基于SOA理念的新型軟件定義汽車電子電氣架構

孫豐濤 劉偉川 任建平

【歡迎引用】 孫豐濤， 劉偉川， 任建平， 等. 基于SOA理念的新型軟件定義汽車電子電氣架構[J]. 汽車文摘， 2024（XX）： 1-11.

【Cite this paper】 SUN F T， LIU W C， REN J P， et al. Software-defined Automotive E/E Architecture Based on Service-Oriented Architecture Concept[J]. Automotive Digest （Chinese）， 2024（XX）：1-11.

【摘要】為了適應軟件定義汽車發展新趨勢，促進汽車電子電氣架構變革升級，闡述了軟件定義汽車的驅動因關鍵特征，深入研究了未來汽車新型電子電氣硬件架構，探討了面向服務軟件架構（Service-Oriented Architecture，SOA）設計理念、分層模型和部署平臺。在此基礎上，搭建了軟件定義汽車整體技術框架，并對未來軟件定義汽車開發新流程及應用場景進行了探討，以期為未來汽車全新電子電氣架構設計提供技術參考。

關鍵詞：軟件定義汽車；電子電氣架構；分層模型；新型架構

中圖分類號：U463.6 ? 文獻標志碼：A ?DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20230207

Software-defined Automotive E/E Architecture Based on Service-Oriented Architecture Concept

Sun Fengtao， Liu Weichuan， Ren Jianping

（Zhuhai Guangtong Automobile Co.，Ltd， Zhuhai 519090）

【Abstract】 To adapt to new trend of software-defined vehicle development and promote transformation and upgrading of automotive electronic and electrical architecture， the this paper delineates the pivotal factors driving software-defined vehicle development and investigates the impending evolution of vehicle electronic and electrical hardware architecture. The paper examines the conceptual framework， hierarchical structure， and deployment strategies of Service-Oriented Architecture （SOA）. Building upon these insights， a holistic technical framework for software-defined vehicle is developed， and the study delves into novel development methodologies and potential application domains. This research offers a technical blueprint for the design of future automotive electronic and electrical architectures.

Key words： Software-defined vehicle， E/E architecture， Hierarchical model， New architecture

0 引言

軟件定義汽車已經成為汽車行業發展趨勢和競爭焦點。汽車行業的演變經歷了從機械定義汽車到電子定義汽車，如今正邁向軟件定義汽車[1]。軟件定義汽車是指軟件深度參與到汽車的定義、架構、開發、驗證、銷售、服務等全生命周期過程中，不斷推動各階段的改進和優化，旨在持續提升駕乘體驗，實現汽車價值持續增值。

在此背景下，汽車產業正面臨全面重構，以硬件為主導的傳統汽車正向著以軟件為主導的智能移動終端轉型。軟件定義汽車技術是推動傳統汽車升級為智能汽車的核心，作為一種全新的整車設計、研發、銷售和服務模式，其將相應地引起整車軟硬件技術架構的升級和變革。

20世紀80年代，汽車工業企業及科研機構開始對智能汽車的軟件系統框架開展早期探索[2]。歐洲、美國和日本等國家發展軟件定義汽車技術較早，形成了先發優勢。近年來，隨著我國汽車產業轉型升級，國家高度重視并大力推進軟件定義汽車的發展。在各國政策與資本的加持下，互聯網科技公司、信息通信技術（Information Communications Technology，ICT）科技公司等科技型公司也紛紛開展軟件定義汽車智能座艙、車聯網、導航等關鍵技術研發[3-6]。

目前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[7]，軟件定義汽車與基于服務的軟件設計理念成為系統軟件設計的基石[8]。傳統汽車電子電氣架構已不能夠支撐當前的技術挑戰及市場需求[9]，未來的汽車電子電氣架構必須能夠支撐汽車“新四化”的發展[10]。

當前行業內各主機廠對面向服務的架構（Service-Oriented Architecture，SOA）架構的開發尚處于初步階段，并無統一或絕對正確的標準[11]。本文提出了一種基于SOA理念的新型軟件定義汽車電子電氣架構，可以為未來汽車全新電子電氣架構設計提供技術參考。

