軟件定義汽車(chē)、云原生驅動(dòng)汽車(chē)設計業(yè)變革

汽車(chē)正進(jìn)化為“超級移動(dòng)智能終端”，是繼PC和手機之后的下一代增長(cháng)引擎。為此，軟件業(yè)迎來(lái)發(fā)展機遇，軟件定義汽車(chē)也成為大勢所趨。軟件重新定義汽車(chē)，對汽車(chē)電子的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了哪些挑戰？

4月17日，在第二十屆上海國際汽車(chē)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 )，攜手去年并購的軟件公司——風(fēng)河系統公司，向電子產(chǎn)品世界記者介紹了汽車(chē)業(yè)的新動(dòng)向。

圖1 車(chē)輛架構進(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）介紹了當今汽車(chē)的創(chuàng )新方向。

?簡(jiǎn)化電子電氣架構。

?車(chē)輛必須采用現代的、以服務(wù)為導向的軟件架構，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)現快速可靠的技術(shù)創(chuàng )新，行業(yè)需要建立統一的端到端云原生的DevOps平臺，實(shí)現高效的、持續的軟件開(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展性。

可見(jiàn)，未來(lái)汽車(chē)會(huì )更加電氣化和云原生。

關(guān)于云原生，過(guò)去數年已在其他行業(yè)發(fā)生了，例如消費品市場(chǎng)和電信行業(yè)?，F在，汽車(chē)業(yè)也在經(jīng)歷這個(gè)轉變。為了適應這一潮流，安波福去年并購了風(fēng)河系統公司，因為風(fēng)河提供了任務(wù)關(guān)鍵型的操作系統和中間層軟件，以及云原生的DevOps平臺，與安波福擅長(cháng)的車(chē)輛架構和技術(shù)產(chǎn)品形成了完美的匹配。

2 “軟件定義汽車(chē)”所需的硬件架構

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

?簡(jiǎn)化，即減少ECU（電控單元）的數量，并降低ECU之間的相互依賴(lài)性。  

?融合，即融合各類(lèi)應用程序，實(shí)現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(chē)廠(chǎng)）賦能，使OEM能夠完全自己掌控直接影響用戶(hù)體驗的應用軟件。

從架構角度看，SVA的設計理念主要體現在三個(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(lài)底層硬件。

?將輸入/輸出與計算設備分離。這意味著(zhù)將所有的物理和邏輯連接都放到傳感器和設備端，并將它們轉移到區域控制器（zonal controller）中。這也為開(kāi)發(fā)者提供了一條經(jīng)濟可行的路徑，在硬件、電源、數據及計算這三個(gè)層面實(shí)現冗余，有利于確保L3級及以上自動(dòng)駕駛汽車(chē)的功能安全。

?由于實(shí)現了軟件與硬件的分離，以及輸入/輸出與計算設備分離，整個(gè)中央計算平臺就實(shí)現了“服務(wù)器化”。這意味著(zhù)可以開(kāi)發(fā)覆蓋車(chē)輛多個(gè)域的高性能計算機，從而大幅減少車(chē)輛中的控制器數量。在當前的架構下，部分車(chē)輛的控制器已經(jīng)超過(guò)120個(gè)。

為此，必須在車(chē)輛大腦和神經(jīng)系統上做硬件改變。SVA建立在一個(gè)開(kāi)放的平臺上，通過(guò)融合內外部傳感等多種應用，并結合安波福在人工智能和機器學(xué)習方面的經(jīng)驗，為OEM提供了容易調用的接口，從而能夠讓OEM專(zhuān)注于客戶(hù)體驗方面的應用軟件開(kāi)發(fā)。

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

3 云原生軟件如何使汽車(chē)安全、綠色、互連？

軟硬件分離之后，計算、數據處理能力正在或將來(lái)必然要用云的概念來(lái)解決。主機廠(chǎng)現在關(guān)注的是這套系統到底怎么是有效的，同時(shí)在成本能夠操作的情況下，用一個(gè)什么成熟平臺來(lái)做，風(fēng)河可以提供這樣的平臺。

