知迪科技：软件定义汽车趋势下 研发工具链的挑战与机遇

知迪科技首席技术官刘鎏博士深耕仿真领域研究近20年，研究分布式工业系统的通信和联动的建模与仿真，精通硬实时分布式系统和工业总线，在联网工业系统的建模仿真等领域有重要贡献。

2024年3月13日，在2024第五届软件定义汽车论坛暨AUTOSAR中国日上，他表示，汽车的发展经历了机械定义汽车、电子电气定义汽车、软件定义汽车三个阶段，下一阶段是AI定义汽车。当下域控架构的通信具有异构、带宽跨度大、实时与非实时并存、上层协议众多等特性，呈现出带宽两级分化、SoA 架构通信、实时总线、从MACsec到SoC跨层通信安全等趋势。

这些趋势下，各种新兴需求层出不穷，而实现这些需求却需要时间。整个研发链条不会因为某个环节的滞后而停滞不前，因此，如何在满足客户需求和行业发展的同时，保持工具链的创新和竞争力，成为当前亟待解决的问题。 

刘鎏  | 知迪科技 首席技术官

以下为演讲内容整理：

作为传统汽车人对软件定义汽车的理解

关于汽车的定义，随着时代的进步，我们见证了多种不同的定义。在早期，汽车被视为机械装置的产物，随后随着电子电气技术的发展，汽车的架构逐渐趋向于电子化。如今，我们经常听到的是“软件定义汽车”，但这是否是定义汽车的终极形态呢？我认为不是。随着人工智能等新技术的涌现，我们未来可能会谈论更多关于“AI定义汽车”的概念。因此，汽车的定义是一个不断演进的话题，软件定义汽车只是其中的一部分。 

图源：知迪

当谈论软件定义汽车时，我们必须先理解什么是软件。软件并非源自虚无的产物，而是来源于对特定需求的解决。我想通过一个例子来说明我的观点。在80年代，奥迪推出了一款名为Quattro的车型，它是奥迪在市场上取得巨大成功的代表作之一。这款车的成功源于对车辆在不同路面上行驶稳定性的需求，基于此需求，奥迪利用托森差速器的技术，创造了Quattro机械系统。

事实上，早在90年代，电子电气技术就已经开始定义汽车，诸如ESP等电控系统的普及以及智能座舱等技术的应用。这些技术长期以来一直在满足着不断变化的需求，而机械系统则保持了三十年来的稳定，就是因为需求并没有发生变化。然而近年来，随着排放法规和燃油价格的变化，奥迪不得不开发新一代的系统。我们意识到，有些需求纯机械系统无法满足，其中智能驾驶也是一个典型例子。因此，可以说需求决定了技术，也决定了产品。    

在谈到软件定义汽车时，我们必须深入探讨其核心观点，最重要的一点是软件定义了汽车的功能。这个观点是我们最近讨论的焦点，我们经常听到关于数据验证的讨论，这也印证了软件定义汽车的重要性。德勤等著名咨询机构指出，汽车已经从精密的机电仪器转变为智能化、可扩展、可升级的终端电子设备。这种转变的一个明显表现是电子和软件的价值已经超过了机械，软件的介入给汽车行业带来了一些重大的变化。因此，软件定义汽车的核心观点仍然是需求驱动。

在软件定义汽车的讨论中，可升级性是非常重要的方面。在国内，OTA（Over-The-Air）的整体采用率可能已经达到了80%。全行业每个月的功能升级次数已经超过了300次，特别是头部车企和新势力车企，全年的OTA升级次数超过了50次。软件测试是如何进行的？它的覆盖率如何？这是值得深思和探索的问题。

聚焦通信和验证的产品链工具

知迪是一家专注于通信和基于通信进行验证的产品链公司。专注于这两个领域是因为在讨论软件定义汽车行业时，我们会从控制系统的角度来分析汽车。汽车本身就是一个控制系统，它包括传感器、控制器、执行器以及计算单元。这些小系统经过叠加、耦合就构成了汽车生态。在架构中，连接这三个功能模块的是通信。 

在汽车行业中，通信领域的讨论相对较少，特别是涉及到汽车通信在控制链条中的作用时。通信的作用主要体现在两个方面：一是实时性通信，二是在测试领域的应用。通过模拟通信信息，我们可以实现针对计算系统部件或系统的测试，从而降低测试成本。此外，这也涉及到汽车行业的同步工程概念，因为汽车行业是一个典型的大工艺，各系统组件必须同步开发。在没有充裕的时间窗口进行完整系统测试的情况下，在初期测试阶段通常会使用各种方式进行部件级测试。在这些测试中，通过模拟信号进行仿真是功能测试的重点。

通信是所有架构模式下不变的主题，从我的从业经历来看，我经历了从模块化系统到集成式系统，再到域控集成，以及现在的域融合，下一步是中央计算车身域。在这些系统中，我们遇到了不同的通信线、通信协议和通信标准。在早期，我们可能会使用传统的汽车和工业用的总线协议，如CAN、LIN等实时系统，这些协议可以很好地解决分布式系统的通信问题，数据量也不需要太大。我们发现功能域域控之间的通信没有太高的实时性要求，所以就使用了非实时的车载以太网。再往下到了域融合之后，又会出现实时网络，时间敏感网络，因此可以在同样一个介质上去跑实时的通讯和非实时的通讯。 

