注重用戶需求，以用戶需求為導向。

總體上，軟件定義汽車整車開發流程是雙閉環開發流程，包括車輛開發與軟件迭代兩個層面，如圖4 所示。車輛開發主要是指新車的開發階段，總體上包括策劃階段、概念設計階段、工程設計階段、樣車試驗階段、量產階段等；軟件迭代主要是指在用戶使用階段，通過交互評價數據采集、用戶畫像構建指導軟件開發，利用OTA 遠程升級［6］等技術進行軟件遠程更新迭代。

圖4 軟件定義汽車雙閉環整車開發流程

軟件定義汽車整車開發流程形成雙閉環，第一個閉環是指通過交互評價數據采集、用戶畫像構建可指導新車開發，另一個閉環是指用戶使用階段可以借助OTA技術實現軟件持續更新迭代。

在車輛全生命周期中，軟件迭代過程持續進行，因此整車開發也成為具備生命力的持續開發過程，直至車輛報廢。

1.2 整車開發模式

1.2.1 傳統汽車整車開發模式

傳統汽車整車開發模式是一種V 型開發模式，如圖5所示。V型左側涵蓋需求分析，右側對應模塊測試，可在軟硬件模型完整構建前完成集成測試方案設計，并有效保證測試方法與對應模塊的兼容性，高效定位測試問題。但傳統V型開發模式中“整車-系統-子系統-軟硬件”的開發設計順序局限于有明確需求導向的整車開發，難以適應軟件定義汽車功能快速迭代的需求。

1.2.2 軟件定義汽車整車開發模式

圖5 傳統汽車整車開發模式

軟件開發對軟件定義汽車整車開發模式的構建舉足輕重。傳統迭代式軟件開發模式下，每一次迭代都遍歷需求分析、分析設計和測試等流程，并產生最終產品的一個子集。多期不間斷的迭代使產品更適應多變的需求。此外，敏捷開發、螺旋式開發等軟件開發模式也能提升軟件產品的開發效率［7］。

軟件定義汽車整車開發模式如圖6 所示，將結合傳統軟件開發和整車V 型開發模式的優點，具備快速迭代、持續集成、并行開發、多平臺適用及用戶個性化等特點。

軟件定義汽車開發模式中，首先進行系統解耦分析，將整車解耦為子系統進行需求分析，然后進入持續集成開發階段，按照“設計-開發-測試-發布”循環往復進行，持續將軟硬件集成至系統主干上，最終完成發布。在持續集成開發階段，各類開發工具平臺如CarSim、PreScan、CARLA 等的適用性可使整車開發效率大大提升。

圖6 軟件定義汽車整車開發模式

整車投入使用后，根據用戶反饋情況進行快速迭代，再次遍歷“系統需求分析-持續集成”的流程并通過OTA技術完成功能發布。

軟件定義汽車整車開發模式繼承了傳統軟件開發模式的優勢，通過并行開發、持續集成，高效利用多開發工具平臺的優勢，可極大提升整車系統的開發和測試效率。同時，利用快速迭代的軟件開發模式可使用戶個性化需求得到最大程度的滿足，使整車開發貫穿全產品使用周期。

2 整車物理結構

整車物理結構具體是指車輛中的物理硬件機械結構，包括動力系統硬件、底盤硬件、傳感器、控制器、執行器、車身和座艙等。

2.1 傳統汽車整車物理結構

傳統汽車的整車物理結構主要由發動機、底盤、電氣設備、車身等4個部分組成［8］，如圖7所示。

圖7 傳統汽車整車硬件架構組成

發動機是傳統汽車的心臟，為汽車提供動力。底盤負責支承、安裝發動機及其各部件、總成，形成汽車的整體造型，承受發動機動力，保證正常行駛。電氣設備負責起動控制、點火控制、照明與信號系統、電動輔助控制等，主要包括蓄電池、發電機、起動系、燈光與信號系統、信息顯示系統、輔助電氣系統、電子控制系統等。車身包括車窗、車門、駕駛艙、乘客艙、發動機艙、行李艙等［8］。

2.2 軟件定義汽車整車物理結構

軟件定義汽車整車物理結構主要包括動力系統、環境感知系統、決策規劃系統、控制系統、智能座艙等。

值得注意的是，軟件定義汽車整車物理結構具有可被定義性與可被定義級別。軟件定義汽車整車物理結構作為通用化的硬件資源池，支持各種軟件功能的實現。軟件定義依據軟件功能種類、復雜度的不同具有不同級別，進而對整車物理結構的要求不同，因而整車物理結構可被軟件定義。整車物理結構的可被定義級別越高，整車能支持越多、越復雜的軟件功能。從整車開發角度來看，整車物理結構的可被定義級別將成為一個開發選項，能夠針對不同需求的用戶群體進行專門開發，促進整車硬件開發的定制化。

