智能汽车软件功能架构设计（智能汽车架构SVA学习笔记）

来源：焉知智能汽车 作者：东晓一家

因为要预备一个关于“汽车多域融合”的知识分享，终于想起要复习下公司的智能汽车架构SVA（Smart Vehicle Architecture）的学习资料，整理下可以对外分享的部分做个系列，也算是理清思路吧。第一篇就从展示汽车软件架构演变历史的路线图开始吧（材料来源于2020/3/10的《安波福智能汽车架构白皮书》，有兴趣的小伙伴焉知官网可自行下载），废话少说先上图——

翻译一下上图可以得出下表—：

时期	构成	说明
历史	功能（Function）	每辆车50-100个分布式ECU
今天(2020)	域（Domain）	通过域集中支持增量功能
近期(2020-2025)	区域（Zone）	通过智能区域控制和管理降低复杂性
2025之后	软件定义（Software Defined）	使软件能够独立于底层硬件定义新功能

图中可见，汽车软件现在所处的2022正处在从“域（Domain）”向“区域（Zone）”演变的过程中，涵盖平时中文里提到的各种“域控制器”——“动力域”、“底盘域”、“智能座舱域”、“自动驾驶域”、“车身域”等，都在从“域（Domain）”向“区域（Zone）”演变。

“Customer（客户）、Industry（行业）和Government（政府）三大方面，是设计约束的主要来源，是在SYS.1需求提取从源头上就应该关注的”。平日我们考虑的Stakeholder （利益相关者）往往都是从人的角度考虑，其中的Industry（行业）维度，提醒我们需要从机器的角度正视不同域之间的协同（如数据交互）与竞争（如资源占用）关系。而正是汽车架构演变到了现在这个阶段， 车辆中不同功能有了更多互动成了某种意义上的Stakeholder （利益相关者）关系，于是乎“多域融合”便逐渐近期行业热点。

既然提到了“多域融合”，那就看看智能汽车架构SVA中是如何实现的，简单地说，如下图中央汽车控制器CVC（Central Vehicle Controller）如同计算机中的CPU、与开放式服务器平台OSP（Open Server Platform）构成了中心，连接各个区域（ZONE 1 / ZONE 2 / ZONE 3），实现整车各域软件功能的融合。

要进一步了解还是建议先阅读《安波福智能汽车架构白皮书》，由于原文没有翻译，个人简单整理中文版拷在下面仅供参考（非官方）。

智能汽车架构

构建下一代汽车的可持续方法

近几十年来，汽车行业推出了一系列前所未有的电气和电子创新，从气囊等被动安全功能到沉浸式用户体验和信息娱乐，以及自动紧急制动等主动安全功能。

每项新的创新都需要有自己的电子控制单元（ECU），它有自己的电源、自己的处理、自己的数据和自己的连接。每项功能的硬件都有自己的布线，增加了复杂性，占用了空间，增加了车辆的重量。

这种方法几乎不能满足当今功能丰富的汽车的需求，并且肯定不会随着行业向全自动驾驶方向发展而扩展，这是它曾经设想过的最复杂的挑战。我们需要的是一种新的车辆架构，它可以简化设计、集中计算能力并优化电气/电子内容、组件和功能。

对于汽车行业来说，这是一个激动人心、充满活力的时代。软件、计算和传感器的进步使先进安全系统在实现完全自主驾驶的道路上实现了广泛的创新。消费者越来越频繁地要求提供安全、舒适和方便的新功能。消费者偏好、法规的收紧和电池成本的提高正在推动该行业转向电动汽车。5G和其他无线技术正在创造机会，提供比今天连接更紧密的车辆。

当然，挑战在于所有这些趋势都是同时发生的。车辆底盘内的空间是有限的，客户的钱包也是有限的。继续为每个新功能添加新ECU的传统方法是不可持续的，因为每个功能都需要自己的电源、自己的处理、自己的数据和连接。它无法扩展，而且太复杂。

