第18卷第7期 计算机集成制造系统 Vol.18No.7
2 0 1 2年7月 Computer Integrated Manufacturing Systems July 2 0 1 2
文章编号:1006-5911(2012)07-1644-06
收稿日期:2011-11-29;修订日期:2012-04-28。Received 29Nov.2011;accepted 28Apr.2012.
基金项目:国家863计划资助项目(2011AA11A262)。Foundation item:Project supported by the National High-Tech.R&D Program,China
(No.2011AA11A262).
基于汽车开放系统架构的汽车电子云制造架构
吉 莉,王丽芳,廖承林
(中国科学院电工研究所 电力电子与电气驱动重点实验室,北京 100190)
摘 要:为满足未来汽车电子制造业的实时性和安全性要求,在云制造体系架构的支撑下,结合面向服务的体系
架构和汽车开放系统架构,研究并解决了面向服务的汽车电子云制造请求描述封装办法、协议适配器的改装方式以
及服务调用方法的选定问题,并在此基础上提出了一种面向网络化、智能化、服务化的汽车电子云制造架构,以满足
实时的、安全的汽车电子制造要求。通过实例验证了该架构的可实施性。
关键词:云制造;汽车开放系统架构;面向服务的体系架构;汽车电子
中图分类号:TP391 文献标志码:A
Architecture of automotive electronic cloud manufacturing based on AUTOSAR
JI Li,WANG Li-fang,LIAO Cheng-lin
(Key laboratory of Power Electronics and Electric Drives,Institute of Electrical Engineering,
Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)
Abstract:To meet the requirements of real-time and security in the future automotive electronics manufacturing,on
the support of cloud manufacturing architecture,combined with Service Oriented Architecture(SOA)and Automo-
tive Open System Architecture(AUTOSAR),the request description package approach,the protocol adapter modi-
fication method and service invocation method selection for automotive electronic cloud manufacturing oriented to
service were studied and solved.A future automobile electronic cloud manufacturing architecture oriented to net-
work,intelligence and services was put forward to meet safety and real-time requirements of automotive electronics
manufacturing.An example was used to prove the feasibility of proposed architecture.
Key words:cloud manufacturing;automotive open system architecture;service oriented architecture;automotive e-
lectronics
1 问题的提出
众所周知,对汽车这种复杂系统进行集成制造
十分困难,需要协调成百上千个电子控制单元(E-
lectronic Control Unit,ECU)以及相应的团队。目
前,业界采取的办法就是采用“烟囱式(stovepip-
ing)”垂直管理的运作模式来对整个系统进行开发。
但是随着近年来汽车电子技术的发展,以及人们对
汽车娱乐化、舒适化和安全性能要求的不断提高,未
来车载电子装置会越来越多[1],如果继续按照这种
模式制造汽车,将会使汽车设计、制造和集成的周期
不断加长甚至无法控制,其灵活性和可扩展性根本
得不到保证,汽车的集成制造会变得难上加难,制
造、集成和维护成本将直线上升,未来一定会成为现
代汽车业发展的绊脚石。
云制造技术概念的提出为汽车制造业的发展指
明了方向。云制造体系结构能够为汽车制造业提供
各类制造资源(制造硬设备、计算系统、软件、模型、数
