引言

软件定义汽车(SDV)的发展前景广阔，但在实现过程中面临诸多挑战。尽管SDV的数据驱动概念易于描述，但其系统集成的复杂性使得构建变得异常困难。SDV涉及大量来自不同来源的数据，包括控制信号、传感器、乘客输入等，每个数据源都有其特定要求，需在合适的时机和地点实时传输。而汽车由多个供应商和集成商提供的零部件组成，这些不同组件的集成过程既充满竞争又增加了复杂性和成本。尽管行业已尝试通过通用软件API标准来解决部分问题，但这些方法未能彻底解决底层数据格式和类型的差异，开发者仍面临许多系统集成的挑战。为简化这一复杂性，COVESA(互联汽车系统联盟)正在推动构建和整合开源、通用的数据中心模型，以支持未来车辆的设计与发展。

一、以数据为中心的方法

由数据驱动的SDV不仅需要底层数据之上的抽象层通用API标准，还需要另外增加三个重要要素：

1.所有数据使用统一的类型和格式标准

这包括车辆内部及周围的所有数据——传感器、执行器、软件数据对象等，涵盖所有系统：驾驶舱、底盘、ADAS、信息娱乐、V2X等。

2.数据本身是组件之间的接口

例如，感知系统可能需要从摄像头、LiDAR、雷达、GNSS和IMU接收标准数据类型的输入，并导出已感知的物体列表及其位置和运动，同时使用标准数据类型定义。

3.车内存在“全局数据空间”

这意味着车内的每个ECU和计算节点都可以完全访问全局数据空间中的所有数据。

图1. 以数据为中心的框架

在以数据为中心的方法框架下，车辆的每个组件和应用程序都使用相同的通用数据语言。这种统一的语言使得SDV的创建与集成变得更加简单，具体体现在以下几个方面：

• 处理不同数据类型的软件功能可以部署到车辆的任何位置。
• 组件可以自由交换或升级，免去传统集成中的繁琐步骤。
• 适用于当前车辆的组件可以无缝延续到未来的车辆。
• 组件可以不受品牌或车型的限制,根据数据需求独立创建。

借助这一框架，只要使用统一的数据语言，车辆的特性和功能便可完全由软件定义。

这一方法不仅可行，而且正被积极开发。借助COVESA和DDS，这些以数据为中心的系统正不断被创建、测试和部署。COVESA在推动数据驱动的SDV发展方面发挥着领导作用，并通过开源和开放标准扩展其功能:

COVESA（互联汽车系统联盟）是一个开放协作的技术联盟，汇集了全球多个领先组织。该联盟共同致力于为联网汽车开发通用方法和创新技术。作为SDV（软件定义汽车）联盟的创始成员之一，COVESA与AUTOSAR、Eclipse SDV和SOAFEE等合作，积极推动行业标准的制定。联盟成员包括高通、英特尔、博世、德尔福、宝马、丰田、戴姆勒、华为、英伟达等，这些企业在智能汽车、自动驾驶、车联网等领域具有深厚的技术积累和行业影响力。通过与COVESA的紧密合作，这些成员共同推进先进技术的研发与标准化进程，确保未来汽车系统的互操作性与可持续发展。COVESA的一项重要任务是定义车辆信号规范（VSS）中的通用数据类型目录。借助COVESA VSS，软件组件能够独立开发，同时借助统一的数据语言，实现各组件之间的无缝互操作性。

DDS（数据分发服务）是由开放对象管理组（OMG）制定的开放通信标准，专为数据驱动的系统设计。DDS将数据本身作为系统组件之间的核心接口，支持发布/订阅及请求/应答两种通讯模式，具备自动发现功能，使系统组件能够灵活通信。DDS具备底层传输独立性，支持多种通信方式，包括IP网络、共享内存和串口通信等。同时，它提供细粒度的安全性管理，如身份验证、加密和访问控制，确保数据传输过程中的机密性和完整性。DDS的服务质量（QoS）功能允许定制数据传输的优先级、延迟和可靠性，确保最佳系统性能。通过高效的二进制数据编码和多种底层传输功能（如多播、零拷贝、无损压缩等），DDS在提供极高性能的同时，不影响代码可移植性。

图2. 数据分发服务(DDS)

二、DDS：以数据为中心的系统互操作性框架

DDS（数据分发服务）的核心操作原则包括：

• 通用数据类型定义：所有系统中流经的数据（如雷达轨迹、驾驶员控制、视频源、传感器、执行器等）都使用统一的数据类型定义。这种通用数据语言贯穿整个系统。
• 发布者和订阅者模型：应用程序生成数据并发布，或者订阅数据以供使用。无论是发布还是订阅，应用程序与数据本身交互，而无需关心数据的来源、目的地或传输方式。数据可以位于同一ECU上，也可以分布在不同的ECU上，甚至是模拟、录制或仿真数据，应用程序无需了解其具体细节。
• 自动发现：DDS通过发现机制帮助定位系统中所有数据类型的发布者和订阅者，从而建立连接并实现数据流的传输。这一机制适用于所有支持的传输方式（如UDP、共享内存、TCP等），并保证在系统重新配置时无需更改应用程序。

