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新一轮科技革命和产业变革方兴未艾，汽车作为新技术融合应用的最佳载体之一，正加速向智能化转型，智能汽车已成为全球汽车产业发展的战略方向。车载电子系统功能复杂度呈指数级增长，随着汽车级别的提升，软件占比不断提升。数据显示，2010年主流车型源代码约为1000万行，而2016年则达到约1.5亿行。2018年软件在整个D级车或大型客车中占比约为10%。摩根士丹利认为，软件占汽车价值的10%，未来软件将占汽车价值的60%左右。汽车技术和工程的核心正从传统硬件转向软件，大众汽车表示，软件创新将占未来汽车创新的20%。 约占总数的90%。

汽车架构正向基于通用计算平台的服务化架构发展，未来汽车差异化将更多体现在软件和先进电子技术赋能下的用户交互界面和体验层面，软件驱动汽车技术创新，引领产品差异化，软件定义汽车（SDV）是大势所趋。

软件定义汽车具体是指以人工智能为核心，以模块化、通用化的硬件平台为支撑，整车功能由软件技术决定的未来汽车。

软件定义汽车功能的增加和升级，可以通过软件的远程部署和更新实现，汽车硬件将成为模块化、通用化的平台和资源池，支持车辆软件的多样化开发和部署。

软件定义汽车引起了行业内外的广泛关注，但目前尚无文献对软件定义汽车的整车开发、整车物理结构、整车信息结构进行提出，对软件定义汽车技术体系没有明确的架构。缺乏对软件定义汽车整车物理结构、整车信息结构进行提出、总结提出软件定义汽车技术体系的文献。

这篇文章的结构安排如下：

第 1 章讨论软件定义的汽车开发；

第2章讨论了软件定义车辆的物理结构；

第3章讨论软件定义的车辆信息结构；

第四章提出了软件定义的汽车技术体系；

第 5 章结束。

1. 车辆开发

1.1 车辆开发流程

1.1.1 传统汽车开发流程

传统汽车整车开发流程整车开发流程定义了一辆汽车从概念设计、产品设计、工程设计到生产制造、最终成为商品的整个过程中各个业务部门的职责和活动，是构建汽车研发体系的核心。

传统汽车开发流程一般包括规划阶段、概念设计阶段、工程设计阶段、样车试验阶段及量产阶段，目前国际汽车厂商的研发流程已有成熟的模板，图1为通用汽车全球车辆开发流程。

图1 通用汽车全球汽车发展流程

1.1.2 软件定义汽车开发流程

软件定义汽车的整体开发流程依然包括上述五个阶段，但有以下显著差异。软件开发的比重将大幅提升，根据摩根士丹利的预估，未来软件价值比重或将达到60%左右。此外大众表示，到2030年，软件开发费用将占到整车开发费用的一半左右。

软件与硬件开发是解耦的，但持续的协同，如图2所示。通过软件与硬件开发的有效解耦和持续的协同，软件定义汽车使得软件的开发、验证和交付独立于汽车硬件开发的进度，每个阶段都可以即时发布软件产品。

图2 硬件解耦与持续协同

硬件开发向着架构化、模块化和工具箱策略发展，如图3所示。目前国内外各大汽车厂商在整车开发上注重平台化开发，使不同产品的子系统和零部件通用化。架构化和模块化的概念都是建立在平台化的基础上，当平台过多时，会导致冗余和浪费，通过研究平台间的关系，形成统一的架构，将各平台整合起来，平台化的概念注重物理上的共用部件，而架构化的概念注重设计过程中的同法化和制造过程中的模块化。工具箱策略是指无论车辆大小、性能如何，都可以通过现有车辆开发工具箱中的模块集成来组装各类车辆组成。

图3 大众的平台模块化战略（图片来源：大众）

从开发策略与整车层级的关系来看，平台化是单一整车层级的协同，底盘共享等策略只适用于特定整车层级的开发，而架构化、模块化则适用于多个整车层级的开发，而工具箱策略则覆盖了所有汽车层级的开发需求。

