汽車電子控制系統(tǒng)中的軟件開發(fā)過程

        如今的汽車越來越智能化，無人駕駛亦非遙不可及，屆時(shí)人們只需要坐在車?yán)镄蓍e喝茶即可到達(dá)目的地。然而，在智能汽車的內(nèi)部卻是人們察覺不到的密密麻麻的線路以及無處不在的電子起件在工作，這就是汽車的“大腦”——電子控制系統(tǒng)。正是這套越來越復(fù)雜的電子控制系統(tǒng)完成輔助甚至替換駕駛員的動作，實(shí)現(xiàn)對車輛運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測與控制，使人們的出行更輕松、簡單、安全。

        一、汽車電子控制系統(tǒng)發(fā)展過程——由簡及繁回想七十年前的汽車，電子設(shè)備僅有起動機(jī)、電池、車燈等為數(shù)不多的幾個(gè)，四十幾根導(dǎo)線就可以滿足整車的電子部件需求。上世紀(jì)八十年代，隨著IT技術(shù)的發(fā)展，汽車業(yè)掀起一場電子電氣化浪潮，各種安全配置隨之誕生。搭載軟件系統(tǒng)的電子控制器開始在汽車上生根發(fā)芽。隨著控制器數(shù)量逐漸增多，不同控制器之間需要解決通信問題，CAN總線、LIN總線應(yīng)運(yùn)而生。2007年奧迪Q7和保時(shí)捷卡宴的線束總長度突破6km,不斷增加的線束長度以及越來越多的控制器給車企帶來巨大的成本壓力，隨后汽車電子控制系統(tǒng)開始向集中化發(fā)展。目前特斯拉Model S以及Model 3線束長度大約3km和1.5km。
        汽車各大系統(tǒng)的軟件功能逐年快速增長線束長度的變化從側(cè)面反映出汽車電子控制系統(tǒng)由簡及繁的巨大變化，軟件作為電子控制系統(tǒng)的重要組成部分，發(fā)展更趨于復(fù)雜化。

        二、汽車電子控制系統(tǒng)基本組成——傳感器、ECU、執(zhí)行器

        1、電子控制單元（ECU，含軟件）。ECU是汽車電子控制系統(tǒng)的大腦，它對各個(gè)傳感器輸入的電信號以及部分執(zhí)行器反饋的電信號進(jìn)行綜合分析與處理，給傳感器提供參考電壓，然后向執(zhí)行器發(fā)出控制信號，使執(zhí)行器按照控制目標(biāo)進(jìn)行工作。
        軟件系統(tǒng)集成存儲在電子控制單元中，核心是微處理器，這種微處理器通常采用單片機(jī)，功能擴(kuò)展容易，控制精度更高。完成數(shù)據(jù)采集、計(jì)算處理、輸出控制、系統(tǒng)監(jiān)控與自我診斷等。

        2、傳感器是汽車電子控制系統(tǒng)的信息采集者，類似于人類的眼睛耳朵...它將汽車的各種物理參量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘�，并輸送給電子控制單元。

        3、執(zhí)行器是汽車電子控制系統(tǒng)的執(zhí)行者，類似于人類的手和腳，電子控制單元就是通過執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)對被控制對象的控制。執(zhí)行器對電子控制單元輸出的控制信號做出迅速反應(yīng)，使被控制對象工作在設(shè)定狀態(tài)內(nèi)。

