SOA如何應用于經(jīng)典的軟件開發(fā)流程

來源：elsolbar.com 發(fā)布人：彭二胖

2022-01-09 10:18:19|已瀏覽：148次

Aspice作為車載軟件過程中，關注于功能場景定義（function definition）、架構定義（System Architecture）、系統(tǒng)設計（System Design）、產(chǎn)品設計（Product Design）幾個大的方面。而下一代智能駕駛系統(tǒng)需要面向服務進行相應的功能設計和開發(fā)，實現(xiàn)軟硬件解耦。這種開發(fā)方式將對整個智能駕駛來說產(chǎn)生顛覆性的影響，比如高性能計算平臺HPC包含多核異構處理模式，通過Hypervisor技術實現(xiàn)對硬件抽象，Inter-Core通信技術使多篇和單片多核實現(xiàn)信息互通，計算單元趨于“云計算+中央計算+邊緣計算結合等多個方面的變革。如上這些設計原則更多的是基于SOA的架構進行的，這就大大增強了平臺的可拓展性，可移植性。
當前更多的主機廠選擇在智能駕駛中采用SOA的開發(fā)模式，這可以更加快速的實現(xiàn)從底層、中間層到應用層的軟件開發(fā)，且相對較多的軟件只要接口定義得當，就可以實現(xiàn)軟件本體和功能的遷移，同時可以大大的降低開發(fā)周期和成本。
對于SOA的設計過程來講，其服務設計原則包括重用、抽象、封裝、協(xié)調(diào)在內(nèi)的多個層面。比如對于智能駕駛功能開發(fā)而言，如果需要多次用到某一邏輯元素比如車道線等環(huán)境信息，則應該將車道線檢測模塊創(chuàng)建為重用（比如封裝到Building Block中），則對該車道線檢測源（如不同方位的攝像頭）進行調(diào)整，則由此對車道線檢測產(chǎn)生的任何更新改變都會對后續(xù)級聯(lián)的應用實例產(chǎn)生影響。而上層應用軟件端對于底層的如何獲取車道線，如何處理的細節(jié)也不需要深究，這就是實現(xiàn)模塊抽象的整個過程。抽象后的邏輯功能需要保證其體系相類似的功能需要集成到一起，比如自動換道功能的控制邏輯可以在自動激活后調(diào)用觸發(fā)換道相關的規(guī)劃控制模塊進行車控。因此，觸發(fā)換道的規(guī)劃決策控制邏輯單元可以完全應用于自動換道模塊。系統(tǒng)工程師只需要保證定義的接口適用于觸發(fā)換道已經(jīng)發(fā)布或預定的數(shù)據(jù)流即可。對于自動駕駛域控單元負責人而言，應該保持邏輯系統(tǒng)結構之間的協(xié)調(diào)和重用，包含對公共池中的元素排布，對局部域單元中的邏輯構造，跨域之間的資源或模塊調(diào)度等。
本文將以智能駕駛系統(tǒng)開發(fā)設計實例來講解和分析相應的SOA為基礎下的架構設計和軟件開發(fā)。

面向ASPICE流程的SOA軟件架構流程

適用于SOA架構的ASPICE軟件開發(fā)過程也是在敏捷開發(fā)的模式下進行的系統(tǒng)開發(fā)流程。從智能駕駛功能開發(fā)層面上講，基于SOA架構開發(fā)模式包括了系統(tǒng)功能、系統(tǒng)架構、軟件功能、軟件架構幾個方面。其中分別由分別稱之為產(chǎn)品負責人Product Owner、功能負責人Function Owner、架構負責人Architect Owner、子模塊負責人Module Owner的幾個角色共同承擔。功能設計是搭建功能架構圖和依據(jù)產(chǎn)品工程師輸入的產(chǎn)品需求定義進行功能分解定義，架構負責人則根據(jù)整車架構及功能負責人輸入的要素信息制定合適的軟硬件架構。這里需要說明的是很多情況下，功能負責人和架構負責人往往是同一個人。模塊負責人則是根據(jù)功能定義編制相應的系統(tǒng)軟硬件模塊、零部件軟硬件模塊以實現(xiàn)上層定義的功能需求。各負責人之間的角色定位將在如下分層流程圖中進行詳細說明。這里我們僅關注V模型中的與SOA相關度較高的設計開發(fā)部分，測試驗證部分不在本文中進行詳述。

