軟件定義汽車、云原生驅(qū)動(dòng)汽車設(shè)計(jì)業(yè)變革

汽車正進(jìn)化為“超級(jí)移動(dòng)智能終端”，是繼PC和手機(jī)之后的下一代增長(zhǎng)引擎。為此，軟件業(yè)迎來(lái)發(fā)展機(jī)遇，軟件定義汽車也成為大勢(shì)所趨。軟件重新定義汽車，對(duì)汽車電子的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了哪些挑戰(zhàn)？

4月17日，在第二十屆上海國(guó)際汽車工業(yè)展覽會(huì)開(kāi)幕前夕，未來(lái)移動(dòng)出行技術(shù)的龍頭企業(yè)——安波福舉辦了新聞發(fā)布會(huì)，攜手去年并購(gòu)的軟件公司——風(fēng)河系統(tǒng)公司，向電子產(chǎn)品世界記者介紹了汽車業(yè)的新動(dòng)向。

圖1 車輛架構(gòu)進(jìn)化

1 移動(dòng)出行未來(lái)將是電氣化和云原生的

安波福全球首席技術(shù)官（CTO）楊小熊（Benjamin Lyon）介紹了當(dāng)今汽車的創(chuàng)新方向。

?簡(jiǎn)化電子電氣架構(gòu)。

?車輛必須采用現(xiàn)代的、以服務(wù)為導(dǎo)向的軟件架構(gòu)，通過(guò)軟件、硬件解耦和軟件無(wú)縫更新，保證產(chǎn)品的靈活性，以及在產(chǎn)品全生命周期中，有效而安全。

?為實(shí)現(xiàn)快速可靠的技術(shù)創(chuàng)新，行業(yè)需要建立統(tǒng)一的端到端云原生的DevOps平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)高效的、持續(xù)的軟件開(kāi)發(fā)、集成與部署。

?所有這些創(chuàng)新技術(shù)需要高可靠性和可擴(kuò)展性。

可見(jiàn)，未來(lái)汽車會(huì)更加電氣化和云原生。

關(guān)于云原生，過(guò)去數(shù)年已在其他行業(yè)發(fā)生了，例如消費(fèi)品市場(chǎng)和電信行業(yè)?，F(xiàn)在，汽車業(yè)也在經(jīng)歷這個(gè)轉(zhuǎn)變。為了適應(yīng)這一潮流，安波福去年并購(gòu)了風(fēng)河系統(tǒng)公司，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/風(fēng)河">風(fēng)河提供了任務(wù)關(guān)鍵型的操作系統(tǒng)和中間層軟件，以及云原生的DevOps平臺(tái)，與安波福擅長(zhǎng)的車輛架構(gòu)和技術(shù)產(chǎn)品形成了完美的匹配。

2 “軟件定義汽車”所需的硬件架構(gòu)

使“軟件定義汽車”成為可能，需要智能的硬件及架構(gòu)。為此，安波福推出了智能汽車架構(gòu)（SVA?）。安波福連接器業(yè)務(wù)部亞太區(qū)技術(shù)總監(jiān)李慧斌博士稱，安波福在2017年構(gòu)想SVA時(shí)，制定了三個(gè)目標(biāo)：簡(jiǎn)化，融合和賦能。

?簡(jiǎn)化，即減少ECU（電控單元）的數(shù)量，并降低ECU之間的相互依賴性。  

?融合，即融合各類應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)新的基于軟件的功能，并提供更好的生命周期管理。

?賦能，最終給OEM（車廠）賦能，使OEM能夠完全自己掌控直接影響用戶體驗(yàn)的應(yīng)用軟件。

從架構(gòu)角度看，SVA的設(shè)計(jì)理念主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。

?首先，把軟件從底層硬件中抽離出來(lái)，使軟件開(kāi)發(fā)不再依賴底層硬件。

?將輸入/輸出與計(jì)算設(shè)備分離。這意味著將所有的物理和邏輯連接都放到傳感器和設(shè)備端，并將它們轉(zhuǎn)移到區(qū)域控制器（zonal controller）中。這也為開(kāi)發(fā)者提供了一條經(jīng)濟(jì)可行的路徑，在硬件、電源、數(shù)據(jù)及計(jì)算這三個(gè)層面實(shí)現(xiàn)冗余，有利于確保L3級(jí)及以上自動(dòng)駕駛汽車的功能安全。

?由于實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件的分離，以及輸入/輸出與計(jì)算設(shè)備分離，整個(gè)中央計(jì)算平臺(tái)就實(shí)現(xiàn)了“服務(wù)器化”。這意味著可以開(kāi)發(fā)覆蓋車輛多個(gè)域的高性能計(jì)算機(jī)，從而大幅減少車輛中的控制器數(shù)量。在當(dāng)前的架構(gòu)下，部分車輛的控制器已經(jīng)超過(guò)120個(gè)。