        三、汽車電子控制系統(tǒng)基本工作原理汽車電子控制系統(tǒng)事先將一系列的指令程序存儲在ECU中，這些指令程序在設(shè)計(jì)、制造時(shí)就已經(jīng)確定，等待各個(gè)傳感器輸入信號。工作時(shí)，ECU將接收到的傳感器信息與存儲器內(nèi)的“標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)”進(jìn)行比較，然后根據(jù)結(jié)果控制執(zhí)行器采取相應(yīng)動作。
        四、汽車軟件系統(tǒng)的開發(fā)過程隨著智能互聯(lián)、自動駕駛、電動汽車及共享出行的發(fā)展，軟件、計(jì)算能力和先進(jìn)傳感器正逐漸取代發(fā)動機(jī)的統(tǒng)治地位。與此同時(shí)，這些電子系統(tǒng)的復(fù)雜性也在提高。以當(dāng)今汽車包含的軟件代碼行數(shù)（SLOC）為例，2010年，主流車型的SLOC約為1000萬行；到2016年達(dá)到1.5億行左右。復(fù)雜性正如滾雪球般越來越高，不可避免地導(dǎo)致了與軟件相關(guān)的若干嚴(yán)重質(zhì)量問題：這在近期若干起大規(guī)模車輛召回事件中屢有耳聞。根據(jù)ADAC（全德汽車俱樂部，德國最大的交通協(xié)會）統(tǒng)計(jì)，德國2004年有40%的車輛故障最終歸咎于軟件問題或電子部件故障。為此，必須在保證電子系統(tǒng)整體可控的前提下研發(fā)新功能，于是出現(xiàn)先拆解研發(fā)而后在集成的流程。
        先將電子系統(tǒng)研發(fā)拆解為軟件系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)、傳感器和執(zhí)行器四大部分，經(jīng)過V模型流程研發(fā)，最終再次集成。這個(gè)V模型涵蓋了從系統(tǒng)層面到軟件層面以及集成后的功能測試和系統(tǒng)測試等流程，是當(dāng)今汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用的開發(fā)流程。
        軟件開發(fā)流程：
        1.分析終端客戶需求、定義邏輯系統(tǒng)架構(gòu)這一步是根據(jù)終端客戶的需求以及法規(guī)需求定義出整車軟件系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)。其中包含各大功能塊的定義，功能塊接口定義和功能塊之間的通信定義。這一步僅考慮滿足原始需求，不會涉及任何技術(shù)層面的具體分析。

        2. 分析邏輯系統(tǒng)架構(gòu)需求、定義技術(shù)層面系統(tǒng)架構(gòu)邏輯系統(tǒng)架構(gòu)為定義具體的技術(shù)層面系統(tǒng)架構(gòu)提供了基礎(chǔ)。在這一步中開始討論具體的技術(shù)問題，哪些功能將通過軟件實(shí)現(xiàn)、軟件塊分裝在哪些電子控制單元以及電控單元之間采用什么通信協(xié)議等等。軟件系統(tǒng)初現(xiàn)雛形。
        3. 分析軟件需求、定義軟件架構(gòu)這里開始具體到電控單元中對于軟件本身的需求分析。根據(jù)需求，定義出合適的軟件架構(gòu)。同時(shí)，還要考慮電控單元存儲資源的最優(yōu)使用、為滿足安全法規(guī)的冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)等等。這里，會把軟件進(jìn)一步細(xì)分為更小的軟件部件，定義各個(gè)部件之間的接口、分層和邊界。

        4. 定義軟件部件針對每個(gè)軟件部件會繼續(xù)定義出需求。這里的需求集中在功能層面，尚不考慮具體的軟件實(shí)現(xiàn)方式等。

        5. 設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)及測試軟件部件依據(jù)具體的需求，工程師開始分別搭建不同的軟件部件。在前面一系列的拆解、分析和定義后，終于抵達(dá)了軟件最核心最具體的世界——代碼。與人們熟知的程序員直接寫代碼稍有區(qū)別，傳統(tǒng)的汽車軟件研發(fā)采用的是基于模型開發(fā)。如下圖所示，邏輯運(yùn)算通過模型的方式表達(dá)出來，相比于代碼更加直觀，便于日后的標(biāo)定工作和維護(hù)。在一個(gè)電控單元中，有上千個(gè)這樣的功能函數(shù)，如下圖所示的功能模型組合到一起，會形成一份上萬頁的文件。這份文件是接下來所有流程的基礎(chǔ)。當(dāng)然這套模型只是工程師之間便于交流的高級語言，最終它們會被人工或計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)為代碼進(jìn)入控制器中工作。早年間，模型到代碼中間的轉(zhuǎn)換工作由人工完成。這造成的問題是，代碼無法統(tǒng)一化和標(biāo)準(zhǔn)化。面對一個(gè)軟件邏輯模型，程序員可以用多種方法完成代碼編譯工作，達(dá)到同樣的功能效果。但是，代碼運(yùn)行所占用的硬件資源或嚴(yán)謹(jǐn)度會大不相同。因此，近年來轉(zhuǎn)碼工作逐漸被機(jī)器取代。軟件工程師事先定義標(biāo)準(zhǔn)的編譯規(guī)范，保證最終代碼統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)。
        每一個(gè)軟件部件完成后，要進(jìn)行相應(yīng)的軟件測試。這里還不會聚焦功能層面的測試，僅僅針對軟件本身。例如軟件中是否因設(shè)計(jì)不當(dāng)產(chǎn)生死循環(huán)、每個(gè)信號定義的范圍是否恰當(dāng)、會不會造成溢出錯(cuò)誤或者會不會出現(xiàn)除以零的運(yùn)算情況等等。針對這些，工程師要事先定義測試方案，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行全方位全覆蓋的軟件邏輯測試。例如，對于if, else語句需要把每一種可能的情況都測試檢查到。

