本文將討論具有區域架構的軟件定義車輛如何推動開發更智能、更安全、更節能的車輛。通過集中管理軟件并將硬件與軟件分離，這種車輛可以更輕松地進行更新、降低成本并提供新功能。
引言
汽車原始設備制造商 （OEM） 持續致力于改善乘員體驗、簡化無線更新、降低設計和制造成本、收集更多車輛數據并創造新的收入來源。然而，當今基于域的車輛架構無法輕松有效地滿足這些需求，這也促使制造商轉向軟件定義車輛和區域架構。通過集中管理軟件并將硬件與軟件分離，軟件定義車輛成為實現更智能、更安全和更節能車輛過程中的下一階段目標。
基于域的車輛和軟件定義車輛
如今，基于域的架構在提供可擴展軟件方面效率低下，而汽車制造商可以通過無線更新輕松維護這些軟件。域架構將車輛功能的控制細分為車載信息娛樂系統和高級駕駛輔助系統 （ADAS） 等域，如圖 1 所示。
圖 1. 車輛基于域的架構圖。
如果車輛功能可能需要跨多個域進行通信和控制，對車輛功能的控制進行細分將使軟件開發變得復雜化。更新這些系統的軟件具有挑戰性，因為這些系統是由不同的一級供應商設計和制造的，這些供應商都使用不同半導體供應商提供的各種處理器和微控制器。用于控制車輛功能的軟件也與硬件緊密耦合。OEM 將安裝電子控制單元 （ECU） 來執行特定功能（座椅調節、泊車輔助），并在每個 ECU 微控制器上運行應用特定固件。這些 ECU 也會因車型和飾件而異，從而導致制造和設計成本更高。因此，對所有車型、飾件和各個 ECU 進行軟件管理是一項艱巨的工作，這需要OEM 與多個一級供應商合作，甚至可能與半導體供應商合作來實施新的軟件更新。
相比之下，采用區域架構的軟件定義車輛通過集中軟件簡化了無線更新，通過將車輛硬件與高層應用軟件分離來實現通過軟件添加新功能的靈活性，并在不同車型和飾件之間提供了更具成本效益的可擴展性。
圖 2 展示了一個區域架構示例，該架構將軟件集中在中央計算系統中，并實施區域控制模塊以匯總數據、驅動負載和執行本地配電。如需區域架構的更多信息，請參閱“區域架構如何為完全由軟件定義的車輛鋪平道路”。
圖 2. 車輛區域架構圖。
軟件定義車輛中的集中式軟件的主要優勢是減少了托管應用軟件的 ECU，并通過減少需要更改固件的處理器和微控制器的數量簡化了無線更新。添加新功能和應用程序只需要更新中央計算機或區域控制模塊軟件，因為下游傳感器和控制機械驅動（前照燈、車門模塊、音頻放大器）的其余 ECU 已從應用軟件中抽象出來。因此，執行機械驅動的ECU 和車輛網絡邊緣的傳感器需要的固件更簡單，未來可能將實時控制完全轉移到中央計算機。
此外，可以將最初為特定應用設計的傳感器和執行器重新用于其他用途，從而創建新功能。例如，對于最初設計用于乘員監控的車內雷達傳感器，可以添加新的應用來提供入侵或盜竊檢測和安全帶提醒功能。從本質上講，OEM 可以更靈活地利用車輛中已有的硬件和傳感器實現新的功能。
最后，軟件可以跨所有汽車平臺進行擴展（如圖 3 所示），從而進一步降低開發成本。經濟型車輛可以采用與豪華品牌相同的軟件來實現遙控免鑰匙進入、車窗升降器和后視攝像頭等功能。
豪華型車輛可通過軟件在基本功能之上提供高級功能。盡管仍可能需要更換硬件，但整體方法是模塊化的，并可跨車輛實現擴展。添加或移除處理器和微控制器可以提升或降低中央計算機或區域控制模塊中的計算能力。
圖 3. 低端和高端車型的計算能力比較。
軟件定義車輛支持的新技術
