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汽车软件工程的挑战
Manfred Broy
计算机科学学院
慕尼黑工业大学
D-80290,慕尼黑,德国
broy@in.tum.de
摘要
汽车软件的数量呈现指数级增长。驾驶的不同要求促使发展出更便宜、更强大的硬件以及新功能对创新的需求。快速增长的软件和基于软件的功能为汽车行业带来各种挑战，如组织、关键技能、流程、方法、工具、模型、产品结构、分工， 物流、维护和长期策略等(见[21]，[23]，[25]，[26])。从软件工程的角度来看，汽车行业是一个理想和迷人的先进技术的应用领域。尽管汽车行业可能会采用从其他领域获得的关于软件工程知识的一般结果和解决方案，汽车工业领域特定的约束和特定的需求，为个人的解决方案和软件工程带来各种挑战。在汽车行业，我们能找到各种有趣的软件和系统工程的问题和挑战。
分类和主题描述
D.2(软件工程)：D.2.1要求/规范 (D.3.1)，D.2.2设计工具和技术，D.2.10设计(D.2.2)，D.2.11软件架构。
概述
设计，经济，可靠性实验，人为因素，标准化
关键词
汽车软件工程，模型驱动开发，嵌入式系统
1 介绍
如今，在许多技术产品中，软件起着主导的作用，在汽车行业，这甚至适用于终端。如今，汽车软件在汽车工业中作为主导因素，产生各种各样的问题 但其仍然是决定性的因素。
任何人可以轻易地发现汽车软件的数量在过去的30年里呈指数级增长，并且可以预见，这种趋势至少还要持续20年。
自从三十年前出现第一个汽车软件，汽车软件发展到现在的只有四代左右。从一代到下一代，软件数量以十倍甚至更快的速度增长。如今，我们可以在豪华车中找到超过一千万行的代码，可以预见在下一代中的数量会超过其十倍。
许多汽车具有软件解锁以及自动驾驶的创新功能。能源管理和气电混合解决方案是当前最新的问题，其只能依靠应用大量软件这种经济的方式解决。它主要是应用具有更强依赖性和特定领域创新功能和交互功能的应用程序域组织
下面，我们简单的描述汽车软件的历史以及当前的挑战，然后我们描述它的问题、挑战和机遇。基于短期的发展趋势，我们畅想该领域会如何发展。最后我们讨论当前在汽车领域软件工程的研究(见[14])。
2 历史
30年前，控制软件中的点火功能被第一次部署到汽车发动机中。
第一个基于软件的解决方案是非常局部、孤立和不系统的。随着硬件/软件系统数量的日益增长，专用控制器（电子控制单元或者电气控制单元)不同的功能以及专用的传感器和制动器确定了汽车的基本架构。在时间优化线路、公交系统(见[29])中部署电子控制单元用来连接传感器和制动器。
鉴于这样一个基础设施， 电子控制单元也被连接起来用来交换信息。因此汽车行业开始通过总线系统实现具有不同功能的电子控制单元的连接。这些自下而上的功能的建立，使得自上向下设计系统的方法永远不会被使用。如果我们不循规蹈矩，而是从头开始重新设计汽车的硬件/软件系统，我们会想出一个完全不同的解决方案。
3 现状
今天高档车的功能由超过5种不同的总线系统连接着不少于70种的电子控制单元。电子和软件占据高达40%的汽车成本。
3.1 汽车软件的地位
短短30年里，汽车软件从0发展到10，000,000多行代码。软件控制着豪华车里2000多个独立功能的连接与实现，如今，50-70%的软件/硬件的开发成本是系统软件成本。汽车的网络视图如图1所示。
软件以及硬件成为汽车的关键技术。它们展现新特性和功能。从电子控制单元越来越便宜的价格可以看出，硬件是越来越商品化。同时，决定了功能的软件成为主导因素。
3.2 嵌入式软件驱动的创新
总的来说，软件是今天最重要的创新驱动技术系统。通过软件我们认识到创新的功能，我们见识新方法的实现和已知功能成本的降低，我们找到能够实现现有功能并且能够降低成本、减轻重量或提高品质的方法，同时，我们节约能源，尤为重要的是，我们将它们组合成多功能系统。