OEM意识到了这一点。他们发现，交付客户特性和功能的增量整体方法在车辆生命周期的所有阶段都带来了难以管理的复杂性。在开发阶段，市场速度对竞争力至关重要，复杂性增加了开发时间。而单一的开发方法，即软件和硬件密不可分地联系在一起，限制了重用，并使任何工程更改都很困难。在制造和装配阶段，复杂性导致组件难以手动装配，也不适合自动化。在后期生产阶段，复杂性降低了在车辆使用寿命内更新功能的能力。

我们需要的是一种更简单的方法：为电气和电子系统设计一种新的车辆架构，从头开始，为今天功能丰富的车辆以及未来高度自动化的车辆设计。

原理

为了应对这些挑战并为未来做好准备，Aptiv开发了智能车辆架构™. SVA公司™ 体现了具有三个主要目标的车辆级设计理念。架构必须：

• 降低复杂性。通过简化车辆内的硬件和软件拓扑，SVA减少了当前启用各种功能所需的许多不同ECU之间的相互依赖性。
• 统一各种应用程序。SVA将来自车辆多个不同领域的软件整合在一起，以解锁新功能并改进生命周期管理。
• 授权 OEM。SVA使 OEM能够完全控制定义其车辆用户体验的软件，并随着时间的推移增强该功能。

SVA通过三个基本原则实现了这些目标，这三个原则将该方法与当今的体系结构区分开来。

第一，SVA将软件从硬件中抽象出来。虽然这种分离在当今的大多数IT平台上已经很常见，但这一概念现在在汽车行业正获得发展势头。将软件与硬件分离允许软件的连续发布周期。正如当今智能手机上的应用程序定期接受增量更新和改进一样，汽车中的软件应该能够比其运行的硬件更新更频繁。这种分离还允许开发者在将软件移动到不同平台时更容易地重用软件，而不是移植软件。

第二，SVA将输入/输出（I/O）与计算分离。也就是说，该体系结构将所有物理连接带到外围传感器和设备，并将此功能放置在与域控制器中的计算机分离的区域控制器中。一个类比是笔记本电脑的扩展底座。所有的外围设备——键盘、鼠标、打印机等等——都可以插入扩展底座，这样笔记本电脑就可以轻松地进出。在配备SVA的车辆中，区域控制器向传感器和其他设备提供电源和数据连接，只需与域控制器进行主干连接。这种方法提高了可扩展性并降低了物理复杂性。

第三，SVA“服务器化”计算。一旦输入/输出与计算分离，该方法可以根据需要在各种软件应用程序之间动态地分配载体中的计算资源，就像云计算模型一样。具有SVA的车辆可以根据优先级和需要为应用程序分配必要的计算能力、RAM、图形处理等。服务器化甚至可以允许在物理上独立的域控制器之间共享资源，因此它们可以作为一个整体进行逻辑操作。此外，该方法支持混合临界；也就是说，例如，需要更多处理能力的关键安全功能优先于不太关键的功能，例如信息娱乐。

物理组件

服务器在三个服务层提供价值——基础设施、平台和软件（见图1）——这些层影响SVA在车辆中的物理表现。该体系结构的物理布局带来了额外的好处，例如自动组装的设计、对冗余电源和数据的支持以及电气化。

基础组件包括：

• 高压母线。它们直接位于电池上，在整个电动汽车中提供电力。其平坦的外形和半刚性特性使其更容易包装到车辆中。
• 对接和锁定™ 系统。这个基座连接到车辆的地板上，并提供了一个基座，机器人可以将建筑的所有其他中心元素连接到该基座上。
• 统一电源和高速主干。该主干将电力传输到架构的每个组件。它还聚合了车辆内的所有数据通信。当需要时，它甚至可以通过双环拓扑轻松高效地支持冗余。

与主干相连的是驻留在中央计算集群中的元素，包括：

• 安全连接网关（SCG）。这是SVA主控制器和车身主控制器。它控制与唤醒系统相关的关键功能，以及通过无线连接进出车辆的数据流。
• 开放服务器平台。这些域控制器运行实现高级安全功能和舱内用户体验所需的软件。它们还能够动态共享计算资源，提供改进的性能和经济高效的冗余。
• 电力数据中心。这些是区域控制器，是连接所有传感器和外围设备的“扩展底座”。根据车辆的配置，可能有两到六个PDC，不同的变体有助于适当地扩展性能。
• 推进和底盘控制器。该控制器提供任务关键型发动机管理（用于内燃机）或电池管理系统（用于电池电动汽车），以及所有底盘功能，如转向和制动。

