随着智能汽车技术的发展，对智能座舱系统的功能要求日益增加，传统架构下的紧耦合设计难以满足高效扩展和资源优化的需求，因此有必要探索新的架构设计方法。文章提出了一种基于面向服务架构（SOA）的智能座舱设计方案，实现高度模块化和灵活可扩展的车载系统，其采用原子化服务设计，结合SOA架构，通过模拟实验和数据分析来评估其在电子控制单元（ECU）资源利用率方面的改进效果。实验结果表明，SOA架构显著降低了导航和媒体播放模块的ECU资源占用率，整体优化幅度达到48.28%。因此，SOA架构能够有效提升智能座舱系统的资源利用效率和系统灵活性，确保了智能座舱在复杂功能需求下的高效运行，满足了智能化、互联化发展的趋势。
随着汽车行业进入电动化、智能化、网联化和共享化的“新四化”时代的发展趋势[1]，智能座舱系统已经集成了导航、娱乐、信息显示、驾驶辅助等多种功能，引入语音控制和触控操作等先进的人机交互方式[2]。目前，智能座舱设计仍然存在一些缺陷。许多系统采用传统的紧耦合架构，各功能模块间的相互依赖性强，扩展性和灵活性较差，系统升级和维护难度较大，无法快速响应市场需求和技术更新。汽车行业的智能化进程不断加快，智能座舱系统也在不断发展，逐渐成为车载系统的重要组成部分。
国外在对智能座舱的软件架构设计和开发上仍处于世界领先地位。同时，虚拟机管理器（QNX Hypervisor）、英特尔嵌入式处理器平台（Apolo- lake）等虚拟化平台也都是由国外研发的，因此基于这些虚拟化平台的软件架构[3-4]，国外的应用也早于国内，如德国大众、美国通用都是如此。其中，较早使用的就是面向服务的全球架构（Global Architecture for Service, GAS）的软件架构升级。GAS是谷歌（Google）很早应用到汽车上的一种软件架构服务层的方案，该方案最早用于国外的车载娱乐系统，也就是智能座舱域控制器的前身。相比于国外成熟的GAS框架，国内智能座舱软件架构的相对来说更依赖芯片厂家提供的原始支持，他们的软件架构都是虚拟化技术的不同应用形式，并且都适用于最主流的高通硬件平台，这个平台已经连续3代推出了支持虚拟化技术的硬件芯片[5]：820A、8155、8295。
在快速响应市场需求和技术更新的背景下，倪海艳等[6]研究了关于全息影像技术在汽车智能座舱中的应用，丰富智能座舱多模态交互途径，促进汽车更加智能化。杨君[7]根据车载制氧系统在当前汽车智能座舱背景下的功能特点及性能优势，设计了一种基于整车搭载制氧设备的优选结构方案。任广乐等[8]为提升用户用车体验，最终实现在一个融合显示屏上同时显示仪表系统和娱乐系统两个系统的设计。刘尧等[9]分析了多模态交互技术涉及的信息识别技术的应用现状及趋势，发现多模态交互技术表达效率显著提高以及表达信息量显著增加，最终提出了五个方面的发展建议。
通过以上文献发现，当前的智能座舱架构大多是传统的集中式架构，各个功能模块之间往往存在较强的耦合性，导致系统的灵活性和可扩展性受到限制[10]。而且，由于用户需求多样化和技术的迅速迭代，现有的智能座舱系统难以快速响应和适应新的市场需求，这使得系统的维护和升级变得复杂[11]。
在这种背景下，面向服务的架构（Service- Oriented Architecture, SOA）为智能座舱的发展提供了一条有效的路径。通过将各个功能模块解耦为独立的服务，SOA架构使智能座舱系统更加灵活地适应不断变化的需求。各个服务模块可以独立开发、部署和升级，有效降低了系统维护的复杂性。SOA架构还支持服务的注册和发现，确保系统能够根据实际需求灵活调整调用功能。这使智能座舱能够在快速发展的智能汽车市场中保持竞争力[12]。针对这些问题，本文提出了一种基于SOA架构的智能座舱设计方案。通过引入原子化服务，使各功能模块能够独立运行和升级，实现高度的模块化和灵活性。其中松耦合特性降低了系统的维护成本，提高了功能扩展的效率，确保智能座舱能够快好适应技术的快速演变和市场的多变需求。
