车载智能计算基础平台SOA软件架构白皮书.pdf
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1、车载智能计算基础平台车载智能计算基础平台SOA 软件架构白皮书软件架构白皮书 中国智能网联汽车产业创新联盟中国智能网联汽车产业创新联盟 基础软件工作组基础软件工作组 2022 年年 8 月月 2 日日 I 目目 录录 前 言.1 第一章 研究背景及意义.3(一)汽车电子电气架构发展趋势.4(二)车载智能计算基础平台.5(三)面向服务的架构 SOA.5(四)智能驾驶域 SOA.8 第二章 SOA 架构技术简介.10 第三章 SOA 架构在汽车行业的发展现状.11(一)国外发展现状.11(二)国内发展现状.14 第四章 车载智能计算基础平台参考架构.17(一)系统软件层.17(二)功能软件层.20
2、 第五章 车载智能计算基础平台 SOA 接口.24(一)智能驾驶通用模型及其接口.24(二)功能软件通用框架及其接口.26(三)数据抽象接口.27 第六章 车载智能计算基础平台 SOA 核心架构.29(一)软硬件解耦.30(二)智驾功能的基础服务分解.31(三)网联云控服务.31 II (四)信息安全服务.32(五)系统软件.32(六)OEM自动驾驶应用软件 SOA 开发 SDK.33 第七章 车载智能计算基础平台 SOA 实现的扩展技术.35(一)SOA与内核.35(二)容器.35(三)虚拟化技术.36(四)通信技术.37 1 面向服务的通讯.37 2 实时以太网技术.40 3 DDS 与
3、TSN 联合调度.42(五)SOA架构中的信息安全技术.42 1 SOA 系统环境安全.42 2 安全的 DDS模型.43(六)OTA 技术.44(七)云原生.45 第八章 车载智能计算基础平台 SOA 应用参考实践.46(一)基于微服务和容器的车道保持.46(二)基于 SOA 服务的云车协同实践.49 缩略语缩略语.52 参考文献参考文献.53 附件附件 A 安全安全 SOA 服务框架服务框架.54 1 前前 言言 智能化和网联化不仅仅是全球汽车产业的发展方向,也是国家发展战略的重要方向。为此,工业和信息化部印发的车联网(智能网联汽车)产业发展行动计划(以下简称行动计划)提出了智能网联汽车发
4、展的阶段目标和任务以及需要突破的关键技术。车载智能计算基础平台是行动计划提出的关键技术之一,基础平台相关的硬件及软件,特别是软件架构设计是自动驾驶和车联网应用的重要基石。由中国软件评测中心、工信部装备工业发展中心牵头发布的车载智能计算基础平台参考架构 1.0中提出了基于异构分布的硬件平台和集成自动驾驶操作系统的车载智能计算基础平台参考架构。SOA 白皮书基于上述参考架构,从软件架构和软件设计的角度分析了智能网联汽车特别是自动驾驶功能的实际应用需求,提出了智能网联汽车基础平台软件设计的 SOA核心架构,详细探讨了 SOA服务接口,可扩展的关键技术,以及包括信息安全/数据安全的基础服务。本白皮书由
5、中国智能网联汽车产业创新联盟基础软件工作组成员共同起草,致力于促进汽车技术基础平台软件架构的开放性,应用软件的通用性,服务组件的模块化,汽车感知数据接入和通讯接口标准化,智能网联汽车服务软件和应用开发,为实现软件定义车辆奠定基础。在此衷心感谢参加研究报告编写的各单位、组织及个人。2 组织指导组织指导:中国智能网联汽车产业创新联盟基础软件工作组 编写编写单位单位:国汽智控(北京)科技有限公司、禾多科技(北京)有限公司、苏州挚途科技有限公司、紫金山实验室、中瓴智行(成都)科技有限公司、北京邮电大学、福特(南京)工程技术研究院、北京经纬恒润科技股份有限公司、北京谦川科技有限公司、中国软件评测中心(工