下面對軟件定義汽車整車物理結構的主要組成部分進行簡要梳理。

（1）動力系統

近年來，多國陸續出臺禁售燃油車或支持新能源汽車的政策，電動化具有促進能源多樣化、提高能量轉換效率、具備更大減排潛力等優點，是汽車動力系統的未來發展趨勢［9］。在我國，新能源汽車包括純電動汽車、插電式混合動力汽車與燃料電池汽車。相比傳統汽車以發動機為主的動力系統，未來軟件定義汽車將以上述電動化動力系統為主。

（2）環境感知系統

自動駕駛技術是車輛智能化的核心體現，主要包括環境感知、決策規劃和車輛控制3 大部分［10］，軟件定義汽車整車物理結構將涵蓋環境感知系統、決策規劃系統和控制系統。

環境感知系統主要包括車身狀態感知、交通狀態感知、車輛同所有交通參與者（vehicle to everything，V2X）網聯通信等。

車身狀態感知主要有車輛速度、角度傳感器、組合導航系統等，通過傳感器獲取車輛實時運行狀態，并作為輸入信息提供給后續模塊。

交通狀態感知主要包括各種環境感知傳感器，如相機、激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達等。多種傳感器可通過數據融合技術克服單一傳感器缺陷，提升感知綜合性能［11］。

V2X網聯通信使自車能夠與外界車輛（車車通信，vehicle to vehicle，V2V）、道路設施（車路通信，vehicle to infrastructure，V2I）、行人（車人通信，vehicle to pedestrian，V2P）等進行通信。V2X 網聯通信強調車輛、道路和使用者3 者之間的聯系，通過實時獲取交通信息，提升安全性和效率［12］。

（3）決策規劃系統

決策規劃系統硬件主要是高性能的計算單元，如CPU、GPU、FPGA、ASIC 等［13］。車輛在行駛過程中，計算單元負責實時處理傳感器采集的數據。

在自動駕駛算法初研階段可采用工控機集中計算。其集中式計算架構有利于初期算法研發，但體積大、功耗高、不適于量產的缺點也限制了進一步的應用。

嵌入式域控制器［14］是適用于算法較成熟后的自動駕駛計算解決方案。軟件定義汽車內部計算量顯著增大，通過將汽車劃分為功能域，各域包含一個域控制器負責該域的計算，可減少各模塊及功能間的相互干擾，提升安全性。

此外，融合固化的算法制作專用芯片，可有效集成傳感器和算法，直接處理原始數據，從而減輕后端計算平臺的計算負荷，降低芯片功耗。

（4）控制系統

控制系統負責控制車輛速度與轉向，使車輛跟蹤預先規劃的速度曲線與期望路徑。傳統控制方法包括PID 控制、滑模控制、模糊控制、模型預測控制、自適應控制、魯棒控制等［15-19］。

與傳統車輛相比，線控技術將被更多地用來控制車輛轉向、制動、油門等，其主要特征是執行機構與操縱機構沒有直接的機械連接，駕駛員的駕駛意圖將直接轉換成對應的電信號驅動執行機構的精確運動［20］。線控系統技術要求對底盤進行線控改裝，目前已具備自適應巡航控制、緊急制動、自動泊車等功能的車輛可借用原有系統而不必過多改裝，通過車載網絡即可實現控制。

（5）智能座艙

未來汽車座艙具備成為用戶的第三生活空間的巨大潛力［21］。新一代通信技術、人工智能、大數據、人機交互、汽車芯片與操作系統等技術進步將推動智能座艙不斷發展，成為軟件定義汽車整車物理結構的重要組成。

3 整車信息結構

整車信息結構具體是指車輛中涉及車內外信息通信、軟件功能等的結構，包括整車電子電氣架構和車載網絡、軟件架構、車聯網等。

軟件定義汽車整車信息結構自下而上可分整車電子電氣架構及車載網絡、軟件架構和車聯網等3層，如圖8 所示。整車電子電氣架構與車載網絡支撐車內信息通信，軟件架構實現具體軟件功能，車聯網則實現車內網、車際網與車載移動互聯網的融合。

圖8 軟件定義汽車整車信息結構3層架構

3.1 整車電子電氣架構與車載網絡

3.1.1 傳統汽車電子電氣架構與車載網絡

傳統汽車電子電氣架構的發展主要經歷了3 個階段，如圖9所示。

圖9 傳統汽車電子電氣架構發展歷程

第1 代分布式電子電氣架構采用點對點的鏈接方式［22］，第2 代分布式電子電氣架構實現了功能模塊化，第3 代分布式電子電氣架構增加了中央網關，實現更廣泛的不同功能子系統之間的通信，如圖10所示。