图1所示 机载网络
通过这样，软件为传统、已知的方面带来全新解决方案。如同嵌入式系统一般，特别适用于汽车。
3.3 汽车软件工程的不足
今天，汽车软件工程仍处于起步阶段。随着汽车变得越来越多，快速增长的软件数量和处于传统结构的汽车行业很难适应不同功能系统的需求。
遵循传统独特的解决方案(见[7])，汽车工业在软件领域也有其独特的方法。人们可以惊异于汽车软件专利技术的数量。事实上，各个方面的汽车软件基本上同样适用于操作系统、通信协议、工具和建筑。当然，汽车软件工程领域有其特殊的要求(见下文)。然而受益于现有的技术，特别是其他领域的经验和技术，如电信和航空电子设备，汽车行业的可以做得更好。
Livecycle管理软件仍处于初期阶段。 许多供应商，甚至一些OEM厂商甚至没有达到CMM2水平。特别是在系统分布式并行工程和开发高度复杂的、多功能的、分布式、实时和安全的软件方面。
重要的解决方案(见[22])从一辆车到下一辆传承得不够，只是沿一些特定的方式顺向传递。许多子域的功能，从上一代传至下一代只改变和增强10%，同时超过90%的软件重写。因为低水平的硬件和其特殊的要求，使得难以改变，采用和传输现有的代码。
最后，自动化生产的软件数量在汽车中占比相当低。工具只是被孤立的使用。甚至没有一个适当的设计流程，也没有无缝的分布函数工具链。
4 文件配置领域
传统汽车工业是高度垂直结构。而在软件工程，这是模块化的。制造工程师经过100多年的努力，在开发和生产汽车各个方面建立了子系统，这有助于开发附带的生产系统并形成一个巨大的部门。
因此，供应商可以接管相当大的部分，如工程、开发、和生产的顺向外包。理想情况下，汽车的零件是由一连串的供应商和少数只组装汽车的厂家生产(OEM及以下的制造商)。因此，大量的工程和生产是外包的，这可以优化成本和风险分布。一辆车(或更多)可以称作是由OEM生产的零件组装的。
软件成为促进创新发生巨大的变化的主要力量
bull;传统中由司机自行控制但完全不相关并且相互独立的功能(如刹车、转向或控制引擎)，开始交互。汽车从一个组装装置变成一个集成系统。无意的特性开始交互并成为主流。
bull;安装附带的集成系统。
bull;汽车变得更可编程。 某些属性，如舒适性或运动性，不再单纯的由力学决定，也由软件决定。
bull;软件的开发成本占汽车成本越来越大，不再仅仅由传统的零件成本决定。
汽车中嵌入式软件/硬件系统的规模和结构巨大。应用软件与实时操作系统和司机交互起来。大部分的软件是硬实时关键或至少软实时关键。
汽车软件系统的具体要求更加个性化：
bull;广泛的不同用户(司机和乘客，也包括维护方面)
bull;具体维修情况
bull;关键安全功能
bull;操作系统的特定上下文
bull;异质性功能(从嵌入式实时控制功能到娱乐的功能，从空调等舒适性功能到司机援助等功能，从能源管理功能到软件下载(flash)功能，从安全气囊诊断功能和错误日志记录功能)。
结果是发展处大量复杂和具有特殊频谱要求的板软件。
5 未来
汽车软件数量的增长和功能的创新并没有结束，相反，我们可以预见一个实质性增长的未来。未来发展具有以下趋势：
bull;高需求的新创新或改进的功能
bull;快速变化的平台和系统基础设施
bull;快速增加的开发成本以及沉重的代价
bull;更高质量和可靠性的需求
bull;更短的上市时间
bull;更加个性化
最终产生一个高要求的专门软件研究和系统工程。
5.1 创新功能
接下来几十年，软件仍将以接下来的两个创新改变汽车。我们将在未来看到更多拥有新的软件及功能的汽车。每个新软件的基础功能使汽车更加个性化，加快其发展。
5.1.1 事故预防、事故安全
今天汽车安全标准非常高。尽管车流量越来越大，人在汽车事故中严重受伤或死亡的几率减少。据统计，汽车软件帮助防止发生骇人听闻的事故和许多严重的受伤事故。然而，系统还远远不够完美了。新一代的具有事故预防、危机和事故缓解功能的软件正在发展。