1 新型軟件定義汽車概述

1.1 軟件定義汽車的驅動因素

（1）汽車“新四化”發展需求

汽車將向著電動化、智能化、網聯化和共享化的方向快速發展。新能源動力系統、自動駕駛系統、車聯網、汽車共享和移動出行，均極大地依賴軟件技術的支持與推動。目前，智能座艙、智能駕駛和智能車控已應用于多種車型，軟件在其中發揮了至關重要的作用，未來軟件在汽車中的比重和價值將會持續提高。

（2）汽車價值鏈轉移

在傳統汽車領域，硬件系統的同質化問題限制了差異化的發展。然而，隨著車載應用軟件增多，軟件體系的差異化逐漸成為汽車價值差異化的關鍵因素，未來軟件和服務能力將成為各大車企的核心競爭力。通過空中下載（Over the Air，OTA）技術，車輛可以持續進行功能優化升級，維護和提升品牌價值，促進汽車產業鏈升級優化。

（3）消費者需求

近年來，汽車消費者的關注焦點逐漸轉向體驗化、個性化和數字化。汽車不再是單一出行工具，而發展成為個性化體驗型產品，軟件在這一轉變過程中發揮重要作用。傳統汽車軟件和硬件的高度耦合，限制了車輛功能的持續迭代更新。通過將汽車軟件更新與車型發布分離，軟件更新與整車系統相對獨立，可以對已量產的車輛進行迭代優化，覆蓋汽車的整個生命周期，進而滿足消費者不斷變化的長尾需求。同時，消費者可通過訂閱服務實現汽車的個性化配置，進一步提升整體消費體驗。

1.2 軟件定義汽車架構特征

（1）軟硬件解耦

軟硬件解耦是軟件定義汽車架構最核心的特征。傳統汽車軟硬件高度耦合，而軟件定義汽車則是基于SOA實現車輛的軟硬件解耦，從而實現軟件可以跨車型、跨平臺重復使用，可支持汽車應用快速開發和持續發布。

（2）系統開放和生態融合

系統開放和生態融合是軟件定義汽車架構的顯著特征。軟件定義汽車架構促使汽車向互通的網聯模式轉型，滿足人-車-路-網-云產業融合、協同發展要求。通過開放系統，汽車能夠與智能交通、智能城市和信息娛樂等更多領域深度融合，催生全新的汽車開發創新生態。

2 汽車軟硬件技術架構分析

2.1 硬件技術架構

2.1.1 傳統分布式電子電氣架構

傳統汽車的電子電氣架構是一種面向信號的架構，采用分布式網絡拓撲結構，如圖1所示。

在汽車電子電氣架構中，系統功能通常被劃分為多個獨立模塊，如動力總成、底盤、車身和信息娛樂。各模塊控制器的設計與開發均基于其特定的功能需求，控制器之間通過控制器局域網CAN和局域互聯網絡（Local Interconnect Network，LIN）總線傳遞信息，以實現信息的交流和傳遞，協調各控制器的運作，確保汽車各項功能正常執行。

傳統汽車架構軟硬件高度嵌套，當需要在現有架構中增加一項新功能時，需改變與其相關的ECU軟件，這增加了車輛功能和系統升級的復雜度。對于汽車制造商而言，集成驗證新增功能也是一項挑戰。特別是在實現較復雜功能時，需要同時開發多個控制器才能完成驗證。因此，在傳統架構下，很難通過軟件定義汽車新功能，硬件之間難以形成較強協同性，汽車軟件的可復用性差，OTA升級能力較弱，難以滿足未來智能汽車的發展要求。

2.1.2 跨域集中式電子電氣架構

目前，汽車制造商已經開始研發和應用新型電子電氣架構。跨域集中式電子電氣架構已經成為一種典型的發展趨勢。如圖2所示，在該架構中，整車功能被劃分為若干個功能域，例如車輛控制域、智能駕駛域以及智能座艙域。每個功能域都配備了相應的域控制器，部分域控制器可負責2個或2個以上的功能域集中控制，進一步提高了集成化程度以及傳統架構性能。

