什么是软件定义汽车？

汽车行业正在经历一场数字化转型，而软件定义汽车（SDV）代表了数据驱动创新的巅峰。随着汽车从以硬件为中心转向以软件为中心，作为新一代先进车辆系统，SDV标志着汽车创新的持续变革。行业高度关注车载用户体验，这类体验受益于信息娱乐系统等技术，得到了提升。

虽然SDV在普及应用之前仍需更高的成熟度，但相比当今的汽车，其具有显著的优势。SDV不再局限于制造时预装的功能，因为在车辆投入使用后，其软件特性和功能仍可持续升级。这种修复问题和更新升级的能力正在推动SDV发展，最终带来更优的用户体验。

不过，截至今日，我们尚未看到任何完全意义上的SDV。与自动驾驶汽车类似，SDV可以分为0-5级，其中L0级为“软件支持型”，L5级则为完全软件定义汽车。虽然行业正在朝着L3和L4级SDV迈进，但L5级SDV投入使用仍需时日。与自动驾驶汽车类似，并非所有原始设备制造商（OEM）都希望达到L5级水平，因此未来可能出现许多L3和L4级与L5级SDV并存的局面。

SDV与其他车辆架构的不同之处在于其深度的软件集成，例如互联汽车和自动驾驶汽车（AV）。SDV专注于车载功能、驾驶体验和车内用户体验。相比之下，其他先进车辆通常将其软件聚焦于通信功能和环境交互。

但SDV提供的不仅仅是车载功能，其还提供先进的软件驱动安全功能，例如防碰撞系统和高级驾驶辅助系统（ADAS）。传统车辆采用分布式架构，通过安装各自搭载独立软件组件的电子控制单元（ECU）来执行单一功能，例如车窗控制；而SDV通过采用完全集中在软件中的区域架构来减少ECU数量，从而实现硬件资源共享并减少干扰。

这意味着SDV可以配备更少但更强大的ECU，这些ECU相互连接以执行多项任务，例如在同一硬件上同时运行ADAS和信息娱乐应用。该架构还为针对车内特定区域的软件更新和升级提供了更高的灵活性。

与其他车辆相比，软件与硬件的解耦还使SDV能够实现更高的性能，并提供更丰富的车载功能。这也带来了其他一些独特的优势，包括：

• 灵活性
• 轻松升级
• 提高安全性和可靠性
• 提升开发效率
• 创造其他营收来源

SDV的独特功能之一是支持进行无线（OTA）更新。OTA使制造商能够通过云端将新特性、功能和更新安装到车辆软件中，这类似于智能手机使用无线技术更新的方式。借助此功能，车辆技术可以持续保持更新，并整合制造过程中未预装的功能。

SDV包含众多组件。其中，既有传统车辆常见的组件，也有许多创新元素。SDV中的关键组件可分为三大类别：

• 硬件
• 软件
• 硬件和软件之间的接口

硬件

尽管软件通常是SDV中被讨论最多的方面，但其实在先进软件应用的背后，还有关键的硬件层，负责支撑数据收集和处理能力。一些关键硬件组件包括：

• 集中式计算平台
• 传感器：摄像头、雷达、激光雷达和碰撞传感器
• 执行器
• ECU
• 动力总成
• 底盘
• 悬架

在SDV中，传感器可监控车辆内外部环境，以支持软件做出明智的决策。ECU负责管理车辆电气系统，而高性能ECU可以同时管理多个系统。执行器则执行ECU发出的不同指令，例如制动和转向。

由于SDV类似于“装在车轮上的数据中心”，因此需要高性能计算（HPC）系统和强大的图形处理器（GPU）来高效处理传感器数据并运行ADAS等应用。此外，由于SDV相比传统汽车具有更强的互联性，必须利用以太网等通信网络来支持更快的数据传输能力。

软件

SDV的软件层包括Windows或Linux等核心操作系统，以确保通过数据通信技术实现内部互联。OTA通信系统与外部数据中心连接以传输信息，并为车载软件更新以及新增特性和功能提供基础支撑。

SDV还搭载了一系列应用和用户体验软件，例如信息娱乐系统、数字座舱、ADAS、高级车辆管理控制、自适应巡航控制、车内空调控制和导航系统。这些应用通过中间件连接到SDV操作系统，其中，中间件作为一个软件层，负责实现操作系统与单个应用之间的通信。上述这些功能，可提升驾驶舒适度和安全性。

SDV通过其数据生成和分析功能，持续监控自身性能并规划维护计划。预测性维护使车辆运营者能够在任何问题恶化之前及时解决。

硬件和软件之间的接口

在硬件和软件层之间有一个称为接口层的中间层，它负责将软件程序与SDV硬件连接起来。这种互连需要在OEM厂商和供应商之间实现应用标准化，以确保兼容性。

SDV软件采用模块化方法进行集成，其中每个应用都有独立的应用程序接口（API）。同样，SDV硬件也采用模块化设计，因为小型控制单元会针对不同功能执行专门的任务。这使设计人员能够根据功能需求，使用小型“构建模块”将更大规模、更高性能的系统集成到SDV中。

软件开发的进步固然推动着SDV的应用，而接口层对于整合硬件和软件系统、构建能实时监控和响应的功能生态系统也至关重要。并且，这些接口对于车辆安全性和用户体验也有着重要影响。

SDV的发展不仅会影响汽车行业，其所开发的技术也将惠及其他行业。此外，SDV本身的众多用例也将使其他行业受益。

例如，SDV必须配备强大的CPU和GPU来处理所生成的海量数据。因此，计算机硬件制造商需要开发更先进的CPU、5G系统和边缘计算系统来支持相关应用。

在汽车行业，SDV的开发正在推动更先进的ADAS技术发展，从而为其他自动驾驶应用提供支持。此外，SDV产生的海量数据可为商用车和车队管理应用提供更准确的实时更新。通过为用户提供按需使用各种车辆服务，并根据用户需求实现个性化出行即服务（MaaS）体验，SDV还将推动MaaS行业发展。

