云原生在汽車開發(fā)中的應用

2023年8月29日 10:06
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文章來源：汽車電子與軟件

云原生在汽車開發(fā)中的應用的圖1

[本文摘自《智能汽車：新一代技術與應用》.姜鴻雷.電子工業(yè)出版社——書中第八章部分內容]

前言

隨著 汽車行業(yè)智能化和網(wǎng)聯(lián)化的加速發(fā)展，以智能座艙、輔助駕駛與自動駕駛、車聯(lián)網(wǎng)為代表的汽車軟件不斷推陳出新。 傳統(tǒng)以ECU為核心面向信號的分布式電子 電氣架構很難滿足智能網(wǎng)聯(lián)時代消費者對汽車的需求，新一代的電子電氣架構朝著集中化的方向演進，將會出現(xiàn)車 載中央計算平臺。 汽車硬件會朝著標品化方向發(fā)展，車輛功能與用戶體驗的差異性依靠車載軟件與云上服務來體現(xiàn)，“軟硬件解耦、硬件預埋、軟件升級”將會帶來汽車更長生命周期內的價值持續(xù)釋放。

軟件定義汽車已經(jīng)成為 行業(yè)的共識，但企業(yè)需要構建新的軟件開發(fā)能力來應對軟件定義時代的挑戰(zhàn)。例如，為提高開發(fā)的效率，避免在昂貴且有限的嵌入式平臺上開發(fā)，而是采用算力更強大、資源供給更便捷的通用計算平臺；具備敏捷開發(fā)能力，軟件代碼的構建、持續(xù)集成與驗證工作能夠自動執(zhí)行，以便快速驗證，滿足軟件迭代的要求；加強軟件的可移植性，在開發(fā)環(huán)境中編譯的程序需要在不同的嵌入式設備中運行，包括硬件臺架、板卡、車端，避免環(huán)境的差異性帶來代碼重構和重復編譯對研發(fā)效率的降低；海量數(shù)據(jù)的管理包括數(shù)據(jù)存儲、查找、處理，加速AI/ML模型的訓練過程；降低軟件組件之間的相互依賴性，減少軟件升級對其他功能的影響，不同安全要求與實時性要求的軟件相互隔離與獨立；車載軟件代碼量越來越多，要能夠有效管理維護這些代碼，并利用更廣泛的生態(tài)資源與能力共同開發(fā)軟件。


一、云原生技術

云原生是一種基于云端的開發(fā)與部署框架。基于云原生框架和開發(fā)理念的應用被稱為云原生應用。云原生（Cloud Native）是由"Cloud"和"Native"組合而成的詞匯。"Cloud"表示應用程序部署在云環(huán)境中，而"Native"表示應用程序在設計之初就考慮到云環(huán)境，以最佳方式在云平臺上運行，并充分利用和發(fā)揮云平臺的彈性和分布式優(yōu)勢。

隨著對汽車軟件價值的深入挖掘，行業(yè)內外對于"軟件定義"的認知和研發(fā)也越來越深入。在汽車行業(yè)的云原生之路上，不同用戶存在差異，一些傳統(tǒng)車企剛剛起步，而一些則成為了引領者，已經(jīng)在采用新技術方面取得了重要進展。在軟件定義汽車的大背景下，可以觀察到一些顯著的趨勢：

  • 以軟件為核心，將人的需求置于首位，注重提供優(yōu)質的服務體驗。汽車不再只是冷冰冰的機械產(chǎn)品，而是變得更加溫暖人心。

  • 汽車成為一個智能空間，集辦公、娛樂、支付、社交等功能于一體，并且需要滿足個性化需求。

  • 新型車企通過微服務的應用解耦，通過建立服務平臺和利用車聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)多種服務的快速集成和輸出。

  • 軟件的發(fā)展趨勢是向微服務化和容器化方向發(fā)展。

在滿足不同地區(qū)法規(guī)的強制功能要求的同時，一款全新的車型還需要提供數(shù)百個功能選項，而這些選項的可能組合數(shù)量會以幾何倍數(shù)增加。為了應對這些功能配置的要求，需要采用一套可進行大規(guī)模開發(fā)、測試和提供各項功能的方法，以最大程度地降低干擾和相互依賴性。此外，軟件的順利運行也離不開硬件的支持。