2.1.3 新型中央集中式電子電氣架構

為了滿足汽車產業“新四化”發展的更高標準，新一代電子電氣架構必須滿足高性能計算需求，實現車載算力高度集中，具備多源算力分配、多核處理多任務的能力。其可以提供開放式軟件平臺，實現真正意義上的架構軟硬件解耦，為“軟件定義汽車”奠定基礎。

新型中央集中式電子電氣架構摒棄了按照功能部署的傳統方式，如圖3所示，中央計算平臺作為最高決策機構，可以調用各層資源，直接面向應用和服務。然而，若所有傳感器和執行器都接入中央計算平臺，平臺需要支持的接口過多，同時汽車線束也會相應增多。為了簡化通信并減少線束，可以按照就近接入和供電原則，圍繞中央計算平臺依據物理位置劃分區域。根據汽車的地理位置劃分區控制器，充當網關的作用，負責分配數據和電力。對于一些時延敏感的功能，區控制器可以就近集成部分控制功能，以優化響應速度和系統效率。

2.2 軟件技術架構

2.2.1 SOA設計理念

SOA架構開發是整車企業未來必須掌握的關鍵核心技術。SOA設計理念是將車端的不同功能以及相應硬件的能力劃分為服務，對不同服務組件的接口進行標準化封裝。通過既定的協議，服務可以相互訪問和擴展組合。整車制造商可以將智能汽車原生能力封裝為標準化的服務接口，并以服務的形式供應用層調用，實現資源的充分共享。應用層可以在不同的車型上實現復用，同時基于標準化服務接口，可以實現新功能的快速迭代和更新。因此，借助SOA架構設計，并結合未來新型集中式電子電氣架構，為實現軟件定義汽車奠定堅實基礎。

2.2.2 汽車SOA軟件分層模型

如圖4所示，在面向服務的架構中，需要對服務進行分層設計，至少包括原子服務、組合服務和應用服務。

（1）原子服務：原子服務是SOA中的最小服務單元和單一執行實體（如傳感器、執行器），是對底層邏輯的封裝，是架構中可通用、可復用的功能單元，不具有再拆分的價值[12]。原子服務為應用提供單一功能服務接口，一次開發可多次重用，構成了SOA架構中的底層基礎結構。例如，將車內空氣質量傳感器、空調執行器的基本接口封裝為原子服務，并將車內空氣質量參數、空調和空氣凈化系統狀態等封裝為原子服務，為上層服務架構提供支持。

（2）組合服務：組合服務由多個原子服務組合而成，組合服務可以訪問和調用原子服務，實現更大范圍的業務。通過組合服務，可實現某種策略或控制邏輯，例如根據原子服務層車內空氣質量參數評估車內空氣質量。

（3）應用服務：應用服務基于原子服務和組合服務，旨在為智能汽車提供多場景下的整車服務、應用功能，并優化用戶體驗。原子服務和組合服務的設計側重于架構的靈活性和可復用性，而應用服務則專注于實現具體功能和優化用戶體驗。例如，在實現車內空氣質量檢測和自動凈化功能的應用服務時，系統會在檢測到車內空氣質量下降時自動觸發響應機制，如開啟空調外循環和啟動空氣凈化系統，從而確保車內持續保持較高的空氣質量。

2.2.3 SOA服務接口

SOA服務的能力和特征由其服務接口定義[13]。服務接口是一種通信內容定義，通過定義SOA服務接口，可以將服務從功能架構過渡到軟件技術架構，其決定服務之間的動態數據交互以及業務邏輯的行為和能力。接口定義獨立于通信協議，其建立了2個服務間的通信機制。SOA服務具有定義明確的可調用接口，通過配置服務映射關系，按照定義調用相關服務，可以形成業務流程。因此，服務接口定義構成SOA架構設計的關鍵部分。

2.2.4 SOA汽車軟件部署平臺

隨著新型集中式電子電氣架構的發展和應用，新架構將成為部署SOA設計的最佳選擇，其主要原因有：（1）新架構平臺可以搭載汽車開放系統架構（Automotive Open System Architecture，AUTOSAR）中間件。應用軟件可以直接調用公共標準接口，消除了應用軟件針對不同操作系統接口的適配或變更需求，實現真正意義上的SOA“軟硬分離”特性。（2）新架構域控制器平臺間可以通過以太網進行數據傳輸，其高帶寬特性可助力實現SOA的跨域協作。（3）新架構平臺具備多線程、高算力以及可在多核處理器上并發運行的優點，能夠處理大量邊緣觸發型數據。

