Software architectures of the convergence of automotive systems and cloud platforms

Abstract

Context: Over the last few years, there has been an emerging interest towards connecting automotive systems to cloud platforms. This has created the urge to refactor system’s architectures that enable continuous and pervasive service provisioning and connectivity through federated networks and resources. The architectures should allow frequent software updates, complex data processes and algorithms and improved software quality in vehicles.

Objective: The dissertation investigates and proposes software architecture solutions that aim at improving continuous software delivery in the automotive domain while alleviating quality concerns under the dynamic performing conditions in vehicles.

Method: For this purpose, a combination of qualitative and quantitative methods was used for detailed analysis of previous literature, collecting architectural preferences from field experts, designing architectural solutions and evaluating the designed solutions in an experimental laboratory setting.

Results: The results of this dissertation show that software architectures of the convergence of automotive systems and cloud platforms should address a wide range of quality concerns to fulfil different automotive scenarios. The findings indicate that the availability, reliability and scalability of services are among the major quality attributes to be addressed by software architectures. The findings of this dissertation show that microservices are a fully potential solution to address these quality concerns as well as other emerging requirements for continuous software delivery in the automotive domain. In addition, microservices are a design alternative to assure system designers about reliable, autonomous software functionalities under dynamic operating conditions in vehicles

Contribution: A major contribution of this dissertation is to design, implement, and evaluate architectural artifacts that provide insight and empirical knowledge on quality research gaps and quality trade-offs in the software architectures of the convergence of automotive systems and cloud platforms. Furthermore, results of the systematic analysis of previous studies contribute to the literature by providing a synthesised and structured body of knowledge and a basis for future studies.

Tiivistelmä

Tausta: Viime vuosina on herännyt kiinnostusta yhdistää autojärjestelmät pilvialustoihin. Tästä on syntynyt tarve refaktoroida järjestelmän arkkitehtuurit, jotka mahdollistavat jatkuvan ja kokonaisvaltaisen palveluntarjonnan sekä liitettävyyden yhdistettyjen verkkojen ja resurssien avulla. Arkkitehtuurien tulisi mahdollistaa ajoneuvojen toistuvat ohjelmistopäivitykset, monimutkaiset tietojenkäsittelyprosessit ja algoritmit sekä parantaa ajoneuvojen ohjelmistojen laatua.

Tavoite: Väitöskirjassa tutkitaan ja ehdotetaan ohjelmistoarkkitehtuuriratkaisuja, joilla pyritään parantamaan ohjelmistojen jatkuvaa toimittamista autoteollisuudessa ja samalla lieventämään ajoneuvojen dynaamisiin suorituskykyolosuhteisiin liittyviä laatuhuolia.

Menetelmä: Tätä tarkoitusta varten käytettiin kvalitatiivisten ja kvantitatiivisten menetelmien yhdistelmää aiemman kirjallisuuden yksityiskohtaiseen analysointiin, arkkitehtonisten mieltymysten keräämiseen alan asiantuntijoilta, arkkitehtonisten ratkaisujen suunnitteluun ja suunniteltujen ratkaisujen arviointiin kokeellisissa laboratorio-olosuhteissa.

Tulokset: Väitöskirjan tulokset osoittavat, että autojärjestelmien ja pilvialustojen yhdistettyjen ohjelmistoarkkitehtuurien tulisi vastata monenlaisiin laatuongelmiin erilaisten autoteollisuuden skenaarioiden toteuttamiseksi. Tulosten perusteella palvelujen saatavuus, luotettavuus ja skaalautuvuus ovat tärkeimpiä laatuominaisuuksia, joita ohjelmistoarkkitehtuureissa tulee käsitellä. Väitöskirjan tulokset esittävät, että mikropalvelut ovat täysin mahdollinen ratkaisu näihin laatuongelmiin sekä autoteollisuuden ohjelmistojen jatkuvaan toimitukseen liittyviin kasvaviin vaatimuksiin. Lisäksi mikropalvelut ovat suunnitteluvaihtoehto, jolla järjestelmäsuunnittelijat voidaan vakuuttaa luotettavista, itsenäisistä ohjelmistotoiminnoista ajoneuvojen dynaamisissa käyttöolosuhteissa.