SVA如何降低成本

随着 OEM继续扩大其车辆的功能和智能，这种车辆软件架构和物理结构的方法代表了合乎逻辑的未来状态。但消费者也必须能够支付。好消息是，通过降低复杂性，SVA有效地降低了车辆生命周期所有阶段的总体拥有成本：开发、制造和后期生产。

开发

在汽车行业，当前的开发方法是非常线性的。在概念阶段之后，开发人员必须等待目标硬件来理解软件将如何在该系统上运行。然后，在软件完全编码后，必须对其进行测试和验证，这可能需要很长时间。

SVA允许开发人员完全独立于底层硬件创建软件。它定义了硬件性能类，使集成商能够组合不同的软件应用程序，然后针对所选的硬件类验证其性能。开发人员不必知道软件将在哪个设备上运行——他们只需定义软件最佳运行所需的硬件性能级别。只要硬件满足硬件类的规范，软件就可以使用它。

SVA以敏捷方法中使用的迭代开发技术为线索，允许开发人员动态上传更新。测试和验证变得更容易管理，开发人员可以更快地进入市场，拥有更丰富的功能。

综合起来，Aptiv估计这些技术将系统集成和测试成本降低75%，保修成本也降低75%。

制造

SVA还在两个重要方面降低了制造阶段的成本。

第一种是通过上集成。如今，功能分布在整个车辆的多个ECU上。当这些整合到一组较小的域控制器中时，车辆能够卸下多个微控制器、多个电源、多个外壳和铜线，同时保持甚至提高计算能力。这使得线束的重量减少了20%，计算的重量和包装空间减少了20%。

第二种降低成本的方法是直接减少劳动力。例如，由于PDC简化了物理复杂性并直接连接到传感器，因此线束可以限制在2.5米或更少，这意味着我们的客户只需要一到两个人来安装它们。相比之下，安装当今最复杂的架构需要10人或更多的人， OEM可以节省50%的劳动力成本。

此外，由于SVA利用了刚性主干和区域线束以及Dock&Lock连接系统，因此SVA可以实现最高级别的自动化，进一步降低劳动力成本，并满足这些先进特性和功能需求日益严格的质量阈值。

资产保护

在SVA中，传感器智能和处理能力集中在车辆的乘客舱中，而不是像今天一样分布在传感器本身。这有助于降低系统总成本以及传感器组件的成本，进而降低与涉及这些传感器的轻微事故相关的成本，从而降低保险成本。

后期制作

即使在车辆离开工厂后，SVA仍在继续降低成本。有了从硬件中抽象出来的软件，汽车制造商可以建立一个认证软件库——实际上是汽车的“应用商店”。这些应用程序可能包括OEM、Aptiv甚至第三方开发的软件。随着时间的推移，该库可能会扩展到新的功能或允许对现有应用程序进行更新。

车辆制造商和软件开发人员可以使用空中传送（OTA）更新在整个生命周期内升级车辆中的软件。车辆通过Aptiv SCG接收这些更新，该SCG在新代码验证后，然后在车辆可以安全更新的适当时间更新车辆中的其他系统。这通过解决问题而不必去经销商处来降低保修成本，并提高品牌忠诚度和客户满意度。

对于 OEM来说，这一能力创造了软件重用的潜力，实现了无限数量的车辆特定软件构建，并几乎消除了与车型年更新相关的软件维护成本。

第一步

SVA是一种整体车辆级架构方法，但它允许 OEM采取增量步骤来实现。第一步或“构建块”通常是实施域控制器，以上集成和扩展当前分布在车辆中的一些计算，特别是对于高级安全或信息娱乐等领域。下一个主要步骤是使用区域控制器将物理复杂性分解为更易于管理的区域，同时进一步推动分布式ECU的集成。从那里，OEM可以转向具有抽象和动态计算分配的服务器架构。

有了这些部分，OEM就拥有了SVA的构建块，并将能够利用其能力，通过一个软件定义的架构实现高级功能和高度自动化，该架构在未来很长时间内是可持续的。

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