“软件定义汽车” 成为重要发展趋势

  通过发展智能汽车引领和推动新一轮科技革命和产业变革,已成为美国、日本、欧洲等国家和地区的共识。

  近年来,世界汽车强国纷纷完善顶层设计,大力支持智能汽车的发展,在国家战略的引导下推动跨部门、跨领域的协同合作,以国家级科技研究计划作为支撑,为技术创新及产业化营造环境。美国、欧洲、日本以及韩国积极开展相关法律法规的制订、修订工作,制定鼓励智能汽车上路测试和商业化应用的法规。国际标准化组织也加快智能汽车关键技术标准的研制工作,以期抢占标准话语权。各国政府均在推动智能汽车测试场建设和开展公共道路测试等方面做了大量工作。在政府的大力支持下,汽车企业巨头持续加大在智能汽车领域的投入,纷纷以产业联盟、收购、投资等多种方式进行跨界合作,不断完善在自动驾驶领域的技术创新和产业布局。

“软件定义汽车” 成为重要发展趋势

  我国也高度重视智能汽车的发展。2017年4月,工信部联合国家发改委、科技部发布的《汽车产业中长期发展规划》指出,未来我国汽车强国建设路线上以智能网联汽车为重要突破口,引领整个产业转型升级。2018年1月国家发改委印发的《智能汽车创新发展战略》(征求意见稿)提出,到2020年智能汽车新车占比达到50%,我国智能汽车发展迎来前所未有的机遇期。

  麦肯锡发布的《展望2025:决定未来经济的12大颠覆技术》研究报告指出,智能汽车排名第六,并预估其在2025年的潜在经济价值为2000亿~19000亿美元。美国咨询机构IHS预测,智能汽车将在2025年左右走进寻常百姓家,2035年销量将超过1000万辆,占同期全球汽车市场总销量的9%。

  “软件定义汽车” 成为重要发展趋势

  随着智能网联和自动驾驶汽车技术的发展,“软件定义汽车” (Software Defined Vehicle,SDV)成为重要发展趋势。软件带动着汽车技术的革新,引领汽车产品差异化发展潮流,正逐渐成为汽车信息化、智能化发展的基础和核心。

  《软件和信息技术服务业发展规划(2016-2020年)》提出,以数据驱动的“软件定义”正在成为融合应用的显著特征,通过软件定义硬件、软件定义存储、软件定义网络、软件定义系统等,带来更多的新产品、服务和模式创新,催生新的业态和经济增长点。

  根据美国电气和电子工程师协会与IHS咨询公司报告,上世纪80年代初,一辆轿车的电子系统只有5万行代码,而现在高端豪华汽车的电子系统就有6500万行程序代码,提升了1300倍。目前,汽车软件的价值占比仅有10%,而摩根斯坦利估算未来自动驾驶汽车60%的价值将源于软件。

  车控软件

  车控软件通过ECU(电子控制单元)直接向执行机构发送指令,以控制车辆转向机构、制动机构等关键部件协同工作,属于复杂测控系统。如果系统任务的响应不及时或延迟过大,就可能导致严重的损失。例如,在车辆发生碰撞的很短时间内(毫秒级),汽车安全气囊如不能快速打开,就无法对乘车人员起到保护作用。可见,汽车ECU必须是高稳定性的嵌入式实时操作系统。目前为止,以欧美为主导,国外车控操作系统已经进行了两轮标准化工作,较有影响力的标准则有OSEK/VDX和AUTOSAR两个。

  OSEK/VDX由德国和法国在1994年发布,随后成为ISO国际标准。这个标准旨在制定汽车电子标准化接口,主要定义了三个组件:实时操作系统(OSEK-OS),通信系统(OSEK-COM)和网络管理系统(OSEK-NM)。第一个商业化的OSEK操作系统由德国3 Soft公司开发,最早应用于奥迪A8的仪表控制器。

