近年來，汽車“新四化”（智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動化、共享化）的快速推進，給汽車行業(yè)帶來了新的技術(shù)變革，汽車的功能變得越來越復(fù)雜，尤其是智能座艙、智能駕駛、智能底盤的出現(xiàn)，促使汽車電子電氣架構(gòu)也相應(yīng)地發(fā)生變革。

隨著汽車智能化發(fā)展、汽車功能的增加，汽車上的電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）也越來越多，每個ECU的信號都必須在設(shè)計時進行靜態(tài)規(guī)劃和路由，為了應(yīng)對這種增長帶來的挑戰(zhàn)，汽車行業(yè)正在采用1種新的架構(gòu)，即面向服務(wù)的體系架構(gòu)（Service-Oriented Architecture,SOA）。

SOA簡介

SOA是從遵循服務(wù)導(dǎo)向原則的可重用服務(wù)中構(gòu)建復(fù)雜軟件系統(tǒng)的方法。SOA也是1個組件模型，它將應(yīng)用程序的不同功能單元（稱為服務(wù)），通過這些服務(wù)之間定義良好的接口和契約聯(lián)系起來。接口采用中立的方式進行定義，它應(yīng)該獨立于實現(xiàn)服務(wù)的硬件平臺、操作系統(tǒng)和編程語言。這使得構(gòu)建在各種各樣的系統(tǒng)中的服務(wù)以1種統(tǒng)一和通用的方式進行交互。

SOA可以根據(jù)需求通過網(wǎng)絡(luò)對松散耦合的粗粒度應(yīng)用組件進行分布式部署、組合和使用。服務(wù)層是SOA的基礎(chǔ)，可以直接被應(yīng)用調(diào)用，從而有效控制系統(tǒng)中因軟件代理交互而產(chǎn)生的人為依賴性。

SOA的特點是松耦合性、路徑透明、可復(fù)用性、一定的標(biāo)準(zhǔn)化，不涉及底層編程接口和通訊模型。

SOA在IT行業(yè)中已經(jīng)使用了多年，旨在描述和構(gòu)建分布式系統(tǒng)。同時，面向服務(wù)的設(shè)計在汽車工業(yè)中也變得極為重要。

傳統(tǒng)汽車通訊是基于信號的通訊方式，即信息發(fā)送者不關(guān)心誰接收而只負(fù)責(zé)將信號發(fā)送出去，接收者也不關(guān)心是誰發(fā)送的，而只負(fù)責(zé)接收信號，這種方式適用于有限大小控制數(shù)據(jù)的應(yīng)用場景。

SOA代碼靈活性強，支持請求/響應(yīng)模式，支持復(fù)雜的數(shù)據(jù)模型，可擴展性強，能夠滿足自動駕駛等應(yīng)用場景下，大量數(shù)據(jù)的動態(tài)交互，可以對系統(tǒng)進行部分更新，如圖1所示。

圖1面向信號與面向服務(wù)對比

汽車領(lǐng)域采用SOA的優(yōu)勢是能加快車輛與互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)互通。比如，能夠?qū)⒏鞣N新功能靈活地與互聯(lián)網(wǎng)集成；能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的車載自動診斷系統(tǒng)OBD（On Board Diagnostics，OBD）及空中下載技術(shù)（Over-The-Air Technology，OTA）軟件升級，有助于實現(xiàn)各種遠程診斷、預(yù)診斷功能；能夠大幅提升影音娛樂功能的用戶體驗，能夠?qū)崿F(xiàn)不同平臺間的各種App共享功能；更便于實現(xiàn)平臺架構(gòu)升級；同時各個服務(wù)可以由不同團隊獨立開發(fā)，可以縮短車輛開發(fā)的時間。

SOA主要模塊及功能

Wonseon和Seung設(shè)計了端到端的SOA，如圖2。

圖2 端到端面向服務(wù)的架構(gòu)

在傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)中：

（1）許多ECU是基于CAN等舊式IVN進行工作。

（2）大量的車輛信息和功能也來自舊式IVN。

（3）基于以太網(wǎng)的ECU上的新應(yīng)用程序應(yīng)可以訪問這些信息/功能。

在本架構(gòu)中，主要的功能模塊有SOA適配器（SOA Adaptor），SOA網(wǎng)關(guān)（G/W），SD代理（SD Proxy）和服務(wù)路由（Service Router）。下面將介紹各個模塊的功能。

