软件定义时代已经来临

作者：PTC中国区CTO 施战备博士

PTC全球资深副总裁兼大中华区总裁 刘强

软件作为产品的一部分，与硬件组合在一起提供特定的产品功能，已不稀奇。我们称之为“嵌入式软件或系统”。业界广泛认可的第一款嵌入式软件系统是阿波罗制导计算机(AGC)，是由麻省理工学院于 1965 年为 NASA阿波罗计划开发，用于控制太空任务期间使用的所有机载设备。随后，Intel公司于1971年发布了第一款微处理器C4004，它使得嵌入式软件系统摆脱了计算机的限制，开始以独立的计算单元形式嵌入到不同的硬件设备中。到2000年初期，嵌入式系统逐渐演进为嵌入式微型计算机，并被广泛应用于大到汽车、高铁和飞机，小到手机和家用电器等各种产品当中。

时至今日，我们所谈到的“软件定义产品”已经演进成为一种专注于软件创新而非硬件的新型产品——软件开始成为产品的核心，且无需硬件的升级换代，用户就可以持续享受产品的新功能。“软件定义产品”最为大众所熟知和津津乐道的是 “软件定义汽车”。

根据大众汽车2020年的预测，当时一辆车上最多约集成了1亿行代码，而到2025年则将达到10亿行，这是介于谷歌与Facebook之间的代码量级。当汽车的软件代码达到10亿行时，汽车公司就成为了一家不折不扣的软件公司。大众汽车前CEO赫伯特·迪斯(Herbert Diess)预测，汽车行业的创新将有90%以上来源于软件。普华永道在《打造软件驱动的汽车企业》报告中指出：“软件已成为现代车辆差异化竞争的核心，而软件开发的成本，将在未来十年内增长83%”。甚至有分析机构预计：到2030年软件在整车成本的占比将从现在的15%飙升到60%。

由此可见，软件定义时代已经来临。

软件定义时代的产品变革

正如德勤所指出的，在“软件定义”时代，变化的不仅仅是简单的产品中软件的比重，其本质是产品从高度集成的机电终端，转变为智能化、可扩展、可持续迭代升级的移动电子终端。

为实现这一最终目标，软硬件将被进一步解耦，硬件结构部分将进行极致的标准化和模块化，并将超前的硬件功能预埋在产品中，通过持续迭代升级的软件来逐步释放新功能，使得用户能够在无需任何硬件升级换代的前提下就能够持续享受创新的应用体验。

特斯拉是这一理念的大力倡导者，并率先将其付诸实践。2012年，特斯拉推出Model S时首次发布了软件空中升级(Software Over-The-Air，简称SOTA)功能，使得车辆可以远程升级车机娱乐系统和应用软件，如导航系统、人机交互界面等。2017年发布Model 3时进一步推出了固件空中升级(Firmware Over-The-Air，简称FOTA)功能，可实现对系统固件的远程在线升级，再一次为业界树立了新的标准。

在这一趋势下，首当其冲的是企业商业模式和盈利模式的变化。特斯拉于2019年开始尝试OTA付费升级，并于2021年推出了EAP(Enhanced AutoPilot，增强辅助驾驶)和FSD(Full Self-Driving，完全自动驾驶)两套不同级别的自动驾驶选装套件。据高盛预测，特斯拉的FSD等软件年收入已达到10亿至30亿美元，长期毛利率高达90%，而其车辆销售最高毛利率仅为32.9%。到2030年，这一数字将达到100亿至750亿美元。考虑到特斯拉2022年的总收入为815亿美元，这一数字非常惊人。由此可见，在“软件定义”时代，软件服务收入在企业的营收和利润占比中开始扮演越来越重要的角色，企业需要重新审视其商业模式和产品策略。

显而易见的是：“软件定义产品”引发的产品电子电气架构(Electronic & Electrical Architecture，以下简称E/E)的革命性变革，也将带来产品研发模式的变革。

简单来说，传统的汽车E/E架构往往是采用以ECU为核心的分布式架构，即传感器、ECU和执行器一一对应，以保证各个系统的独立性和抗干扰性。智能网联、自动驾驶等技术给整车开发带来的巨大考验是爆炸式的数据处理需求和更高的运算速度。传统的分布式E/E架构，无论是运算能力和数据处理能力，还是车载网络传输效率等都无法满足自动驾驶和智能网联技术的要求。因此，汽车E/E架构开始由传统的分布式逐步转向以云计算为基础的中央集中式架构。下图是博世给出的汽车E/E架构演进路线图。