其中，各階段的開發(fā)輸出功能過程如下：

1、項目功能定義

項目功能元素（function element）包含與頂層設計相關的不同屬性，例如車輛類型、預期市場、項目功能以及功能發(fā)布計劃等。在實際開發(fā)中，這類輸出一般是產(chǎn)品策劃部門或市場部輸出的整車功能開發(fā)需求或整車裝備需求。本文將以開發(fā)智能駕駛系統(tǒng)功能中的點對點自動駕駛NOP為例進行詳細的分析說明基于SOA的架構設計是如何應用于自動駕駛系統(tǒng)開發(fā)的。
如下圖舉例中，表示了實現(xiàn)下一代自動駕駛系統(tǒng)NOP場景定義需求。
2、系統(tǒng)架構設計階段（System Architecture Design）
這個階段涉及產(chǎn)品能力定義及模塊定義。用于描述智能汽車中的用戶功能，通過定義相應的函數(shù)來指出使用哪些子系統(tǒng)或者零部件具備相應的產(chǎn)品能力（Product Capabilities，PC）并對其進行相應的實例化來實現(xiàn)此功能。
（1）產(chǎn)品能力PC：
這種稱之為產(chǎn)品能力的模塊主要是用于定義想要實現(xiàn)該功能模塊的傳感器或執(zhí)行器所具備的能力，這也是位于各個時序圖上各個節(jié)點的能力描述。通常，該產(chǎn)品能力的定義主要由產(chǎn)品工程師牽頭，功能所有者、架構師和模塊所有者/設計者的跨職能小組共同決定。
（2）產(chǎn)品能力實例化PC Instance：
產(chǎn)品能力可以被認為是一種高級服務，一些需要在汽車中實現(xiàn)的功能，但它沒有描述應該如何實現(xiàn)。產(chǎn)品能力實例是 PC 的簡單實例化，可以在平臺中擁有 PC 的不同變體。如果需要 PC 的不同變體實例以及在何處使用不同的實例，則模塊所有者負責。系統(tǒng)架構師負責定義系統(tǒng)中定義了產(chǎn)品能力PC的不同類型，并確定哪些 PC 需要由跨職能團隊才能完成。通過將當前定義的 PC 和其他的需要PC 建立依賴關系，我們可以建模一個完整的功能架構，該功能層級的架構無需研究實際的實現(xiàn)機制。這對于定義需要哪些高級服務 (PC) 以及分配誰（哪個模塊）負責實施每個 PC 非常有幫助。
如上過程一般是通過各種圖表（包含用例圖、序列圖、活動圖等）來完成的。如下圖表示了一種活動圖所示意的系統(tǒng)交互方式。
由于在定義過程中還建立了與功能之間的連接，因此我們可以使用該模塊來規(guī)劃需要實現(xiàn) PC 的順序，以便我們在每個版本的集成階段開發(fā)出正確的功能。
（3）模塊及實例Module Instance：
