本文將討論具有區(qū)域架構(gòu)的軟件定義車輛如何推動開發(fā)更智能、更安全、更節(jié)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(jìn)行更新、降低成本并提供新功能

汽車原始設(shè)備制造商 (OEM) 持續(xù)致力于改善乘員體驗、簡化無線更新、降低設(shè)計和制造成本、收集更多車輛數(shù)據(jù)并創(chuàng)造新的收入來源。然而， 當(dāng)今基于域的車輛架構(gòu)無法輕松有效地滿足這些需求， 這也促使制造商轉(zhuǎn)向軟件定義車輛和區(qū)域架構(gòu)。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(xiàn)更智能、更安全和更節(jié)能車輛過程中的下一階段目標(biāo)。

一、基于域的車輛和軟件定義車輛

當(dāng)前，基于域的架構(gòu)在擴(kuò)展軟件功能方面顯得力不從心，而汽車制造商卻能夠借助無線更新技術(shù)，輕松實現(xiàn)軟件的維護(hù)與升級。域架構(gòu)將車輛功能的控制精細(xì)劃分為諸如車載信息娛樂系統(tǒng)、高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）等多個獨立域，具體架構(gòu)可參見圖。

如圖展示了車輛基于域的架構(gòu)示意圖。

然而，當(dāng)車輛功能需要跨越多個域進(jìn)行協(xié)同通信與控制時，這種細(xì)分化的架構(gòu)無疑會增加軟件開發(fā)的復(fù)雜度。軟件系統(tǒng)的更新也面臨重重挑戰(zhàn)，因為這些系統(tǒng)由不同的一級供應(yīng)商負(fù)責(zé)設(shè)計與制造，且各自采用不同半導(dǎo)體供應(yīng)商提供的處理器與微控制器。此外，控制車輛功能的軟件與硬件之間高度耦合，進(jìn)一步加劇了升級的難度。汽車制造商需安裝電子控制單元（ECU）以執(zhí)行特定功能，如座椅調(diào)節(jié)、泊車輔助等，并在每個ECU的微控制器上運行專門的應(yīng)用固件。由于ECU因車型和配置不同而有所差異，這無疑推高了制造與設(shè)計成本。因此，對所有車型、配置以及各個ECU進(jìn)行統(tǒng)一的軟件管理，無疑是一項浩大且復(fù)雜的工程，需要汽車制造商與多家一級供應(yīng)商，甚至半導(dǎo)體供應(yīng)商緊密合作，方能順利實施新的軟件更新。

相比之下，采用區(qū)域架構(gòu)的軟件定義車輛，通過集中化軟件管理，極大地簡化了無線更新的流程。該架構(gòu)通過將車輛硬件與高層應(yīng)用軟件解耦，賦予了軟件添加新功能的靈活性，并在不同車型與配置之間實現(xiàn)了更具成本效益的可擴(kuò)展性。

在軟件定義車輛（SDV）領(lǐng)域，集中式軟件架構(gòu)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，其核心亮點在于大幅削減了承載應(yīng)用軟件的電子控制單元（ECU）數(shù)量，并簡化了無線更新流程——通過減少需更新固件的處理器與微控制器種類，讓軟件迭代變得更為高效。當(dāng)需要增添新功能或應(yīng)用程序時，僅需對中央計算機(jī)或區(qū)域控制模塊的軟件進(jìn)行升級即可，因為下游負(fù)責(zé)機(jī)械驅(qū)動（如前照燈、車門模塊、音頻放大器）以及處于車輛網(wǎng)絡(luò)邊緣的傳感器等ECU，已從具體應(yīng)用軟件中剝離抽象，僅需執(zhí)行基礎(chǔ)控制指令。如此一來，執(zhí)行機(jī)械驅(qū)動的ECU以及邊緣傳感器的固件設(shè)計得以簡化，未來甚至有望將實時控制任務(wù)全面遷移至中央計算機(jī)處理。