6、业和信息化部软件与集成电路促进中心)。参研单位参研单位:武汉光庭信息技术股份有限公司、中兴通讯股份有限公司、清华大学、国家工业信息安全发展研究中心、北京地平线机器人技术研发有限公司、上海睿赛德电子科技有限公司、北京国家新能源汽车技术创新中心有限公司、北京智行者科技有限公司、北京超星未来科技有限公司、南京芯驰半导体科技有限公司、普华基础软件股份有限公司、黑芝麻智能科技(成都)有限公司、华为技术有限公司、北京百度智行科技有限公司、广东为辰信息科技有限公司、长沙智能驾驶研究院有限公司、苏州智行众维智能科技有限公司、华砺智行(武汉)科技有限公司。参编人员参编人员:尚进、陈林、丛炜、黄小云、于英俊、何知
7、俊、白钰、陈绪戈、杨修浩、朱海龙、蒋彪、吴超、孟祥雨、金燕江、於大维、于雅琪、郭伟、孟庆洋、王伟、余贞金、李诒雯、陈晓、羊诚、郑四发、张创、余宇舟、程智锋、熊谱翔、李克、杨上东、吴倩、张放、耿庆官、熊祺、朱煜奇、陶圣、刘艳玲、张晓先、罗青松、黄何、申泽庶、贾元辉、陈丽蓉、罗家豪、张启迪、任学锋。3 第一章第一章 研究背景及意义研究背景及意义 在传统汽车逐渐被智能网联汽车颠覆的趋势下,软件在产业价值链和商业模式中越来越重要,软件定义汽车成为发展方向。ADAS 的发展及自动驾驶的需求促使汽车电子电气架构从分布式的功能框架向集中式的智能计算平台演进。自动驾驶软件的复杂性和快速更新迭代要求智能计算平台
8、软件设计不仅要支持基础 OTA 功能而且要实现软硬件解耦、区域分离、软件模块和通讯接口开放、算法和应用模块重用。网联化使汽车成为互联网的一部分,其应用场景涵盖移动通讯、云车协同、车路协同、数字孪生和智慧交通等。这些应用场景促使汽车在信息交互、移动通讯、数据交换和应用共享方面需要实现开放。车载智能计算基础平台作为车联网的基础节点,其软件架构设计需要涵盖上述应用场景,主要包括基于 5G和边缘云的协同计算、基于 V2X 的感知规划、基于融合智慧交通的网联云控等。从软件设计的角度,需要考虑对复杂应用软件的支持,以及在处理分布和计算资源分配方面的灵活性和可扩展性。计算平台的设计(特别是软件架构的设计)应
9、遵循 SOA 设计理念,即分层化、模块化和标准化,使服务和应用能够在不同车型、硬件平台、操作系统上复用,并且可以通过标准化接口对应用功能进行快速迭代升级。从计算平台本身的角度看,架构设计需要涵盖系统软件(虚拟机、系统内核、中间件)、功能软件以及应用软件三个层次。从车联网的角度看,软件架构设计应涵盖计算平台、边 4 缘计算和中心云三个维度的资源协同、数据共享和应用扩展。在成熟的 SOA 架构基础上,丰富的应用生态将具备更大的价值空间,助力实现真正的软件定义汽车。(一)(一)汽车电子电气架构发展趋势汽车电子电气架构发展趋势 随着智能汽车的快速发展,汽车电子化程度越来越高,车内电控单元的数量呈指数增
10、长。智能汽车应用场景需要多类型、多数量的传感器支撑,进而需要集中化、高算力的车辆域控制器进行算力聚合,以满足智能汽车的算力需求。汽车电子电气架构的演进趋势由传统分布式架构到域集中式架构最后到中央集中式架构转变,如图 1 所示。传统汽车电子电气架构无法满足智能汽车的算力和模块高扩展性的需求,分布式 ECU 方案通常采用低功耗、低算力硬件单元,数据处理能力较弱,且各ECU 之间的算力无法进行整合。此外,传统分布式 ECU 方案软硬件强耦合,且每个 ECU 的软件逻辑、处理的传感器数据、实现的功能都相对单一和固定,后续迭代升级的资金和时间成本巨大。图 1 汽车电气架构演进趋势(来源:博世)5 (二二