Kontribuutio: Tämän väitöskirjan keskeinen kontribuutio on arkkitehtonisten artefaktien suunnittelu, toteutus ja arviointi, jotka antavat käsityksen ja empiiristä tietoa laatuun liittyvistä tutkimusaukoista sekä kompromisseista autojärjestelmien ja pilvialustojen yhdistämisestä ohjelmistoarkkitehtuureissa. Lisäksi aikaisempien tutkimusten systemaattisen analyysin strukturoidut tulokset lisäävät ajantasaista tietämystä alan kirjallisuudessa ja luovat pohjan tulevalle tutkimukselle.

Original papers

Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Haghighatkhah, A., Banijamali, A., Pakanen, O.-P., Oivo, M., & Kuvaja, P. (2017). Automotive software engineering: A systematic mapping study. Journal of Systems and Software, 128, 25–55. https://doi.org/10.1016/j.jss.2017.03.005

2. Haghighatkhah, A., Oivo, M., Banijamali, A., & Kuvaja, P. (2017). Improving the state of automotive software engineering. IEEE Software, 34(5), 82–86. https://doi.org/10.1109/MS.2017.3571571

3. Banijamali, A., Pakanen, O.-P., Kuvaja, P., & Oivo, M. (2020). Software architectures of the convergence of cloud computing and the Internet of Things: A systematic literature review. Information and Software Technology, 122, 106271. https://doi.org/10.1016/j.infsof.2020.106271

   Self-archived version

4. Banijamali, A., Heisig, P., Kristan, J., Kuvaja, P., & Oivo, M. (2019). Software architecture design of cloud platforms in automotive domain: An online survey. 2019 IEEE 12th Conference on Service-Oriented Computing and Applications (SOCA), 168–175. https://doi.org/10.1109/SOCA.2019.00032

   Self-archived version

5. Banijamali, A., Jamshidi, P., Kuvaja, P., & Oivo, M. (2019). Kuksa: A cloud-native architecture for enabling continuous delivery in the automotive domain. In X. Franch, T. Männistö, & S. Martínez-Fernández (Eds.), Product-Focused Software Process Improvement (pp. 455–472). Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-030-35333-9_32

   Self-archived version

6. Banijamali, A., Kuvaja, P., Oivo, M., & Jamshidi, P. (2020). Kuksa*: Self-adaptive microservices in automotive systems. In M. Morisio, M. Torchiano, & A. Jedlitschka (Eds.), Product-Focused Software Process Improvement (pp. 367–384). Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-030-64148-1_23

   Self-archived version

Osajulkaisut

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon.

1. Haghighatkhah, A., Banijamali, A., Pakanen, O.-P., Oivo, M., & Kuvaja, P. (2017). Automotive software engineering: A systematic mapping study. Journal of Systems and Software, 128, 25–55. https://doi.org/10.1016/j.jss.2017.03.005

2. Haghighatkhah, A., Oivo, M., Banijamali, A., & Kuvaja, P. (2017). Improving the state of automotive software engineering. IEEE Software, 34(5), 82–86. https://doi.org/10.1109/MS.2017.3571571

3. Banijamali, A., Pakanen, O.-P., Kuvaja, P., & Oivo, M. (2020). Software architectures of the convergence of cloud computing and the Internet of Things: A systematic literature review. Information and Software Technology, 122, 106271. https://doi.org/10.1016/j.infsof.2020.106271

   Rinnakkaistallennettu versio

4. Banijamali, A., Heisig, P., Kristan, J., Kuvaja, P., & Oivo, M. (2019). Software architecture design of cloud platforms in automotive domain: An online survey. 2019 IEEE 12th Conference on Service-Oriented Computing and Applications (SOCA), 168–175. https://doi.org/10.1109/SOCA.2019.00032

   Rinnakkaistallennettu versio

5. Banijamali, A., Jamshidi, P., Kuvaja, P., & Oivo, M. (2019). Kuksa: A cloud-native architecture for enabling continuous delivery in the automotive domain. In X. Franch, T. Männistö, & S. Martínez-Fernández (Eds.), Product-Focused Software Process Improvement (pp. 455–472). Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-030-35333-9_32

   Rinnakkaistallennettu versio

6. Banijamali, A., Kuvaja, P., Oivo, M., & Jamshidi, P. (2020). Kuksa*: Self-adaptive microservices in automotive systems. In M. Morisio, M. Torchiano, & A. Jedlitschka (Eds.), Product-Focused Software Process Improvement (pp. 367–384). Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-030-64148-1_23

   Rinnakkaistallennettu versio