不僅如此，集中式軟件架構(gòu)還賦予了車輛硬件更強(qiáng)的復(fù)用性與功能拓展性。原本專為特定應(yīng)用設(shè)計的傳感器與執(zhí)行器，如今可被靈活調(diào)配，承擔(dān)起全新的任務(wù)角色，進(jìn)而衍生出多樣化的創(chuàng)新功能。以車內(nèi)雷達(dá)傳感器為例，它最初或許僅用于乘員狀態(tài)監(jiān)測，但在軟件定義車輛架構(gòu)下，通過算法升級與軟件適配，便能額外承擔(dān)起入侵預(yù)警、盜竊檢測以及安全帶未系提醒等附加功能。這意味著，汽車制造商能夠更高效地挖掘車輛既有硬件與傳感器的潛力，以軟件創(chuàng)新驅(qū)動功能升級，實現(xiàn)“一物多用”。

更為關(guān)鍵的是，集中式軟件架構(gòu)實現(xiàn)了軟件功能的跨平臺擴(kuò)展（如圖所示），極大降低了開發(fā)成本。經(jīng)濟(jì)型車輛與豪華品牌車型可共享同一套軟件基礎(chǔ)架構(gòu)，僅通過差異化配置，便能實現(xiàn)諸如遙控免鑰匙進(jìn)入、車窗智能升降、后視攝像頭集成等基礎(chǔ)功能。豪華車型則可在這些共性功能之上，通過軟件升級疊加高級駕駛輔助、智能座艙體驗等增值服務(wù)。盡管在追求極致性能時，部分硬件升級仍不可避免，但整體架構(gòu)的模塊化設(shè)計，使得車輛計算能力的提升或縮減變得靈活可控——通過增減處理器與微控制器的數(shù)量，即可靈活調(diào)整中央計算機(jī)或區(qū)域控制模塊的計算性能，確保軟件與硬件的協(xié)同進(jìn)化。

在車輛中集成諸如座椅按摩、方向盤加熱以及道路噪聲消除等高級功能，往往需要額外安裝相應(yīng)的硬件組件。然而，通過集中式軟件架構(gòu)的革新，我們僅需對中央計算機(jī)或區(qū)域控制模塊進(jìn)行軟件層面的更新，便能實現(xiàn)對這些附加功能的精準(zhǔn)控制。值得一提的是，新興的無微控制器（MCU）技術(shù)正逐步簡化甚至有望徹底消除ECU中傳統(tǒng)上用于管理傳感與機(jī)械驅(qū)動的軟件冗余。例如，采用串行外設(shè)接口（SPI）的溫度傳感器，如今能夠直接與啟用了SPI通信的無微控制器物理層無縫對接。在此情境下，無微控制器的物理層接替了MCU的角色，并內(nèi)置了集成CAN或以太網(wǎng)收發(fā)器，從而省去了傳統(tǒng)上將SPI信號轉(zhuǎn)換為CAN信號所需的MCU，以及與傳感器通信時不可或缺的專用軟件。

為支撐軟件定義車輛（SDV）的靈活性與可擴(kuò)展性，硬件抽象層的設(shè)計顯得尤為重要。這一層通過構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用程序編程接口（API），實現(xiàn)了車輛硬件與軟件之間的有效解耦，為應(yīng)用程序源代碼在多個分布式ECU中的重用鋪平了道路。其中，微控制器抽象層（MCAL）作為底層硬件與上層軟件交互的橋梁，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。MCAL提供的API能夠抽象化底層硬件外設(shè)的復(fù)雜性，使得應(yīng)用軟件能夠跨越不同硬件平臺，與硬件進(jìn)行高效交互，而無需深陷于特定硬件的細(xì)節(jié)之中。這種抽象化設(shè)計對于提升軟件在不同車輛平臺間的可移植性至關(guān)重要，它允許汽車制造商（OEM）在多個車型和變體之間輕松復(fù)用軟件組件，僅需進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整即可滿足不同需求。

進(jìn)一步地，ECU抽象層（ECUAL）作為高級軟件與MCAL之間的接口，通過標(biāo)準(zhǔn)化API為所有可用的ECU硬件（包括MCU及各類外設(shè)器件，如CAN收發(fā)器、以太網(wǎng)PHY以及串行器/解串器設(shè)備等）提供了統(tǒng)一的訪問途徑。這一設(shè)計不僅簡化了硬件與軟件的集成過程，還增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性與可擴(kuò)展性，為軟件定義車輛的未來發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

二、軟件定義車輛支持的新技術(shù)