以用户需求为导向的定制化开发。软件定义的汽车将从单一的交通工具转变为用户的第三生活空间，车辆开发将更加关注用户需求、以用户需求为导向。

软件定义的汽车开发流程形成双闭环，第一个闭环是通过交互测评数据收集、用户画像构建等方式指导新车开发，另一个闭环是在用户使用阶段通过OTA技术进行软件的持续更新迭代，软件迭代过程贯穿于汽车的整个生命周期，因此汽车开发也成为一个至关重要的持续开发过程，直至汽车报废。

总体来说，软件定义汽车开发流程是一个双闭环开发过程，包括车辆开发和软件迭代，如图4所示。车辆开发主要指新车的开发阶段，一般包括规划阶段、概念设计阶段；软件迭代主要指用户使用阶段，通过交互式评测数据收集、用户画像构建来指导软件开发，以及利用OTA远程升级等技术对软件进行远程更新和迭代。

图4：按组件定义的双闭环车辆开发流程

1.2 车型发展模式

1.2.1 传统汽车发展模式

传统整车开发模式为V型开发模型，如图5所示。V型模型左侧涵盖需求分析，右侧对应模块测试，在软硬件模型完全搭建完成之前即可完成综合测试方案设计，有效保证测试方法与对应模块的兼容性，高效定位测试问题。但传统V型开发模型中“整车-系统-子系统-软硬件”的开发设计顺序局限于需求导向明确的整车开发，难以适应软件定义汽车功能快速迭代的需求。

图5：传统汽车开发模型

1.2.2 软件定义的汽车开发模式

软件开发在软件定义汽车开发模式构建中起着至关重要的作用。在传统的迭代式软件开发模式中，每次迭代都要经过需求分析、分析设计、测试等过程，并产生最终产品的子集。迭代使得产品能够更好地适应不断变化的需求。此外，敏捷开发、螺旋式开发等软件开发模式也能提高软件产品的开发效率。

软件定义汽车开发模型如图6所示，其融合了传统软件开发和V型汽车开发模型的优点，具有快速迭代、持续集成、并行开发、多平台适用和用户个性化等特点。

图6：车辆开发模型定义

在软件定义汽车开发模式中，首先进行系统解耦分析，将整车解耦为子系统进行需求分析，之后进入持续集成开发阶段，按照“设计-开发-测试-发布”循环不断将软件、硬件集成到系统主干中，最终发布。在持续集成开发阶段，利用各种开发工具平台的适用性，如、、等，可以大大提高汽车开发的效率。

车辆投入使用后，将根据用户反馈快速迭代，再次遍历“系统需求分析-持续集成”流程，通过OTA技术完成功能发布。

软件定义汽车开发模式继承了传统软件开发模式的优势，通过并行开发、持续集成、高效利用多种开发工具平台等方式，大幅提高车辆系统的开发和测试效率，最大程度满足用户个性化需求，使汽车开发贯穿整个产品生命周期。

2. 车辆物理结构

车辆物理结构具体是指车辆的物理硬件机械结构，包括动力系统硬件、底盘硬件、传感器、控制器、执行器、车身及座舱等。

2.1 传统汽车物理结构

传统汽车的物理结构主要由发动机、底盘、电气设备、车身四部分组成，如图7所示。发动机是传统汽车的心脏，为汽车提供动力。

图7：传统汽车的硬件架构

底盘负责支撑和安装发动机及其零部件、总成，构成汽车的整体造型，承载发动机动力，保证汽车正常行驶。电气设备负责起动控制、点火控制、照明及信号系统、电气辅助控制等，主要包括蓄电池、发电机、起动系统、照明及信号系统、信息显示系统、辅助电气系统、电子控制系统等。车身包括车窗、车门、驾驶舱、乘员舱、发动机舱、行李舱等。

2.2 软件定义车辆的物理结构

软件定义汽车的物理结构主要包括动力系统、环境感知系统、决策规划系统、控制系统、智能座舱等。

值得注意的是，软件定义汽车的物理结构具有可定义性和可定义性。作为通用的硬件资源池，软件定义汽车的物理结构支撑各种软件功能的实现，不同类型和复杂度的功能具有不同的层级，因而对汽车的物理结构要求也不同，因此汽车的物理结构可以通过软件来定义，汽车物理结构定义层级越高，汽车能够支持的软件功能就越复杂。从汽车开发的角度看，汽车物理结构的可定义层级将成为一种开发选项，可以针对不同需求的用户群体进行专门开发，促进汽车硬件开发的定制化。