汽車軟件功能變得越來越多樣和復雜，也對硬件平臺提出了更高的要求。與消費電子產(chǎn)品兩三年更替的周期不同，汽車的平均使用年限往往更長。這給我們帶來了一個相當具有挑戰(zhàn)性的問題：什么樣的硬件平臺可以提供足夠的靈活性、計算能力和數(shù)據(jù)處理能力，以滿足尚未發(fā)生的復雜場景所需的要求？

答案是軟件定義。軟件定義不僅指由軟件啟動和控制特定功能，還包括對底層硬件的抽象化，以實現(xiàn)相同的軟件在不同的硬件上流暢運行。此外，軟件定義還必須具備不斷升級和更新的能力，并以云端技術為基礎進行開發(fā)和構建。這種軟件定義的方法能夠提供靈活性和適應性，使得車輛能夠適應未來的技術進展和功能需求的變化。通過采用軟件定義的方法，汽車制造商可以更好地應對不斷變化的市場需求，同時提供更多功能選項給消費者。這種方法還可以降低開發(fā)和維護的成本，提高軟件的質量和可靠性，為車輛的整體性能和用戶體驗提供更好的保障。

軟件定義汽車必須滿足以下四個需求：

1、可移植性

軟件必須能夠在不同的硬件平臺上運行，實現(xiàn)同一軟件的跨平臺兼容性。這樣，無論是在不同車型、不同制造商還是不同硬件配置下，軟件都能順利運行，確保功能的一致性和可靠性。

2、云端開發(fā)和升級

軟件必須基于云端技術進行開發(fā)、構建和升級，以實現(xiàn)開發(fā)和維護成本的最小化。通過云端開發(fā)和升級，制造商可以迅速推出新功能和修復軟件缺陷，無需對每輛車輛進行物理更新，提高了開發(fā)效率和用戶體驗。

3、實時性、功能安全和保密性

考慮到汽車行業(yè)的特殊性，軟件必須滿足實時性要求，確保及時響應車輛的各項指令和反饋。同時，軟件必須具備功能安全性，能夠識別和處理潛在的故障和風險，確保車輛和乘客的安全。另外，保護軟件的保密性也至關重要，以防止未經(jīng)授權的訪問和潛在的惡意攻擊。

4、開放式架構

軟件架構必須是開放的，以創(chuàng)造更大的生態(tài)系統(tǒng)，使所有人都能參與其中。這樣，不僅汽車制造商和供應商可以共同開發(fā)和集成軟件，還能夠吸引第三方開發(fā)者和合作伙伴加入，共同創(chuàng)造更多創(chuàng)新和豐富的功能。開放式架構還能夠促進軟件的互操作性，提高整體系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。

隨著汽車功能的復雜化和多樣化，汽車軟件代碼的規(guī)模也日益龐大。在這種背景下，云原生開發(fā)方式成為推動云基礎設施產(chǎn)業(yè)降低成本、縮短開發(fā)時間的有效途徑。當前，云計算已經(jīng)進入成熟階段，而云原生作為支持數(shù)字化轉型的重要技術，在人工智能、大數(shù)據(jù)、邊緣計算、5G等新興領域展現(xiàn)出巨大的潛力。未來，越來越多的應用將基于云平臺進行本地應用開發(fā)，而云計算為云原生應用提供了資源隔離、分布式和高可用性等諸多優(yōu)勢，最大程度地發(fā)揮了云計算的優(yōu)勢。

云原生應用在車企中有一些典型的應用場景：

1、主流的DevOps實踐通常采用微服務化和容器化的方式。

對于汽車行業(yè)的內容提供商和出行服務商來說，無論是語音識別還是天氣、股票等內容的提供，都可以基于云原生的技術和理念進行產(chǎn)品的持續(xù)迭代和更新。

2、車聯(lián)網(wǎng)等數(shù)據(jù)分析和人工智能領域天然適合采用容器化技術。

通過將訓練和推理過程容器化，無狀態(tài)的算法能夠快速得出結論，不僅速度快，還可以節(jié)省資源。因此，與人工智能相關的場景非常適合采用容器和云原生技術棧。通過云原生技術，生產(chǎn)制造的上下游鏈條數(shù)據(jù)分析可以實現(xiàn)業(yè)務全流程的統(tǒng)一化，實現(xiàn)自動化、精細化和智能化的管理。