据和知识等)[2],能够将IT制造能力按需、可靠、价廉
地与传统的汽车制造行业相结合,形成扁平式的制造
第7期 吉 莉 等:基于汽车开放系统架构的汽车电子云制造架构
格局(如图1),不但能够促进汽车制造业的快速集成
与更新,而且具有很高的安全性和可维护性。
因此,解决将现有的汽车制造能力接入到云制造
环境中[3]所带来的技术问题(包括封装、接入和调用
等技术[2]),是当前需要研究的主要内容。文献[4]提
出将面向服务的体系架构(Service-Oriented Architec-
ture,SOA)的概念引入嵌入式系统,但未提及与汽车
电子汽车开放系统架构(Automotive Open System
Architecture,AUTOSAR)标准的结合,不具有前瞻
性;文献[5]提出基于云环境构造按需响应的汽车服
务,然而这种方式仅解决了部分通讯的问题,不能解
决汽车电子制造云端化的问题。本文结合以上文献
的贡献与不足,考虑目前AUTOSAR已经是汽车电
子产业的实施标准以及SOA构建体系能够完成资源
与云制造环境互相转换[6]的客观情况,提出将AU-
TOSAR和SOA相结合,设计一种应用于汽车电子
领域内的可实施的汽车电子云制造架构,并对影响这
种制造模式设计的关键问题,包括服务请求描述、协
议适配器建设和服务调用等进行研究与设计。
2 汽车电子标准AUTOSAR和实时SOA简介
2.1 AUTOSAR简介
AUTOSAR定义了一套支持分布式的、功能驱
动的汽车电子软件开发方法和ECU上的软件架构
标准化方案,以应用于不同的汽车平台,从而提高
软件复用,降低开发成本。AUTOSAR如图2所
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计算机集成制造系统 第18卷
示[7],其核心成员包括宝马、博世、戴姆勒、通用和一
汽等国内外大牌厂商,目前成员已超过150个。
目前,汽车电子系统正在逐步遵循AUTOSAR
标准体系,向着具有模块化、集成化、接口化的可控、
可扩展和可维护的安全系统方向稳步迈进,已经量
产的宝马七系就是完全采用AUTOSAR建设的。
2.2 实时SOA
SOA是一种软件架构设计和集成的基础模板,
已经作为当前软件产业化应用集成的基础体系架构
在业界得到了大力推广和肯定,在云计算体系架构软
件即服务(Software as a Service,SaaS)中更是作为基
础构件存在。随着SOA在各行各业的渗透,实时分
布式系统的SOA化成为大家逐渐关注的焦点,实时
SOA(real-time SOA)顺势而出,其设施主要取决于面
向服务的消息性能、服务质量控制、服务过滤器和判
定机制[8],它的提出很好地弥补了嵌入式等实时软件
在标准体系架构上的缺失,更重要的是通过实时
SOA的实施方法使得实时性较强的制造业能够加入
到云端的制造过程中,更进一步实现云制造。
3 汽车电子云制造架构设计
3.1 影响架构设计的问题研究
将AUTOSAR的运行总线进行扩充,与SOA
的标准相适配,可以使车载封闭环境向云制造环境
转移。但是两个标准体系的连接必定涉及包括服务
请求描述、协议适配器和服务调用速率等问题,如何
解决车载环境下的这些问题,是汽车电子云制造架
构设计的关键。
3.1.1 服务请求描述
AUTOSAR标准描述语言的设计需要参考和
结合SOA、Web服务描述语言(Web Service De-
scription Language,WSDL)并加上本体和各种标
准规范的组合,命名为AutoSDL。
顺应近年来 WSDL规范的发展,AutoSDL应
该具有三部分信息,即操作基本信息描述、操作约束
信息描述和操作的服务质量(Quality of Service,
QoS)信息描述。如图3所示,在每部分信息中应该
有基于本体的基本信息值描述,以上每部分信息相
当于 Web服务本体描述语言(Web Ontology Lan-
guage for Service,OWL-S)中 Service Profile的
内容[9]。
在该模型的基础上,对 AutoSDL语言表示定
义为
OP(s,o)=(Fc(s,o),I(s,o),O(s,o),ST(s,
o),QoS(s,o))。
其中:
Fc(s,o)表示基于本体的服务请求s上的操作
o的功能描述;
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第7期 吉 莉 等:基于汽车开放系统架构的汽车电子云制造架构
I(s,o)表示基于本体的服务s上的操作o的输
入参数描述;
O(s,o)表示基于本体的服务s上的操作o的输
出参数描述;
ST(s,o)表示基于本体的服务s上的操作o的
状态描述;
QoS(s,o)表示服务s上的操作o的服务质量,
QoS(s,o)=(T(s,o),C(s,o),R(s,o),A(s,o),RE
(s,o)),T(s,o)表示服务s上的操作o的执行时间,
C(s,o)表示服务s上的操作o的执行费用,R(s,o)
