引言

汽车原始设备制造商(OEM)持续致力于改善乘员体验、简化无线更新、降低设计和制造成本、收集更多车辆数据并创造新的收入来源。然而，当今基于域的车辆架构无法轻松有效地满足这些需求，这也促使制造商转向软件定义车辆和区域架构。通过集中管理软件并将硬件与软件分离，软件定义车辆成为实现更智能、更安全和更节能车辆过程中的下一阶段目标。

基于域的车辆和软件定义车辆

如今，基于域的架构在提供可扩展软件方面效率低下，而汽车制造商可以通过无线更新轻松维护这些软件。域架构将车辆功能的控制细分为车载信息娱乐系统和高级驾驶辅助系统(ADAS)等域，如图1所示。

图1. 车辆基于域的架构图。

如果车辆功能可能需要跨多个域进行通信和控制，对车辆功能的控制进行细分将使软件开发变得复杂化。更新这些系统的软件具有挑战性，因为这些系统是由不同的一级供应商设计和制造的，这些供应商都使用不同半导体供应商提供的各种处理器和微控制器。用于控制车辆功能的软件也与硬件紧密耦合。OEM将安装电子控制单元(ECU)来执行特定功能（座椅调节、泊车辅助），并在每个ECU微控制器上运行应用特定固件。这些ECU也会因车型和饰件而异，从而导致ECU制造和设计成本更高。因此，对所有车型、饰件和各个ECU进行软件管理是一项艰巨的工作，这需要OEM与多个一级供应商合作，甚至可能与半导体供应商合作来实施新的软件更新。

相比之下，采用区域架构的ECU软件定义车辆通过集中软件简化了无线更新，通过将车辆硬件与高层应用软件分离来实现通过软件添加新功能的灵活性，并在不同车型和饰件之间提供了更具成本效益的可扩展性。

图2展示了一个ECU区域架构示例，该架构将ECU软件集中在中央计算系统中，并实施区域控制模块以汇总数据、驱动负载和执行本地配电。如需区域架构的更多信息，请参阅“区域架构如何为完全由软件定义的车辆铺平道路”。

图2. ECU车辆区域架构图。

软件定义车辆中的集中式软件的主要优势是减少了托管应用软件的ECU，并通过减少需要更改固件的处理器和微控制器的数量简化了无线更新。添加新功能和应用程序只需要更新ECU中央计算机或区域控制模块软件，因为下游传感器和控制机械驱动（前照灯、车门模块、音频放大器）的其余ECU已从应用软件中抽象出来。因此，执行机械驱动的ECU和车辆网络边缘的传感器需要的固件更简单，未来可能将实时控制完全转移到ECU中央计算机。

此外，可以将最初为特定ECU微控制器应用设计的传感器和执行器重新用于其他用途，从而创建新功能。例如，对于最初设计用于乘员监控的车内雷达传感器，可以添加新的应用来提供入侵或盗窃检测和安全带提醒功能。从本质上讲，OEM可以更灵活地利用车辆中已有的硬件和传感器实现新的功能。

最后，ECU软件可以跨所有汽车平台进行扩展（如图3所示），从而进一步降低开发成本。经济型车辆可以采用与豪华品牌相同的软件来实现遥控免钥匙进入、车窗升降器和后视摄像头等功能。

豪华型车辆可通过软件在基本功能之上提供高级功能。尽管仍可能需要更换硬件，但整体方法是模块化的，并可跨车辆实现扩展。添加或移除ECU处理器和ECU微控制器可以提升或降低ECU中央计算机或区域控制模块中的计算能力。

图3. 低端和高端车型的计算能力比较。

软件定义车辆支持的新技术

ECU软件定义车辆为OEM提供了新技术和收入来源。随着车辆不断集成更多的电子器件和传感器，车辆性能、故障场景和驾驶员偏好数据比以往任何时候都更容易获得。ECU软件定义车辆可以简化车辆数据收集过程并安全共享车辆数据，有助于进一步改善数字孪生和车联网(V2X)功能。

利用数字孪生功能（真实系统的虚拟表示），ECU软件定义车辆可将数据共享到云端以记录真实性能数据，如电动汽车电池随时间变化的健康状态、各种行驶条件下的ADAS传感器信息，甚至车辆功能使用情况，如图4所示。这些数据可以帮助OEM优化车辆功能，并缩短解决ECU技术新挑战所需的时间，尤其是对于ADAS和自动驾驶等技术而言。此外，OEM能够识别特定车型的常见问题，并在出现重大问题之前提供ECU微控制器修复方案。

图4. ECU软件定义车辆连接到云和V2X。

除了数字孪生技术外，ECU微控制器车辆数据对V2X通信也很有价值，因为它可实现车辆、人员和基础设施之间的信息共享，从而提高ECU微控制器安全性和交通流畅性。将车道偏离和车速等信息从ECU中央计算机安全地共享到其他车辆，有助于提高防撞能力。

最后，OEM正在继续想方设法创造新的收入来源。ECU软件定义车辆使OEM能够完全控制其车辆内的软件，因此能够实现与众不同的用户体验。针对可通过ECU软件启用的特定功能，OEM可以提供订阅模型。功能可以很简单（例如加热座椅），也可以更复杂（例如高级驾驶安全功能）。尽管订阅可能对消费者没有吸引力，但ECU微控制器新功能可以通过软件更新添加到现有车辆中，而不需要消费者购买最新款的车型。

软件定义车辆和区域架构方法的差异

每家汽车制造商都采用独特的方法来实现软件定义车辆。上一代车辆平台的遗留问题将迫使许多OEM逐步转向更适合其集中式ECU软件方法的电气和电子区域架构。

如图5所示，虽然大多数OEM都在开发区域架构，但在决定控制车辆功能的ECU软件的位置时，却有不同的方法。

集中ECU软件控制有三种选择：ECU中央计算机；在ECU中央计算机和区域控制模块之间共享；或分布到几个ECU域控制器和ECU区域控制模块中。有些OEM会集中高性能计算域（如ADAS和车载信息娱乐系统），并为其他域增加额外的应用处理。在ADAS和车载信息娱乐系统域之外，实时控制在ECU区域控制模块或边缘ECU中实现。

从OEM的角度来看，集中计算方法可能最具吸引力，因为单台ECU计算机可控制所有车辆功能。如果通信链路出现故障，实时控制环路延迟（主动悬架、车窗防夹）和功能安全方面可能还存在其他挑战。

分布式计算方法逐步向集中式软件迈进，在ECU区域控制模块中甚至在单独的ECU域控制器中维护某些应用程序和实时控制软件。在所有架构中，即使是在同一车辆内，区域控制模块要求也会因OEM而异。一个区域可以处理一些车身实时控制、暖通空调以及底盘功能，而另一个区域ECU微控制器可以处理额外的车身、照明和车辆控制单元应用软件。最终，OEM必须平衡硬件和机械驱动控制延迟、车载网络功能、功能安全、信息安全以及如何根据所选架构及其特定ECU区域控制模块要求来构建软件。

图5. 车辆架构类型比较。

结语

软件定义车辆正不断为汽车制造商带来新的机遇，帮助他们减少开发新车和新功能所需的时间和成本，在车辆整个生命周期内持续改善驾驶体验，并创造新的收入来源。尽管有多种方法可供选择，但集中管理车辆软件并将车辆硬件与软件分离将是重中之重。总体而言，OEM可通过区域架构和软件定义车辆加快开发更智能、更安全、更节能的车辆。