  AUTOSAR是汽车开放式系统架构,发起于2003年,是全球汽车制造商、汽车电子部件供应商、汽车软件和工具服务商以及半导体制造商联合成立的一个标准联盟组织,致力于为汽车工业开发一个开放的、标准化的软件架构。AUTOSAR兼容OSEK/VDX标准,增加了新的系统模块,同时隐含地提出了“软件定义电控系统”的概念,逐渐成为主流的汽车软件开发标准协议,车辆控制的具体操作依赖于不同的MCAL(微控制器抽象层)实现。AUTOSAR的分层架构设计很大程度上提供汽车电子嵌入式软件开发的可移植性,使得软件复用性增强。在整个系统架构中,上层应用的实现完全独立于硬件开发,具有绝对的复用性。目前AUTOSAR已经陆续推出了 1.0、2.0、3.0 和 4.0 四个系列版本,并且通过不断的版本更新来保证技术上的进步。目前,宝马、沃尔沃等OEM都相继推出了基于AUTOSAR 标准的车型。

“软件定义汽车” 成为重要发展趋势

  除了以上两个具有较大影响力的行业组织外,2004年日本本地主要OEM、Tire1供应商、半导体厂商和软件供应商发起成立JASPAR。国内软件平台厂商参照 OSEK和 AUTOSAR 等国际标准,依托国家“核高基”课题,研制国产汽车电子基础软件,针对国产汽车应用特点,制定国产电子基础软件规范,并成功应用于中国品牌和新能源汽车量产车型产品中。

  随着智能、网联业务的丰富,车内系统之间交互的信息量激增,对车控软件的要求也随之提升。传统由几个 ECU 共同承载汽车某个功能的子系统,也逐渐转变为“域”的概念。每个域都具有集中的智能化处理单元,具备较强的运算处理能力,运行着适应该域业务特点的智能操作系统,并且与运行在域内各ECU上的相对简单的操作系统或固件代码相互配合,共同完成“域”所承载的功能和应用。

  操作系统

  从20世纪90年代开始,随着车载和电控系统功能的日益丰富以及汽车电子产品外部交互/接口标准的种类增加,这类基于微控制芯片的嵌入式电子产品逐渐需要采用类似个人电脑的软件架构以实现分层化、平台化和模块化,提高开发效率的同时降低开发成本。因此,汽车电子产品才逐步开始采用嵌入式操作系统。

  以车载娱乐信息系统为例,最早的数字收音机/CD播放器采用专用的音频解码芯片就能实现,后来实现数字化,将可触摸液晶屏代替播放器开关、调节按钮,后来又增加了蓝牙电话功能,接着又集成了地图导航、倒车雷达影像,相应地实现这些功能的IVI嵌入式系统主CPU数据处理能力也逐步增强,从最早4位、8位发展到16位、32位,再到后来的多核CPU。引入嵌入式操作系统,就是有效分配CPU资源,对以上各种任务功能进行协同管理,并控制各项任务优先级别。

  和硬件、算法不同,底层操作系统,无论是在PC、手机还是汽车上,汽车操作系统都主要掌握在几家领先企业手中。常见的操作系统平台包括微软的Windows Embedded Automotive、黑莓的QNX、诸多基于Linux的定制操作系统以及众多基于Android开源项目(AOSP)的操作系统(它们本身也基于Linux)。整车企业或一级零部件供应商通常会在这些操作系统的基础上开发定制化界面。

  微软早在1995年就率先推出了Windows Auto项目。历经十几年的演进,成为Windows Embedded Automotive,其中最著名的应用案例,就是福特汽车的SYNC系统。Windows Auto,本身并不是一个车载系统,它只是专门为汽车平台设计的一个嵌入式系统的底层系统,具备各种基本的计算能力与数据端口。但在此之上,汽车厂商,比如福特,要联合微软针对自家的车型做个性化的定制,起亚的UVO、现代的Blue&Me用的也是微软的底层。虽然Windows嵌入式系统具有稳定性、可塑性以及拓展功能,但随着移动互联网的兴起,受限于非开放性的特点,逐渐呈现出被时代淘汰的趋势,起亚已经转投安卓,福特则选择在黑莓软件上打造其 Sync 3 车载系统,这让微软失去了两大汽车生产商。