圖10 第3代分布式電子電氣架構

車載網絡與電子電氣架構的發展密切相關，現有主要車載網絡類型如表1所示。

表1 主要車載網絡

控制器局域網絡（controller area network，CAN）［23］是汽車專用總線標準，主要用于控制數據傳輸，是目前在汽車行業應用最廣泛的標準。本地互聯網絡（local interconnect network，LIN）［24］是一種低成本通用串行總線，主要用于車門、天窗等控制。面向媒體的系統傳輸總線（media oriented system transport，MOST）［25］主要用于多媒體流數據傳輸。FlexRay 車載網絡［26］主要用于容錯環境下的線控制動等底盤系統應用。

分布式電子電氣架構使汽車產業產生了巨大變革，但目前該架構的缺點和局限性也越來越明顯，如ECU 底層代碼兼容性差、代碼冗余、代碼復用性差、維護更新困難等，此外，軟件定義汽車對高帶寬與低延遲的需求顯著增長，當前總線網絡已不能滿足需求。

3.1.2 軟件定義汽車電子電氣架構與車載網絡

目前正在發展中的新一代電子電氣架構是基于域控制器和以太網通信網絡的集中式電子電氣架構，如圖11 所示，這種架構可改善傳統電子電氣架構及車載網絡的問題，適應軟件定義汽車需求。

圖11 集中式電子電氣架構

集中式電子電氣架構仍劃分功能域，各功能域包含強大的域控制器（domain control unit，DCU）［27］，域控制器集成了復雜且相對集中的功能，并集成了網關功能。域控制器的核心優勢是其芯片計算能力的大幅提升，強大的計算能力使域控制器能夠接管域內ECU 的信息計算處理功能，集中匯總、統一處理運算ECU 的數據信息，并將處理后的數據信息發回給ECU執行，這也將促進提升ECU的整合程度。

基于域控制器的集中式電子電氣架構使用以太網［28］作為主干通信網絡，在域控制器下面可保留如CAN、LIN等傳統車載網絡以太網，以節約成本。

以太網具備高帶寬，采用靈活的星型連接拓撲，每條鏈路可專享100 Mb/s及以上的帶寬。以太網標準開放、簡單，適應未來汽車與外界大量通信和網絡連接的發展趨勢。以太網靈活、帶寬可擴展，適合連接各個子系統，促進車載系統的網絡化運營管理。以太網能夠降低時間、生產和服務成本，促進產業落地［22，29］。

基于域控制器的集中式電子電氣架構和基于車載以太網的車載網絡能夠滿足軟件定義汽車對信息處理計算能力、網絡帶寬的新需求，實現高算力，支撐軟件應用持續升級，并增強與云端配合的分布式計算能力。因此，基于域控制器的集中式電子電氣架構和基于車載以太網的車載網絡很適合成為軟件定義汽車的電子電氣架構與車載網絡。

3.2 軟件架構

3.2.1 傳統汽車軟件架構及發展趨勢

傳統汽車電子系統的軟件和硬件耦合在一起，ECU 軟件的開發測試依賴于硬件，導致開發測試難度較大、靈活性很差。

基于此，AUTOSAR Classic 標準被提出，可滿足日益復雜的汽車軟件需求，在不同的硬件平臺上使用相似的軟件方案，共享軟件組件［30］。

AUTOSAR Classic 采用分層體系架構，在微控制器層上分為3 層，即應用軟件層、中間件RTE、基礎軟件，如圖12所示［31］。

圖12 AUTOSAR Classic體系架構

AUTOSAR 分層體系架構實現了軟硬件模塊獨立。中間運行環境RTE 有效隔離了上下層軟硬件，提升了軟件開發測試效率。

面向自動駕駛技術的電子電氣架構要求配備具有高性能計算能力的控制器，當前控制器的算力及通信的帶寬均需巨大升級。高性能計算能力（高吞吐量，高通信帶寬）除了需要硬件架構上如異構多核處理器、GPU加速等支持，也需要適配新的軟件架構來支持跨平臺的計算處理能力、高性能微控制器的計算以及遠程診斷等。此外，V2X 通信應用涉及動態通信及大量數據的有效分配，要求軟件架構能夠支持云交互以及非AUTOSAR系統的集成。

AUTOSAR Classic 無法適應這些新需求，因此在其基礎上又出現AUTOSAR Adaptive，基本架構如圖13 所示，主要包括應用層、運行層、基礎服務層［32-33］。

圖13 AUTOSAR Adaptive體系架構

AUTOSAR Adaptive 面向高性能計算處理器架構，其硬件層的算力更高，具有更高的吞吐量。在保證安全等級、降低小部分實時性的情況下，可滿足非實時性的架構系統軟件的需求，并大大提高了高性能計算處理能力，支持大數據的并行處理、智能互聯應用功能［34］。

AUTOSAR Classic 及AUTOSAR Adaptive 架構針對不同的應用場景可實現共存和協作，未來汽車很可能采用包含AUTOSAR Classic 以及AUTOSAR Adaptive的異構軟件架構。