風(fēng)河系統公司資深銷(xiāo)售總監兼中國區負責人馮偉江稱(chēng)，風(fēng)河將其擅長(cháng)的任務(wù)關(guān)鍵型系統的專(zhuān)業(yè)技能和產(chǎn)品引入到汽車(chē)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，覆蓋了軟件的開(kāi)發(fā)、部署、運營(yíng)以及后續維護的整個(gè)生命周期，而且這套復雜系統可以通過(guò)單一的界面實(shí)現全生命周期的管控，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(chē)內側。車(chē)內側為何也有云原生？因為汽車(chē)系統軟件越來(lái)越復雜，現在的代碼量已達到上億行，因此在車(chē)內側，也把運行態(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(chē)內側相應的運行態(tài)軟件。

·車(chē)內側的運行態(tài)軟件

風(fēng)河公司的VxWorks是著(zhù)名的嵌入式操作系統，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(chē)安全等級ASIL-D的實(shí)時(shí)操作系統。Helix虛擬化平臺可以使不同安全等級的應用部署其上，而且它屬于Type-1體系。優(yōu)勢是采用了這套虛擬化技術(shù)之后，對系統的干擾損耗可以降到最低。風(fēng)河的商用嵌入式Linux也很強，總營(yíng)收市場(chǎng)占有率在業(yè)界最高^[1]，而且在國內已經(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(chǎng)家。

·云端

Wind River Studio是一套面向嵌入式軟件的DevOps系統，功能眾多，例如系統仿真和虛擬實(shí)驗室。系統仿真工具可以使軟件開(kāi)發(fā)工程師在硬件設備還沒(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)和測試，從而大大降低開(kāi)發(fā)時(shí)間。虛擬實(shí)驗室可把各種虛擬的、物理的設備管理起來(lái)，并把它們納入到整個(gè)流水性管理系統里，真正實(shí)現整個(gè)系統的自動(dòng)化。

在運營(yíng)階段，數字反饋回路工具可以實(shí)時(shí)收集車(chē)輛的數據，并對它們進(jìn)行相應的建模，產(chǎn)生相應的數字孿生。當發(fā)現車(chē)輛有任何問(wèn)題時(shí)，開(kāi)發(fā)工程師可以在線(xiàn)更新軟件，通過(guò)OTA（空中下載技術(shù)）及Conductor工具對單輛汽車(chē)，甚至整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中的所有車(chē)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

   當前的汽車(chē)軟件是一個(gè)軟硬件緊密耦合的復雜系統，不同安全等級的應用由不同的硬件進(jìn)行管理或運作。但這套系統并不是一套高效的系統，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。但是不同安全等級的應用都需要支撐，這是一個(gè)很大的挑戰。

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

3.3 車(chē)內側：ADAS等軟件開(kāi)發(fā)的現狀如何？

典型的ADAS（高級駕駛員輔助系統）系統軟件是非常復雜的單體軟件（如圖2），包括ACC（自適應巡航模塊）、SLA（限速輔助）等功能模塊，耦合度高，相應的庫與庫之間存在依賴(lài)關(guān)系。假如對某一個(gè)功能進(jìn)行相應的升級，例如要對其中的ACC更新，但是會(huì )牽涉到2個(gè)庫的更新——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(lài)性非常高，可能所有系統中的模塊都要進(jìn)行同步升級。

圖2 典型的ADAS架構

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，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)功能模塊都獨立封裝而且可以獨立更新，相互之間依賴(lài)度大大下降。

這樣一套系統/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安全等級要求的能力，同時(shí)也具備容器化（如圖3）。有了容器化結構之后，升級很簡(jiǎn)單：ACC升級只要同步升級相關(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 容器化結構

另一種應用是微服務(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(chē)電子引入了微服務(wù)架構（如圖5）。每個(gè)微服務(wù)之間可以通過(guò)標準的API進(jìn)行通訊。這帶來(lái)很大的成本優(yōu)勢。因為OTA的升級成本相對較高，成本主要發(fā)生在數據傳輸和存儲。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(hù)要升級軟件的時(shí)候，只要對其中某一個(gè)功能模塊進(jìn)行升級，就可以大大降低軟件的升級成本。 

