基于SOA 面向服務架構的正向開發方法在汽車中的應用研究

魯 濤

（重慶交通大學，重慶 400060）

0 引言

隨著近些年汽車電子元器件、車載網絡、車載通信技術和無人駕駛技術等基礎技術的提高，汽車在E/E 架構設計上趨向于集中化、智能化和網聯化等幾大特點。從新四化到軟件定義汽車，傳統汽車行業正在變革，汽車廠的核心競爭力也隨之發生變化，OEM的核心競爭力將從車輛的硬件集成轉變為向用戶提供全生命周期的軟件持續服務。近年來，各大汽車制造廠紛紛開始重視并加大投入整車電子電氣架構開發。常見的電子電氣架構方式分為傳統面向信號的開發方式和面向服務的開發方式。在傳統的電子電氣架構開發模式下，不同功能是需要定制軟件開發來實現的，各個功能軟件與硬件之間是高度耦合、各功能之間也是彼此獨立的。這樣的電子電氣架構開始模式面臨的主要問題是：（1）各個功能軟硬件之間的高度耦合使得硬件資源不能充分共用，在一定程度上導致硬件資源的浪費；（2）開發周期長，若要新增加一個功能必然會涉及信號的變化，從而可能會牽涉到多個ECUs 的軟件變更，帶來大量的開發與測試工作量。

當前大部分OEM 整車廠仍采用面向信號的傳統電子電氣架構開發方法。若采用面向服務的SOA 架構開發模式，采用整車不同架構分層思想，將功能抽象為不同的服務。不同功能的實現，可以通過服務之間組合來實現，利用SOA 松耦合的特性，各服務組件通過標準化接口封裝，OEM 將整車底層硬件能力以服務形式提供給應用層調用，通過既定協議進行訪問。一旦E/E 架構平臺基礎的軟件開發后可根據不同業務需要被服務調用，從而來適配不同功能和業務場景。平臺基礎軟件都是松散耦合和服務化的，能夠快速響應市場用戶的靈活需求，推出新車型，縮短開發周期和降低驗證成本。此外，汽車采用面向服務的SOA 架構與互聯網SOA 及微服務高度契合，融合多方開發者共同參與，為后續車云一體化的生態系統運用提供無限可能。

因此，采用面向服務的SOA 架構開發是為未來OEM 電子電氣架構開發的技術趨勢，是OEM 整車廠需要掌握的核心技術。本研究討論了SOA 正向架構開發方法，第一部分提出了SOA 架構正向開發流程和軟件架構分層思想，第二部分針對SOA 架構開發流程中的關鍵步驟進行展開并進行SOA 服務的定義以及從服務到ECU 控制器部署。

1 SOA 架構概念設計

1.1 面向服務架構SOA 正向開發流程

SOA（Service-Oriented Architecture）面向服務的架構，其不是一種具體的技術，而是一種E/E 架構策略層面的指導思想。面向服務的架構SOA 是一個組件模型，它將應用程序的不同功能單元（稱為服務）進行拆分，并通過這些服務之間定義可訪問的標準化接口和契約聯系起來。SOA 將車端不同功能及硬件能力劃分為服務，各服務組件的接口進行標準化封裝，可通過既定協議相互訪問、擴展組合。SOA 的核心要素包括：松散耦合、可復用、可發現、可組合、無狀態等。SOA 最大的特點是使得應用層功能能夠在不同車型上得到復用，能夠基于標準化的服務接口快速迭代新的功能需求，從而縮短開發與驗證周期。此外，SOA 能夠充分將車輛的原生能力封裝為標準化的服務接口供應用層調用，從而實現資源的充分共享，節省必要的硬件資源。

SOA 正向設計方法是以OEM 定義的平臺功能列表為切入點，首先對每一個功能進行多個用戶實例（Use case）分析，提取出該功能的設計需求。然后針對Use case 提取出的設計需求展開詳細功能實現方案設計。提取出功能對各個子系統的設計需求，明確各個系統的邊界與職責。再針對各個子系統進行邏輯需求設計、SWC 服務接口設計。最后根據硬件網絡拓撲，將各個SWC 服務部署到ECU 控制器，形成ECUs軟件需求規范，進而指導Tire1 供應商或者OEM 內部軟件開發團隊進行軟件開發。架構開發流程如圖1 所示。整個開發流程分為五大步驟，從頂層的功能規劃，到用戶的需求分析、功能實現方案設計、系統設計，再最終落地到供應商零部件開發的正向開發流程。分別對應圖1 中的Function 功能、Function Requirement Analysis 功能需求分析、Function Realization 功能實現、System Design 系統設計、ECU。通過從用戶的需求分析，每一層逐步細化，到最后約束供應商SOA 軟件服務化設計。