11、)车载智能计算基础平台车载智能计算基础平台 车载智能计算基础平台是新型集中式电子电气架构发展趋势下出现的新型核心零部件,是集中式电子电气架构的基础支撑。车载智能计算基础平台集成异构分布硬件平台和智能驾驶软件平台,可以提供强大集中的算力,满足智能汽车的需求。车载智能计算基础平台可以实现硬件标准化和软件开发车辆应用功能,实现供应商可替代,加速软件迭代周期。智能汽车将成为移动数据中心,大量边缘计算工作可以集中至计算平台,有力解决传统电子电气架构中各ECU算力不足的问题。作为承接并支撑汽车芯片、基础内核与整车发展的关键产品,车载智能计算基础平台及其搭载的软件平台涵盖产业链上游、中游和下游产业,对各个关
12、键零部件产业的发展有极大的推动作用,将成为半导体、汽车电子等产业增长的驱动力,具有广阔的市场前景。其中,上游产业包括传统芯片、操作系统、基础软件、AI 芯片、人工智能等,中游产业包括智能汽车计算平台等,下游产业包括零部件和整车等。此外安全防护、测试评价等产业为智能汽车计算平台的发展提供支撑,同时,也会带动 5G、云计算、大数据、移动支付、共享出行等服务产业的发展。(三三)面面 向服务的架构向服务的架构 SOA 软件定义汽车是大势所趋。目前,汽车行业已掀起智能化转型浪潮,并在主控芯片的算力方面展开激烈竞争。回顾智能手机发展历程,竞争初期各厂商争相在诸如处理器、屏幕、摄像头等硬件方 6 面提升配置
13、。当硬件竞赛发展到一定程度时,厂商间的差异化竞争力将着重体现在软件层面。同时,软件具备边际开发成本更低、易满足用户个性化需求等优势。构建完善的软件生态可为整车厂打造更为差异化的品牌特征,从而反向推动新车销量。大众汽车认为软件创新在未来汽车创新中的占比将达到 90%左右。集中化的电子电气架构是实现软件定义汽车的硬件基础,而SOA 则是实现软件定义汽车的软件基础。传统分布式电子电气架构下,汽车采用“面向信号”的软件结构(如图 2 所示),ECU 之间的通信方式为通过 LIN/CAN 等总线进行点对点通信。相应的 ECU 信号已在编译软件阶段完成预设,收发关系和路由信息是静态的。如果想要升级或新增某
14、项功能时,需要修改与该信号相关的所有 ECU软件,并修改总线的网关配置和节点数量。因此,在传统的通信及ECU 软件架构设计中,各类信号能否准确、高效地在车内进行收发传导是通讯网络关注的重点。然而,随着汽车智能化升级需求的快速增长,传统通讯网络及软件架构中扩展性差、升级和移植成本高等问题逐渐凸显,当需要新增某项应用软件或服务时,需重新建立一个新的基础软件环境。为解决上述问题,汽车行业基于 IT 行业发展经验,引入 SOA 软件架构设计思想。电子电气架构正朝着以通用计算平台为基础,面向服务架构的方向发展。SOA 是一种软件架构,同时也是一种软件设计方法和理念,如图 3 所示。它将应用程序的不同功能
15、单元(称为服务)进行拆分,并通过这些服务之间定义良好的接口和协议联系起来。接口是采用 7 中立的方式进行定义的,它应该独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言。这使得构建在各种各样的系统中的服务可以以一种统一和通用的方式进行交互。SOA 具备松耦合、标准接口可访问和易于扩展等特点,使得开发人员能以最小的软件变更应对迭代多变的客户需求。图 2 “面向信号”的架构(Signal-Oriented Architecture)图 3 面向服务的架构(Service-Oriented Architecture)8 (四四)智能驾驶域智能驾驶域 SOA 当前,集中式电子电气架构的典型方案主要有三域EE
