一種基于SOA架構(gòu)的車輛服務(wù)平臺(tái)的分析

樸春日，欒 輝

0 引 言

智能化、網(wǎng)聯(lián)化是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方面。汽車新功能的開發(fā)速度越來(lái)越快，軟件布署更加復(fù)雜，用戶要求愈加豐富，這些對(duì)傳統(tǒng)電子電氣架構(gòu)提出了挑戰(zhàn)，新的電氣架構(gòu)開發(fā)模式逐漸出現(xiàn)。從IT 領(lǐng)域引入的SOA （Service-Oriented Architecture，面向服務(wù)架構(gòu)）被認(rèn)為是能夠支持未來(lái)汽車軟件發(fā)展的核心技術(shù)之一[1]。

SOA 自20 世紀(jì)90 年代被提出后，在IT 領(lǐng)域獲得快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[2]。將汽車軟件封裝成服務(wù)以提高軟件的可維護(hù)性和可重用性的思想[3]是汽車SOA架構(gòu)的核心理念。這些服務(wù)軟件模塊具有低耦合、自治的特點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)接口，通過(guò)SOME/IP（Scalable service-Oriented MiddlewarE over IP，基于IP 可擴(kuò)展的面向服務(wù)的通信中間件協(xié)議）被其他模塊調(diào)用。SOME/IP 是面向服務(wù)的通信協(xié)議，不同ECU（Electronic Control Unit，電子控制單元）之間通過(guò)Client/Server （客戶端/服務(wù)端） 或Sender/Reciever（發(fā)送端/接收端）方式進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)只在有需要時(shí)進(jìn)行傳輸，有效降低總線負(fù)載[4]。

目前，汽車領(lǐng)域多家企業(yè)已進(jìn)行了相關(guān)探索。聯(lián)合汽車電子有限公司提出將AP （Adaptive Platform，自適應(yīng)平臺(tái)）中間件集成于所開發(fā)的XCU（域控制器）平臺(tái)，以完成 SOA 汽車軟件的實(shí)現(xiàn)和布署[1]。 寶馬公司在新一代E/E （Electrical/Electronic，電子電氣）架構(gòu)中引入SOA 方法，為整個(gè)系統(tǒng)提供大量抽象服務(wù)[5]。

本文構(gòu)建一種基于SOA 的車輛服務(wù)平臺(tái)，其上運(yùn)行車身域和娛樂(lè)域的多種基礎(chǔ)服務(wù)，包括電氣件狀態(tài)服務(wù)如門鎖狀態(tài)、燈狀態(tài)等，電氣件控制服務(wù)如打開雨刮、播放音樂(lè)等。這些服務(wù)對(duì)外提供SOME/IP 接口和MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議）接口，方便其他應(yīng)用調(diào)用。用戶可對(duì)各類服務(wù)自由靈活調(diào)用編排，使之成為定制的車輛新功能。

1 SOA服務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

SOA 服務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)由應(yīng)用層、服務(wù)層和傳感執(zhí)行層3 部分組成。（1）應(yīng)用層布署和實(shí)現(xiàn)SOA 場(chǎng)景功能APP 軟件，例如提神模式、自定義場(chǎng)景等，并且可調(diào)用服務(wù)層服務(wù)，基于預(yù)設(shè)邏輯、時(shí)序等實(shí)現(xiàn)特定的應(yīng)用場(chǎng)景功能。應(yīng)用層的應(yīng)用場(chǎng)景由場(chǎng)景編輯器開發(fā)，操作流程如圖1所示，編輯場(chǎng)景時(shí)首先定義進(jìn)入場(chǎng)景的條件，包括觸發(fā)條件和狀態(tài)條件兩類，之后設(shè)置對(duì)應(yīng)場(chǎng)景的執(zhí)行動(dòng)作，并確定是否定義退出場(chǎng)景。全部?jī)?nèi)容定義完成后，將場(chǎng)景配置文件下載至車端。（2）服務(wù)層布署和實(shí)現(xiàn)SOA 服務(wù)軟件，例如外燈服務(wù)、導(dǎo)航服務(wù)等，該層一方面接收傳感執(zhí)行層狀態(tài)信號(hào)，向傳感執(zhí)行層發(fā)送控制信號(hào)，封裝信號(hào)為服務(wù)，另一方面向應(yīng)用層提供服務(wù)能力，供應(yīng)用層調(diào)用。（3）傳感執(zhí)行層提供車輛基礎(chǔ)的傳感、執(zhí)行能力，主要包括娛樂(lè)域、車身域。