3、混合多云的車聯(lián)網(wǎng)協(xié)作。

在混合多云的車聯(lián)網(wǎng)場景里，允許應用在各種云上自由流動和遷移。無論應用、中間件部署在什么云上，用戶可以隨意遷移，從一個云廠商遷移到另一個云廠商，且不用修改任何東西。

云原生在汽車開發(fā)中的應用的圖2
云原生應用

云原生技術的應用實現(xiàn)了應用的敏捷開發(fā)，顯著提高了交付速度，降低了業(yè)務試錯成本，高效地響應用戶需求，增強了用戶體驗，加速了業(yè)務創(chuàng)新的進程。
當前，汽車行業(yè)正處于變革時期，各個汽車軟件社區(qū)之間存在著競爭和合作的關系。許多汽車軟件社區(qū)正在推動云原生技術在汽車領域的應用。其中，微軟主導的SDV Group、ARM主導的SOAFEE組織等，國內的均勝、東軟、中科創(chuàng)達、映馳科技等公司都已經(jīng)加入了SOAFEE組織，共同致力于推動云原生技術在汽車領域的發(fā)展。

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汽車軟件社區(qū)的合作與競爭



二、 SOAFEE 架構介紹

2021年由Arm和其他創(chuàng)始成員共同宣布成立嵌入式邊緣的可擴展開放架構SOAFEE（Scalable Open Architecture For Embedded Edge）特別興趣小組（SIG），聯(lián)合車廠、半導體公司、軟件公司、云技術的領導企業(yè)共同定義一個新的開放標準架構來實現(xiàn)軟件定義汽車的最低級別技術棧，提供一個參考實現(xiàn)，使云原生技術（如微服務、容器和編排系統(tǒng)）首次與汽車功能安全相結合，從而保持環(huán)境對等。SOAFEE 的推出旨在解決三大問題：實現(xiàn)軟件在不同芯片解決方案中的復用，輕松實現(xiàn)從云到邊緣的軟件部署，以及將開發(fā)流程往前提，使得開發(fā)者能夠更早開始軟件開發(fā)并在汽車上市后部署軟件更新。

云原生在汽車開發(fā)中的應用的圖4
SOAFEE

在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心或服務器端的云端技術無法直接應用于汽車產(chǎn)業(yè)的情況下，汽車對于功能安全和實時性的特殊要求成為了最關鍵的問題。SOAFEE架構通過擴展現(xiàn)有的云端技術，滿足了汽車產(chǎn)業(yè)對于實時性和功能安全的需求。SOAFEE基于Arm Project Cassini中的System Ready開放標準，實現(xiàn)了底層硬件的抽象化。

云原生在汽車領域的架構由以下兩個部分組成：底層是硬件計算平臺，上面是固件（firmware），作為系統(tǒng)軟件與硬件之間的接口。在系統(tǒng)軟件之上，有各種應用和服務，它們在各自獨立的環(huán)境中運行，這些環(huán)境被稱為容器（container）。在基于云原生的系統(tǒng)中，這些容器在云端環(huán)境中進行開發(fā)、測試和驗證，然后通過編排器（Orchestrator）的軟件模塊，為每個容器中的應用和服務配置適當?shù)能浻布Y源，使它們能夠在汽車中執(zhí)行任務。同時，在云端，還有一個持續(xù)集成/持續(xù)交付（CI/CD）模塊負責管理應用和服務的更新。

通過引入云原生的概念和SOAFEE架構，汽車軟件開發(fā)能夠更好地滿足汽車行業(yè)對功能安全和實時性的要求，提高開發(fā)效率并推動業(yè)務創(chuàng)新。

SOAFEE云原生架構通過System Ready開放標準實現(xiàn)了硬件、固件和系統(tǒng)軟件之間接口的統(tǒng)一，達到了第一層的抽象化。同時，通過管理程序（hypervisor）來解決不同操作系統(tǒng)之間共享資源的問題，并利用容器運行時和硬件抽象層（HAL）作為另一層次的抽象化。下圖展示了SOAFEE云原生架構的示意圖。