        6. 集成及測試軟件部件單一軟件部件研發(fā)測試完成后，將它們集成到一起就形成了每個(gè)電控單元中完整的軟件包。這套軟件包在集成后依然需要測試，檢查各部件之間是否兼容，是否有開放接口等等。

        7. 系統(tǒng)集成及測試當(dāng)軟件包集成測試結(jié)束，它們將被刷進(jìn)每一個(gè)電子控制器中。每個(gè)控制器與相應(yīng)的傳感器、執(zhí)行器等用線束相連，最后控制器之間接通總線通信。這樣整套電子系統(tǒng)終于誕生。如新生兒一般，這套系統(tǒng)依然十分脆弱和稚嫩，還有很大的潛力等待被開發(fā)。
        系統(tǒng)集成后的第一批測試往往是問題重重。因?yàn)橄到y(tǒng)高度復(fù)雜，各個(gè)研發(fā)部件被分工研發(fā)，即便之前有嚴(yán)格的測試流程，仍會有許多漏網(wǎng)之bug。如果分工研發(fā)的各部門之間沒有在開發(fā)過程中充分交流，集成后可能會出現(xiàn)各類兼容性問題。針對每一個(gè)問題，工程師們都不會忘記前面提到的拆解和掌控。拆解表象問題，找到根源，修復(fù)軟件bug，掌控整套系統(tǒng)。

        8. 標(biāo)定系統(tǒng)測試結(jié)束后將進(jìn)入軟件標(biāo)定階段，這也是軟件開發(fā)中的重要階段。在軟件實(shí)現(xiàn)階段，工程師會在軟件中預(yù)留一些可標(biāo)定參數(shù)而不是固定的數(shù)值，等待標(biāo)定。這是基于成本考量，車型繁多的整車廠不可能為每款車型單獨(dú)開發(fā)一套軟件系統(tǒng)。一般的解決方案是研發(fā)平臺軟件，適用于多款車型。然而每款車型都有自己的特點(diǎn)，平臺軟件無法讓這些特點(diǎn)發(fā)光，標(biāo)定可以。通過改變不同的參數(shù)數(shù)值，可以讓車輛實(shí)現(xiàn)不同的駕駛性能，這也給了標(biāo)定工程師很大的發(fā)揮空間。

        9. 系統(tǒng)測試及接受度測試標(biāo)定完成后，就進(jìn)入了整套流程的最終階段。依據(jù)流程一開始提出的需求，忽略那些具體的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段，站在整個(gè)系統(tǒng)的高度檢驗(yàn)它是否達(dá)到了終端客戶的需求。到了這一步，整套軟件系統(tǒng)已經(jīng)十分成熟。在正式進(jìn)入量產(chǎn)前會從一個(gè)時(shí)間點(diǎn)開始，停止所有軟件和標(biāo)定變更，為最終量產(chǎn)做準(zhǔn)備。
        整套V模型走下來可以看到，左側(cè)和右側(cè)的每個(gè)環(huán)節(jié)相互對應(yīng)。需求為定義測試方案提供基礎(chǔ)，而測試結(jié)果又會帶動進(jìn)一步的開發(fā)和完善。你或許會問，如果從V模型的左上角好不容易一路走到右上角，結(jié)果最后一步測試發(fā)現(xiàn)當(dāng)初第一步的系統(tǒng)構(gòu)架出了設(shè)計(jì)問題，那豈不是為時(shí)已晚？難道還要一切重新來過？的確，軟件系統(tǒng)十分復(fù)雜，研發(fā)周期長。如果只是沿著V模型慢慢悠悠從左到右走一遍，等最后一步才發(fā)現(xiàn)問題，那確實(shí)一切都來不及了。因此，在實(shí)際研發(fā)中會持續(xù)不斷地集成、持續(xù)不斷地測試，工程師們會把V模型從左到右重復(fù)走許多遍。研發(fā)初期連原型車都還沒有的時(shí)候，軟件測試會依靠整車仿真系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行，發(fā)動機(jī)、變速箱、電子控制器、總線等都虛擬存在于工程師電腦中（SiL, Software in the Loop）。在仿真系統(tǒng)中，汽車可以如真實(shí)般開動，模擬各種工況提供給工程師測試。
        隨著車型研發(fā)推進(jìn)，某些電子控制器研發(fā)完成，他們可以取代那些虛擬的電子控制器進(jìn)入測試環(huán)境，但是其他部件仍為虛擬仿真（HiL, Hardware in the Loop）。直到有一天，原型車研發(fā)完成，軟件集成和測試進(jìn)入試驗(yàn)臺架。最終，原型車調(diào)試完畢落地，軟件測試進(jìn)入實(shí)車階段。可以說，軟件開發(fā)的起始點(diǎn)非常早，從虛擬到現(xiàn)實(shí)一路走來，一直延續(xù)到最后的量產(chǎn)前夕。其實(shí)目的只有一個(gè)，通過不斷集成和測試，盡可能發(fā)現(xiàn)所有問題，保證汽車的駕駛性、舒適性和安全性。