圖1 SOA 架構正向開發流程

1.2 面向服務架構SOA 整車軟件架構設計

SOA 架構的設計，首先需要對整車軟件架構進行分層設計，這是區別于傳統的架構設計方案。然后進行整車軟件架構分層，如圖2 所示。其架構分層的目的：

圖2 整車軟件架構分層

（1）在錯綜復雜中創建秩序，遵循高層級調用低層級，低層級不能調用高層級原則。底層基礎服務層體現整車硬件，能夠幫助OEM 將整車的硬件能力以原始服務形式提供給上層應用層調用，通過可訪問的標準化服務接口實現車輛功能的軟硬件解耦。同時，第三方也能通過SOA 軟件架構以服務的形式進行接入，打通整個生態鏈。這一原則有助于構建清晰簡單的SOA 汽車軟件架構，從而有效地發揮并獲得SOA的優勢。

（2）高層級可根據不同的業務應用進行服務的調用，高層級設計中體現高內聚、低耦合、可復用，滿足SOA 設計開發的整體思想。

（3）各層級內部系統間解耦開發，定義各系統接口并進行服務化，實現服務的靈活部署。

（4）通用平臺層，可提取全局變量作為共用的軟件模塊提供服務，實現基礎功能接口統一。

2 面向服務架構SOA 正向開發方法

基于SOA 架構正向開發流程，從用戶需求出發，以服務為導向，結合汽車電子電氣架構開發工程經驗，可定義汽車SOA 架構正向開發方法。

2.1 E/E 功能定義

屬于SOA 架構頂層需求規劃，OEM 將結合市場用戶目標群體、企業內部新技術規劃、法律法規、企業車型定位等定義平臺級功能。E/E 功能定義是SOA 電子電氣架構詳細設計的需求來源。將針對每一個功能進行分析并展開詳細設計，最后進行服務化定義。從而保證開發對象與目標的一致性。

2.2 功能需求分析

基于場景和用戶實例對功能進行分析[1]，從而提取出終端用戶對各功能的需求，是當前SOA 正向架構開發的一個重要方法，使工程階段的詳細設計過程可以很好的繼承來自市場用戶的需求，功能需求分析方法如圖3 所示。針對每個功能進行用戶應用場景（Use Case）分析，從用戶角度，描述功能行為或者用戶同功能交互方式，是鏈接客戶需求與工程設計之間的紐帶。將通過分析Use Case 來提取功能設計需求，指導下階段功能實現方案的設計。

圖3 use case 場景分析方法

Use Case 用戶場景分析主要包括：描述功能需求、用戶收益、人機交互、用例Use Case（s）。具有的特點包括：

（1）易讀，使用戶和設計工程師都可以理解；

（2）屬于頂層的設計，而非詳細設計，由于用戶需求的經常變更，因此需要能夠應對快速迭代更新文檔；

（3）核心部分是用戶實例模型（Use Case），識別系統中的參與者，捕獲參與者和系統之間的行為；

（4）應獨立于功能是如何實現的，功能開發就不會受制于架構的變更，且可在不同的項目中復用。?

2.3 功能實現設計

承接Use case 場景需求分析結果，對架構平臺所定義的每個功能進行功能實現設計，提取出功能對各個子系統的設計要求，屬于系統層級的實現方案，不涉及具體硬件，便于在不同車型之間的復用。此階段需要將整車E/E 架構抽象為不同的邏輯子系統，子系統是為了實現一個特定功能或者一組功能的邏輯組件集合。功能實現方案設計方法如圖4 所示，主要包括：