因此，基于域控制器的集中式電子電氣架構和車載以太網的車載網絡，可以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，實現高算力支持，促進軟件應用持續升級[14]。

3 新型軟件定義汽車的開發與應用

3.1 軟件定義汽車整體技術框架

新型軟件定義汽車整體技術框架呈現為“四橫三縱”布局，如圖5所示。

新型整體技術框架橫跨功能架構、軟件架構、物理架構和集中式電子電氣架構，縱貫數據架構、網絡架構和安全架構。子架構之間互相依賴、協同運作，共同構成新型軟件定義汽車宏觀電子電氣架構。

功能架構包括動力系統、底盤系統、智能駕駛、智能座艙和車身各功能區域的應用接口以及應用功能，是用戶功能的關鍵實現載體。功能架構著重于滿足用戶需求，提供具體細化的解決方案，實現相應功能，主要包括用戶功能方案設計、子系統劃分、邏輯組件劃分和接口關系定義。

軟件架構借助軟件模塊實現上層功能需求，即通過軟件實現上層功能架構中已明確的用戶需求解決方案，主要包括代碼服務定義、操作系統定義、OS適配、中間件協議棧、硬件驅動和虛擬機。

物理架構借助傳感器、執行器和ECU等電子電氣物理載體實現子架構的約束需求，使功能邏輯實例可執行，即通過電子電氣硬件連接，實現數據傳輸、信息交互，將用戶場景需求實體化。

在新型集中式電子電氣架構下，物理架構的核心就在于區域控制器，通過區域整合，原本分散的汽車硬件就可以實現信息交互和資源共享，軟件可升級，硬件可進行功能擴展。

數據架構的核心在于挖掘車輛數據，釋放和充分發揮數據價值，主要包括數據采集、數據處理和數據應用等。

網絡架構借助CAN、LIN、FlexRay、5G和以太網等信息傳輸技術實現各電子單元之間的交互，進而實現功能需求，網絡架構貫穿于功能架構、軟件架構和物理架構中。

安全架構借助整車級、系統級安全技術確保整體架構的安全性，主要包括功能安全架構和網絡安全架構，安全架構同樣貫穿功能架構、軟件架構和物理架構中，保障整體安全性。

上述子架構共同構成了新型軟件定義汽車整體技術框架。在“四橫”布局中，集中式電子電氣架構為基礎技術平臺，為其他架構提供基礎。軟件架構在橫向布局中則發揮了關鍵的承接作用，向下為物理架構建立統一的底層軟件平臺，向上為功能架構建立應用軟件平臺，提供可復用的應用軟件支撐。在“三縱”布局中，數據架構縱貫功能架構、軟件架構和物理架構，實現車輛數據價值挖掘和釋放。網絡架構同樣貫穿功能架構、軟件架構和物理架構，實現跨層間的信息交互。安全架構則為其他架構提供安全保障。

3.2 新型軟件定義汽車開發

3.2.1 開發流程與模式

相比傳統汽車，軟件定義汽車的開發流程具有以下3個方面的明顯不同。首先，軟件開發在整車開發中的比重將顯著增加，采用軟硬件并行開發的方式，實現了相互解耦、高效協同。在開發的各個階段，軟件都可以即時發布，不必依賴硬件。其次，硬件開發在車企平臺基礎上，進一步實現架構化，以便在共用零部件的同時，實現開發設計過程中的通用方法。最后，軟件定義汽車采用閉環開發模式，根據用戶的個性化需求指導新功能或新車型開發，借助OTA技術實現功能的持續迭代和更新。

傳統汽車一般遵循V型開發模式，無法滿足軟件定義汽車快速更新迭代的需求。而軟件定義汽車開發模式為首先進行整車系統解耦，對各子系統開展需求分析，然后根據系統需求分析，進行并行開發和持續集成，最后完成發布。新開發模式使整車開發貫穿于汽車產品全生命周期。