        五、汽車電子軟件發(fā)展趨勢

        1、 ECU整合度將提升 早在去年，大眾就宣布力爭讓汽車上只有一個(gè)ECU。在一些供應(yīng)商巨頭內(nèi)部，確實(shí)也在這么做。特別是在ADAS和自動駕駛下，整合的ECU架構(gòu)尤為重要。

        2、 ECU將承載更多的傳感器 未來汽車將需要更多的傳感器來感知環(huán)境，以及依靠傳感器來保證冗余設(shè)計(jì)。這對ECU的能力來說也是考驗(yàn)。不過高級算法與機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展，有望取代一部分傳感器，減少傳感器數(shù)量。

        3、 汽車以太網(wǎng)發(fā)展長期以來，汽車ECU都是在一個(gè)封閉的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下。不過隨著智能汽車技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，很有可能會催生汽車以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)跨域通信。不過如何保證功能安全，這將又是對汽車軟件的一大考驗(yàn)。 數(shù)據(jù)量的提升、HAD的冗余要求、互聯(lián)環(huán)境下的安全保障，以及跨行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的需求很有可能催生汽車以太網(wǎng)，并使其成為冗余中央數(shù)據(jù)總線的關(guān)鍵助推因素。以太網(wǎng)解決方案可以實(shí)現(xiàn)跨域通信，并通過添加以太網(wǎng)擴(kuò)展，例如音-視頻橋接（AVB）和時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）等，來滿足實(shí)時(shí)性要求。 本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將繼續(xù)在車輛上運(yùn)用，但僅用于封閉式的低級網(wǎng)絡(luò)，如傳感器和執(zhí)行器等。FlexRay和MOST等技術(shù)有可能被汽車以太網(wǎng)及其擴(kuò)展（如AVB、TSN等）取代。

        4、整車企業(yè)會嚴(yán)控與功能安全及HAD相關(guān)的數(shù)據(jù)互連，但將為第三方訪問數(shù)據(jù)開放接口 發(fā)送與接收安全關(guān)鍵數(shù)據(jù)的中央互聯(lián)網(wǎng)關(guān)將始終直接且僅連接到整車企業(yè)的后臺，第三方會被允許進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問（被監(jiān)管法規(guī)排除的場景除外）。然而，在車輛APP化的推動下，資訊娛樂系統(tǒng)的新興開放接口將允許內(nèi)容和應(yīng)用程序供應(yīng)商加載內(nèi)容，而整車企業(yè)將盡可能嚴(yán)格地保持各自的標(biāo)準(zhǔn)。目前的車載診斷端口將被互聯(lián)通訊方案取代。通過接入整車物理端口來讀取車輛數(shù)據(jù)不再必要，登陸車企后臺即可。車企將在其后臺開放若干數(shù)據(jù)接口，以滿足若干特定場景的需求，如失竊車輛軌跡追蹤或個(gè)性化保險(xiǎn)等

        5、汽車將在云端結(jié)合車內(nèi)及車外信息雖然非車企以外的企業(yè)參與程度仍取決于監(jiān)管法規(guī)，非敏感數(shù)據(jù)（即非隱私或安全相關(guān)數(shù)據(jù)）仍然有望更多地在云端進(jìn)行處理。隨著數(shù)據(jù)量的增長，大數(shù)據(jù)分析將被越來越多地應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理，并將基于數(shù)據(jù)處理結(jié)果制定相應(yīng)的行動方案。
基于數(shù)據(jù)的自動駕駛的應(yīng)用及其他各項(xiàng)數(shù)字化創(chuàng)新將依賴于不同企業(yè)之間的數(shù)據(jù)共享。當(dāng)然現(xiàn)在仍然不清楚不同企業(yè)間的數(shù)據(jù)共享將如何實(shí)現(xiàn)、由誰實(shí)現(xiàn)，但主要的傳統(tǒng)供應(yīng)商和技術(shù)企業(yè)已經(jīng)開始建立有能力處理此種海量數(shù)據(jù)的集成化平臺。