云原生在汽車開發(fā)中的應用的圖5
SOAFEE 云原生架構

在云端，SOAFEE不僅構建相同的軟件環(huán)境，還構建了虛擬的硬件環(huán)境（Virtual ECU），以確保云端和終端之間的一致性。SOAFEE的重要貢獻是將編排器（orchestrator）改進為能夠處理功能安全和實時需求的軟件模塊。

SOAFEE架構解決方案利用容器的特性，可以針對每個容器配置不同的軟件和硬件資源。例如，將自動駕駛功能和服務放在獨立的容器中，通過編排器（orchestrator），可以配置滿足最高級別功能安全要求的硬件和軟件環(huán)境來為該容器提供服務。另一方面，例如導航，不需要最高級別的功能安全，因為如果這樣功耗會非常大，而且會有應用的冗余設計。針對這樣的容器配置，不需要最高級別的功能安全，通常也不需要使用分核鎖步（split-lock）等機制來支持該容器。因此，不同容器之間存在不同的功能安全需求，這樣就可以構建一個靈活的基礎，并讓編排器（orchestrator）配置適當?shù)能浻布h(huán)境，以滿足這些不同容器的要求，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能安全目標。

當功能和服務在車輛中執(zhí)行時，底層硬件必須提供良好的擴展能力，以應對各種計算處理需求，同時在一定功耗范圍內實現(xiàn)最佳的運行性能。此外，它還必須提供處理實時性、功能安全和保密性的技術。ARM提供的技術完全可以滿足這些要求，因此ARM可以從終端IP技術出發(fā)，完善軟件定義汽車的架構，并整合汽車產(chǎn)業(yè)鏈對于軟件定義汽車的需求。SOAFEE涵蓋了各種不同的硬件和IP架構，只要符合軟件之間的標準接口，除ARM以外的硬件架構也可以在SOAFEE上使用。

采用SOAFEE后，車廠和一級供應商的軟件開發(fā)成本將大幅降低。同時，通過不斷推出創(chuàng)新的售后服務，可以為車廠創(chuàng)造新的營收來源。對于IC設計和軟件供應商來說，他們可以更好地實現(xiàn)產(chǎn)品的差異化，并吸引更多的云端應用開發(fā)者參與汽車創(chuàng)新。最終，消費者將享受到更滿意的定制化汽車功能和使用體驗。

此外，傳統(tǒng)汽車的開發(fā)流程需要三到四年的時間，而IC芯片的規(guī)格是三、四年前的標準。SOAFEE架構可以在確定IC規(guī)格之前通過SOAFEE和硬件開發(fā)平臺進行左移開發(fā)，從而決定應用和服務的計算需求，降低了規(guī)格不合的風險，并縮短了整個開發(fā)周期。

許多公司已經(jīng)開始使用云平臺來開發(fā)汽車軟件。自SOAFEE推出以來，其成員數(shù)量已經(jīng)翻了兩番，目前已經(jīng)超過50家。這些成員來自汽車供應鏈的各個環(huán)節(jié)，涵蓋了芯片供應商、軟件提供商、系統(tǒng)集成商、云服務提供商、OEM廠商以及一級供應商等各個領域。每周都有新的成員加入，進一步擴大了SOAFEE的影響力和合作網(wǎng)絡。如果生態(tài)系統(tǒng)按預期發(fā)展，很多參與者很可能會逐漸轉向SOAFEE。ARM處理器在所有ECU領域都占據(jù)主導地位。一旦主要的OEM、Tier1供應商和主要芯片制造商開始采用具備ARM兼容性的系統(tǒng)和軟件，SOAFEE將成為事實上的標準。SOAFEE將成為未來汽車生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，為汽車軟件開發(fā)提供了創(chuàng)新的解決方案。


三、Eclipse Software Defined Vehicle Working Group介紹

2022年3月，Eclipse基金會在其官網(wǎng)宣布成立軟件定義汽車工作組。工作組的核心成員有在全世界開發(fā)軟件最多的Microsoft、世界上最大開源基金會之一的Eclipse，以及全球汽車零部件Top5中的三家：Bosch、ZF和Conti。

