Современное автомобилестроение, пожалуй, является одной из самых новаторских отраслей промышленности. За последнее время, автомобиль с успехом превратился из механического чудовища, поглощающего нефтяные ресурсы, в компьютер, который эффективно управляет электрическим приводом. Также известны вполне успешные коммерческие образцы водородного автомобиля, например, у той же Toyota. Но многие согласятся, что при всем этом, романтика бензинового двигателя вряд ли когда-то умрет. Стоит ли стремиться к новому, виден ли сейчас прогресс в отрасли? Можно заметить, что даже не ограниченный запас хода электромобилей и, в большинстве стран, не сформированная инфраструктура заправок, например, водородным топливом, вряд ли тормозит прогресс развития «умного авто». В основном, виною тому – это жесткие меры безопасности, что действительно очень важно для всех нас.

С другой стороны, компьютерные сети и Интернет вплотную охватили весь мир, но при этом автомобиль и Интернет вещей (IoT) пока достаточно далекие друг от друга понятия. В предыдущей статье " Разъем диагностики OBD-II, как интерфейс для IoT" было высказано мнение, что фактически для любого автомобиля адаптер на базе интерфейса диагностики OBD-II, GPS-приемника, 3-х осевого датчика ускорений, совмещенного с гироскопом и, конечно, с выходом в Интернет, фактически решает задачу «подключенного авто» (Connected Car). Далее – это не сколько технологии, а механизмы взаимодействия автомобиля и устройств IoT. В настоящей публикации хочется рассмотреть не сколько механизмы построения платформы IoT для участников дорожного движения или углубится в вопросы безопасности на дорогах, что несомненно важно, а просто рассмотреть, что уже есть в мире автопрома, применительно для других отраслей или своих разработок.

Intel IoT Platform Paving the Road to the Car of the Future – IoT@Intel

Несомненно, при увеличении количества Connected Car на наших дорогах станут доступны и большие данные, содержащие разнообразные характеристики и потенциальную статистическую информацию, которая уже сейчас может использоваться станциями технического обслуживания или автопроизводителями, например, в целях повышения качества автомобилей и их агрегатов, а также внедрением интеллектуальных подходов к прогнозированию и планированию технического обслуживания транспортных средств. Страховые компании смогут получить сведения о характере вождения и статистику по отказам тех или иных агрегатов конкретных марок авто, что несомненно можно, да и нужно, учитывать при формировании цен на страховку и т.п. Так же косвенно можно учитывать и качество покрытия дорог, например, по аналогии с проектами, использующих показания инерциальных датчиков, вмонтированных в современные смартфоны, с привязкой к GPS-данным.

Но, что даст Connected Car своему владельцу? Неужели «подключенный» автомобиль – это только точка доступа в Интернет, немного мультимедиа-возможностей и некие данные, которые, впрочем, могут и не пригодиться. Насколько актуален сценарий, когда автомобиль подъезжает к дому и система «умного дома» инициирует поднятие гаражной двери, включение наружного освещения подъездной дорожки, свет в прихожей и комнате, выставляет комфортную температуру подогрева полов? Но, ведь это и есть комфорт. Это такие незаметные вещи, которые в будущем просто дополнят повседневный быт. Но, как не сложно заметить, прогресс IoT – это не только Connected Car, «умный дом» и другие технологии, а все вышесказанное вместе. Только синергия совместной работы и взаимодействие компонентов IoT сделает реальностью прорыв в развитии концепта Интернета вещей. А пока, мы рассматриваем отдельные составляющие, которые сами по себе не имеют весомой значимости для восприятия картины IoT в целом.      