SOA是一种设计和开发软件系统的方法，其核心思想是将系统功能划分为若干独立的服务。这些服务通常以标准化的接口进行定义，通过网络进行通信和交互。每个服务是一个独立的业务功能单元，能够被不同的应用程序复用。SOA架构强调服务的松耦合性，使各个服务模块可以独立开发、部署和管理，又能够通过统一的接口进行集成和协作。
智能座舱系统通过集成先进的技术和功能，打造出一个高度智能化的驾驶环境，将导航、娱乐、驾驶辅助等多种功能整合在一个统一的平台上。系统具备强大的互联能力，能够与外部设备和网络进行无缝连接，确保用户体验的流畅性与一致性。系统的设计注重用户体验，通过直观的界面和个性化的设置，提供便捷的操作方式。而面向服务的架构SOA的出现可以打破车内静态交互模型，并且建立功能灵活治理的系统架构。确保新增功能的实现可以与车辆原有的系统架构、驱动方式、通信方式相匹配[13]。
SOA其核心思想是将系统功能划分为若干独立的服务。在智能座舱中，SOA架构通过将系统功能模块化和服务化，显著提升了系统的灵活性、可扩展性和维护性。SOA架构设计一般为多层架构，从下至上遵循粒度逐渐增大的规律[14]。因此，将智能座舱的各个功能进行细化，并添加原子服务层，确保功能的高内聚和松耦合，与此同时本设计在智能座舱的SOA架构中加入了平级设计，平级设计的选择旨在增强系统的灵活性、可扩展性和可维护性。通过这一设计，智能座舱能够快速适应不断变化的市场需求和技术进步，保持其竞争力。架构设计如图1所示。
在SOA架构的智能座舱设计中，原子服务层是整个系统的核心部分，负责提供细化、独立的服务。这些服务具有高度的模块化和复用性，能够独立开发、部署和管理。原子服务的独立性使得系统在功能扩展、维护和升级时更为灵活，能够适应不断变化的需求。在智能座舱的导航服务模块中，导航数据服务是一个典型的可原子化服务模块。它负责处理与导航相关的数据请求，提供实时的地图信息、路径规划、交通状况等功能。导航数据服务作为一个独立的服务模块，可以根据需要被单独调用和部署，不依赖于其他模块。这种原子化设计使得导航数据服务能够灵活应对不同的使用场景，并通过接口与其他服务进行有效通信。导航数据服务的原子化服务功能具体介绍如表1所示。这些服务可以独立开发、部署和更新，通过标准化的接口进行通信。这种设计不仅减少了功能模块之间的耦合性，还允许不同服务在不干扰彼此的情况下进行迭代和优化。SOA架构支持智能座舱系统的灵活扩展和升级。各个服务模块独立运行，系统可以轻松地集成新的功能或进行现有服务的更新，而无需对整个系统进行大规模修改。
架构设计遵循模块化、松耦合、标准化接口、可扩展性、高效性和安全性等关键原则，在这些基础上为智能座舱构建一个灵活、可扩展且高效的系统。本设计主要通过将导航服务、媒体播放服务等功能细分为独立的原子化服务模块。
基于SOA架构的智能座舱设计，首先需要明确系统的功能需求，将导航和媒体播放等功能模块拆分为若干个独立的原子化服务，每个服务负责单一功能，如数据获取、位置定位、播放控制等。这些服务通过服务网关和通信总线进行解耦和互联，确保服务之间的独立性和互操作性。在实现过程中，需要稳定的服务网关来处理外部请求，和高效的通信总线机制以支持服务之间的异步通信和数据交换。各服务模块内部的原子化服务应遵循模块化和可替换的原则，使用标准接口进行通信，确保服务可以独立开发、部署和更新，从而实现系统的高扩展性和易维护性。最终，通过这样的设计思路，可以构建一个灵活、可扩展的智能座舱系统，支持不断变化的用户需求和快速的技术升级，具体服务框架如图2所示。SOA架构在智能座舱中的去耦合特性得到了充分体现。每个原子化服务作为独立的功能单元，支持灵活的系统扩展、快速的服务更新和便捷的维护，从而增强了系统的灵活性和可维护性。