SOA適配器

（1）將信息/功能從舊式IVN轉(zhuǎn)換為“服務(wù)”，任何基于以太網(wǎng)的ECU上的應(yīng)用程序都可以輕松訪問。

（2）在以太網(wǎng)方面，服務(wù)是在SOME/IP協(xié)議之上提供的。

（3）可以在舊版IVN和基于以太網(wǎng)的IVN之間的“橋接ECU”上實現(xiàn)，例如域控制單元，區(qū)域控制器等。也可以僅在具有以太網(wǎng)接口的非橋接ECU上實現(xiàn)。

（4）SOA適配器提供的服務(wù)可以動態(tài)更改。

SOA網(wǎng)關(guān)

（1）處理與外部設(shè)備/網(wǎng)絡(luò)互通相關(guān)的問題。

（2）必要時轉(zhuǎn)換協(xié)議并翻譯。

（3）緩存外部信息以處理外部網(wǎng)絡(luò)的可用性和成本問題。

（4）應(yīng)用策略并執(zhí)行服務(wù)級別的訪問控制。

（5）應(yīng)該在具有外部連接的ECU上實施。

SD代理

（1）可以使用SD代理實現(xiàn)集中式SD。通過1個稱為“SD代理”的中央模塊交換服務(wù)發(fā)現(xiàn)消息。SOME/IP-SD消息也可用于ECU與SD代理之間的通信。

（2）分布式SD方法的安全和流量問題可以由集中式SD處理。每個服務(wù)只能由允許的ECU查找和訂閱。可以有效地監(jiān)視服務(wù)可用性和搜索/訂閱嘗試。

服務(wù)路由

可以使用服務(wù)路由器來處理來自SOA分布式性質(zhì)的問題。服務(wù)只能通過服務(wù)路由器來使用。服務(wù)路由可以應(yīng)用于選定的服務(wù)。SD代理可用于高效的服務(wù)路由實施，安全和資源問題可以得到有效處理，可以基于域、ECU、服務(wù)甚至方法來控制服務(wù)訪問，策略也可以動態(tài)應(yīng)用。

汽車SOA應(yīng)用現(xiàn)狀

SOA是汽車以太網(wǎng)和IP帶來的汽車系統(tǒng)/軟件體系架構(gòu)的創(chuàng)新，其概念可以擴展到從傳統(tǒng)ECU到外部設(shè)備的端到端范圍。SOA適配器和SOA網(wǎng)關(guān)可以分別用于舊設(shè)備和外部設(shè)備。通過使用其他SOA實體可以有效地管理SOA。端到端SOA支持快速高效地部署各種互聯(lián)汽車服務(wù)。

劉佳熙等在面向服務(wù)架構(gòu)汽車軟件開發(fā)方法和實踐中，提出SOA汽車軟件的分成模型，如圖3示。

圖3SOA汽車分層模型

該模型主要包括3個層級：元服務(wù)、基礎(chǔ)服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)，通過不同的服務(wù)層級來分別對應(yīng)不同層級的汽車業(yè)務(wù)邏輯。

元服務(wù)是最小單元。包括汽車的傳感器和執(zhí)行器等的基本接口。基礎(chǔ)服務(wù)是中間層服務(wù)，在利用元服務(wù)的基礎(chǔ)上，可自定義汽車業(yè)務(wù)模塊，比如利用自車狀態(tài)服務(wù)和雷達傳感器等服務(wù)，組合出環(huán)境信息融合的服務(wù)。應(yīng)用服務(wù)是最頂層的服務(wù)，可以訪問和調(diào)用基礎(chǔ)服務(wù)以幫助其解決業(yè)務(wù)問題。

在設(shè)計中，上層服務(wù)調(diào)用下層服務(wù)，下層服務(wù)不調(diào)用上層服務(wù)，這一原則有助于構(gòu)建清晰簡單的SOA汽車軟件架構(gòu)。寶馬公司在新一代的E/E架構(gòu)中引入了SOA的方法，如圖4所示。SOA為整個系統(tǒng)提供大量的抽象服務(wù)。嚴(yán)格的封裝和層次結(jié)構(gòu)允許針對接口和使用敏捷方法進行測試，并且它們降低了系統(tǒng)復(fù)雜性。在各代汽車之間重用軟件組件將變得更加簡單。

圖4 BMW下一代E/E架構(gòu)