圖4 ACC被拆分為多個(gè)模塊

圖5 微服務(wù)架構

3.4 云端：車(chē)載軟件與云端軟件如何協(xié)同工作？

車(chē)載系統是獨立成體系的，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)可以把邊緣側的系統、即智能邊緣與云之間進(jìn)行連接。 

因為采用了虛擬化以及容器化技術(shù)，使客戶(hù)很容易對車(chē)內的相應子系統進(jìn)行擴容。例如在一輛車(chē)里可能有各種子系統，如果要擴展子系統，過(guò)去通常只能手動(dòng)等方式來(lái)實(shí)現，現在可以用Kubernetes（簡(jiǎn)稱(chēng)K8s）實(shí)現。

K8s是業(yè)界成熟和強大的容器管理編排工具，還可以對網(wǎng)絡(luò )中的所有車(chē)輛進(jìn)行管理和編排。例如可以通過(guò)一些無(wú)線(xiàn)移動(dòng)技術(shù)（例如5G）使車(chē)輛與邊緣的其他智能設備進(jìn)行互聯(lián)，例如車(chē)-車(chē)、車(chē)-信號燈、車(chē)-停車(chē)咪表，……這就帶來(lái)了V2X（汽車(chē)與任何設備系統的通信）應用。 

通過(guò)數據反饋回路，可以實(shí)時(shí)將汽車(chē)端數據反饋到云端，而Wind River Studio可以利用這些數據產(chǎn)生數字孿生系統，進(jìn)行虛擬仿真/模擬仿真。

通過(guò)對數據進(jìn)行分析，可以及時(shí)發(fā)現車(chē)輛問(wèn)題，然后通過(guò)OTA及時(shí)修補，同步對車(chē)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。Wind River Studio最大特點(diǎn)是可以支撐大規模團隊協(xié)作，包括開(kāi)發(fā)人員、測試人員甚至于合作伙伴，都可以通過(guò)統一的界面來(lái)進(jìn)行整個(gè)系統的管理和控制。 

3.5 Wind River Studio能帶來(lái)多少效益？

通過(guò)對一個(gè)大規模OEM軟件工程的測算，總節省可達約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)和測試成本。這可帶來(lái)20%左右的成本節約。

?部署階段，在OTA更新時(shí)以模塊化來(lái)縮小文件，減少數據傳輸/存儲成本，這方面有約35%的成本節省。

?運營(yíng)階段，由于數字環(huán)路、數字孿生提供了車(chē)輛數據的實(shí)時(shí)可視化，支持軟件缺陷的預先補救，降低了后續的保養、保修成本，這方面有約25%的成本節省。

由于Wind River Studio系統的特點(diǎn)是平臺化的，所以可以應用于各行各業(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在安全認證方面是走在前面的，也適合高安全性的汽車(chē)行業(yè)。實(shí)際上，風(fēng)河也被一家領(lǐng)先的中國OEM采用了，用于下一代L2+ ADAS的開(kāi)發(fā)。此外，國內還有超過(guò)6家OEM使用或正在計劃使用風(fēng)河的產(chǎn)品。

4 安波福+風(fēng)河，賦能汽車(chē)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、平板電腦，他們希望在購買(mǎi)產(chǎn)品后，這個(gè)產(chǎn)品能在很長(cháng)一段時(shí)間內能保持新鮮和不斷更新。這在汽車(chē)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)安全認證的云原生軟件平臺。當把這兩件事組合在一起時(shí)，人們在汽車(chē)產(chǎn)品上也會(huì )體驗到消費品那樣的新鮮感和持續更新。

風(fēng)河軟件可以把汽車(chē)變成移動(dòng)的出行平臺。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(chē)成為有前途、充滿(mǎn)創(chuàng )新性的產(chǎn)品。

參考文章：

[1] 風(fēng)河穩居邊緣計算操作系統市場(chǎng)第一.電子產(chǎn)品世界,[2022-9-15]. http://dyxdggzs.com/article/202209/438234.htm