模塊是整個模型甚至整個組織中非常核心的元素。從SOA的架構設計上講，每個設計的 PC 都被分配到一個并且只有一個模塊（或者稱之為函數(shù)），該模塊負責實現(xiàn) PC，但在整個平臺生命周期內(nèi)維護和發(fā)展 PC，規(guī)劃 PC 的演進步驟，提供路線圖等。
PC 定義的功能在 Component 中實現(xiàn)，模塊實例可以確保在平臺中擁有模塊的不同變體。系統(tǒng)架構師負責定義系統(tǒng)中存在哪些模塊，但模塊所有者負責領導模塊內(nèi)的工作，并負責維護和發(fā)展模塊。模塊所有者還負責是否需要模塊的不同變體實例以及在何處使用等。
同時，模塊中的相關參數(shù)是在對應構建的系統(tǒng)功能規(guī)范中實現(xiàn)定義的。
3、軟件架構設計階段
軟件組件Software Component：
組件是模塊的實際設計和實現(xiàn)。組件可以是軟件或硬件組件，但在SOA的軟件架構中，我們將主要處理軟件組件，組件定義了模塊需要哪些接口以及提供哪些接口。其中接口將包括SOA架構所要求的服務、屬性和事件。在硬件組件上，接口可以是螺孔或電線連接器。
軟件包Software Package：
軟件包是將部署到特定運行環(huán)境時的所有軟件組件、清單文件等的集合。為了實現(xiàn)面向SOA的架構設計和開發(fā)過程，需要重點定義。
4、底層驅(qū)動設計階段
中央控制單元ECU/處理器Processor/虛擬機Virtual Machine：
一個 ECU 可以由一個或多個處理器組成，一個處理器可以運行一個或多個虛擬機。不必對每個組件進行建模，例如，如果 ECU 僅包含一個處理器，則僅對 ECU 進行建模就足夠了�？梢詫⒏鱾€軟件包部署到如上運行時環(huán)境中的任何一個。
網(wǎng)絡及連接器Network Connector：
定義網(wǎng)絡以及連接到它的運行時環(huán)境。運行時環(huán)境可以由一個或多個網(wǎng)絡連接組成，這些網(wǎng)絡連接可以是 CAN、CAN FD、以太網(wǎng)、VLAN、LIN 等。
嚴格說來，底層驅(qū)動設計應該屬于軟件架構設計的其中一個部分，面向底層軟件設計部分，通常與頂層軟件開發(fā)團隊不是一伙人，且具有較大區(qū)別，該開發(fā)過程由頂層軟件設計人員對底層軟件開發(fā)人員單獨提出需求及建議。一般的需求包括平臺軟件總體架構及對相關AUTOSAR標準組件和復雜驅(qū)動的調(diào)度框架設計、開發(fā)和集成要求；內(nèi)存、非易失性存儲、任務、中斷等等資源和權限分配；上下電流程和管理的設計；系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控、異常處理等功能的設計等方面。