為此，必須在車輛大腦和神經(jīng)系統(tǒng)上做硬件改變。SVA建立在一個(gè)開(kāi)放的平臺(tái)上，通過(guò)融合內(nèi)外部傳感等多種應(yīng)用，并結(jié)合安波福在人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)方面的經(jīng)驗(yàn)，為OEM提供了容易調(diào)用的接口，從而能夠讓OEM專注于客戶體驗(yàn)方面的應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)。

由于SVA架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了軟硬件分離，輸入/輸出與計(jì)算分離，使汽車生命周期中的三個(gè)階段——開(kāi)發(fā)、制造和出廠后的成本都會(huì)有大幅下降。

3 云原生軟件如何使汽車安全、綠色、互連？

軟硬件分離之后，計(jì)算、數(shù)據(jù)處理能力正在或?qū)?lái)必然要用云的概念來(lái)解決。主機(jī)廠現(xiàn)在關(guān)注的是這套系統(tǒng)到底怎么是有效的，同時(shí)在成本能夠操作的情況下，用一個(gè)什么成熟平臺(tái)來(lái)做，風(fēng)河可以提供這樣的平臺(tái)。

風(fēng)河系統(tǒng)公司資深銷售總監(jiān)兼中國(guó)區(qū)負(fù)責(zé)人馮偉江稱，風(fēng)河將其擅長(zhǎng)的任務(wù)關(guān)鍵型系統(tǒng)的專業(yè)技能和產(chǎn)品引入到汽車行業(yè)。風(fēng)河的解決方案核心是Wind River Studio，是業(yè)界第一個(gè)云原生嵌入式軟件DevOps平臺(tái)，覆蓋了軟件的開(kāi)發(fā)、部署、運(yùn)營(yíng)以及后續(xù)維護(hù)的整個(gè)生命周期，而且這套復(fù)雜系統(tǒng)可以通過(guò)單一的界面實(shí)現(xiàn)全生命周期的管控，從而提高工程師的開(kāi)發(fā)效率，降低成本。 

3.1 Wind River Studio的組成

云原生可以在云端和車內(nèi)側(cè)。車內(nèi)側(cè)為何也有云原生？因?yàn)槠囅到y(tǒng)軟件越來(lái)越復(fù)雜，現(xiàn)在的代碼量已達(dá)到上億行，因此在車內(nèi)側(cè)，也把運(yùn)行態(tài)軟件引入容器，是云原生的一個(gè)概念或即將發(fā)生的一件事。

Wind River Studio分成兩部分，一部分是基于云端的Studio工具集，另一部分是在車內(nèi)側(cè)相應(yīng)的運(yùn)行態(tài)軟件。

·車內(nèi)側(cè)的運(yùn)行態(tài)軟件

風(fēng)河公司的VxWorks是著名的嵌入式操作系統(tǒng)，是業(yè)界第一個(gè)支持容器化部署，并且可以通過(guò)最高汽車安全等級(jí)ASIL-D的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。Helix虛擬化平臺(tái)可以使不同安全等級(jí)的應(yīng)用部署其上，而且它屬于Type-1體系。優(yōu)勢(shì)是采用了這套虛擬化技術(shù)之后，對(duì)系統(tǒng)的干擾損耗可以降到最低。風(fēng)河的商用嵌入式Linux也很強(qiáng)，總營(yíng)收市場(chǎng)占有率在業(yè)界最高^[1]，而且在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有不少的OEM已經(jīng)采用。

上述的VxWorks?、Wind River Helix虛擬化和Wind River Linux都是Wind River Studio的組成部分。

此外，安波福與風(fēng)河也提供各種中間件、SDK給OEM廠家。

·云端

Wind River Studio是一套面向嵌入式軟件的DevOps系統(tǒng)，功能眾多，例如系統(tǒng)仿真和虛擬實(shí)驗(yàn)室。系統(tǒng)仿真工具可以使軟件開(kāi)發(fā)工程師在硬件設(shè)備還沒(méi)開(kāi)發(fā)出來(lái)之前就可以進(jìn)行軟件的同步開(kāi)發(fā)和測(cè)試，從而大大降低開(kāi)發(fā)時(shí)間。虛擬實(shí)驗(yàn)室可把各種虛擬的、物理的設(shè)備管理起來(lái)，并把它們納入到整個(gè)流水性管理系統(tǒng)里，真正實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化。