軟件定義車輛（SDV）技術(shù)為汽車制造商（OEM）開辟了全新的技術(shù)疆域與收入增長點。隨著車輛中電子器件與傳感器的日益集成，車輛性能數(shù)據(jù)、故障場景記錄以及駕駛員偏好信息變得前所未有的易于獲取。軟件定義車輛架構(gòu)不僅簡化了車輛數(shù)據(jù)的收集流程，還強(qiáng)化了數(shù)據(jù)的安全共享能力（詳見圖4），為數(shù)字孿生技術(shù)與車聯(lián)網(wǎng)（V2X）功能的深化發(fā)展提供了有力支撐。

借助數(shù)字孿生技術(shù)，即現(xiàn)實世界的虛擬鏡像，軟件定義車輛能夠?qū)㈥P(guān)鍵數(shù)據(jù)上傳至云端，用以精準(zhǔn)記錄車輛在實際運行中的性能表現(xiàn)。這些數(shù)據(jù)涵蓋電動汽車電池隨時間衰減的健康狀態(tài)、不同行駛條件下高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）傳感器的實時反饋，乃至車輛各項功能的使用頻率等。通過對這些數(shù)據(jù)的深度分析，OEM能夠精準(zhǔn)優(yōu)化車輛功能，顯著縮短應(yīng)對新挑戰(zhàn)（尤其是在ADAS與自動駕駛技術(shù)領(lǐng)域）的響應(yīng)時間。此外，該技術(shù)還能助力OEM提前識別特定車型的共性問題，并在問題升級為重大故障前，及時提供修復(fù)方案。

除了數(shù)字孿生技術(shù)的賦能，車輛數(shù)據(jù)在V2X通信中也扮演著舉足輕重的角色。V2X通信通過實現(xiàn)車輛、行人及基礎(chǔ)設(shè)施間的信息互聯(lián)互通，有效提升了道路安全與交通效率。例如，將車道偏離預(yù)警與車速信息等關(guān)鍵數(shù)據(jù)從中央計算系統(tǒng)安全傳輸至周邊車輛，能夠顯著增強(qiáng)防撞能力，降低交通事故風(fēng)險。

在探索新的收入來源方面，OEM正積極尋求突破。軟件定義車輛賦予了OEM對車輛內(nèi)部軟件的全面控制權(quán)，從而能夠打造出獨一無二的用戶體驗。針對可通過軟件激活的特定功能，OEM可靈活推出訂閱服務(wù)模式。這些功能既可以是簡單易用的座椅加熱，也可以是復(fù)雜先進(jìn)的高級駕駛安全功能。盡管訂閱模式可能對部分消費者吸引力有限，但其核心價值在于，新功能能夠通過軟件更新無縫融入現(xiàn)有車輛，無需消費者購買新車，既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。

在無線軟件更新流程方面，OEM需精心開發(fā)、測試無線（OTA）或固件無線升級（FOTA）軟件更新，并將其上傳至安全可靠的云端服務(wù)器，供車輛訪問下載。車輛則需具備下載并存儲更新的能力，無論是存儲在中央計算系統(tǒng)、區(qū)域控制器還是邊緣ECU中。鑒于更新生效通常需要ECU重啟，因此更新過程必須在車輛處于安全狀態(tài)時進(jìn)行。

在實施更新時，一種可行做法是通知駕駛員有可用更新，并引導(dǎo)其在安全停車后確認(rèn)啟動更新?；蛘?，系統(tǒng)也可通過跟蹤車輛使用時間，智能預(yù)估無需用戶干預(yù)即可執(zhí)行軟件更新的最佳時段。在此期間，車輛可能暫時無法啟動，因此更新過程必須高效完成，以最大限度減少對用戶的影響。在整個更新過程中，ECU需保持持續(xù)供電，并需充分考慮車輛的蓄電池容量，以確保更新順利進(jìn)行。為降低風(fēng)險，ECU可設(shè)計為同時存儲當(dāng)前軟件版本與更新版本，以便在下次啟動時靈活切換至更新版本。若更新失敗，系統(tǒng)可自動回滾至之前的軟件版本，確保車輛始終保持正常運行狀態(tài)。