下面简单概括一下软件定义汽车物理结构的主要组成部分。

（1）电力系统

近年来，许多国家纷纷出台政策，禁售燃油车或扶持新能源汽车。电气化具有促进能源多元化、提高能源转换效率、减排潜力更大等优势，是未来汽车动力系统的发展趋势。在我国，新能源汽车包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车和燃料电池汽车。相较于传统汽车以发动机为基础的动力系统，未来的软件定义汽车将以上述电气化动力系统为基础。

（2）环境感知系统

自动驾驶技术是车辆智能化的核心体现，主要包括环境感知、决策规划和车辆控制三部分。软件定义汽车的物理架构将涵盖环境感知系统、决策规划系统和控制系统。

环境感知系统主要包括车辆状态感知、交通状态感知以及与所有交通参与者的车对车（V2X）联网通信。

车身状态感知主要包括车速、角度传感器、组合导航系统等，通过传感器获取车辆的实时运行状态，作为输入信息提供给后续模块。

交通状态感知主要包括各种环境感知传感器，例如摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达等，多种传感器通过数据融合技术可以克服单一传感器的缺陷，提高综合感知性能。

V2X车联网通信使车辆能够与外部车辆（车车通信，V2V）、道路设施（车路通信，V2I）、行人（车行通信，V2P）等进行通信，V2X车联网通信强调车、路、用户的融合，三方之间的连接可以通过实时获取交通信息来提高安全性和效率。

（3）决策规划体系

决策规划系统的硬件主要为高性能计算单元，例如CPU、GPU、FPGA、ASIC等，在车辆行驶时，计算单元负责实时处理传感器采集的数据。

在自动驾驶算法的初始研究阶段，可以采用工业计算机进行集中计算，其集中计算架构有利于初期算法开发，但其体积大、功耗高、不适合量产等特点也限制了其进一步应用。

嵌入式域控制器适用于算法更加成熟后的自动驾驶计算方案。软件定义汽车内部的计算量大幅提升，通过将汽车划分为功能域，每个域包含一个域控制器，负责该域的计算，可以减少模块和功能之间的相互干扰，提高安全性。

此外，融合固化算法打造专用芯片，可以有效融合传感器与算法，直接处理原始数据，从而减少后端计算平台的计算负担，降低芯片功耗。

（4）控制系统

控制系统负责控制车辆的速度和转向，使车辆按照预先规划的速度曲线和预期路径行驶。传统的控制方法包括PID控制、滑模控制、模糊控制、模型预测控制、自适应控制、鲁棒控制等。

相较于传统车辆，线控技术将更多的应用于控制车辆转向、制动、油门等，其主要特点是执行机构与操纵机构之间无直接的机械连接，驾驶员的驾驶意图将直接转换成相应的电信号驱动执行机构的精确动作。线控系统技术需要对底盘进行改装以实现线控，已经具备自适应巡航、紧急制动、自动驻车等功能的车辆，在原有系统基础上无需经过多次改装，通过车载网络即可实现控制。

（5）智能座舱

未来汽车座舱极有潜力成为用户的第三生活空间，新一代通讯技术、人工智能、大数据、人机交互、汽车芯片及操作系统等技术进步将推动智能座舱不断发展，成为软件定义汽车物理结构的重要组成部分。

3.车辆信息结构

车辆信息结构具体是指车辆内涉及车内、车外信息通信、软件功能等的结构，包括车辆的电子电气架构和车载网络、软件架构、车联网等。

软件定义汽车的信息结构自下而上可分为整车电子电气架构及整车网络、软件架构、车联网三层，如图8所示，整车电子电气架构及整车网络支撑车载信息通信，软件架构实现具体软件功能，车联网实现车载网络、车辆间网络及车载移动互联网的融合。

图8：软件定义汽车信息结构三层架构

3.1 车辆电子电气架构及车载网络

3.1.1 传统汽车电子电气架构及车载网络

传统汽车电子电气架构的发展主要经历了三个阶段，如图9所示。

图9 传统汽车电子电气架构发展历程

第一代分布式电子电气架构采用点对点的链接方式，第二代分布式电子电气架构实现了功能模块化，第三代分布式电子电气架构增加了中央网关，实现了更大范围的不同功能子系统之间的通信，它们之间的通信如图10所示。