Пожалуй, Connected Car глазами автопроизводителей – это однозначно не только данные OBD-II и нескольких вспомогательных датчиков. Давайте представим, что для современного авто уже актуальны такие системы, как: адаптивный круиз-контроль (Adaptive Cruise Control), системы аварийного торможения (Emergency Braking), технологии обнаружения пешеходов (Pedestrian Detection), системы предотвращения столкновения (Collision Avoidance), распознавание дорожных знаков (Traffic Sign Recognition), предупреждение о выезде со своей полосы (Lane Departure Warning), предупреждение о перекрестном движении (Cross Traffic Alert), обнаружение слепых пятен (Blind Spot Detection), предупреждение о заднем столкновении (Rear Collision Warning), помощь в парковке (Park Assistance) и многие др. И задумаемся: что, если эти данные, прямо или косвенно, станут доступны для других участников движения?

Взаимодействие между собой на уровне обмена данными транспортных средств V2V (Vehicle-to-vehicle), транспортных средств и транспортной инфраструктуры V2I (Vehicle-to-Infrastructure) или, совсем обобщенно, транспортных средств со средой движения V2X (Vehicle-to-everything) – это следующая ступенька развития транспорта или, просто, интеллектуальные транспортные технологии (Intelligent Transport System). В настоящий момент, здесь есть интересный подход, который фактически основан на развертывании Wi-Fi сети по стандарту IEEE 802.11p, позволяющий решить проблему возможного отсутствия доступа к Интернет, т.е. системы V2X по этому протоколу обмениваются данными между собой, не требуя Интернет-подключения. Обмен требуемой информацией между участниками V2X-коммуникаций осуществляется так называемыми стандартными сообщениями BSM (Basic Safety Message). В отличие от протокола MQTT, который де-факто является основным в решениях IoT, для сетей V2X более актуальна быстрая передача стандартизированного блока данных в моменты коммуникации между участниками сети.

V2X communications: A pointless wait for 5G?

Преимущества V2X достаточно понятны, например, можно будет получить данные о транспортном средстве, которое находится вне зоны видимости, на основе чего могут функционировать различные устройства безопасности автомобиля или станет возможным уже не распознавание дорожных знаков автомобильными интеллектуальными системами, а простая коммуникация с соответствующими системами оповещения и т.д. Реализация стандарта IEEE 802.11p на борту транспортного средства, или составляющей встраиваемой системы (Embedded System) для инфраструктуры движения, порядком – несложная задача, например, если использовать чип RoadLINK SAF5400, предложенный компанией NXP. Это автомобильный высокопроизводительный модем DSRC (Dedicated short-range communications) для V2X. Модем SAF5400 способен ретранслировать до 2000 базовых сообщений о безопасности (BSM) в секунду, а также интегрирует высокопроизводительную технологию защиты беспроводного соединения V2X.

RoadLINK SAF5400 Single Chip Modem for V2X – NXP Semiconductors

Технологии беспроводной связи для V2X отлично дополняют уже существующую инфраструктуру, например, сетей 3G или LTE, но все-таки когда-то мы дождемся внедрения сетей поколения 5G. Очевидно, что не случайно, ведущие автопроизводители и компании занятые в сфере электроники и телекоммуникаций, создали ассоциацию 5G Automotive Association (5GAA). Ассоциация 5GAA направлена на решение задач Cellular-V2X (C-V2X), т.е. взаимодействия V2X и сотовых технологий для улучшения качества транспортного обслуживания и повышения безопасности на дорогах. Например, в преддверии 5G компания Qualcomm и LG объявили о совместных разработках для Cellular-V2X. Компания LG разрабатывает решения для автомобильной связи на базе платформы Qualcomm Technologies, которая поддерживает скорость Gigabit LTE с использованием LTE-модема Qualcomm Snapdragon X16 и дополняется решением QCA65×4 Wi-Fi 802.11ac. Предложенная платформа для Connected Car также поддерживает стандарты 802.11p / DSRC.