在智能座舱的SOA架构中，服务接口定义是服务之间通信和协作的关键。每个服务接口定义了服务的功能、输入输出参数、请求方式以及返回结果。下文将说明导航服务模块中几个关键服务接口，服务接口定义如图3所示。
导航数据服务提供的地图信息是实现精准导航的基础。系统向该服务发出请求并提供当前的位置信息，便能获取到适用于当前位置的最新地图数据。该数据用于绘制地图、计算路线、显示交通信息等功能，保证导航系统为用户提供清晰、准确的行驶路径和实时的交通状况反馈。在实际应用中，这项服务确保了智能座舱中的导航系统能够适应动态变化的道路条件和交通状态，提升了驾驶安全性和导航的准确性。图4是导航数据服务接口定义的具体说明图，展示了从客户端请求到服务端响应的数据交换过程。
响应状态码（200OK）是超文本传输协议（HyperText Transfer Protocol, HTTP）中的一种标准状态码，表示客户端请求已成功处理并且响应内容正常返回，是服务器对客户端请求的成功响应的标志。其中的详细步骤为：
1）请求生成：客户端根据需要构造请求资源定位器（Uniform Resource Locator, URL）和参数，发送HTTP从指定的资源请求数据（GET）到导航数据服务的接口地址。
2）请求处理：导航数据服务接收到请求，解析请求参数，并根据当前位置和地图版本获取相关的地图数据。
3）响应生成：服务端将获取到的地图数据打包成Java Script对象表示法（Java Script Object Notation, JSON）格式，并作为响应体返回给客户端。响应中包括道路信息、交通状况和地标信息等。
4）响应传输：客户端接收到HTTP响应，并从响应体中提取所需的地图数据，用于后续的导航处理和显示。
SOA架构智能座舱的服务接口定义如表2所示，其中说明了每个原子化服务的具体功能和在系统中的角色，并简化为以“导航（Navigation, NAV）”和“媒体（Media, MED）”为主的几个大类，便于更清晰地理解服务模块。
在智能座舱系统中，服务接口可以绑定多种网络通信协议，包括控制器局域网（Controller Area Network, CAN）、基于IP的可拓展面向服务的中间件（Scalable service-Oriented Middleware over lP, SOMEIP）、以太网（Ethernet）、面向媒体系统传输（Media Oriented System Transport, MOST）等。其中，SOMEIP作为一种基于IP的通信协议，具有显著的优势[15]。SOMEIP是一种为车载网络环境设计的服务通信协议，旨在实现高效、灵活的服务交互。它支持多种通信模式，包括请求、响应、事件发布、订阅，能够满足不同服务之间的需求。SOMEIP通过服务发现和自动化注册简化了服务管理，提供低延迟和高吞吐量的数据传输，确保在实时应用中的可靠性和性能。该协议具有良好的标准化特性，与其他车载通信协议，如CAN和本地互连网络（Local Interconnection Network, LIN）兼容，使其成为现代汽车电子架构中理想的通信解决方案。SOMEIP提供了高效、低延迟的数据传输和服务发现功能，支持多种服务交互模式，保证了车载网络中服务的灵活性和可靠性。相比其他协议，将SOMEIP协议用于智能座舱中的服务接口绑定，可以利用其高效、灵活的通信能力，提升系统的整体性能和互操作性。该协议的标准化和兼容性确保了与车载网络环境的良好集成，为智能座舱系统提供了稳定、可靠的服务支持。因此，本设计采用SOMEIP作为绑定服务接口的网络通信协议。