大眾MEB平臺車載應(yīng)用服務(wù)架構(gòu)（In-Car Appli?cation-Server,ICAS），采用了1種可升級的新方法，如圖5所示。采用集中式功能與應(yīng)用程序軟件和I/O功能分離的架構(gòu)，來降低整體系統(tǒng)復(fù)雜性和應(yīng)用程序之間的依賴性，同時可以高效快速地開發(fā)客戶功能，提供一些客戶職能所需的基本服務(wù)，并且利用面向服務(wù)的通信。

圖5大眾MEB平臺車載應(yīng)用服務(wù)架構(gòu)升級方法示例

在該架構(gòu)中還強調(diào)，SOA是數(shù)字化的關(guān)鍵，如圖6所示，該架構(gòu)的優(yōu)點如下：

圖6面向服務(wù)通信架構(gòu)

（1）采用面向服務(wù)的通信；

（2）使用服務(wù)發(fā)現(xiàn)和發(fā)布/訂閱進行動態(tài)綁定；

（3）數(shù)據(jù)表示主要基于REST（表述性狀態(tài)傳遞）過渡到統(tǒng)一接口、無狀態(tài)、關(guān)注點分離；

（4）接口的向前和向后兼容性。

最后，通過提高可更新性、可升級性、重用能力和便攜性，使大眾汽車可以實現(xiàn)各種功能。

在AUTOSAR自適應(yīng)平臺（Adaptive Platform，AP）設(shè)計中，為了支持復(fù)雜的應(yīng)用程序，同時在處理分布和計算資源分配方面允許最大的靈活性和可擴展性，AP遵循了面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)理念。

SOA通常具有AP所具有的系統(tǒng)間特性。例如，服務(wù)可以駐留在應(yīng)用程序運行的本地ECU上，也可以位于遠程ECU上，該遠程ECU也在運行另一個AP例。

上汽組建“零束”軟件子公司，聚焦基于SOA技術(shù)的智能駕駛系統(tǒng)工程，同時推出“Z-ONE”的SOA開放平臺，致力于打造上汽SOA的軟件生態(tài)。該平臺是以SOA理念打造整車功能，將汽車各個功能模塊化。同時可以讓第3方開發(fā)者甚至是普通用戶參與到軟件功能的打造。

威馬汽車在2021年4月交付的威馬W6汽車，率先推出了車輛自定義場景編程功能，實現(xiàn)25種能力、自定義場景超100個、手機端與車機端的同步，未來將攜手用戶及開發(fā)者，打開“千人千面”的全新格局。

汽車SOA開發(fā)流程

Andreas等開發(fā)面向服務(wù)的車用應(yīng)用程序，并使用空中軟件更新部署它。主要流程如圖7所示。

圖7 汽車的SOA開發(fā)流程

研究背景如下：在巴塞羅那舉行的2019年世界移動通信大會上，梅賽德斯·奔馳展示了1款經(jīng)過改裝的車輛，可與開源SuperTuxKart游戲一起用作沉浸式游戲系統(tǒng)。游戲是使用真實的方向盤控制游戲中的車輛，空調(diào)模擬虛擬賽車的氣流、溫度效果。

Andreas假設(shè)車輛類型的制造商現(xiàn)在想要開發(fā)這樣的游戲系統(tǒng)并將其部署到車輛上，可作為車主購買的可選更新，其開發(fā)流程如下。

需求分析

首先，進行需求分析，具體過程如下：

（1）主機將顯示1個賽車視頻游戲。聲音應(yīng)來自車載音響系統(tǒng)。

（2）游戲中的效果應(yīng)由實車反映，例如：空調(diào)應(yīng)根據(jù)游戲中的場景（即駛過火山）和虛擬車的速度調(diào)節(jié)氣流和溫度。游戲中的撞車事故應(yīng)通過可逆安全帶拉緊器告知用戶。電動座椅調(diào)節(jié)器和按摩器可產(chǎn)生更多的觸覺效果。在虛擬比賽開始時，車內(nèi)的環(huán)境照明應(yīng)用作交通信號燈。

（3）虛擬車輛的水平動力學(xué)應(yīng)根據(jù)當(dāng)前方向盤角度得出。

（4）虛擬車輛的速度應(yīng)從油門踏板和制動踏板得出。

（5）中指定的效果體驗應(yīng)與視頻游戲中顯示的情況相匹配。

（6）游戲的最小幀速率應(yīng)為30 fps。

（7）效果的延遲應(yīng)等于或小于1幀持續(xù)時間（最小幀頻）。

還存在一些非功能性需求：

（1）此功能應(yīng)部署在現(xiàn)有汽車上，無需對硬件進行任何修改。

（2）該功能不得損害機動車的安全。

（3）只有在車輛周圍環(huán)境允許安全操作時，該功能才有效。

起草軟件和系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)起草軟件和系統(tǒng)架構(gòu)，構(gòu)建面向服務(wù)的部分。