3.2.2 軟件定義汽車軟件架構

軟件定義汽車軟件架構如圖14所示。軟件定義汽車軟件架構將繼承AUTOSAR Classic 與AUTOSAR Adaptive的優點，既支持高安全性、高實時性應用場景，又支撐大數據并行處理、高性能計算應用場景。在結構上延續軟件分層架構，按照解決方案設定、軟件開發需求的不同，設置不同的概念層。

圖14 軟件定義汽車軟件架構

軟件定義汽車的中間件將促進應用程序與硬件分離，承擔車輛重構、軟件安裝升級的功能，推動軟件抽象化和虛擬化，推動汽車向面向服務的架構轉變。

軟件定義汽車底層操作系統對車企來說具有重要的戰略地位，未來缺少自己操作系統的車企可能只能成為代工性質的企業。

3.3 車聯網

軟件定義汽車在車端將朝著完全自動駕駛的智能網聯汽車方向發展，如圖15 所示，智能網聯汽車屬于智能汽車與車聯網的交集，因此車聯網將成為軟件定義汽車整車信息結構里的重要一環。

圖15 智能汽車、智能網聯汽車與車聯網等的關系

車聯網是指車輛物聯網，是物聯網技術應用于智能交通領域的產物。車聯網可實現車與車、車與路、車與人、車與服務平臺之間的全方位網絡連接［35-38］，全面提升汽車智能化水平。

4 軟件定義汽車技術體系

本節提出軟件定義汽車技術體系，如圖16 所示，軟件定義汽車技術體系總體上包括整車物理結構、整車信息結構、整車功能層、軟件開發、硬件開發、評價體系等。

整車物理結構層主要包括電子硬件、車輛硬件等，整車物理結構層作為模塊化、通用化的平臺和資源池，為整車信息結構以及整車功能層提供底層支持。軟件開發過程注重用戶分析、敏捷開發、定制化開發等，主要利用OTA 等技術進行軟件遠程部署與更新。整車信息結構包括車聯網、軟件架構、整車電子電氣架構及車載網絡。軟件架構為分層架構，包括應用軟件層、中間件、基礎軟件層等。整車功能層包含具體的整車功能，如信息娛樂功能、智能人機交互、自動駕駛功能、系統更新升級等。用戶使用過程中，可通過評價體系對整車功能進行評估，包括主觀評價與客觀評價等。通過用戶分析與評價數據反饋，結合人工智能與大數據分析等技術，進行用戶畫像構建，進一步指導軟件開發。

軟硬件在結構上和開發上均實現了有效解耦。在整個過程中，整車功能的定義與實現主要通過軟件驅動，整車物理結構不再與某個特定功能集成綁定，而是被抽象成可以被軟件和服務共享的資源池，從而使汽車由軟件來定義。

圖16 軟件定義汽車技術體系

總體上，軟件定義汽車技術體系具備以下關鍵特性：整車軟硬件的解耦性、整車物理結構的通用支撐性、整車物理結構的可被定義性、整車功能的軟件定義性、整車軟件的可遠程迭代升級性和交互與評價的數據可采性。

整車軟硬件的解耦性是指軟硬件在結構及開發層面實現了解耦，從而解放軟件，提升軟件開發效率。

整車物理結構的通用支撐性是指整車物理結構成為模塊化、通用化的平臺和資源池，具備支撐整車軟件多樣化開發與部署的能力。

整車物理結構的可被定義性使整車物理結構根據其軟件定義程度的不同而不同，可被定義級別成為開發選項，使整車物理結構具備靈活性和可定制性，以滿足多樣化需求。

整車功能的軟件定義性是指整車功能將主要由軟件來定義和實現，也即軟件定義汽車的基本含義與目標。

整車軟件的可遠程迭代升級性是指軟件可通過OTA 等技術實現遠程迭代升級，從而改變產品使用模式以及整車開發模式，使汽車具有全周期生命力。

交互與評價的數據可采性是指能夠采集用戶交互與評價體系數據，實現用戶分析，滿足個性化定制需求。

5 結論

軟件定義汽車是大勢所趨，本文中分析提出軟件定義汽車整車開發、整車物理結構和整車信息結構，并總結提出軟件定義汽車技術體系。

在軟件定義汽車技術體系中，軟件定義汽車雙閉環開發流程與并行開發模式深入滲透軟硬件開發，使汽車成為具有生命力的產品，使整車開發在車輛全生命周期持續迭代進行，整車物理結構與整車信息結構實現有效解耦，整車功能的定義與實現主要通過軟件驅動，整車物理結構不再與特定功能綁定，而是被抽象成可以被軟件和服務共享的資源池，支撐軟件多樣化開發與部署，從而實現汽車由軟件定義。