这些原则使得DDS能够高效地支持数据驱动的系统，并提供强大的互操作性。

图3. DDS工作原理（从左到右）：通用数据类型在软件构建时输出给代码生成器，生成这些自定义数据类型的类型支持代码，从而实现应用程序的发布者/订阅者API

在DDS中，核心库负责处理其他DDS参与者的发现、QoS配置和安全性管理。DDS 核心库能够独立处理每个数据流的身份验证、加密和访问控制，确保数据在传输过程中保持安全和高效。

DDS核心库与传输抽象层交互，从而支持几乎所有类型的传输，包括IP网络、共享内存、串口和PCIe等。这种抽象使DDS能够提供一个统一的全局数据空间，保证系统中的所有数据都是最新且可用的。

借助这一架构，DDS使得软件组件的创建无需考虑底层硬件、操作系统、网络或编程语言的差异。复杂的系统可以由不同的团队独立构建，每个团队可以根据自己的需求和最佳实践开发组件，同时通过标准化的互操作性确保系统的协调运行。

目前，已经有多个符合DDS标准的实现，涵盖开源与商业支持的版本，这些实现可以无缝协作。DDS适用于多种主流编程语言、操作系统及RTOS，并且是AUTOSAR标准中定义的两种通信框架之一。

DDS提供以下主要功能：

• 极致性能：DDS在IP网络上的速度接近物理层线速，在共享内存(含零拷贝)中则更加高效。
• 高级QoS功能：通过精细调节数据流，确保系统在大多数场景下以最佳性能运行。
• 基于标准的互操作性：不同DDS实现之间能够无缝协作，避免供应商锁定。
• 广泛的跨平台支持：DDS支持桌面平台（如Linux、Windows、Apple）、实时操作系统（如QNX、SafeRTOS、INTEGRITY）及汽车平台（如Android Automotive、AUTOSAR Classic和AUTOSAR Adaptive）。
• 易于理解：DDS聚焦数据本身，简化了复杂系统的构建及维护，避免了层层叠加的服务、注册表和协议复杂性。
• 易于使用：自动发现机制和全局数据空间使得系统的使用更加简便。
• 细粒度安全控制：DDS提供精确的身份验证、加密和访问控制，保障每个数据流的安全，支持安全（如TLS/DTLS、SSL）和非安全（如TCP、UDP、共享内存）传输方式。

三、极大简化SDV的开发进程

借助COVESA VSS等通用数据类型，DDS可以显著降低系统复杂性，简化SDV的开发，并助力实现SAE L2-L5的自动驾驶。以下是具体的实现方式：

通过数据作为通用接口轻松集成 由于数据本身即为接口，基于DDS的系统避免了紧密耦合。以感知组件为例，导入摄像头和雷达数据并输出对象列表通常需要大量编码和测试，而通过DDS，这些工作大大减少。每个组件只需生成所需的数据类型，数据驱动的松散耦合允许组件供应商自由选择技术，避免OEM供应商锁定。

应用程序可移植性 DDS创建了一个“全局数据空间”，所有网络参与者都能访问数据。这使得在系统内重新部署软件应用程序变得更加容易，特别是在从分布式ECU迁移到Zonal（区域控制器）或HPC（高性能计算系统）时。

互操作性和汽车生态系统 利用通用数据模型和DDS，组件实现插拔式互操作性，供应商可轻松交换和升级组件，降低开发成本并加速市场进程。ROS 2项目便使用DDS构建了强大的生态系统，支持低级传感到高级路径规划等功能的互操作性。类似地，AUTOSAR Adaptive通过DDS实现了更广泛的系统互操作性，提高了实时数据管理和分发效率。

降低成本并缩短上市时间 使用DDS和通用数据类型（如COVESA VSS）有显著优势：

• 减少系统集成工作节省开发时间；
• 复用组件提升其价值；
• 避免定制化工程降低成本；
• 增强生态系统合作，吸引开发人才。

图4. DDS显著降低系统复杂性，简化SDV的开发

四、COVESA VSS:定义SDV数据模型

在以数据为中心的系统中，拥有一套通用且定义明确的数据类型至关重要，而这正是COVESA的关键作用所在。COVESA车辆信号规范（VSS）提供了一个独立的参考，定义了车内数据类型和信号。VSS目前已覆盖超过850个信号，涵盖车身、驾驶室、底盘、ADAS、动力系统等领域，并持续扩展，逐步包含更多车辆类型、自动驾驶、V2X等先进功能。

这一扩展工作与DDS的应用密切相关。COVESA VSS与DDS完美契合，结合这种领先的数据中心通信框架，VSS为SDV提供了稳定且全面的数据模型。这是将DDS应用于SDV特定汽车功能的初步合作成果之一。

基于COVESA VSS，已经形成了一个不断扩展的解决方案生态系统，推动了快速原型设计、改进维护和提升车内用户体验——这一切都归功于通用数据类型带来的数据中心互操作性。

如今，竞争愈加激烈，车辆架构正迅速发展到前所未有的复杂程度。COVESA正在积极扩展VSS，以涵盖新功能，并支持向驾驶辅助、用户体验、自动驾驶、V2X、隐私和安全等领域的扩展。

结论

软件定义汽车的转型正在顺利推进，为OEM提供了前所未有的灵活性和提升的用户体验。通过采用由DDS支持的以数据为中心的架构，汽车制造商能够加速上市时间，同时保持系统的安全性、灵活性和可扩展性。COVESA正在通过为汽车制造商提供标准化的、可互操作的数据类型以及经过测试的、随时可用的源代码，引领行业向以数据为中心的SDV功能发展。