汽车业正来到一个转折点,即将从先进驾驶辅助进入到真正的自动驾驶车阶段。要提升自动能力,直到不久前的做法仍然都是透过分散但联机的电子控制单元(ECU)来新增额外的功能,但这在未来似乎不是可行的解决方案,因此,采用截然不同的思维方式确实是必要的。

我们将在本文中探讨自动驾驶领域的挑战,包括可靠度方面的关键要素,接着也将讨论有关开放式平台系统策略的概念,以及此概念如何实现符合SAE第3至5级汽车标准的联机、服务、安全与防护。

汽车产业现况

全世界现在都在努力朝完全自动驾驶的方向前进,尽管在时间进程上仍有不少争论,但普遍共识已经达成,实现目标只是迟早的问题。美国汽车工程师协会(SAE)早已提出未来蓝图,为道路车辆自动化订出六个等级,每个阶段都为汽车自动操作驾驶赋予更多任务。

有人把这个进程比拟成爬圣母峰(Mount Everest),因为它需要完成多次技术演进,才能走完SAE定义的六个阶段。其中几个必须考虑的要素包括:感测技术与人工智能(AI)将如何演进,才能取代手握驾驶盘的驾驶人,以及如何在汽车联机率日益提高的状况下提供足够的安全性。除此之外,客户期望与安全考虑是每个阶段都需要克服的重大难关。

部份汽车制造商采取“汽车为先,运算其次”(vehicle first, computing second)策略,但其他刚投入这个市场的厂商,包括各大计算机公司,则有不同的看法。自动驾驶(AD)主要的挑战来自软件,因此厂商现在正在推行一种策略,也就是先开发运算系统,接着再依系统打造车辆,彻底颠覆传统思维。 EET_Figure1 (002)_1510177366 尽管多数汽车均搭载硬件,但只有少数具备SAE L4或以上的功能(来源:Strategy Analytics)

自动驾驶的挑战

今日的现代化汽车已是由大量子系统或ECU组成的复杂系统,分别由数百或数千个电子与电机组件构成。根据估计,每一辆高阶车辆内平均有超过100个微控制器(MCU)/微处理器,用来作为这些ECU的“中枢”。在这些系统中运作的软件数量甚至比最新的尖端F-35战斗机还要多。事实上,为了达到第3级(Level 3)自动驾驶车的自动化等级,所需的运算效能也必须比目前的汽车高出许多。除此之外,市场的期待是,自动驾驶车必须先具备高可靠度,让消费者感到安心自在,之后才能完全将驾驶工作托付给计算机。换句话说,自动驾驶车需要具备容错操作能力,要能辨识错误并加以解决,让旅程得以继续,就算功能会受到限制也一样。 eet_figure 2_1510210623 可靠度五大方面必须一次满足

为了实现容错操作的系统,汽车制造商必须从汽车的整体架构着手,确保将备援机制等安全措施部署在以下三个功能区块:感测、运算、致动。还有,这些区块之间以及与其他汽车、基础设施或云端等车外世界之间的所有互动(亦即联机)必须及时且可靠。联机是自动驾驶的关键,能实现重要的加值服务,包括远程诊断、软件更新、交通信息、过路费控管及付款等多种服务。但是,这些功能也导致汽车暴露于更大的攻击面,因此,车内必须执行更多的安全功能。 EET_Figure 3_1510177623 连网车辆暴露出更大的攻击面,容易遭受外部世界攻击

为了解决这个安全难题,我们需要采用多层式策略。在应用层执行SSL、TLS等安全通讯,加上应用访问控制,并确保流动数据的可信度,这对无线软件(OTA)更新或服务等功能来说尤其重要。其次,软件平台的安全性需要包含分隔化、入侵预防和ECU验证。最后在硬件层方面,CPU安全性、针对整合硬件安全模块(HSM)的支持以及ECU自身的防火墙,这些都有助于为汽车建立高效率的安全平台。

开放式平台策略

产业目前正快速朝向网域型的分布式计算架构前进,此架构以汽车最重要的功能为主,包括驾驶、先进驾驶辅助系统(ADAS)/自动驾驶(AD)、车身与舒适度以及信息娱乐。此架构将为快速演化且日益复杂的未来自动驾驶车带来更加简化的策略。 eet_figure 4_1510177768 不对称的策略能节省功耗与成本,但功能性也较低 EET_figure 5_1510177944 典型的自动驾驶控制架构 EET_figure 6_1510178093 网域型分布式计算是未来的关键

SAE第4级(Level 4)以上的自动化需要从汽车的感测、运算和致动等功能区块大幅强化处理能力,子系统的数量和复杂度将呈指数级增加,目标是达到这些自动车需要的功能性与可靠度等级。相较于以目前E/E架构为基础的“分布式控制”(Distributed Control),这些需求更偏向“分布式计算”(Distributed Computing)的概念。在现有的E/E架构内加入其他的传感器模块,从硬件的观点来看或许简单,但对软件整合来说则是一大挑战,特别是缺少抽象层时,会导致平台更不容易实作。

在过去这一两年里,许多汽车制造商和系统供应商不断扩大功能,就是为了克服这些挑战。有些厂商与技术或服务供应商成为合作伙伴;有些则并购整间公司,将必要的技术和专业知识引进到内部,特别是软件方面的知识。这清楚代表着业界正视对于新技术和方法的需求,也因而带来了扩大合作的机会。从目前这个转折点来看,采用开放式平台/开放式系统策略有助于加快整个流程,加速实现创新,促进开发可互通、模块化且可扩充的自动驾驶系统。

显然,未来的模块化且可扩充软件始终会建立于异质网络架构之上,此架构包括了所有的低阶驱动程序、操作系统、中间件和应用架构等。为了实现扩充能力,在汽车基础架构中,这个领域未来将会高度标准化,而建立在此堆栈上的应用将成为各家汽车制造商突显自家优势的兵家必争之地。

标准化与API带来的其中一项有趣的结果,就是让新的商机和商业模式开始萌芽。随着汽车连网程度提高,新创公司和现有公司都有机会为驾驶提供标准化的新型服务和加值服务,确保跨产业之间能兼容与互通。

结语

虽然距离自动驾驶车完全实现还有一段路要走,但目标显然在不远的将来就会实现。要管理这些复杂系统的整合,同时达到汽车业史上最高的可靠度,是目前最需要解决的挑战,但更重要的是,在真正的自动驾驶实现以前,业界需要先开发出标准化且可扩充的架构,并了解前方多数的挑战都可运用创新的软件开发加以克服。

编按:本文作者Ritesh Tyagi为英飞凌汽车创新中心主任 Nelson Quintana,英飞凌汽车创新中心自动驾驶部资深技术人员

本文授权编译自EE Times,版权所有,谢绝转载

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