3.2.2 軟件定義汽車應用場景

軟件定義汽車使整車場景更加智能化、體驗化和個性化，在智能場景中，車、云和人得到有機結合，以下是3種典型應用場景。

（1）自動駕駛場景：軟件定義汽車將為自動駕駛提供技術支撐。獨立于硬件的軟件可以進行快速的迭代和升級，自動駕駛應用的新算法、新增功能可以直接更新到汽車上，推動自動駕駛系統持續完善和進化，加速高級別自動駕駛應用落地。例如：消費者在購車時若選擇安裝自動駕駛功能包，可以通過OTA空中軟件升級持續提升車輛自動駕駛能力。當車企研發出新的智能召喚功能或針對特定極端工況更新了自動駕駛算法，這些新功能和新算法均可以通過OTA快速升級到車輛中。

（2）智能網聯場景：隨著車用無線通信（Vehicle to Everything，V2X）技術的快速發展，軟件定義汽車將不再是信息孤島，而是人、車、路、網、云互聯的產業生態，例如：汽車的控制功能將不局限于汽車本身，可實現與智能家居產品的互聯互通。消費者可以通過車機系統或車輛語音指令提前控制家中的空調、掃地機器人等設備，享受舒適的家居環境。在家中，也可通過智能音箱語音指令查詢車輛狀態，實現車輛與家居的智能互動。

（3）智能交互應用：基于軟件定義汽車，開發者可通過調用原子服務實現多樣化場景應用。如圖6所示，汽車一鍵休憩服務允許車主通過APP、按鍵或語音控制發送指令，汽車將自動調整車內環境至休憩模式，如關閉車窗、打開遮陽簾、調節氛圍燈、將座椅調整到舒適休息位置。

隨著智能汽車應用的不斷豐富，汽車應用商城將對應用進行分類，用戶根據個人需求在應用商城訂閱服務，實現個性化用戶體驗。

3.3 軟件定義汽車應用場景

（1）智能駕乘體驗：基于智能底盤傳感器信息，車輛可以獲取車輛當前運動工況。通過軟件對底盤控制進行優化，可以顯著提升乘坐舒適性。此外，還能夠引入更多創新的駕駛體驗，例如坦克調轉行駛分式汽車90°橫移。

（2）用戶自定義場景模式：軟件定義汽車允許用戶根據個人喜好自定義場景模式，以滿足個性化的需求。例如，用戶可以自定義影院模式，在該模式下，座椅、空調、氛圍燈、娛樂系統將自動執行用戶的預設設置。用戶也可以自定義洗車場景模式，在該模式下，汽車可以自動執行提醒天氣狀況、自動關閉車窗、關閉天窗、折疊后視鏡等一系列自定義動作，以簡化洗車流程。

（3）后市場應用場景：軟件定義汽車的新模式也將為后市場帶來創新應用場景，為用戶提供更全面的車輛后市場服務和其他拓展服務，例如智慧城市、智慧充電、智慧停車等出行服務，車載社群、車載游戲等生態服務。

4 結束語

軟件定義汽車已成為汽車產業發展的必然趨勢，其傳統的架構迫切需要創新與升級。本文對新型汽車架構的關鍵特征進行了深入分析，并對未來新型軟件定義汽車的硬件技術架構和軟件技術架構進行了詳細探討。在此基礎上，搭建了一個新型軟件定義汽車整體技術框架，并對軟件定義汽車的開發流程和可應用場景進行了研究。

軟件定義汽車將引領汽車產業邁向新的發展階段。未來汽車將具有更高的可持續性和環境效率，實現更高級別的自動駕駛能力，并在整個生命周期中持續進化。未來汽車將提供更多服務、功能、體驗和應用，推動人-車-路-網-云萬物互聯的產業生態。

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（責任編輯 梵玲）

【作者簡介】

孫豐濤（1979—），男，珠海廣通汽車有限公司，高級工程師，研究方向為新能源汽車電氣架構、動力系統及整車控制系統。

E-mail： sft529@163.com

劉偉川（1990—），男，珠海廣通汽車有限公司，工程師，研究方向為自動駕駛系統研究。

E-mail： ninjachuan@163.com

任建平（1994—），男，珠海廣通汽車有限公司，工程師，研究方向為自動駕駛算法研究。

E-mail： rjianpinhkl@163.com。