5.1.2 先进的能源管理
混合动力汽车只是开始。未来汽车，我们可以预见许多负责监控能源消耗、汽车校准和管理可用电能的车载技术基础设施。
5.1.3 驾驶员高级辅助功能
复杂的软件系统用来辅助汽车的司机、乘客，并且高度系统化。各级各种驾驶员辅助功能，以及开车协助，例如，车道偏离或旅游规划。
5.1.4 良好人机界面
不久的将来，汽车将装备无缝集成自适应MMI(人机界面)系统。汽车也由于软件变得复杂—但它们也变得更安全更方便。但为了方便地访问这种便利，我们必须为驾驶员和乘客提供这些功能，他们不必明确所有这些操作的复杂性。自适应情景感知辅助系统在没有驾驶员或乘客的过多的显式交互的况下，掌握情况并且能够在宽范围内进行反应，可以促进一个新的人机界面。
5.1.5 可编程汽车
如今通过配备各种执行器和传感器，如高档车，汽车已经可以通过引入新的软件进行编程，来引入新的功能。这相当于可编程汽车。
5.1.6 个人化和个性化
一个有前途的问题是汽车的个性化和个性化。驱动程序是完全不同的。当然，当汽车变得越来越复杂时，根据用户的个人需求和期望操作的方式来制造汽车是至关重要的。
5.1.7 互联网汽车
另一个值得注意的创新是车载和车外系统的网络线路。 使用无线连接，特别是点对点解决方案，我们可以连接汽车，这为改善交通中的安全问题或找到新的解决方案提供了许多可能性，其协调性远远超越今天的古典道路标志的交通。例如，不久的将来，当我们可以想象所有的道路标志由汽车之间的数字信号补充时，我们可以用一个完全不同的方式来协调交通。
5.2 降低成本
汽车的软件成本巨大。这些不仅是纯开发成本。有时甚至更重要的是维护成本，特别是保修成本。
5.3 创新架构
未来的汽车一定会用更少的电子控制单元，有利于使用更集中的多功能多用途的硬件，更少的通信线路和更少的专用传感器和致动器。 从如今一辆车上有70多个电子控制单元，进一步发展到少量的电子控制单元，只保留几个具有判断功能的专用电子控制单元，并结合少量具有其他特殊功能但又通用的电子控制单元处理器。这种彻底改变的硬件将为软件工程带来不同的技术和方法。。
6 挑战
汽车软件数量以戏剧性的方式发展。在短短30年中，软件开发活动数量从0到30%甚至40%。如果我们假设一个工程师年在行业工作大约35至40年，显而易见，公司没有足够的能力获得足够的经验。第二个问题是，大学没有足够掌握嵌入式，特别是汽车领域所需技能的软件工程师。
汽车软件的高强度使汽车行业面临着高压力和高变化压力。原因是多方面的。汽车中的第一个不同的功能引发各种需要的或不需要的特征相互作用。
这完全不同于之前汽车工业时的汽车软件的应用。一百多年前，汽车行业尽可能的独立不同的功能，这样汽车可以按一个高度模块化的方法开发制造。随着基于软件的功能的出现，这些独立的汽车消失了。今天一辆车必须作为一个具有复杂的系统、所有的功能的整体来考虑。所以软件汽车工程成为一个非常巨大的系统工程。
6.1 能力和改善流程
软件在汽车的增长意味着汽车行业的需要不断创新。同样需要管理能力和软件开发能力。
另一方面，汽车行业需要全新的开发流程。与以前的过程相比，如今，行业更受到软件的主导。令人欣慰的是基于流程和模型的软件工程越来越多的影响汽车领域的机械工程。
6.1.1 从软件到系统工程
最终，汽车工业的整体结构和组织开始发生变化。一个问题是OEM所做的开发量。行业的总体趋势是基本上所有实施都是通过外包实现的。 然而，只要OEM有兴趣做自己的集成工作，OEM必须深入了解软件密集型系统。
6.1.2 控制理论的作用
传统控制理论在汽车发展中起着重要的作用。然而，如今的很多汽车软件不是基于控制理论而是基于事件。这里的挑战是如何找到合适的理论和方法来结合控制理论和离散事件系统的工程。
6.1.3 机会和风险
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