图10：第三代分布式电气电子架构

车载网络与电子电气架构的发展密切相关，现有的车载网络主要类型如表1所示。

表1 主要车辆网络

车载网络类型

主效应

最大传输速度

能

控制数据传输

1兆位/秒

林

车门、天窗、座椅和其他控制装置

20Kb/秒

最多

多媒体流数据传输

/秒

容错线控制动等底盘系统应用、辅助驾驶应用

10兆位/秒

控制器局域网络（CAN）是汽车专用总线标准，主要用于控制数据传输，是目前汽车行业应用最为广泛的标准。本地互连网络（LIN）是一种低成本的通用串行总线，主要用于车门、天窗等。媒体导向系统传输（MOST）主要用于多媒体流数据传输。车载网络主要用于容错环境下的线控制动等底盘系统应用。

分布式电子电气架构给汽车行业带来了巨大的变革，但这种架构的缺点和局限性也日益显现出来，如ECU底层代码兼容性差、代码冗余、代码复用性差、维护更新困难，软件定义汽车对高带宽、低时延的需求大幅增加，目前的总线网络已不能满足需求。

3.1.2 软件定义汽车电子电气架构及整车网络

目前正在研发的下一代电子电气架构是基于域控制器和以太网通信网络的集中式电子电气架构，如图11所示，该架构可以改善传统电子电气架构和整车网络的问题，适应软件定义汽车要求。

图11 集中式电气电子架构

集中式电子电气架构依然划分为功能域，每个功能域包含一个功能强大的域控制器（DCU），域控制器将复杂且相对集中的功能集成在一起，并集成了网关功能，域控制器最核心的优势就是其芯片的计算能力得到了极大的提升。强大的计算能力使得域控制器可以接管域内各ECU的信息计算处理功能，将计算ECU的数据信息集中汇总、统一处理，并将处理后的数据信息回传给ECU执行，将促进ECU集成度的提高。

基于域控制器的集中式电子电气架构以以太网作为骨干通讯网络，传统车联网以太网如CAN、LIN等可以保留在域控制器之下，以节省成本。

以太网带宽高，采用灵活的星型连接拓扑结构，每条链路可享有以上的带宽。以太网标准开放、简单，适应未来汽车与外界大规模通信和网络连接的发展趋势。组网灵活，带宽可扩展，适合连接各个子系统，促进车辆系统的网络化运行和管理。以太网可降低时间、生产和服务成本，促进产业落地。

基于域控制器的集中式电子电气架构和基于车载以太网的车载网络，可以满足软件定义汽车对信息处理计算能力和网络带宽的新要求，实现高计算能力，支持软件应用的持续升级，增强与云端的连接能力。因此，基于域控制器的集中式电子电气架构和基于车载以太网的车载网络非常适合软件定义汽车的电子电气架构和车载网络。

3.2 软件架构

3.2.1 传统汽车软件架构及发展趋势

传统汽车电子系统软件与硬件耦合在一起，ECU软件的开发和测试依赖于硬件，开发和测试困难、灵活性差。

基于此，提出标准来满足日益复杂的汽车软件需求，在不同的硬件平台上使用类似的软件解决方案，并共享软件组件。

采用分层架构，在微控制器层上分为三层，即应用软件层、中间件RTE、基础软件，如图12所示。

图12 系统架构

分层架构实现了软件、硬件模块的独立性，中间运行环境RTE有效隔离了软件和硬件的上下层，提高了软件开发和测试的效率。

自动驾驶技术的电子电气架构需要具备高性能计算能力的控制器，目前的控制器计算能力和通信带宽需要大幅升级，高性能计算能力（高吞吐量、高通信带宽）需要在硬件架构上，如异构多核处理器、GPU加速等，需要适配新的软件架构，支持跨平台计算能力、高性能微控制器计算、远程诊断等，另外V2X通信应用涉及动态通信和大量数据的高效分发，需要能够支持云端交互和非系统集成的软件架构。