Также интересны не только инновации в области автомобильной электроники, но и сам принцип по которому сейчас строятся новые решения для транспортных средств. Например, когда-то давно электронным сердцем автомобиля был блок управления двигателем ECU (Electronic Control Unit), который управлял различными исполнительными механизмами, и к которому стекалась информация от различных датчиков. Но вскоре появилась шина CAN (Controller Area Network) и понятие интеллектуального датчика и интеллектуальных исполнительных систем. Т.е. датчик стал представлять из себя не только чувствительный элемент и устройство согласования, но и в состав уже электронного датчика стал входить микроконтроллер, который и придавал «интеллектуальности» системе, поскольку мог быть запрограммирован на работу как автономно, так и в составе сети контроллеров. Это же можно сказать и об исполнительных устройствах. Фактически, с появлением множества электронных устройств на автомобиле само транспортное средство стало платформой для специализированной и очень надежной распределенной сети микроконтроллеров.

Для решений Интернета вещей может показаться очень привлекательной выдача всех данных внутренней сети CAN автомобиля в облако, но сейчас это кажется абсурдным. Вряд ли столько данных интересны для анализа, правда, если мы не рассматриваем пробег спорткара на треке или какие-либо тестовые испытания. Тем более, пока пропускные каналы сотовой связи оставляют желать лучшего, такой подход для потребительского рынка вряд ли приведет к конечному решению, кстати, при этом не следует забывать, что доступ во внутреннюю сеть противоречит элементарным правилам кибербезопасности. Впрочем, обработанные данные на уровне электронного блока управления двигателем, которые доступны на интерфейсе OBD-II, как уже было замечено, вполне соответствуют идее IoT. При этом стоит еще посмотреть на новый подход к конструированию автомобильной электроники – это доменная архитектура, предложенная компанией NXP.

Domain-based architecture removes many challenges of distributed architecture.

В общем, доменная архитектура – это не что-то совершенно новое, но для автомобиля она становится новым витком развития, где электронная экосистема уже будет представлять не сеть интеллектуальных датчиков и исполнительных устройств, а сеть интеллектуальных модулей и систем. И здесь для подхода IoT или Connected Car вполне видны точки «входа», т.е. для общего представления о движении транспортного средства вполне будут достаточно интересны агрегированные данные по различным электронным модулям автомобиля.

А уж поскольку зашла речь о доменах доверия или, правильнее – уровнях сегментирования автомобильных встроенных электронных систем, то следует сразу вспомнить о концепции информационной безопасности этих модулей и систем, как в целом, так и на каждом уровне разделения «полномочий». И тут нас не может не заинтересовать концепция безопасности, предложенная все той же NXP. Инженерами этой компании, предлагается также многоуровневая архитектура, но уже безопасности автомобиля. Первый уровень – это защищенные интерфейсы. Несомненно, внешние каналы связи автомобиля должны быть защищены для обеспечения конфиденциальности пользователей и безопасности самого транспортного средства. Для этого предлагаются традиционные подходы шифрования и аутентификации. На втором уровне в защищенном авто предлагается использовать шлюз (Secure Gateway), который должен обеспечить защищенный доступ в Интернет через брандмауэр, а также он должен выполнять роль преобразователя различных интерфейсов. Шлюз должен позволить разделять домены критически-важных систем и, например, систем развлечения. Третий уровень – защита от вторжения во внутренние сети автомобиля. Четвертый – защита встроенных блоков управления, например, блока управления двигателем от вторжения, подмены программного кода и т.д. На последнем, пятом уровне, предлагаются традиционные методы защиты автомобиля от вторжения, например, электронные замки, иммобилайзер и т.п.

Интересен момент обеспечения безопасности электронных блоков автомобиля на уровне операционной системы. Например, компания Green Hills Software предлагает для автоиндустрии свою операционную систему реального времени INTEGRITY RTOS. Это операционная система для встроенных систем (Embedded Systems) нацелена на обеспечение надежности, безопасности и максимальной производительности обработки данных в реальном времени. Она использует аппаратную защиту памяти для изоляции и защиты встроенных приложений. Защищенные разделы гарантируют правильную работу и защиту самой операционной системы и пользовательских задач от ошибочного и вредоносного кода. Для обеспечения удобства разработчиков предлагается, так называемое, промежуточное программное обеспечение, например, реализация файловых систем и популярных сетевых протоколов и т.п. Современная архитектура INTEGRITY хорошо подходит для многоядерных процессоров, ориентированных на встроенные системы. Операционной системой поддерживаются процессоры: Altera Cyclone, AMD x86, Applied Micro (APM) Power Architecture, ARM Ltd., Fujitsu ARM, IBM Power Architecture, Intel Architecture, Marvell ARM and PXA, MIPS Technologies, NXP Qorivva, NXP QorIQ, NXP ColdFire, NXP I.MX (ARM), NXP Vybrid (ARM), Renesas R-Car, Texas Instruments OMAP, Texas Instruments DaVinci, Texas Instruments Jacinto, Texas Instruments Sitara, Xilinx Zynq. Список, как говорится, впечатляет.