  QNX作为黑莓核心技术部门BTS(Blackberry Technology Solutions)的最重要组成部分,承担黑莓业务中操作系统、汽车软件、M2M、物联网IoT及云计算等核心业务内容。QNX成立于1980年,是全球第一个实时操作系统公司。为汽车、通信、网络、医疗、国防等细分市场提供操作系统、中间件和软件解决方案。QNX以其安全性和实时性着称,能满足数字化仪表盘功能性安全的要求,同时兼顾了数据安全要求,通过美国军方EAL4+。在汽车领域,目前全球有超过230种车型使用QNX系统,宝马的Connected Drive、奥迪的MMI、奔驰的COMMAND系统,均是基于QNX打造的。可以说,大部分主流豪华车的操作系统,都是由QNX提供的嵌入式底层。

  Linux操作系统基于开源代码,稳定和易于裁剪,设计偏重于可靠性和网络设计,所以在后台(服务器和数据中心)操作系统中占据着领先地位。因此,很多研发能力强的整车企业和供应商在Linux基础上定制了自有的操作系统。Linux系统在汽车领域应用的主要问题在于,对于Linux RTOS本身没有适当的资格认证方法,也没有使用该操作系统的安全相关系统的认证策略,不符合当前安全标准的要求,如ISO 26262。而在铁路领域,开源平台已有所应用,例如OpenETCS项目,旨在开发基于开源的欧洲列车控制系统的软件内核。未来,随着车联网、ADAS对可靠性以及网络设计的需求,也有望让Linux成为热门系统。

  Android作为开源操作系统(底层是基于Linux Kernel的),无授权费用对很多中低端车载电子产品开发商有很大的吸引力,因此在汽车领域也有一定市场。Android被采用作为车载系统的例子,是雷诺推出的R-Link系统。除此之外,整车厂直接采用Android系统做车载操作系统的案例较少。在中国市场,博泰为上汽旗下车型雪铁龙DS Connect提供的前装车机,用的也是基于Android开发的系统。在汽车操作系统开源化趋势下,谷歌公司正在放弃过去的Android Auto,因为该产品实际上只是将智能手机连接至汽车中控台显示屏,而软件仍运行在手机之中,其安全性、稳定性以及易用性都有待提高,很难与QNX等平台搭建的产品相比。因此,谷歌计划为汽车专门定制自带强账号体系以及互联网生态云端一体化的智能操作系统。

  自动驾驶软件

  自动驾驶软件包括自动驾驶核心软件和应用软件。智能汽车的软件架构可以分为应用软件层和软件平台层。较高级别的应用软件层包含主要的认知软件功能(例如,交通状况的高级识别,其他交通参与者的行为的预测,车辆的操纵规划)用于自动驾驶。这部分体现出整车企业和零部件供应商的区别。软件平台层提供基本服务,例如软件功能之间的通信和具体计算硬件的抽象,这是两者之间无差别的部分。其中,软件平台层又分为平台基础层和平台服务层。平台基础层由公开API到应用软件组件的系统软件模块组成,并实现基本平台功能,如硬件抽象、大容量存储、网络通信、电源管理和过程控制。此外,还提供了诸如时间和空间隔离,强制访问控制和运行时监视等低级安全和其他安全机制。平台服务层由实现高级管理和监控功能的软件组件组成,如状态管理、空中更新、诊断和实时入侵检测。该层也应该使用开源方法实现,并应尽可能重用现有的软件。软件平台层还允许应用软件组件的分区,并提供防御恶意攻击,设计缺陷和硬件故障的弹性保护机制。