根据德勤的观点：汽车E/E架构将经历三个演变周期：即集成化、域集中式和中央集中式。其中，作为演变的终极目标，中央集中式架构极大地实现了软硬件解耦，软件直接部署在中央计算平台，可支持整车软件的OTA升级。然而，中央集中式架构在量产开发过程中，软件开发的规模和难度激增，面临技术复杂度、组织体系、开发模式、开发周期等多维度挑战，不仅要解决多核异构芯片的软件部署，还要涉及跨域融合的多个域控制器软件开发。因此为了降低开发难度，大幅提高开发效率，需要将开发视图从域控制器层面向整车层面迁移，并提供一体化的开发平台、开发视图与开发方法。与此同时，为提升软件功能的重用性和可扩展性，车载软件技术架构也将由传统的面向信号的分布式架构向基于统一平台的分层化、服务化架构转变。

特斯拉于2019年率先在Model3车型中采用中央集中式架构，国内新能源车企也正在经历从域集中式架构向中央集中式架构转型过程。同样，其他行业也提出了类似的概念，如“软件定义风机”、“软件定义工程机械”等。

软件驱动的敏捷产品开发模式

由于在“软件定义产品”时代，产品创新更多地依赖于软件的创新，因此产品研发模式也必然从传统的硬件优先方法过渡到软件优先的产品开发方法，即所谓的“软件定义开发模式”。

简单来说，软件定义开发模式就是在产品开发过程中，以软件开发为主，通过采用敏捷软件开发和数字化部署运营相结合的方法，构建以软件开发，以及持续集成、测试、部署为核心的产品研发运营模式，从而实现产品开发、测试和运营等过程的深度融合。

显而易见，与传统的硬件优先产品开发模式相比，软件定义产品开发模式具有诸多的显著的优势和特点。

首先，通过软件功能与硬件解耦，产品软件逐渐由固化在专用微处理器的嵌入式程序，整合为基于服务架构(SOA)的、开放可扩展的软件平台，使开发人员能够更专注于应用程序开发和软件功能创新。

其次，提供兼容不同硬件的应用程序可移植性，极大地简化了面向跨硬件平台的软件开发、测试和部署，并使制造商更容易更换升级过时或不可用的硬件组件。

第三，通过软件在线应用商店和产品功能的服务化，可以通过基于云的在线更新实现产品的持续升级或功能优化，在提升用户体验和满意度的同时，也为企业带来了新的盈利模式。

最后，新的模式能够加速人工智能 (AI) 和云计算等新技术在产品中的应用，并可通过简单有效的方法来更新、配置和扩展产品中的人工智能模型，而无需进行昂贵且耗时的硬件升级。

随着软件定义产品开发模式被应用，产品的整个研发模式也将面临转型升级——软硬件一体化的敏捷产品开发方法成为其中的关键。

在传统的产品开发模式里，软件和硬件是错综复杂地连接在一起的。开发人员为确保软件和硬件之间的完美集成，除了在开发过程中需要与硬件开发人员进行频繁的沟通协作，还需要通过物理样机进行大量的功能测试和集成测试，以确保终端、设备驱动程序和应用程序之间的交互逻辑能够按预期运作。在软件定义产品开发模式下，软硬件得到充分解耦，软硬件之间采用通用的、标准的通讯和控制协议进行交互，软件开始转变为面向服务的、平台化的开发架构。为提升软件开发运维协作效率，缩短软件研发周期，提高软件质量，制造商开始在软件开发过程中引入敏捷开发和基于DevOps的持续集成部署方法。SAFe(Scaled Agile Framework)敏捷开发方法提出的敏捷发布火车(Agile Release Train)，能够将开发团队协同起来，按照固定的时间间隔(通常为几周或几个月)发布产品或服务，这有助于加强产品不同开发团队之间的协作，以快速响应不断变化的市场需求，并在竞争中保持领先地位。

在产品开发过程中应用敏捷开发框架，需要从产品视角进行通盘考虑，除了软件工程领域之外，还需要兼顾硬件和机械工程领域。与硬件相比，软件的研发即生产过程，没有后续的生产制造供应链等一系列活动，但有着持续的运营和迭代。而硬件和机械工程领域，由于其开发过程复杂，涉及业务环节过多，开发周期长，矩阵式开发组织架构等因素，使得敏捷方法一直难以得到大规模应用。时至今日，随着数字化技术的蓬勃发展和成熟应用，敏捷产品开发再次成为行业领导者的关注焦点。很多企业开始构建面向产品的BizDevOps方法体系，将软硬件一体化的敏捷产品开发方法作为企业数字化战略的重要一环。

宝马汽车早在2018年就提出在整车开发过程中引入BizDevOps方法，开启了向敏捷产品开发的转型，即通过业务、开发和运营团队的密切协作，以产品和专业领域为导向，构建连续、一致的工程数据流，加速和优化产品开发和交付流程，实现端到端的持续集成、开发和部署运营，以及全过程、360º的实时透明可视化。

戴姆勒(Daimler)公司也于2020年提出软件驱动的敏捷产品开发战略，通过构建面向多专业、全寿期的数字产品原型，打造敏捷的协作流程体系和产品开发组织架构，在数字样机+数字孪生环境中敏捷迭代完成系统/子系统、到机电软等多专业级的虚拟仿真验证过程，取代90%的物理样机功能，从而大大提升多专业、上下流协作效率，使得首车上市时间缩短12个月，且首车下线即达到可交付状态。