由于SDV可以提供有关驾驶行为和车辆性能的详细数据，该技术也有望彻底改变车辆保险行业，为驾驶员带来更个性化、动态化的保险模式。

SDV将能与智能城市及智能电网互联，这些系统可以利用数字技术和数据来改善公共服务和居民基础设施等领域。这些互联将通过车辆到电网（V2G）和电网到车辆（G2V）操作，来管理电网中的能源分配。在智能城市中管理SDV车队有助于减少交通流量或事故，SDV还可以使用OTA技术向市政部门实时传达更新信息。

与任何车辆架构一样，SDV兼具优势与挑战。其不同软件平台和软件架构导致SDV系统复杂性提升，因此，确保与传统及先进硬件的互操作性至关重要。

SDV技术的一些优势包括：

• 通过先进监控技术改进发动机、电池和燃油性能
• 通过ADAS和防碰撞系统提高安全性
• 支持OTA软件更新以及添加新特性和功能
• 通过远程信息处理和诊断实现车辆自我监控，并开展预测性维护
• 从定制看板到信息娱乐选择，为车内的每位乘员提供个性化体验
• 通过丰富的信息娱乐服务提升乘员舒适度

然而，SDV系统还有待成熟，设计人员和制造商还必须克服一些工程与设计挑战：

• 复杂软件和大量代码会增加错误的几率。
• 作为数字互联汽车，SDV因接入其他网络而容易受到网络安全威胁。
• SDV会收集大量数据，若未落实数据安全最佳实践，可能会导致用户隐私问题。
• 该领域的技术要求严苛，并且需要众多工程领域的专业知识，因此，随着SDV逐步扩展到更大规模应用阶段，人才和专业知识缺口或将成为一大难题。
• 制造延迟已成为电动汽车领域的瓶颈，而由于SDV的复杂集成电子和硬件环境，这可能会加剧延迟问题。

SDV的信息安全保障

信息安全是SDV面临的独特挑战。由于车辆内外部数据网络之间会交换大量数据，SDV存在许多潜在的攻击点和易受攻击的节点。

为了防范黑客攻击，我们需要更可靠的信息安全和安全的通信协议。QNX等软件平台凭借其先进的安全特性，已受到SDV行业的青睐。未来，人工智能（AI）将在保护SDV免受网络威胁方面发挥关键作用。

SDV为原始设备制造商（OEM）开辟了一种全新的业务模式，其核心是实现软件开发与硬件同步。由于向SDV提供OTA更新的能力，OEM厂商和制造商必须能够验证新车软件并确保合规性。数字孪生作为车辆的数字副本，可以利用不同运营和地理环境的数据进行各种场景的测试。于是，通过更改数字孪生模型，OEM厂商就可以确保这些更新有效运行，而不会影响真实车辆的安全性。事实上，企业正开始创建完全虚拟环境，工程师可以进入仿真车辆进行软件变更测试，然后再部署至真实车辆。

随着汽车行业的这些变化，OEM厂商现在必须开发能兼容整个供应链中多家硬件供应商和软件提供商的车辆系统，确保所有新增应用都符合安全和监管标准。例如，沃尔沃集团和戴姆勒卡车最近宣布建立合作伙伴关系，共同开发面向重型商用车的SDV平台。 

与传统车辆架构相比，SDV设计的复杂性显著提升，而仿真软件可以帮助您在设计与开发流程的早期发现问题，并在物理原型阶段之前予以纠正。对于SDV而言，仿真可以：

• 在流程早期预测设计问题并进行左移测试
• 分析车辆的安全和网络安全功能
• 利用AI加速开发进程
• 设计新型电气和电子架构
• 在芯片和印刷电路板（PCB）级进行仿真，以确保ECU组件具备热、信号和电源完整性
• 设计传感器、天线和高速通信等车载网络系统
• 仿真电磁干扰
• 分析系统性能和可靠性
• 通过数字孪生开发高保真度、无偏差原型，将软件和硬件集成到设计中

Ansys提供多种工具来仿真SDV开发中出现的各类工程与设计挑战，主要侧重于硬件和集成方面。这些工具包括：

• Ansys系统架构模型（SAM）功能： 为描述系统的架构框架提供权威的真相源，从而确保设计信息的一致性和准确性
• Ansys medini analyze软件：基于模型的系统解决方案，可实施关键安全分析方法，并确保符合ISO 26262等行业标准
• Ansys SCADE平台：支持基于模型的开发、验证和自动代码生成，以实现安全可靠的嵌入式软件
• Ansys ModelCenter软件：将SAM中的系统需求与仿真模型和工程分析相连接，以验证整个系统的行为和需求
• Ansys HFSS软件：确保从芯片到系统的所有电子组件的高效设计和虚拟验证。该软件还能评估电磁可靠性，以验证电磁干扰是否会导致更广泛的系统出现问题。
• Ansys Twin Builder平台：创建高保真度复杂模型的快速运行降阶模型（ROM），以加快求解速度
• Ansys AVxcelerate Sensors软件：提供精确的物理传感器仿真，支持自动驾驶系统感知测试
• Ansys AVxcelerate Headlamp软件：通过在设计流程早期验证控制规律行为和测试潜在的边缘场景，加速智能前照灯的开发
• Ansys SimAI软件：一款AI增强工具，可加速仿真的设计与优化，从而缩短组件开发周期

立即联系我们的技术团队，进一步了解基于仿真的设计方法如何帮助您优化SDV组件和互联系统的设计与制造。

相关资源