Но самое интересное – это предлагаемый подход INTEGRITY Multivisor, т.е. предлагается надежная и портативная инфраструктура виртуализации. Система поддерживает высокопроизводительную «полную виртуализацию», где не требуется никаких изменений в гостевой операционной системе. Если доступ к устройствам должен быть разделен между гостями и/или приложениями, легко добавить приложения, которые координируют доступ к оборудованию. На процессорах, не имеющих аппаратной поддержки режима гипервизора, INTEGRITY Multivisor применяет тщательно обработанную, минимальную модификацию гостевой операционной системы, чтобы максимизировать производительность, не жертвуя легкостью миграции и переносимостью. Таким образом, INTEGRITY Multivisor объединяет гостевые операционные системы общего назначения с комплексной экосистемой приложений реального времени и промежуточного программного обеспечения.

INTEGRITY Real-time Operating System – Green Hills Software

Получаем классический пример использования виртуализации, но уже для встраиваемых систем. Несомненно, такой подход позволяет реализовывать интересные задачи, например, построения развлекательного центра на базе универсальной операционной системы (Linux или Windows), и при этом, разработчикам будет доступна возможность в реальном времени создавать решения для отображения панели приборов. С другой стороны, гипервизор защитит критические к безопасности системы от потенциального вредоносного кода стандартных решений уровня универсальной операционной системы. Очевидно, виртуализация в классическом понимании, уже ставшая стандартом для традиционных компьютерных решений, стремительно перебирается в мир высоконадежных систем.

Говоря о доменной архитектуре аппаратных решений для автомобильной электроники и модульной архитектуре соответствующих программных систем, следует выделить, пожалуй, самое стремительно развивающееся направление в этой области – построение автономных транспортных средств. Для решения этой задачи предлагаются различные программно-аппаратные решения. Например, Tesla Motors нацелена на использование встраиваемого решения на базе NVIDIA DRIVE PX 2 AI.  Отличительной особенностью такой платформы является реализация аппаратной архитектуры, предназначенной для применения алгоритмов глубинного обучения на реализации искусственной нейронной сети, которая, в свою очередь, станет основой для работы автопилота. В общем, даже энтузиасты могут предложить свои решения для беспилотного авто. Однако, не все так просто. Вряд ли кто-то согласится проехаться по трассе, на которой «хакер-любитель» будет учить свой автопилот. Радует то, что власти большинства стран на законодательном уровне контролируют модификации серийных авто и т.п.

Autonomous Car Development Platform from NVIDIA DRIVE PX2

Но тогда получается, что «прогресс технологий» находится только в руках корпораций? В общем это не так, вполне можно ознакомиться с различными он-лайн курсами по построению автономных транспортных средств, например, MIT 6.S094: Deep Learning for Self-Driving Cars. Для проведения экспериментов и разработки – необходимо использовать специализированные полигоны. Тут можно только позавидовать и восхищаться городким Mcity университета Мичиган. Этот город-полигон полностью предназначен для тестирования Connected Car и автономных транспортных средств.

Как не сложно заметить, автомобильная индустрия и транспортные технологии, в настоящее время, впитывают в себя все самое современное в области телекоммуникаций, компьютерной техники, электроники программирования и решения задач машинного обучения. В результате, в скором времени мы сможем получить более надежные, безопасные для критически-важных систем подходы и технологии, но уже, как производные от решений автоиндустрии.