软件驱动的数字化创新转型

由此，敏捷产品开发已经成为“软件定义产品”行业进行数字化转型的战略重心，必将引发新一轮的业务变革。经过深入分析国内外企业敏捷产品开发案例，结合多年的行业经验，我们发现对于应用企业而言，采用敏捷产品开发模式往往重点专注于两个方面的转型，即“向左转”和“向右转”。

“向左转”注重于研发模式的创新转型，即采用BizDevOps策略实施敏捷产品开发和交付流程，在产品早期建立多专业、跨领域的敏捷组织模型，根据明确定义的业务策略和产品架构，制定详细的产品开发路线图，并基于此各团队开展敏捷开发、持续集成、持续测试和部署工作。“向左转”其实就是将物理样机阶段执行的试验等各项工作尽量往左移，即利用数字样机、数据驱动仿真和数字孪生等技术，构建持续的、一致的面向全寿期的产品数字原型，并逐级分解和定义基于模型的多专业、上下游之间的协作机制和协作流程，从而驱动硬件由传统串行的、瀑布式开发模式转向敏捷迭代开发模式，有效提升产品研发过程的并行协同效率，缩短硬件结构迭代周期。

而“向右转”则注重于商业模式的创新转型，即利用OTA和云计算技术，在实现部署灵活性，保持产品持续更新，为用户提供增值服务的同时，也为制造商带来了新的盈利模式。OTA和云计算架构，更易于实现业务和流程的集成，以及海量数据的分析应用，是数字孪生技术蓬勃发展的土壤。数字孪生，即物理产品或流程在数字空间的完整数字化表达，是人工智能和产品的深度融合，将为制造商带来更多的创新和想象空间，为产品创新和持续改进提供源源不断的连续数据流。数字孪生将进一步促进产品运营模式的转型，使产品即服务(Product As A Service)成为现实，产品或软件可以按使用收费。

当然，目前数字孪生并不能完全取代物理样机，如民用客机的试飞取证过程，汽车安全合规强制要求的实车碰撞试验等。但毫无疑问地，数字孪生将成为已交付产品与企业内部开发团队之间的桥梁和纽带，加速产品的敏捷开发和交付流程，促进企业进一步“向左转型”。数字孪生技术最终将会使企业“向右转型”和“向左转型”无缝衔接，实现敏捷产品开发和持续部署运营的无限循环迭代过程。

案例分析

我国汽车行业正在积极拥抱“软件定义汽车”时代，众多车企都在电动化转型的基础上大规模引进软件人才，组建软件开发团队，应对汽车产品智能化的趋势。我国某头部新能源车企从创立伊始，即已注意到了软件之于未来汽车产品的重要性，将“软件定义创新”融入到了企业基因中。

该车企是我国某传统车企独立的新能源业务板块，拥有独立的品牌、独立的团队、独立的管理体系。企业认为，汽车产品的智能化水平将成为未来消费者购车的重要因素，汽车不再是“交付及巅峰”、“不破不修”，而应该是具有丰富的用户体验，多样化的功能，并能够“常用常新”、“千人千面”。这背后意味着，软件开发能力将成为车企的核心竞争力，车企研发的重心应从硬件转移到软硬件并重。

因此，该车企实施了一系列举措，全面推进“软件驱动创新”转型。

首先，是架构创新：企业自研了全新的EEA(电子电气架构)架构，硬件方面适应新能源车的结构特点，并进行了ECU的整合，有助于算力升级，软件开发及更新升级;

其次，是流程创新：在符合ASPICE、ISO 26262等传统标准及行业合规性要求的同时，引入敏捷开发思想，形成“瀑布+敏捷”的混合开发流程，支持智能座舱、智能驾驶业务的开发与迭代;

最后，是工具创新：通过引入一系列工具链软件，构建CI/CD平台，提高软件开发、测试、发布效率;引入PTC新一代ALM平台，实现软件开发全过程可视化追溯管理，有效保障软件开发质量。

经过不断地探索与实践，该企业的转型之路得到了市场的认可与积极的评价，品牌销量居于新能源市场领先水平，车型智能化配置丰富，用户口碑出众。“软件定义汽车”变革是一场长跑，企业赢得了起跑，但要想跑的更快，跑的更远，还将继续坚定投入，坚持“软件驱动创新”的转型之旅。

结束语

过去五年来，麦肯锡对来自20多家经历敏捷创新转型的企业进行了一项统计分析，结果指出：在汽车、消费电子、工业工程和医疗设备等行业，经历敏捷转型的上市公司在一系列研发指标上取得了不低于20%的绩效提升，包括上市时间、质量、生产力和员工满意度等。在某些情况下，上市时间和工作效率提高了 60%。我们预测，未来5-10年，敏捷化转型将成为推动制造业转型升级的新一波浪潮。

（来源：PTC）

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