在智能座舱系统中，通信协议（如SOMEIP）定义了服务之间的交互规则和数据格式，确保系统模块能够有效地交换信息。导航服务模块能够与其他模块进行高效的数据交换，提供准确的地图和交通数据。定义明确的数据类型，如字符串（string）、JSON、数字（number），确保数据的正确传输和解析，实现系统的稳定性和可靠性。
1）字符串：用于表示文本数据，如位置坐标或地图版本，“39.9163, 116.3971”表示一个地理位置坐标。
2）JSON：一种轻量级的数据交换格式，用于表示结构化数据，图5则是典型的JSON数据结构。
3）数字：用于表示数值数据，如道路车道数、交通拥堵等级，在图5典型的JSON数据结构的4则表示为道路上的车道数量。
基于SOA架构的智能座舱设计完成后，对该架构设计进行测试和评估。实验结果表明，在SOA架构中，导航服务和媒体服务被拆分为多个原子化的微服务，每个服务专注于执行特定的任务。由于这些服务是独立的，它们可以在不同的电子控制单元（Electronic Control Unit, ECU）上按需分配资源，而不需要占用整个ECU的计算能力。传统架构的ECU资源利用率数据可以通过CAN分析仪的监测与分析得到。SOA架构的ECU资源利用率数据来源于对新设计的仿真测试。通过MATLAB建立一个模拟环境，分别对原子化服务进行独立测试，通过负载测试和性能分析工具监测ECU在运行原子化服务时的资源利用率记录每个服务在典型场景下的资源占用情况。通过以上实验得到导航服务模块和媒体播放模块的ECU资源利用率分别从传统架构的75%和70%优化为37.65%和36.75%，数据如表3所示。整体SOA架构下的ECU资源利用率为37.20%，相比于传统架构的72.50%，降低了35.3%，只是原有利用率的51.72%，整体优化幅度达到48.28%。与传统智能座舱系统相比，SOA架构显著降低了ECU资源的占用率和负担测试，如图6所示。传统系统通常依赖于紧耦合的模块化设计，导致ECU必须预留大量冗余资源以应对所有可能的需求，而SOA架构通过将服务解耦合细化，使得ECU只需按需分配资源，从而显著减少了资源浪费。
通过以导航服务和媒体播放服务模块为实例，本文详细描述了基于SOA架构的智能座舱设计。SOA架构的引入，使各功能模块能够作为独立的原子化服务运行和升级，这极大地提升系统的模块化和灵活性。同时，松耦合减少了不同服务之间的依赖性，使系统在维护和功能扩展时更为便捷。本设计不仅能够高效应对复杂的智能座舱功能需求，还为未来的技术发展和市场竞争提供了坚实的基础，展现出强大的市场竞争力和技术优势。
[2] 杨子江,李梁.汽车智能座舱交互设计趋势研究[J].中文科技期刊数据库(引文版)工程技术,2021(1):511- 513.
[4] 邓帅.华为虚拟化技术在统计业务系统中的应用研 究[J].现代信息科技,2018,2(9):90-91.
[5] 张德强.基于大型机VM平台的Linux整合技术研究[D].武汉:湖北工业大学,2007.
[6] 倪海艳,张敏,赵掌柱,等.一种基于全息影像的座舱电子功能设计[J].汽车实用技术,2021,46(9):82-83.
[11] 强秀华,李林.智能网联汽车多域电子电气架构技术发展研究[J].时代汽车,2024(16):25-27.我是PG电子新手，有没有简单的入门指南？我是PG电子新手，有没有简单的入门指南？