Несомненно, сейчас автомобильная промышленность переживает огромный скачок в развитии, который обусловлен стремительным рывком в совершенствовании информационно-коммуникационных систем на транспорте. Прорыв в автоиндустрии стал возможным благодаря улучшению надежности и безопасности электронных бортовых систем и формированию новых подходов к конструированию информационных сетей на их основе.

Конечно, будущее – впереди, но очень четко видно, что автомобиль из будущего будет построен на основе сети бортовых интеллектуальных модулей, которые будут группироваться в своеобразные домены, для решения ключевых задач обеспечения надежного функционирования агрегатов транспортного средства для обеспечения комфорта и безопасности поездки. Сами автомобили станут частью сети V2X и одновременно с этим – частью Интернета вещей. За счет таких технологий становится возможным взаимодействия, например, автомобиля и дрона, который будет прокладывать маршрут движения или, как вариант, специализированный дрон или их сеть может стать точкой доступа V2X в воздухе. Можно предложить множество других сценариев, но всегда, главным в автомобилестроении должно быть обеспечение безопасности, надежности и комфорта поездки.

Традиционно – эта публикация является небольшим дайджестом о технологиях. Надеемся, что собранные в процессе подготовки публикации ссылки заинтересуют читателей блога и возможно станут отправной точкой в изучении или совершенствовании технологий из рассмотренной сферы применения. Отметим, что идея публикации навеяна видео пленарных докладов конференции NXP FTF Connects, прошедшей в Детройте How do you architect the car of the future? и презентационными материалами конференций NXP FTF Connects, доступными на сайте компании.

Автомобильная тематика и связанная с ней концепция социального IoT, непременно будет продолжена новыми публикациями в нашем блоге. Например, системы развлечения IVI (in-vehicle infotainment) совсем не были упомянуты в текущей публикации, а это целое направление, которое всегда интересует гиков и владельцев авто. Да и многое другое, как говорится, требует более детальной проработки темы, например, взаимодействие автономных транспортных средств и появление нового тренда – автомобиль как сервис или услуга и т.д. Ваши комментарии по данной теме только приветствуются.

В свою очередь, хочется поздравить читателей нашего блога с наступившим Новым Годом и чередой зимних праздников! Пожелать в текущем году интересных и захватывающих проектов, которые непременно изменят мир к лучшему, новых гаджетов и только положительных впечатлений!

Интересные ресурсы и ссылки:

• Toyota собирается создавать электромобили наряду с «водородными» авто – Geektimes
• Building the Next-Generation Car with Intel IoT – IoT@Intel
• Car of the Future—Automotive Safety and Security Trends – IoT@Intel
• DOU Проектор: «Дороги Украины» — сервис мониторинга дорог
• Connected cars – The ultimate Internet of Things thing – IBM developerWorks Blog
• 70 Seconds of Safety with Smart Connected Vehicles — NXP Semiconductors
• Why 802.11p beats LTE and 5G for V2× — eeNews Europe
• Qualcomm and LG Bring 5G and Cellular-V2X Communications Into Vehicles – Press Announcements
• ЭСУД, применяемые на автомобилях ВАЗ – Чип тюнинг и диагностика впрыска
• Multi-layer Automotive Security Architecture — NXP Semiconductors
• Green Hills Software at CES 2017 – Robert Redfield
• A Brief History of Autonomous Vehicle Technology – WIRED
• Get Under the Hood of Parker, Our Newest SOC for Autonomous Vehicles – NVIDIA
• 16 вопросов о беспилотных авто и мире с ними: презентация партнера Andreessen Horowitz – AIN.UA
• 36 проектов беспилотных автомобилей – Geektimes
• Машина как услуга. Как развитие беспилотных автомобилей меняет индустрию – Forbes
• Автопилот Martti может ехать по заснеженной дороге без разметки – Хайтек
• Добро пожаловать в город роботов-автомобилей – Geektimes
• Самостоятельный город: 3 технологии «разумного» управления дорожным движением – Geektimes