为了适应这些新的需求，在其基础上出现了一种新的架构，基本架构如图13所示，主要包括应用层、操作层、基础服务层。

图13 系统架构

瞄准高性能计算处理器架构，其硬件层拥有更高的计算能力和更高的吞吐量，在保证安全级别、降低少部分实时性要求的同时，能够满足非实时架构系统软件的需求，并大幅提升高性能计算处理能力，支持大数据和智能互联应用功能的并行处理。

和架构可以实现针对不同应用场景的共存和协同，未来汽车很有可能采用包含和的异构软件架构。

3.2.2 软件定义的汽车软件架构

软件定义汽车软件架构如图14所示。软件定义汽车软件架构将继承的优势，既支持高安全性、高实时性的应用场景，又支持大数据并行处理和高性能计算的应用场景。延续软件分层架构，根据不同的解决方案设定和软件开发需求，设置不同的概念层。

图14 软件定义汽车软件架构

软件定义汽车中间件将推动应用程序与硬件的分离，承担车辆重构和软件安装升级的功能，推动软件抽象化、虚拟化，推动汽车向服务化架构转变。

软件定义的汽车底层操作系统对于车企来说具有重要的战略意义，未来缺乏自主操作系统的车企可能只能成为OEM企业。

3.3 车联网

软件定义汽车将向完全自主的智能网联汽车发展，如图15所示，智能网联汽车是智能汽车与车联网的交汇点，因此车联网将成为整个汽车信息中心架构的重要组成部分。

图15 智能汽车、智能网联汽车与车联网的关系

车联网即汽车之间的互联网，是物联网技术在智能交通领域应用的产物，车联网可以实现车与车、车与路、车与人、车与服务平台的全方位网络连接，全面提升汽车智能化水平。

4.软件定义汽车技术体系

本节提出软件定义汽车技术体系，如图16所示。软件定义汽车技术体系一般包括车辆物理结构、车辆信息结构、车辆功能层、软件开发、硬件开发、评估体系等。

图16：软件定义汽车技术体系

车辆的物理结构主要包括电子硬件，车辆硬件等。作为模块化的平台和资源池，车辆的物理结构为车辆信息结构和车辆功能分析，敏捷开发，自定义开发等提供了支持，主要是使用OTA使用OTA和其他技术来进行远程软件的构造和构造型号。校园，包括应用软件层，中间件，基本软件层等。车辆功能层包括特定的车辆功能，例如信息娱乐功能，智能的人类计算机交互，自动驾驶功能，系统更新和升级等。系统评估整个车辆的功能，包括通过用户分析和评估人工智能构建图形和大量数据，包括主观和客观评估。

在整个过程中，软件和硬件在结构和开发方面有效，车辆功能的定义和实现主要由软件驱动。

通常，软件定义的车辆技术系统具有以下关键功能：车辆硬件和软件的解耦，车辆物理结构的通用支持，车辆物理结构的确定性，车辆功能的软件定义以及车辆软件的远程迭代升级以及数据可收集性进行交互和评估。

车辆硬件和软件的解耦是指在结构和开发级别上的硬件和软件的解耦，从而解放软件并提高软件开发效率。

车辆物理结构的普遍支持意味着车辆的物理结构成为模块化，通用的平台和资源库，能够支持车辆软件的多元化开发和部署。

车辆的物理结构的确定性使车辆的物理结构取决于其软件定义的程度。

车辆功能的软件定义的性质意味着车辆功能将主要由软件定义和实现，这是软件定义的汽车的基本含义和目标。

车辆软件的远程迭代升级性意味着该软件可以通过诸如OTA等技术进行远程迭代升级，从而更改了产品使用模型和车辆开发模型，从而使汽车充分循环活力。

互动和评估的数据可收集性是指收集用户交互和评估系统数据，实现用户分析并满足个性化自定义需求的能力。

五、结论

软件定义的汽车是一般趋势。

在软件定义的车辆技术系统中，软件定义的双重闭环开发过程和平行的开发模型深入渗透软件和硬件开发，使汽车成为重要的产品，使整个车辆的开发继续在整个车辆生命周期中迭代，并且整个车辆的物理结构在整个车辆的物理结构中有效地脱离了车辆信息结构的策略，该车辆的定义是较长的型号。可以通过软件和服务共享的池，支持多元化的软件开发和部署，使汽车能够由软件定义。