軟件定義車輛為 OEM 提供了新技術和收入來源。隨著車輛不斷集成更多的電子器件和傳感器，車輛性能、故障場景和駕駛員偏好數據比以往任何時候都更容易獲得。軟件定義車輛可以簡化車輛數據收集過程并安全共享車輛數據，有助于進一步改善數字孿生和車聯網 （V2X） 功能。利用數字孿生功能（真實系統的虛擬表示），軟件定義車輛可將數據共享到云端以記錄真實性能數據，如電動汽車電池隨時間變化的健康狀態、各種行駛條件下的 ADAS 傳感器信息，甚至車輛功能使用情況，如圖 4 所示。這些數據可以幫助 OEM 優化車輛功能，并縮短解決新挑戰所需的時間，尤其是對于 ADAS 和自動駕駛等技術而言。此外，OEM 能夠識別特定車型的常見問題，并在出現重大問題之前提供修復方案。
圖 4. 軟件定義車輛連接到云和 V2X。
除了數字孿生技術外，車輛數據對 V2X 通信也很有價值，因為它可實現車輛、人員和基礎設施之間的信息共享，從而提高安全性和交通流暢性。將車道偏離和車速等信息從中央計算機安全地共享到其他車輛，有助于提高防撞能力。
最后，OEM 正在繼續想方設法創造新的收入來源。軟件定義車輛使 OEM 能夠完全控制其車輛內的軟件，因此能夠實現與眾不同的用戶體驗。針對可通過軟件啟用的特定功能，OEM 可以提供訂閱模型。功能可以很簡單（例如加熱座椅），也可以更復雜（例如高級駕駛安全功能）。盡管訂閱可能對消費者沒有吸引力，但新功能可以通過軟件更新添加到現有車輛中，而不需要消費者購買最新款的車型。
軟件定義車輛和區域架構方法的差異
每家汽車制造商都采用獨特的方法來實現軟件定義車輛。上一代車輛平臺的遺留問題將迫使許多 OEM 逐步轉向更適合其集中式軟件方法的電氣和電子區域架構。如圖 5 所示，雖然大多數 OEM 都在開發區域架構，但在決定控制車輛功能的軟件的位置時，卻有不同的方法。集中軟件控制有三種選擇：中央計算機；在中央計算機和區域控制模塊之間共享；或分布到幾個域控制器和區域控制模塊中。有些 OEM 會集中高性能計算域（如 ADAS 和車載信息娛樂系統），并為其他域增加額外的應用處理。在 ADAS 和車載信息娛樂系統域之外，實時控制在區域控制模塊或邊緣 ECU 中實現。
從 OEM 的角度來看，集中計算方法可能最具吸引力，因為單臺計算機可控制所有車輛功能。如果通信鏈路出現故障，實時控制環路延遲（主動懸架、車窗防夾）和功能安全方面可能還存在其他挑戰。分布式計算方法逐步向集中式軟件邁進，在區域控制模塊中甚至在單獨的域控制器中維護某些應用程序和實時控制軟件。在所有架構中，即使是在同一車輛內，區域控制模塊要求也會因 OEM 而異。一個區域可以處理一些車身實時控制、暖通空調以及底盤功能，而另一個區域可以處理額外的車身、照明和車輛控制單元應用軟件。最終，OEM必須平衡硬件和機械驅動控制延遲、車載網絡功能、功能安全、信息安全以及如何根據所選架構及其特定區域控制模塊要求來構建軟件。
圖 5. 車輛架構類型比較。
結語
軟件定義車輛正不斷為汽車制造商帶來新的機遇，幫助他們減少開發新車和新功能所需的時間和成本，在車輛整個生命周期內持續改善駕駛體驗，并創造新的收入來源。盡管有多種方法可供選擇，但集中管理車輛軟件并將車輛硬件與軟件分離將是重中之重。總體而言，OEM 可通過區域架構和軟件定義車輛加快開發更智能、更安全、更節能的車輛。
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