在“SuperTuxKart”應(yīng)用程序的需求定義完成后，起草它的軟件和系統(tǒng)架構(gòu)。本樣例中關(guān)注需求第2～4步，為此一共設(shè)計了3個步驟。

分解

實現(xiàn)“SuperTuxKart”應(yīng)用程序的必要組件在某種程度上遵循面向服務(wù)、面向信號的方法。

面向服務(wù)的部分：在這部分中，“Super-TuxKart”應(yīng)用程序被描述為1個服務(wù)消費者組件（客戶端）。消費的服務(wù)是噴油嘴服務(wù)（Nozzle）和轉(zhuǎn)向/踏板狀態(tài)服務(wù)（Steering/Pedal status）。其中，轉(zhuǎn)向/踏板狀態(tài)服務(wù)接口目的是定期接收踏板和轉(zhuǎn)向角的狀態(tài)，為“Super?TuxKart”應(yīng)用程序提供施加的踏板壓力和轉(zhuǎn)向角；噴油嘴服務(wù)接口目的是實現(xiàn)對油泵執(zhí)行器的控制，“Su?perTuxKart”應(yīng)用程序根據(jù)游戲中的場景和虛擬車輛的速度以所需的噴嘴效果強度刺激界面。如圖8所示。

圖8 面向服務(wù)部分的架構(gòu)

面向信號的部分：軟件架構(gòu)的某些部分不會由服務(wù)接口實現(xiàn)，而是由經(jīng)典的面向信號的方法。通?？紤]與傳感器和執(zhí)行器密切相關(guān)的軟件功能。對于該應(yīng)用，必要的傳感器是踏板和轉(zhuǎn)向裝置。執(zhí)行器則是由噴油嘴表示。為了將3個組件集成到我們的軟件架構(gòu)草案中，引入了圖9中的信號接口。傳感器踏板和轉(zhuǎn)向裝置為轉(zhuǎn)向/踏板狀態(tài)服務(wù)提供接口；執(zhí)行器噴油嘴為噴油嘴服務(wù)提供接口（圖9）。

圖9 信號接口

部署

接下來，用適合的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)部署軟件架構(gòu)?？紤]3個通信網(wǎng)絡(luò)，包括：以太網(wǎng)，底盤/動力總成網(wǎng)絡(luò)，LIN網(wǎng)絡(luò)。

（1）第1個網(wǎng)絡(luò)是以太網(wǎng)拓?fù)洹?個ECU通過1個中央以太網(wǎng)交換機互連。ECU 1是中央計算平臺。在ECU 1上，部署“SuperTuxKart”應(yīng)用程序。對于踏板/轉(zhuǎn)向服務(wù)，底盤/傳動系統(tǒng)域的域控制器ECU2作為部署目標(biāo)給出。以類似的方式，車身域的域控制器ECU3作為部署噴油嘴服務(wù)的目標(biāo)。

（2）第2個底盤/傳動系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)：該網(wǎng)絡(luò)描述兩種基于CAN和FlexRay協(xié)議的系統(tǒng)總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接到底盤/傳動系統(tǒng)域的域控制器。

（3）第3個網(wǎng)絡(luò)描述了基于LIN協(xié)議的系統(tǒng)總線拓?fù)?。在此網(wǎng)絡(luò)中，專注于油泵執(zhí)行器，該執(zhí)行器部署在專用的LIN組件上，并由噴油嘴服務(wù)控制?；旌贤ㄐ湃鐖D10所示。

圖10 網(wǎng)絡(luò)混合通信

網(wǎng)絡(luò)通信

“Super-TuxKart”應(yīng)用程序所需的網(wǎng)絡(luò)通信是以太網(wǎng)拓?fù)渲忻嫦蚍?wù)的通信與CAN、FlexRay和LIN系統(tǒng)總線拓?fù)渲械慕?jīng)典面向信號的通信相結(jié)合。