16、A和Zonal EEA,如图 4 和图 5 所示。Zonal EEA 即中央&区架构,搭载车载中央计算机和区控制器,Zonal EEA方案具有前瞻性,可能需要更长时间来实现。三域 EEA 利用三个大型域控制器实现车控、智驾、信息娱乐的功能,其中“三域”指车辆控制域、智能驾驶域和智能座舱域。车辆控制域是原动力域、底盘域和车身域等经典车辆域的整合,负责整车控制功能的实现;智能驾驶域负责自动驾驶相关感知、规划、决策相关功能的实现;智能座舱域负责 HMI 交互和智能座舱相关功能的实现。图 4 三域 EEA示意图(来源于网络)9 图 5 Zonal EEA示意图(来源于网络)智能驾驶域和智能座舱域的 S
17、OA 架构设计在底层有一定共通性,但智能驾驶域相比于智能座舱域具有更高的安全性和实时性要求,因此智能驾驶域SOA是整车SOA设计的难点、核心和关键。本白皮书主要针对智能驾驶域SOA开展研究,同时对与智能座舱域SOA和未来 Zonal EEA的智能驾驶域 SOA存在的共性问题提供参考。10 第二章第二章 SOA 架构技术简介架构技术简介 SOA 是一种设计思想和方法论,在 IT 领域已经有数十年的应用经验。在 SOA 中,服务是最核心的抽象手段和系统最基础的描述单元。每个服务组件具备独立的功能,且可被复用。服务组件之间的接口遵循统一标准,可互相访问,可组合扩展。业务过程则是带有状态和服务调度策略
18、的服务组件的组合与扩展。SOA 的优点主要包括:1)高扩展性,各个服务之间低耦合;2)易于部署,软件从单一可部署单元,被拆分成多个服务,每个服务都为可部署单元;3)易于开发,每个组件都可以进行持续集成式的开发,可以做到实时部署,不间断地升级;4)易于测试,可以单独测试每一个服务。另外,SOA的不足主要包括:1)由于强调互相独立和低耦合,服务可能会细致拆分,进而导致系统凌乱和笨重;2)服务之间的通信会使得整个架构变得复杂。SOA 的灵活性和可扩展性符合“软件定义汽车”的发展趋势。业务需求与硬件资源解耦是应用 SOA 的前提,汽车电子电气架构从分布式逐步向集中式发展,为 SOA 应用提供了基础条件
19、。在智能网联汽车中,大量的功能需要控制器间的协调工作来完成,因此,将SOA 引入到当前汽车软件设计中,将应用程序的不同功能单元(服务)进行拆分,通过定义良好的接口和契约将这些服务联系起来。接口是采用中立的方式进行定义,其应该独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言,使得构建在各种各样系统中的服务可以以一种统一和通用的方式进行交互。11 第三章第三章 SOA 架构在汽车行业的架构在汽车行业的发展现状发展现状 SOA 架构平台的发展是汽车行业一场巨大的改革,在 SOA 架构下所形成的产业分工中,车企和供应商纷纷在寻找自己的定位。(一)(一)国外发展现状国外发展现状 1 宝马 宝马对 ECU 按
20、照需求进行分类,如图 6 所示,将分散凌乱的ECU、传感器和执行器按类别定义 ECU 系统需求和统一开发方法,甚至统一管理供应商,最终实现系统优化。在中央计算平台进行整车功能的划分,将功能进行严格的抽取和封装,相互之间独立性强,复杂度大大降低,有利于功能单元的移植和复用。图 6 宝马自动驾驶平台架构 2 大众 大众率先采用了面向服务的MEB架构,如图7所示。MEB架构是一种用于构造服务的架构模式,主要来源于软件技术,独立域操 12 作系统、编程语言和软件框架。MEB 架构初衷是将软件划分为单独的软件组件,通过最小化组件之间的功能依赖性来提高软件的可扩展性和复用性。图 7 大众三域电子电气架构