Eclipse SDV 工作組專注于使用開源和開放式規(guī)范，加速車規(guī)級車載軟件棧的創(chuàng)新。該工作組為個人及組織（包括埃森哲、Arm、博世集團、CARIAD、大陸集團、微軟、恩智浦半導體、SUSE、豐田汽車和采埃孚公司）提供了一個論壇，以此構建和推廣所需的開源軟件、規(guī)范和開放協(xié)作模式，從而創(chuàng)建一個可縮放、模塊化、可擴展、業(yè)界即用型且采用開放式許可證的汽車軟件平臺，支持車載與車輛周圍應用程序的開發(fā)和部署。

SDV相關項目以“代碼優(yōu)先”的方法為重點，致力于構建行業(yè)首個開源軟件堆棧和相關工具，以支持新型汽車的核心功能。SDV工作組認為，這種方法將更快地對行業(yè)產(chǎn)生實質性的影響。由博世、Microsoft、大陸、采埃孚、Cariad、埃森哲和Eteration等領導者領導的這些新項目，已經(jīng)向任何希望利用它們進行自己車輛開發(fā)的組織提供他們的軟件。

為了支持軟件定義汽車的轉型，來自技術行業(yè)和汽車行業(yè)的主要參與者正積極開發(fā)開源車載應用程序運行時堆棧、基于云的車輛操作系統(tǒng)以及高度集成的開發(fā)工具鏈。開源軟件定義汽車計劃旨在為不同車型、產(chǎn)品線、品牌、組織和時間段的車載軟件提供可用的開源代碼。這將極大地加速創(chuàng)新速度、生產(chǎn)速度以及以軟件為核心的車輛規(guī)模化生產(chǎn)能力，顯著降低新車設計的復雜性，同時提高效率。行業(yè)參與者能夠專注于創(chuàng)新，同時在實時操作系統(tǒng)、中間件層的特定部分或通信協(xié)議等非差異化元素上節(jié)省時間和成本，從中獲益。

Eclipse SDV目前已經(jīng)進行了32個項目，下面簡要介紹下Eclipse SDV的Velocitas和Kuksa項目。Eclipse Velocitas 是提供端到端、可擴展、模塊化和開源的開發(fā)工具鏈，用于創(chuàng)建容器化和非容器化車載應用程序。

云原生在汽車開發(fā)中的應用的圖6
Eclipse Velocitas

Eclipse Velocitas的特點：

  • 通過命令行界面更新車載應用程序存儲庫的項目生命周期管理。

  • 車輛抽象支持通過在代碼級別使用生成的車輛模型，提供類型安全和自動完成的方式，以便專注于業(yè)務邏輯。車輛模型是從標準化的API生成的，它隱藏了車輛特定信號和電氣/電子架構的細節(jié)，使得車載應用程序可以在不同的電子和軟件架構之間進行移植。

  • Microsoft Visual Studio Code與DevContainer的集成幫助快速安裝啟動本地開發(fā)所需的一切，而任務和啟動配置則有助于啟動運行時服務、其他應用程序和測試。

  • 車載應用程序的骨架和示例有助于理解如何使用KUKSA.VAL運行時服務編寫車載應用程序。

Eclipse Kuksa開源項目主要功能之一是將車輛數(shù)據(jù)和接口抽象為基于車輛信號規(guī)范等的通用格式。VAL是Kuksa項目的核心組件，它主要負責將車內各種非標準格式的數(shù)據(jù)映射并轉換為統(tǒng)一的VSS標準數(shù)據(jù)格式，同時提供各種標準接口與外部進行交互。

云原生在汽車開發(fā)中的應用的圖7
Kuksa.VAL的系統(tǒng)架構

  • 即用型的CI/CD工作流程可以構建（針對多種架構）、測試、文檔化和部署容器化的車載應用程序，而且無需依賴于電氣/電子架構，從而節(jié)省了設置時間。

在汽車供應鏈的各個環(huán)節(jié)中，包括芯片供應商、軟件提供商、系統(tǒng)集成商、云服務提供商、OEM廠商和一級供應商的共同推動下，云原生技術在汽車領域的應用將迎來加速發(fā)展。通過改進軟件的開發(fā)、構建、管理和更新方法，大幅提高整個汽車軟件系統(tǒng)開發(fā)的效率，同時降低了開發(fā)和維護成本，進一步加速了軟件定義汽車時代的到來。


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