在運(yùn)營(yíng)階段，數(shù)字反饋回路工具可以實(shí)時(shí)收集車輛的數(shù)據(jù)，并對(duì)它們進(jìn)行相應(yīng)的建模，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字孿生。當(dāng)發(fā)現(xiàn)車輛有任何問(wèn)題時(shí)，開(kāi)發(fā)工程師可以在線更新軟件，通過(guò)OTA（空中下載技術(shù)）及Conductor工具對(duì)單輛汽車，甚至整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的所有車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。

3.2 Studio在實(shí)際中是如何解決痛點(diǎn)的

   當(dāng)前的汽車軟件是一個(gè)軟硬件緊密耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，不同安全等級(jí)的應(yīng)用由不同的硬件進(jìn)行管理或運(yùn)作。但這套系統(tǒng)并不是一套高效的系統(tǒng)，所以風(fēng)河公司提出用Hypervisor虛擬化技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。但是不同安全等級(jí)的應(yīng)用都需要支撐，這是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

Wind River Helix虛擬化平臺(tái)可以支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，例如需要在自動(dòng)駕駛域控制器上運(yùn)行的VxWorks RTOS（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)），還可以支持運(yùn)行在用戶體驗(yàn)域控制器上跑的通用性能操作系統(tǒng)——Linux操作系統(tǒng)。有了這種Hypervisor支持，就可以整合不同的硬件，用一個(gè)高性能計(jì)算平臺(tái)來(lái)整合所有相關(guān)的業(yè)務(wù)。 

3.3 車內(nèi)側(cè)：ADAS等軟件開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀如何？

典型的ADAS（高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)）系統(tǒng)軟件是非常復(fù)雜的單體軟件（如圖2），包括ACC（自適應(yīng)巡航模塊）、SLA（限速輔助）等功能模塊，耦合度高，相應(yīng)的庫(kù)與庫(kù)之間存在依賴關(guān)系。假如對(duì)某一個(gè)功能進(jìn)行相應(yīng)的升級(jí)，例如要對(duì)其中的ACC更新，但是會(huì)牽涉到2個(gè)庫(kù)的更新——Lib #1、Lib #4，而Lib #1、Lib #4又跟其他所有模塊相關(guān)聯(lián)。因此他們之間的依賴性非常高，可能所有系統(tǒng)中的模塊都要進(jìn)行同步升級(jí)。

圖2 典型的ADAS架構(gòu)

為此，開(kāi)發(fā)者需要做出一個(gè)艱難的抉擇。一個(gè)選擇是每個(gè)模塊都進(jìn)行升級(jí)，或者推倒重來(lái)。這都將帶來(lái)巨大的工程量以及成本。這個(gè)挑戰(zhàn)可以通過(guò)容器（Container）來(lái)解決。采用容器之后，每一個(gè)功能模塊都獨(dú)立封裝而且可以獨(dú)立更新，相互之間依賴度大大下降。

這樣一套系統(tǒng)/功能模塊，尤其是安全要求較高的功能模塊，需要有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)支持，風(fēng)河提供了這種產(chǎn)品。VxWorks既可以提供ASIL-D安全等級(jí)要求的能力，同時(shí)也具備容器化（如圖3）。有了容器化結(jié)構(gòu)之后，升級(jí)很簡(jiǎn)單：ACC升級(jí)只要同步升級(jí)相關(guān)的工具包或副本文件就可以了，其他所有的功能模塊不受影響。

圖3 容器化結(jié)構(gòu)

另一種應(yīng)用是微服務(wù)。例如功能模塊（例如ACC）還可以被拆分成多個(gè)微服務(wù)（如圖4），這就為汽車電子引入了微服務(wù)架構(gòu)（如圖5）。每個(gè)微服務(wù)之間可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的API進(jìn)行通訊。這帶來(lái)很大的成本優(yōu)勢(shì)。因?yàn)镺TA的升級(jí)成本相對(duì)較高，成本主要發(fā)生在數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)。如果用這種方式可使一個(gè)大的功能模塊分成一個(gè)個(gè)小功能模塊，客戶要升級(jí)軟件的時(shí)候，只要對(duì)其中某一個(gè)功能模塊進(jìn)行升級(jí)，就可以大大降低軟件的升級(jí)成本。 

圖4 ACC被拆分為多個(gè)模塊

圖5 微服務(wù)架構(gòu)

3.4 云端：車載軟件與云端軟件如何協(xié)同工作？

車載系統(tǒng)是獨(dú)立成體系的，怎樣和云端的Studio進(jìn)行互聯(lián)？這就要用到一些特殊的技術(shù)。Wind River Studio不僅覆蓋整個(gè)軟件開(kāi)發(fā)生命周期，同時(shí)可以把邊緣側(cè)的系統(tǒng)、即智能邊緣與云之間進(jìn)行連接。 