開發(fā)階段

應(yīng)用程序的開發(fā)階段主要有3部分。

構(gòu)建基礎(chǔ)組件

SOA中的主要基礎(chǔ)組件是API存儲庫，它是1個中央數(shù)據(jù)庫，包含詳細(xì)的有關(guān)服務(wù)及其功能和接口的信息?？梢圆渴鸬杰囕v內(nèi)計算平臺的應(yīng)用程序可以使用這些服務(wù)為客戶提供額外的功能。

現(xiàn)有服務(wù)的使用

一旦應(yīng)用程序確定了它的需求，它將通過API存儲庫并嘗試找到可以滿足所有要求的服務(wù)。理想情況下，存儲庫中的服務(wù)可以滿足所有要求。在這種情況下，應(yīng)用程序可以使用API存儲庫提供的接口描述來設(shè)計軟件。由于面向服務(wù)架構(gòu)的解耦性質(zhì)，不需要對域控制器或它們背后的ECU進行修改。在“SuperTuxKart”示例中，應(yīng)用程序設(shè)計將根據(jù)需求調(diào)整空調(diào)的氣流，并在API中尋找合適的服務(wù)存儲庫。他們會找到噴油嘴服務(wù)并集成此服務(wù)接口到應(yīng)用程序中。

創(chuàng)建新服務(wù)

當(dāng)API存儲庫中的服務(wù)不能滿足應(yīng)用程序的需求時，需要聯(lián)系A(chǔ)PI的創(chuàng)建者來進行更新API存儲庫，以滿足開放的要求。由于這個擴展過程大大減慢了新應(yīng)用程序的設(shè)計，因此API存儲庫設(shè)計時應(yīng)提供盡可能多的功能。

空中更新

要通過空中更新汽車嵌入式系統(tǒng)的軟件，需要2部分：一部分由汽車制造商維護服務(wù)器，用于管理更新程序包；另一個負(fù)責(zé)接收，驗證和分發(fā)更新程序的客戶端，將文件更新到相應(yīng)的ECU。

更新客戶端功能通常在車輛的中央網(wǎng)關(guān)平臺上實現(xiàn)，該平臺可直接訪問主機并代表通信總線之間的中央通信點。下載的更新包括1個或多個交叉編譯的二進制文件，準(zhǔn)備在相應(yīng)的ECU中進行刷新。中央網(wǎng)關(guān)的更新功能（或服務(wù)）負(fù)責(zé)檢查更新包，并將二進制文件分發(fā)到目標(biāo)ECU。

該研究表明，使用現(xiàn)有服務(wù)可以較少的協(xié)調(diào)并提高開發(fā)速度。如果任何應(yīng)用程序始終都可以使用現(xiàn)有服務(wù)，則可能會帶來安全方面的挑戰(zhàn)（即訪問行駛中的車輛的主動懸架系統(tǒng)）。因此，有必要對汽車SOA的訪問控制管理進行研究。

“分析和設(shè)計面向服務(wù)的架構(gòu)”，“實現(xiàn)和部署面向服務(wù)的軟件”是有效開發(fā)SOA汽車軟件的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

為了實現(xiàn)汽車智能駕駛，通用高性能計算平臺是未來新型E/E架構(gòu)的硬件基礎(chǔ)，而SOA則是“軟件定義汽車”的軟件基礎(chǔ)。通過SOA平臺，實現(xiàn)軟硬件解耦、終端用戶、汽車廠家及第3方開發(fā)者攜手共建跨品牌、跨平臺、跨車型的軟件開發(fā)能力，打造以用戶體驗為核心，各方開發(fā)者共同參與、合作共贏的智能汽車生態(tài)。

在此生態(tài)里，汽車企業(yè)將不只是生產(chǎn)制造汽車，還將成為移動出行的服務(wù)供應(yīng)商，能夠面向用戶提供多種多樣的軟件服務(wù)。SOA軟件平臺上多方的協(xié)同合作，將為軟件汽車的不斷進化和用戶體驗的不斷提升提供源源不絕的動力。

未來，車主可以根據(jù)乘員數(shù)量、道路情況、目的地甚至自己心情等不同條件，在車機及移動端APP上下載配置不同的功能，滿足個性化需求。在SOA軟件平臺的幫助下，通過數(shù)據(jù)、算法、軟件的不斷積累和迭代升級，最終汽車將由執(zhí)行指令的冰冷機械，進化為能夠?qū)崟r交流、洞察需求、主動服務(wù)的“有生命的出行伙伴”。

審核編輯 ：李倩