當(dāng)車輛功能分散于多個ECU時，更新程序的規(guī)劃與協(xié)調(diào)顯得尤為重要。這包括為所有受影響的ECU部署更新包，并確保全系統(tǒng)的兼容性與性能不受影響。通過精心設(shè)計的更新流程，OEM能夠確保軟件更新既安全又高效，為軟件定義車輛的持續(xù)發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。

三、軟件定義車輛和區(qū)域架構(gòu)方法的差異

在汽車行業(yè)向軟件定義車輛（SDV）轉(zhuǎn)型的浪潮中，每家汽車制造商均采取了獨具特色的實施路徑。面對上一代車輛平臺遺留的技術(shù)與架構(gòu)限制，眾多汽車制造商正逐步向更契合集中式軟件策略的電氣與電子區(qū)域架構(gòu)遷移。

如圖所示，盡管多數(shù)汽車制造商均在積極研發(fā)區(qū)域架構(gòu)，但在決定車輛功能控制軟件的具體部署位置時，卻呈現(xiàn)出多樣化的策略選擇。集中軟件控制主要存在三種方案：一是將所有軟件集中于中央計算機(jī)；二是在中央計算機(jī)與區(qū)域控制模塊之間實現(xiàn)軟件功能的合理分配；三是將軟件分散部署于多個域控制器與區(qū)域控制模塊之中。部分汽車制造商傾向于將高性能計算任務(wù)（如高級駕駛輔助系統(tǒng)ADAS與車載信息娛樂系統(tǒng)）集中處理，同時為其他功能域增設(shè)額外的應(yīng)用處理能力。在ADAS與車載信息娛樂系統(tǒng)域之外，實時控制功能則通常在區(qū)域控制模塊或邊緣ECU中得以實現(xiàn)。

從汽車制造商的視角出發(fā)，集中計算方法無疑具有顯著吸引力，因為它能夠?qū)崿F(xiàn)單臺計算機(jī)對車輛所有功能的全面控制。然而，這一方案也面臨著通信鏈路故障可能引發(fā)的實時控制環(huán)路延遲（如主動懸架、車窗防夾功能）以及功能安全等方面的挑戰(zhàn)。

與此同時，分布式計算方法正逐步向集中式軟件架構(gòu)靠攏，部分應(yīng)用程序與實時控制軟件被保留在區(qū)域控制模塊中，甚至在獨立的域控制器中運行。值得注意的是，即便是在同一車輛內(nèi)部，不同汽車制造商對區(qū)域控制模塊的要求也各不相同。一個區(qū)域可能負(fù)責(zé)處理車身實時控制、暖通空調(diào)以及底盤功能，而另一個區(qū)域則可能專注于額外的車身、照明以及車輛控制單元應(yīng)用軟件。最終，汽車制造商必須在硬件與機(jī)械驅(qū)動控制延遲、車載網(wǎng)絡(luò)功能、功能安全、信息安全以及如何根據(jù)所選架構(gòu)及其特定區(qū)域控制模塊要求來構(gòu)建軟件之間找到平衡點，以確保軟件定義車輛的高效、安全與可靠運行。

結(jié)語

軟件定義車輛（SDV）正以前所未有的態(tài)勢，為汽車制造商開辟出一片充滿無限可能的新天地。這一創(chuàng)新理念不僅顯著縮短了新車與新功能的開發(fā)周期，大幅降低了研發(fā)成本，更在車輛的全生命周期內(nèi)，持續(xù)為駕駛者帶來煥然一新的體驗，同時為汽車制造商開辟了全新的收入增長點。

盡管在實現(xiàn)軟件定義車輛的道路上，汽車制造商擁有多樣化的策略選擇，但集中管理車輛軟件、實現(xiàn)硬件與軟件的深度解耦，無疑是推動這一變革的核心要義。通過構(gòu)建區(qū)域架構(gòu)，并深度融合軟件定義車輛的理念，汽車制造商能夠加速推進(jìn)智能化、安全化、節(jié)能化車輛的研發(fā)進(jìn)程，為消費者打造更加卓越、更加貼心的出行解決方案。

展望未來，軟件定義車輛將持續(xù)引領(lǐng)汽車行業(yè)的變革潮流，成為推動汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要力量。汽車制造商需緊跟時代步伐，積極探索創(chuàng)新路徑，以軟件為驅(qū)動，不斷塑造更加智能、更加安全、更加環(huán)保的未來出行新圖景。