圖1 場(chǎng)景編輯器操作流程

1.2 服務(wù)劃分

服務(wù)作為面向服務(wù)設(shè)計(jì)的最基本單元，承載了特定責(zé)任，為降低服務(wù)間的耦合，服務(wù)劃分應(yīng)滿足單一責(zé)任、低依賴和基于場(chǎng)景劃分的原則[6]。據(jù)此將常見的車身域和娛樂(lè)域功能抽離出來(lái)封裝成元服務(wù)，總計(jì)46 個(gè)服務(wù)、281 個(gè)服務(wù)接口，見表1，其中每個(gè)服務(wù)均由若干子服務(wù)（接口）組成，包括車輛已定義并實(shí)現(xiàn)的服務(wù)（車輛支持）、車輛已定義未實(shí)現(xiàn)的服務(wù)（車輛未支持）以及車輛未定義的服務(wù)（預(yù)留）。

表1 服務(wù)劃分

1.3 硬件布署

SOA 服務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)的硬件布署如圖2 所示。應(yīng)用層布署在Scene Engine（場(chǎng)景引擎控制器）上，保存場(chǎng)景編輯器中的新應(yīng)用。服務(wù)層布署在BU（中央域控制器）上，實(shí)現(xiàn)全部服務(wù)的獨(dú)立運(yùn)行。傳感執(zhí)行層布署在HU（HMI Unit，人機(jī)交互單元）和其他車身域電氣件上，提供車輛狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)具體執(zhí)行動(dòng)作。BU 上運(yùn)行Adaptive AUTOSAR（自適應(yīng)平臺(tái)），既可通過(guò)SOME/IP 接口對(duì)外提供服務(wù)，又可借助一個(gè)應(yīng)用代理模塊通過(guò)MQTT接口對(duì)外提供服務(wù)。服務(wù)層和傳感執(zhí)行層之間通過(guò)CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行交互。此外，新應(yīng)用的開發(fā)通過(guò)布署在PAD（Portable Android Device，便攜式安卓設(shè)備）上的場(chǎng)景編輯器實(shí)現(xiàn)，可將應(yīng)用下載到Scene Engine中。

圖2 硬件布署

2 SOA服務(wù)平臺(tái)軟件

2.1 Scene Engine

Scene Engine實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景配置文件的無(wú)線下載和車端布署、SOA 應(yīng)用管理和場(chǎng)景觸發(fā)等，其中場(chǎng)景配置文件的格式為JSON。Scene Engine 軟件分為4 個(gè)模塊：MQTT、數(shù)據(jù)引擎、場(chǎng)景引擎和服務(wù)引擎，如圖3 所示。（1）MQTT 負(fù)責(zé)與PAD 進(jìn)行無(wú)線通信，接收、校驗(yàn)和解析SOA 應(yīng)用配置文件、上報(bào)場(chǎng)景狀態(tài)等，通信協(xié)議為MQTT；（2） 數(shù)據(jù)引擎通過(guò)SOME/IP 通信方式訂閱車輛車身域和娛樂(lè)域的各種服務(wù)狀態(tài)，并發(fā)送給Scene Engine，通過(guò)狀態(tài)信息和場(chǎng)景配置文件中的觸發(fā)條件判斷場(chǎng)景觸發(fā)與否；（3）場(chǎng)景引擎負(fù)責(zé)車輛SOA應(yīng)用（場(chǎng)景）管理，如增加、刪除、啟用、禁用某個(gè)場(chǎng)景等，核心功能是監(jiān)控已啟用的全部場(chǎng)景的觸發(fā)條件是否滿足，當(dāng)某個(gè)場(chǎng)景的觸發(fā)條件滿足時(shí)則調(diào)用服務(wù)引擎響應(yīng)車輛執(zhí)行動(dòng)作的請(qǐng)求；（4）服務(wù)引擎為SOME/IP 通信代理端，負(fù)責(zé)響應(yīng)場(chǎng)景引擎的請(qǐng)求指令，如解鎖車門、打開音樂(lè)等，并實(shí)現(xiàn)各種車輛服務(wù)的調(diào)用。

圖3 Scene Engine組成

Scene Engine是SOA車輛服務(wù)平臺(tái)的核心組成部分。

2.2 BU

BU 為運(yùn)行車輛SOA 中間件的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)車身域和娛樂(lè)域全部服務(wù)的邏輯和對(duì)外提供接口，其軟件模塊包括MQTT 通信模塊、CAN 通信模塊、SOME/IP 通信模塊和服務(wù)邏輯模塊，如圖4 所示。（1）服務(wù)邏輯模塊負(fù)責(zé)車身和娛樂(lè)域服務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)，并與CAN 進(jìn)行交互，完成車輛狀態(tài)的獲取和車輛操作的執(zhí)行；（2）CAN 通信模塊負(fù)責(zé)車輛CAN 解析，同時(shí)接收和發(fā)送CAN 信號(hào)；（3）SOME/IP 通信模塊將各車輛服務(wù)通過(guò)SOME/IP方式對(duì)外提供；（4）MQTT 通信模塊將各車輛服務(wù)通過(guò)MQTT 方式對(duì)外提供。