基于SOA架構模型設計分工

基于SOA軟件模型架構的設計過程實際是在研究如何在開發(fā)流程中進行軟硬件解耦。包括構建不同的分層來隔離硬件與軟件功能和服務。例如，將自動駕駛相關的傳感器和執(zhí)行器邏輯與應用程序邏輯分開，則能夠在中央系統(tǒng)中分配應用程序，同時保持傳感器/執(zhí)行器盡可能的具體。程序之間可以利用SOA的服務模式實現(xiàn)軟件包的調(diào)用，傳感器和執(zhí)行器也可以作為組件或模組來進行邊緣采購，性能則是集中管控，中央系統(tǒng)可以將戰(zhàn)略軟件進行分開，這就更容易進行軟件模塊移植和處理。這一過程實際就是在提高上層應用層軟件關鍵功能的復用性，瞄準軟硬件功能與邏輯控制分離。這里需要說明的是，軟硬件之間的協(xié)調(diào)和調(diào)度是通過中間件來實現(xiàn)。
從如下圖所示，SOA的架構從下至上分別底層驅(qū)動功能管理，物理層功能管理，車輛控制服務，面向用戶的應用服務，云端遠程管理。
底層驅(qū)動功能管理：用于實現(xiàn)包含診斷、日志記錄、存儲管理、驅(qū)動管理等相關功能。
物理層功能管理：主要是設置I/O接口將原始傳感器數(shù)據(jù)進行輸入，同時也是執(zhí)行到車端的控制單元（如電機、制動卡鉗等）；
車輛控制服務：車端控制包含上層ADAS發(fā)送的執(zhí)行指令到控制執(zhí)行器執(zhí)行該指令的相應ECU（如控制電機的VCU、HCU或ESP），該車輛控制服務是綜合考慮了車身穩(wěn)定性與動力學反饋模型得出的。
應用層服務：該層服務就是智能駕駛面向用戶級別的頂層開發(fā)功能，主要用于實現(xiàn)包含傳統(tǒng)的智能駕駛功能，比如HWP、NOP、TJP以及ALC等。
云端管理服務：該層服務主要是面向遠程監(jiān)控，遠程控制，大數(shù)據(jù)存儲等特殊場景。通常該服務需要基于4G/5G網(wǎng)絡進行遠程連接。
人機交互管理功能：人機交互管理功能一般是針對不同的車型呈現(xiàn)出不同的模式的，因此，這一塊一般是獨立于SOA的功能架構。SOA通常只涉及底層對車輛控制邏輯，對于平臺化車型功能開發(fā)來說，這一塊是無法為用戶所感知的。而HMI的顯示設置則是用戶能夠真切感知和控制的，因此，不同車型肯定是有極大的不同之處。因此，從協(xié)議上分析不難看出，SOA內(nèi)部的網(wǎng)絡架構一般是基于以太網(wǎng)為基礎的交互方式，采用Some/ip的協(xié)議進行通信控制。而如果在平臺化車型的開發(fā)過程中，HMI這一塊的通常仍然按照原始CAN/CANFD信號模式的通信協(xié)議進行交互控制。這么做的原因是，智能駕駛的HMI行為比核心應用功能更容易改變，特別是在不同車型開發(fā)后期通常會選擇不同的顯示和交互方式。同時，由于開發(fā)核心軟件和HMI設計需要不同的能力技能，因此，將HMI功能與其他應用層軟件功能分離，為了實現(xiàn)這一點，一般需要使用Model-View-Controller，用戶輸入由Controller處理，Controller用于解釋用戶的意圖并操作模型。

SOA服務實現(xiàn)過程

隨著車載以太網(wǎng)技術的日益成熟，國內(nèi)大部分OEM都已經(jīng)著手SOA的設計工作，并將以太網(wǎng)通信矩陣生成ARXML文件，用于項目前期的網(wǎng)絡行為仿真和后期測試驗證。對于已經(jīng)完成架構搭建的SOA來講，需要將其建模后的成品導入到軟件團隊進行服務實現(xiàn)。其過程包含：以Some/Ip協(xié)議導入Service ARXML，導入后新增ETH、TCP/IP、Some/IP模塊（BSW工程），建立與Service Handler SWC（應用層）中Port Interface連接，為所有Service Handler SWC增加可運行時間，定義Windows Service Handler SWC 和Feature SWC到Simulink/Stateflow。通過符合Autosar的ARXML和Simulink進行交互，將由軟件開發(fā)工程師繼續(xù)進行算法設計并自動生成代碼。

總結

本文從SOA軟件架構模型的構建角度出發(fā)講解了相應實現(xiàn)過程原理，利用了基于模型、集成式的可視化開發(fā)工具PREEvision進行了智能汽車行業(yè)及相關領域E/E架構開發(fā)并支持以太網(wǎng)SOA的架構開發(fā)設計，本文以介紹SOA架構設計模型為基礎展示了如何在Enterprise Architect中進行SOA建模。同時，以系統(tǒng)工程師的角度說明如何利用Enterprise Architect構建SOA系統(tǒng)及軟件架構設計、功能設計Function Design 和模塊設計Module Design。對于SOA在整個智能駕駛系統(tǒng)設計原理有個清晰的把控。

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