21、从MEB架构的实现来看,SOA架构思想主要是通过不同服务的相互作用实现一个复杂的功能。每个服务都是一个独立可执行的软件组件,被准确描述了功能范围,通过准确定义的服务接口将功能提供给其他软件组件,服务以组合的形式来调动其他基础服务,然后将功能组合起来。大众也是将相关功能逻辑上移至域控制器,在域控制器下接嵌入式 ECUs、传感器和执行器。大众还公开了软件架构,使用 CP 和AP 服务中间件来实现 SOA 通信,其中 CP 连接传感器、执行器和嵌入式 ECU,收集信号,通过服务或者信号发送给 AP,AP 作为封装服务,和云端后台或者其他 AP节点进行服务交互。3 丰田 丰田电子电气架构经历了简单的
22、LAN 网络到分层 LAN 网络架构的转变,目前采用中央网关和域控制器架构,用于应对复杂的系 13 统需求和与日俱增的开发量。但随着车型的改进不断产生新的变型,系统和软件也变得越来越大,而且 Tier1 开发过程必须统一管理,基于这些目标,他们提出了 Central&Zone 架构,EE 架构需要引入中控 ECU,所有功能都分配到 ZoneECU。4 现代 如图 8 所示,在现代的通信架构设计中,CAN 网络会和以太网共存相当长一段时间,但 SOA 并不能直接和这些网络通信,而是采用了 SOA Adaptor模块来转换其他网络的功能和信息。在和云端交互的时候,SOA 需要使用外部设备来进行服务
23、级别的交互,这样在增强整车数据的开放性的同时增加了信息安全。另外,现代还在车内系统设计了 SOA Gateway 节点,用于升级安全等级。由于服务交互的频繁性,现代采用 SD Proxy 来高效地处理服务相关信息和进行服务更新,即安全或者强相关的服务通过 Service Router来访问。图 8 现代 SOA架构 5 AUTOSAR 14 AUTOSAR 组织为应对自动驾驶技术的发展推出了 AP架构,如图9所示。AP平台采用了SOA架构,由一系列的服务组成,应用和其他软件模块可以根据需求调用其中的一个或者多个服务,而服务可以由平台提供,也可以由远程其他部件提供,OEM 可以按照功能设计需求定
24、义所需的服务组合。AP 的主要特点是可根据应用需求动态加载,可通过配置文件动态加载配置,并可进行单独更新,相对于 CP,可以满足更强大的算力需求,更安全,兼容性好,可进行敏捷开发。图 9 Adaptive AUTOSAR 架构(二)(二)国内发展现状国内发展现状 与国外 OEM 不同,国内 OEM 尚未实现能完全自主定义的 HPC平台,仍需要各供应商配合,尤其是传统 OEM,变革涉及太多车型,以及庞大的供应商体系,使得固有的电子电气架构模式极难突破。因此采用更稳妥的循序渐进策略,将 SOA 理念的实施重点放在娱乐系统,以娱乐系统的验证来考量是否有实施整车 SOA 架构的条件。15 上汽零束提出
25、了 SOA 软件平台,将汽车的各个功能打通,使得他们相互联系起来。另外,上汽零束还打造了一个 SOA 软件平台的开发者平台,开发者平台将提供在线调试工具及仿真环境,在确保代码质量的同时,帮助开发者快速实现车端应用功能开发。此外,通过平台后台管理系统,开发者能对账号权限、应用风控及内容进行管理,实现软件在应用市场的审核、上架等。华为推出的 MDC 定位为智能驾驶的计算平台。平台基于 CPU与 AI处理器芯片,搭载智能驾驶 OS,兼容 AUTOSAR。其中 OS的功能软件采用 SOA 架构,定义了智能驾驶基本算法组件(如感知算法组件、融合算法组件、定位算法组件、决策算法组件、规划算法组件、控制算法
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