圖4 功能實現設計方法

（1）介于功能需求描述和系統詳細設計之間；

（2）定義各功能的系統解決方案，描述不同子系統間是如何協作來實現功能，進行各系統職責細化；

（3）基于功能需求分析的輸入制定功能實現方案，將功能的實現到各個子系統（系統交互），目的是對影響功能實現的各種需求有總體的把握；

（4）定義各個子系統的設計需求，確定子系統的邊界，是系統設計實現的關鍵輸入性文件。

2.4 子系統設計

向上承接功能實現方案設計結果，根據整車平臺各個功能對不同子系統提出的需求，明確每個子系統的設計邊界與職責。根據每個子系統的邊界范圍按照“高內聚、低耦合、復用性”原則，設計該系統內部的軟件組件“SWC”。SWC 設計包含每個軟件組件的接口需求和內部的邏輯需求。SWC 接口設計遵循AUTOSAR 服務通信的設計要求。在設計SWC 時，還需要根據軟件分層原則，將SWC 按照不同層級進行分類，包括Bottom SWC、Base SWC 及Advanced SWC，便于服務的提取。SWC 分層設計方法如圖5 所示。最后并根據SWC 的提取的服務進行服務接口的設計、服務部署和分配。

圖5 SWC 服務分類設計方法

SWC 服務接口：在定義服務接口時若需要依據服務權限進行劃分，包括全局服務接口（任何服務組件均可訪問）、外部服務接口（暴露在系統外部，滿足軟件分層架構的依賴關系下可調用）、內部服務接口（只能在同一系統內部的軟件組件之間使用，不允許外部組件使用此接口）、其他服務接口（如開發服務接口，僅用于開發目的，車輛SOP 之后需要被刪除）。若按照服務類型劃分，包括原子服務、基礎服務和高級組合服務。

原子服務[1]：為最底層最小服務單元，主要是將車載傳感器，執行器等車輛原生能力抽象為原子服務，體現車輛的硬件基礎能力被上層服務調用。

基礎服務[1]：在原子服務之上的服務，將某特定功能抽象為服務，是組合了若干原子服務，可以訪問和調用下層服務或者被更高上層服務所調用。

高級組合服務：為最高層級的服務，可以實現更多業務場景的應用，是組合了若干基礎服務，可以訪問和調用下層基礎服務。

SWC 服務部署：SWC 服務部署會依據網絡拓撲的規劃，將SWC（服務）分配到具體的物理零部件中，細化到具體ECU，進行詳細的服務角色定義，輸出服務部署及分配方案。SWC 服務部署原則如圖6 所示，服務部署需要考慮的原則包括：

圖6 SWC 服務部署方法

（1）高層級軟件部署。具有高層次邏輯軟件是具有核心控制且復雜，這種軟件在域控制器或中央計算機中更加易于管理。無論從服務的角度還是從戰略角度，應更容易縮短開發周期。因此處理管理、協調和高級控制等高級邏輯的服務盡量部署到中央計算平臺[2]。

（2）傳感器/執行器緊耦合的軟件部署。傳感器/執行器的接口盡量靠近設備，以便在進入中央系統前盡快將低級信號轉化為服務。直接在區域控制器[2]中處理會更加容易。

（3）緊密耦合的軟件部署。將緊密耦合的軟件部署到系統的ECU，節省通信與帶寬。例如：有廣泛的信息交換，應盡可能部署到相同的ECU。

（4）安全相關軟件部署。具有安全相關的軟件盡量部署到中央計算平臺的一個安全處理器上。承接有安全相關的需求的SWCs，分區的時候分到功能安全區。

3 結束語

SOA 面向服務架構是軟件定義汽車的關鍵技術，也是未來汽車電子電氣架構開發的核心。本研究給出了SOA 面向服務架構汽車軟件分層模型及SOA 正向架構開發流程。依據該流程，本文提供了由功能/場景驅動設計的SOA 面向服務正向架構開發思路。通過功能定義、功能需求分析、功能實現和子系統設計幾大關鍵步驟，并通過具體功能進行舉例，詳細介紹了SOA 服務架構是如何從頂層客戶需求分析逐步轉化至系統開發，提取出服務并最終部署到控制器中，最終設計出ECU 軟件需求開發，實現ECU 軟件服務化整個流程。由功能設計指導系統開發的方法，從而實現由傳統供應商提供技術規范為主導的逆向開發流程，轉變為由功能場景為主導的SOA 開發設計流程。