表示服务s上的操作o的可靠性,A(s,o)表示服务
s上的操作o的可用性。
因为AUTOSAR标准的文档也是基于可扩展
标记语言(eXtensible Markup Language,XML)规
范的,所以以上服务描述内容很容易被协议适配器
解析成标准的 WSDL文档。
3.1.2 协议适配器
协议适配顾名思义就是基于AutoSDL描述和
WSDL描述进行协议互换。
(1)基于以上服务请求描述文件的定义,扩展必
要的文档节点和说明内容,以满足 WSDL文档的功
能和安全以及其他方面的描述需求,形成标准的 WS-
DL文档,通过网络向云计算环境提交服务请求。
(2)云计算环境得到车载环境提交的服务请求
后进行查询和匹配,得到相应的服务或服务集,根据
请求地址和请求句柄将服务信息返回给相应的汽车
节点,汽车节点得到反馈后首先根据请求的内容进
行服务分解或服务组装;然后进行协议转换,将复杂
的 WSDL文档转换为车载环境能够理解的 AutoS-
DL语言文本,车载环境根据转换结果进行远程过
程调用,调用过程和返回结果也会重复以上过程。
3.1.3 服务调用
调用协议的可用性、可靠性和执行性是汽车电
子云制造体系架构实施过程中的关键。在车外环境
的远程过程调用中,有两种方法可以选择:①简单对
象访 问 协 议 (Simple Object Access Protocol,
SOAP);②表象化状态转变(Representational State
Transfer,REST)协议。
图4所示为通过试验得到的SOAP协议和
REST协议在处理Byte,Integer和Float型数据时
的能力,可以看出,REST协议在处理基础数据的能
力上远远高于SOAP,因此构建汽车电子云制造架
构的服务调用协议应首选REST协议。
3.2 汽车电子云制造架构设计
基于以上关键问题的分析,汽车电子云制造架
构的设计如图3所示,其逻辑结构如图5所示。
从图3和图5可以看出,在原有的AUTOSAR
运行总线中扩充了 AUTOSAR容器和SOA容器,
两个容器分别进行车载电子和云端软件的服务请求
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计算机集成制造系统 第18卷
和响应描述、服务流程描述和组合的描述、元数据描述
以及服务的集成、分发和转发,进行协议的互相转换并
通过响应请求协议的交互,从而达到车载环境与云计
算环境的融合,使汽车制造业与云端无缝地融合。
4 应用场景
基于上述汽车电子云制造架构的研究与设计,
在电动汽车的整车控制器上进行实施。整车控制器
软件从功能上划分为5个模块:电气安全、能量管
理、动力学控制、远程标定及故障诊断。基层软件包
括μC/OSⅡ或OSEK操作系统、系统服务、内存服
务、诊断服务、组件对象模型(Component Object
Model,COM)、通信服务(包括 CAN 总线抽象服
务、FlexRay总线抽象服务和RS232抽象服务等)、
I/O抽象、AD 输入、模拟输出、脉宽调制(Pulse
Width Modulation,PWM)输入输出、串行外设接口
(Serial Peripheral Interface,SPI)抽象以及微控制
器底层驱动等。上层软件和基层软件通过AUTO-
SAR容器进行交互和协调,上层软件和外部软件通
过AUTOSAR容器、SOA容器和协议适配器进行
适配和装载。整体架构如图6所示。
以汽车模块/人需要参考云环境服务中的远程
监测进行整车诊断为例,它通过上述体系结构的流
程图如图7所示。
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第7期 吉 莉 等:基于汽车开放系统架构的汽车电子云制造架构
图8所示为初步在纯电动汽车上进行远程云服
务调用时云制造活动的图片。
5 结束语
在云制造架构的各项技术保证下,汽车电子
制造业必将向着高安全化、强服务化以及具有调
度、搜索、管理和虚拟等更人性化的方向发展。本
文在对SOA与 AUTOSAR结合需要的主要技术
进行分析后提出未来汽车电子云制造架构,并在
现有的电动汽车车载总线上进行扩充和适配,初
步验证了该架构的可行性。汽车电子产业在云制
造架构的指引下必将迎来崭新的一页。关于如何
有效实施,到底什么样的架构、技术和管理最合理
可行,还需要仔细设计与推敲并逐步进行试验。
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作者简介:
吉 莉(1981-),女,山西原平人,助理研究员,硕士,研究方向:汽车电子架构设计、基于SOA的系统制造等,E-mail:jili@mail.iee.ac.cn;
王丽芳(1970-),女,山西忻州人,研究员,博士,研究方向:汽车电子、车载网络技术;
廖承林(1973-),男,四川宜宾人,副研究员,博士,研究方向:汽车电子、整车控制技术。
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