图源：知迪

随着OTA的普及，汽车的开放接口越来越多，同时也涉及到了IT安全和网络安全的概念。以前明文通信的协议现在通过各种加密方法进行加密，给工具链的厂家带来了挑战，因为他们可能难以适配这些加密方法。总的来说，当前域控的通信方式多样，涉及到了各种总线、协议和带宽。从LIN总线的几十K到摄像头每秒的G级数据传输量，实时和非实时通信并存，同时还有众多的应用层和诊断层协议，是目前的特点。

在未来的趋势方面，带宽的两极分化将会更加明显。现在已经有很多量产车实现了1G的车载以太网，下一步可能会出现2.5G或者10G的车载以太网，这也是我们目前在调研和试制阶段所关注的内容。我们还引入了许多SOA架构，除了传统的周期性PDU通信方式外，还引入了面向服务的架构。最后，在通讯领域，实时总线和各种跨层通信安全协议也是未来的趋势。

在工具链开发方面，我们目前基于已知的通用计算架构，如X86和ARM SOC，来实现控制器开发所需的计算架构。我们与终端客户所面临的挑战都是多变的需求，通信方面的需求多种多样，但实现这些需求需要时间。

知迪的解决方案

知迪的业务始于2012年，专注于座舱系统的测试工作。起初，主要进行功能级的测试，但我们开始思考，是让人去做功能测试还是通过总线信号仿真模拟汽车的输入效率更高。最后我们开发了总线仿真产品，并意识到数据记录在整个测试链条中的重要性。为了回溯事件并了解发生了什么，我们推出了数据记录产品。基于这两个产品，我们提出了测试自动化的解决方案。随着时代的进步，我们还开始布局智驾领域，涉及新的车载接口和设备，如车载以太网以及智驾系统的数采、数据平台。 

图源：知迪

在产品设计方面，我们考虑了硬件优先原则。数据记录设备有多种需求，因此会有不同的系统选型。核心需求是确保多通道的数据能够完整无误地记录下来，我们使用小型的单片机如MCU，来处理单通道、小数据量的情况。对于需要更大容量和更多通道的情况，我们则使用嵌入式系统或者专用的数据同步设备。

有一个终极方案是采用X86公共机板卡的方案。这种方案可以满足各种小到大的需求，无论是功耗、性能还是系统复杂度，它都表现出色。在数据记录领域，不同的细分需求需要不同的系统来实现。选定了系统实现方案，数据记录还涉及许多软件方面的要求，在系统测试阶段，还需要考虑各种业务需求。每位客户的需求不同，因此我们需要采用软件定义的方法，基于嵌入式系统的软件、上位机软件和云端软件等来满足这些功能，在产品定义上遵循硬件先行、软件功能满足客户需求的思路。 

我们常说数据是二十一世纪的石油，所以采集和记录数据是首要任务。仿真产品在测试中的主要作用是构建数据，创造系统的输入，激励系统并判断其输出是否正确。在仿真产品的形态上，通常有三种类型。最小型的是嵌入式设备，然后是上位机加接口设备，这种形态的应用最为广泛，最高性能的是高性能工控机和接口卡的组合。这些设备在通道数量、系统性能以及准确度等方面存在差异，适用于不同的应用场景。 

仿真数据的来源和类型有所不同。一种是随机数据，由工程师根据对系统的理解构造的小规模数据集，用于功能测试和诊断测试等。另一种是基于现实世界模型生成的数据集，需要嵌入算法和模拟控制器功能。智能驾驶领域常用的是采集系统真实数据后进行回灌，用这些数据验证待开发的控制器。为了提高测试覆盖度，我们可以使用泛化技术，例如生成式AI的场景泛化，通过数据的泛化提高测试覆盖度。

最后我想分享两个关键点。系统测试有四个主要要素，首先是执行，即通过信号仿真或机械模拟对系统进行激励。然后是感知，观察被测系统的输出，如图像、音频、视频、总线信号等。接着是计算，通过中央计算来控制设备并比较输入输出是否符合功能设计。最后是数据存储，存储用于回溯和错误分析。

关于知迪在座舱领域自动测试的实践，我们提供了总线仿真设备、机械臂和扬声器等，用于系统的输入。特别是在声控领域，我们使用AIGC功能生成模糊语句，测试车机对模糊语句的反应。

我们定义被测系统为IVI+，这意味着除了车身上已有的娱乐主机系统外，还有手机和车机的互动功能。在测试的感知方面，我们使用摄像头和麦克风收集语音输出，并通过数据记录仪记录和转换总线信号。有了传感器和执行器后，我们使用中央大脑，即测试服务，通过微服务封装的组件来管理和控制设备，并执行测试案例。我们提供了集成和二次开发的接口，使得整个平台可以在开发过程中不断完善功能，以完成最终的系统测试和放行。

（以上内容来自知迪科技首席技术官刘鎏博士于2024年3月12-14日在2024第五届软件定义汽车论坛暨AUTOSAR中国日发表的《软件定义汽车趋势下 研发工具链的挑战与机遇》主题演讲。）