因?yàn)椴捎昧颂摂M化以及容器化技術(shù)，使客戶很容易對(duì)車內(nèi)的相應(yīng)子系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容。例如在一輛車?yán)锟赡苡懈鞣N子系統(tǒng)，如果要擴(kuò)展子系統(tǒng)，過(guò)去通常只能手動(dòng)等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在可以用Kubernetes（簡(jiǎn)稱K8s）實(shí)現(xiàn)。

K8s是業(yè)界成熟和強(qiáng)大的容器管理編排工具，還可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的所有車輛進(jìn)行管理和編排。例如可以通過(guò)一些無(wú)線移動(dòng)技術(shù)（例如5G）使車輛與邊緣的其他智能設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)，例如車-車、車-信號(hào)燈、車-停車咪表，……這就帶來(lái)了V2X（汽車與任何設(shè)備系統(tǒng)的通信）應(yīng)用。 

通過(guò)數(shù)據(jù)反饋回路，可以實(shí)時(shí)將汽車端數(shù)據(jù)反饋到云端，而Wind River Studio可以利用這些數(shù)據(jù)產(chǎn)生數(shù)字孿生系統(tǒng)，進(jìn)行虛擬仿真/模擬仿真。

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)車輛問(wèn)題，然后通過(guò)OTA及時(shí)修補(bǔ)，同步對(duì)車輛更新。 

而上述所有的操作都可以通過(guò)單一的界面來(lái)實(shí)現(xiàn)。Wind River Studio最大特點(diǎn)是可以支撐大規(guī)模團(tuán)隊(duì)協(xié)作，包括開(kāi)發(fā)人員、測(cè)試人員甚至于合作伙伴，都可以通過(guò)統(tǒng)一的界面來(lái)進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的管理和控制。 

3.5 Wind River Studio能帶來(lái)多少效益？

通過(guò)對(duì)一個(gè)大規(guī)模OEM軟件工程的測(cè)算，總節(jié)省可達(dá)約25%的成本。

?開(kāi)發(fā)階段，以容器化來(lái)隔離軟件部件，提升軟件重用，從而降低開(kāi)發(fā)和測(cè)試成本。這可帶來(lái)20%左右的成本節(jié)約。

?部署階段，在OTA更新時(shí)以模塊化來(lái)縮小文件，減少數(shù)據(jù)傳輸/存儲(chǔ)成本，這方面有約35%的成本節(jié)省。

?運(yùn)營(yíng)階段，由于數(shù)字環(huán)路、數(shù)字孿生提供了車輛數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可視化，支持軟件缺陷的預(yù)先補(bǔ)救，降低了后續(xù)的保養(yǎng)、保修成本，這方面有約25%的成本節(jié)省。

由于Wind River Studio系統(tǒng)的特點(diǎn)是平臺(tái)化的，所以可以應(yīng)用于各行各業(yè)。例如在電信行業(yè)、航空航天領(lǐng)域。毫無(wú)疑問(wèn)，Wind River Studio在安全認(rèn)證方面是走在前面的，也適合高安全性的汽車行業(yè)。實(shí)際上，風(fēng)河也被一家領(lǐng)先的中國(guó)OEM采用了，用于下一代L2+ ADAS的開(kāi)發(fā)。此外，國(guó)內(nèi)還有超過(guò)6家OEM使用或正在計(jì)劃使用風(fēng)河的產(chǎn)品。

4 安波福+風(fēng)河，賦能汽車業(yè)“蘋(píng)果式”革命

安波福全球首席技術(shù)官（CTO）楊小熊（Benjamin Lyon）指出，人們已經(jīng)有了智能手機(jī)、平板電腦，他們希望在購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品后，這個(gè)產(chǎn)品能在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)能保持新鮮和不斷更新。這在汽車行業(yè)也是十分必要的，不同之處在于安全。

風(fēng)河為安波福帶來(lái)的關(guān)鍵技術(shù)是一個(gè)經(jīng)過(guò)安全認(rèn)證的云原生軟件平臺(tái)。當(dāng)把這兩件事組合在一起時(shí)，人們?cè)谄嚠a(chǎn)品上也會(huì)體驗(yàn)到消費(fèi)品那樣的新鮮感和持續(xù)更新。

風(fēng)河軟件可以把汽車變成移動(dòng)的出行平臺(tái)。安波福與風(fēng)河組合在一起，就像蘋(píng)果公司做的那樣，可帶來(lái)業(yè)界一場(chǎng)革命性，使汽車成為有前途、充滿創(chuàng)新性的產(chǎn)品。

參考文章：

[1] 風(fēng)河穩(wěn)居邊緣計(jì)算操作系統(tǒng)市場(chǎng)第一.電子產(chǎn)品世界,[2022-9-15]. http://butianyuan.cn/article/202209/438234.htm