“软件定义汽车” 成为重要发展趋势

“软件定义汽车” 成为重要发展趋势

“软件定义汽车” 成为重要发展趋势

  ADAS作为车辆智能化的初级阶段产品,率先普及并商业化。根据技术条件和产业化发展阶段判断,目前还处于辅助驾驶向半自动驾驶推进的阶段。主要的ADAS技术包括自适应巡航ACC、车道偏离预警LDW、车道保持辅助LKA、前装预警FCW、自动紧急制动AEB、盲点探测BSD、自动泊车AP等。

  可见,随着汽车产业的快速发展,汽车将由过去的技术与性能为评价标准逐步转向软件定义汽车,软件将成为汽车差异化竞争的焦点。

  强化汽车软件核心技术掌控能力

  总体而言,我国软件产业的发展起步比国外软件强国晚了近半个世纪,无论是传统的PC端,还是移动终端软件系统,国外跨国公司均掌握了大多数的关键技术,并设置了较高的进入壁垒。我国已经出台了《中国制造2025》《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》《关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》《促进大数据发展行动纲要》《国家信息化发展战略纲要》《软件和信息技术服务业发展规划(2016-2020年)》等政策指导。就我国智能汽车软件企业而言,汽车软件总体发展规模小,技术尚不成熟,在技术研发等方面同国外软件巨头差距较大。应积极鼓励我国软件和互联网企业发挥核心技术研发能力强、产品迭代速度快,汽车企业熟悉相关软件需求和特点的优势,联合起来共同探索互联网开放模式下的智能网联汽车软件技术、产品及服务创新。

  制定汽车软件行业规范和标准

  我国在智能辅助驾驶系统,雷达、摄像头等传感系统方面,车载终端操作系统、车联网通信协议等关键共性技术上还没有形成统一标准,应用软件的接口协议混乱,没有形成行业应用软件接口规范,在很大程度上制约了我国智能汽车软件的发展。在车控软件、操作系统、自动驾驶领域,积极了解和掌握国外相关规范和标准,结合我国汽车和软件产业的发展态势,制定具有我国特色的行业标准,将对我国汽车软件和智能汽车发展具有重要的推动作用。

  提升国产软件信息安全水平

  智能汽车智能化、网联化程度的发展对软件开发提出更高要求。每个网络接入点都意味着新风险点的引入,大幅增加了车辆的安全风险。攻击者只要修改软件系统某一环节的数据,就可能使系统做出错误判断,并引发车辆事故。应积极搭建智能汽车软件检测和评估平台,衡量信息安全保护管理措施和技术措施是否符合信息安全保护需求,通过测试排查信息安全隐患和薄弱环节,明确整改要求,提升安全防护能力。

  培养汽车软件研发复合型人才

  据不完全统计,我国整个智能汽车行业人才的总量严重不足,其中产品研发、试验测试、数据分析这三个职能部门的人才缺口比较大,分别高达23%、17%和12%,人才缺乏与人才质量不高成为阻碍产业发展的重要问题之一。智能汽车软件研发涉及汽车、软件、互联网等多个领域,对人才素质要求高,包括变革精神、沟通能力、专业知识、项目管理、教育背景、跨界思维、包容性等。我国应加快培养一批具有国际领先水平的汽车软件专家和学术带头人,培养和锻炼一批从事智能汽车软件研发的创新团队。制定吸引创新人才的激励政策,加大从国外和跨国企业引进领军人才和技术研发骨干的力度。深化产教融合,鼓励企业与高等院校合作开设智能汽车软件相关专业,协同培养工程技术人才。

  软件定义汽车所搭建的是汽车智能化和自动驾驶汽车的基础。随着技术创新与软件升级的协同,软件将重构、再造汽车。也就是说,软件不只是控制汽车底层的硬件运行,更是使汽车具备自学习能力、拓展丰富可能性的智能系统。软件不仅驱动辅助驾驶,还将成为车辆的中枢与灵魂。

  软件定义汽车的终极目标是无人驾驶。无人驾驶使车辆行驶更加安全,使交通运行更加高效,使我们的出行更加经济。

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