        6、汽車將應(yīng)用雙向通信的可更新部件通過車載測試系統(tǒng)，汽車可以實(shí)現(xiàn)自動檢查功能和集成更新，從而推動生命周期管理，以及增強(qiáng)或解鎖產(chǎn)品的售后功能。所有ECU都會與傳感器和執(zhí)行器交換數(shù)據(jù)，并檢索數(shù)據(jù)包來支持創(chuàng)新性用例，如基于車輛參數(shù)的路線計(jì)算。OTA更新是HAD的前提條件，它還將有助于開發(fā)新功能、確保網(wǎng)絡(luò)安全，并使車企得以更快部署功能與軟件。事實(shí)上，正是OTA推動了本文提及的多項(xiàng)整車架構(gòu)上的重大變革。為實(shí)現(xiàn)類似智能手機(jī)那樣的升級性，汽車行業(yè)須克服限制性的經(jīng)銷合同、監(jiān)管要求和安全與隱私問題等諸多挑戰(zhàn)。整車企業(yè)將與該領(lǐng)域的技術(shù)供應(yīng)商密切合作，在OTA平臺上實(shí)現(xiàn)車隊(duì)標(biāo)準(zhǔn)化。車輛將在全壽命周期內(nèi)獲取功能性及安全性升級。監(jiān)管部門可能強(qiáng)制要求軟件維護(hù)，來確保車輛設(shè)計(jì)的安全完整性。更新和維護(hù)軟件的責(zé)任將在車輛維護(hù)與運(yùn)行領(lǐng)域催生新業(yè)務(wù)模式。中國將成為汽車軟件及電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新高地中國的整車行業(yè)在過去幾年取得了有目共睹的巨大發(fā)展。國產(chǎn)汽車行業(yè)的進(jìn)展不僅體現(xiàn)在傳統(tǒng)能源汽車的研發(fā)及制造上，也同時(shí)體現(xiàn)在了諸如汽車電動化、共享化、互聯(lián)網(wǎng)化、無人駕駛化等所謂“新四化”上。國產(chǎn)汽車軟件及電子的發(fā)展，也會借此東風(fēng)，不斷取得新發(fā)展。
        國內(nèi)一些車企在上面軟件發(fā)展趨勢中也有所動作：ECU整合：比亞迪早前宣布在最新的e平臺上實(shí)現(xiàn)儀表、空調(diào)、音響、智能鑰匙等控制模塊10合1，使整車控制模塊線束大幅減少，降低模塊故障率以及提升生產(chǎn)裝配效率。
        汽車以太網(wǎng)：上汽集團(tuán)早前推出了基于全新電子電氣架構(gòu)的電動車平臺——Double E架構(gòu)，核心亮點(diǎn)之一是采用了支持海量數(shù)據(jù)極速傳輸?shù)囊蕴�網(wǎng)技術(shù)。
        整車廠商開放數(shù)據(jù)接口：比亞迪早前上線了汽車智慧開放平臺，并通過該平臺將車內(nèi)信號封裝為數(shù)百個(gè)API。開放的API內(nèi)容涵蓋車身、行駛數(shù)據(jù)、車速、全景、空調(diào)、雷達(dá)、充電設(shè)備等18類數(shù)據(jù)。
        云端數(shù)據(jù)處理：阿里巴巴推出的AliOS智聯(lián)網(wǎng)汽車解決方案，其一大亮點(diǎn)是充分發(fā)揮了阿里云在云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能的優(yōu)勢，借助阿里巴巴的生態(tài)能力，賦能合作伙伴更好探索“數(shù)據(jù)x智能”驅(qū)動的新型業(yè)務(wù)模式。
        OTA：上汽與阿里巴巴合作的斑馬智行在2017年底/2018年初完成對近40萬臺榮威/MG品牌乘用車的OTA升級，受到了業(yè)內(nèi)極大關(guān)注，堪稱是智能汽車在華發(fā)展的標(biāo)志性事件之一。汽車軟件和電子系統(tǒng)的新時(shí)代已經(jīng)開啟。此前業(yè)內(nèi)奉為圭臬的業(yè)務(wù)模式、客戶需求和競爭格局都將發(fā)生劇變。我們對即將產(chǎn)生的產(chǎn)值和利潤持樂觀態(tài)度。但若想從變革中獲益，汽車行業(yè)的所有參與者均應(yīng)根據(jù)全新的環(huán)境，重新思考和謹(jǐn)慎定位（或再定位）自身的價(jià)值主張。

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