圖4 BU組成

BU 是車輛SOA 服務(wù)平臺(tái)的服務(wù)層，可進(jìn)行服務(wù)的動(dòng)態(tài)布署和更新。

2.3 場(chǎng)景編輯器

場(chǎng)景編輯器是一款安裝在車載PAD 端可創(chuàng)建車輛運(yùn)行時(shí)各種場(chǎng)景的軟件，包括兩個(gè)模塊：場(chǎng)景管理和場(chǎng)景編輯。（1）場(chǎng)景管理可通過(guò)在主頁(yè)面點(diǎn)擊“我的場(chǎng)景”進(jìn)入，顯示了當(dāng)前車輛擁有的所有場(chǎng)景，可對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行新增、編輯、刪除和執(zhí)行操作；（2）場(chǎng)景編輯是允許用戶為場(chǎng)景編輯場(chǎng)景名稱、場(chǎng)景描述、場(chǎng)景觸發(fā)條件和場(chǎng)景執(zhí)行操作，即創(chuàng)建車輛新功能應(yīng)用。

當(dāng)車輛滿足觸發(fā)條件時(shí)，已安裝在車端的場(chǎng)景會(huì)執(zhí)行相應(yīng)操作。

場(chǎng)景編輯器匹配安卓操作系統(tǒng)，可由引擎Cocos Creator 開發(fā)。編輯器使用單場(chǎng)景模式，即只有一個(gè)主場(chǎng)景，多個(gè)預(yù)制體進(jìn)行頁(yè)面切換，通信協(xié)議為MQTT。

3 新功能實(shí)例

通過(guò)SOA 車輛服務(wù)平臺(tái)，用戶使用場(chǎng)景編輯器編輯車輛新功能并下載到車端。本文以迎賓模式和分心模式為例說(shuō)明新功能的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

3.1 迎賓模式

迎賓模式為用戶自定義的新功能，當(dāng)用戶拉開車門時(shí)被觸發(fā)，執(zhí)行一系列動(dòng)作，包括調(diào)節(jié)座椅、開啟空調(diào)、播放音樂(lè)、變換座艙主題等，實(shí)車測(cè)試如圖5所示。

圖5 迎賓模式實(shí)車數(shù)據(jù)

由圖5 可知，根據(jù)實(shí)車CAN 信號(hào)，迎賓功能的觸發(fā)條件為：擋位為P 擋（信號(hào)3）、主駕門關(guān)閉（信號(hào)2）、主駕無(wú)人（信號(hào)4）、用戶解鎖車輛（信號(hào)1）；觸發(fā)后執(zhí)行迎賓功能：危險(xiǎn)警報(bào)燈閃爍2 s（信號(hào)6）、位置燈和近光燈打開（信號(hào)5、7）、座椅X向位置調(diào)節(jié)至最大腿部空間（信號(hào)8、9）。從解鎖車輛（信號(hào)1 對(duì)應(yīng)的第1 條豎直虛線）到第1 個(gè)執(zhí)行動(dòng)作被觸發(fā)（信號(hào)6 對(duì)應(yīng)的第2 條豎直虛線）的時(shí)間約為800 ms，并發(fā)的執(zhí)行動(dòng)作也同時(shí)被觸發(fā)，滿足自定義的迎賓場(chǎng)景的功能和性能要求。

3.2 分心模式

車輛行駛中，當(dāng)識(shí)別出用戶分心行為如打電話、低頭等時(shí)，需通過(guò)語(yǔ)音、屏幕圖文、車窗下降、空調(diào)調(diào)節(jié)等方式提醒用戶注意行車安全，實(shí)車測(cè)試如圖6 所示。

圖6 分心模式實(shí)車數(shù)據(jù)

由圖6 可知，根據(jù)實(shí)車CAN 信號(hào)，分心模式的觸發(fā)條件為：擋位為D 擋（信號(hào)2）、主駕有人（信號(hào)3）、系統(tǒng)識(shí)別到駕駛員注意力不集中（信號(hào)1）；觸發(fā)后執(zhí)行分心模式動(dòng)作：打開左前和右前車窗（信號(hào)4、5）。從識(shí)別出駕駛員分心（信號(hào)1 對(duì)應(yīng)的第1 條豎直虛線）到車輛執(zhí)行動(dòng)作被觸發(fā)（信號(hào)4 對(duì)應(yīng)的第2 條豎直虛線）的時(shí)間約為400 ms，滿足自定義的分心模式的功能和性能要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于SOA 的開發(fā)理念，提出一種車輛服務(wù)平臺(tái)系統(tǒng)及軟硬件設(shè)計(jì)方案，通過(guò)自定義新功能迎賓模式和分心模式，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案有效可行。