Оснащение современного автомобиля средствами коммуникации и информационно-развлекательными системами превратило его в распределенную ИТ-систему, которая имеет доступ в облако, обладает самообновляющейся функциональностью и получила связь с картографическими сервисами, медиаконтентом, окружающей инфраструктурой и с другими автомобилями. Цифровая трансформация меняет наши представления о мобильности, и автомобиль как часть сетевого мира предлагает водителю и пассажирам новые возможности информирования, управления, развлечения и все более автоматизированные средства обеспечения комфорта. Все эти новшества потребуют ускорения темпов развития электроники, программного обеспечения и средств связи. Ключом к порядку в условиях все более сложных систем станет физическая и электронная архитектура автомобиля. Качество ПО, дистанционное обновление, интеграция программных функций различных поставщиков, а главное — самостоятельная разработка ПО производителями машин станут важнейшими факторами успеха, как и повышение скорости передачи данных, поддержка различных форматов, шлюзы, отказоустойчивость и энергоэффективность.

Рассмотрим основные возможности, появившиеся в результате переноса опыта и методов из отраслей ИТ и потребительской электроники в автомобильную.

Возможности для автомобильной отрасли

Компании цифрового мира, такие как Google, Apple и Amazon, располагают решениями, которые можно адаптировать и для автомобильной индустрии.

Один из возможных подходов к реализации таких решений — сервисная архитектура (Service Oriented Architecture, SOA), включающая операционную систему (например, iOS). Данная архитектура позволит разработчикам создавать новые функции (мобильные приложения), которые можно интегрировать в экосистему устройства (скажем, iPhone). Благодаря простоте интеграции можно обеспечивать персонализацию для конкретного пользователя. Дистанционные обновления обеспечивают оптимизацию, повышение качества и гибкое управление жизненным циклом. Другие возможности обусловлены использованием высокопроизводительных процессоров и понятными шаблонами проектирования, построенными на иерархии и масштабируемости.

Высокая степень интеграции благодаря быстрым процессорам

Доступность высокопроизводительных чипов для потребительской электроники способствует созданию новых интеграционных платформ для архитектур автомобильной отрасли. Вместе с такими процессорами в автомобилестроении начали применять мощные динамические ОС вроде Linux (рис. 1), которая, в частности, используется в системах для мультимедиа и навигации.

Рис. 1. Высокопроизводительные процессоры из мира потребительской электроники станут основой новых интеграционных платформ для архитектур автомобильной отрасли. AUTOSAR (Automotive Open System Architecture) — стандарт открытой архитектуры автомобильной системы
Рис. 1. Высокопроизводительные процессоры из мира потребительской электроники станут основой новых интеграционных платформ для архитектур автомобильной отрасли. AUTOSAR (Automotive Open System Architecture) — стандарт открытой архитектуры автомобильной системы

 

В отраслевом альянсе GENIVI разрабатывают стандарт программной архитектуры, включающий динамическую ОС. В ближайшем будущем подобные архитектуры понадобятся для новых электронных блоков управления (ЭБУ), в том числе предназначенных для роботизированного вождения. Продолжится совершенствование стандарта открытой системной архитектуры для автомобилей AUTOSAR, на основе которого с использованием стандарта POSIX будет создана адаптивная платформа AUTOSAR [1]. Благодаря новым технологиям появятся новые методы структурирования и проектирования архитектур автомобильной электроники.

Цельная иерархическая архитектура

До сих пор архитектуры бортовой электроники в основном развивались эволюционно с акцентом на локальных решениях. Это означает следующее: функции секционируются в зависимости от доступности вычислительной мощности, а при разработке электроники широко применяются зависящие от конкретного проекта методы; все электронные блоки управления отвечают общим системным требованиям OEM-производителя, что приводит к проектированию с заведомо завышенными требованиями; разработка блоков фокусируется на достижении локальных оптимумов в связи с жестким разделением ответственности и целей.

Чтобы изменить ситуацию, в BMW создали иерархическую архитектуру бортовой электроники для автомобилей нового поколения (рис. 2), обладающую рядом преимуществ: классификация блоков основана на требованиях; вместо специфических для каждого блока используются адаптированные, унифицированные методы разработки; для каждого класса блоков формулируются конкретные системные требования; высший приоритет принадлежит оптимизации на системном уровне, которую обеспечивают архитекторы.

Рис. 2. Мощные интеграционные платформы служат основой цельной иерархической архитектуры бортовой автомобильной электроники (ЭБУ — электронный блок управления)
Рис. 2. Мощные интеграционные платформы служат основой цельной иерархической архитектуры бортовой автомобильной электроники (ЭБУ — электронный блок управления)

 

В такой архитектуре центральные вычислительные платформы (уровень 1 на рис. 2) секционированы по основным программным функциям, которые обычно разрабатываются самим производителем автомобиля. Такие платформы обеспечивают высокую производительность и отвечают самым строгим требованиям к надежности и безопасности. Интеграционные ЭБУ устраняют разрыв между центральными вычислительными платформами и стандартными блоками, используемыми, например, для реализации критичных ко времени функций, для которых необходим прямой доступ к датчикам или приводам. Для простых функций, не являющихся оригинальной разработкой автопроизводителя, допустимо использовать стандартные блоки, датчики и приводы. В идеале такие устройства будут основаны на типовых коммерчески доступных деталях.

Масштабируемая архитектура

Современные сетевые архитектуры отличаются повышенным уровнем сложности и большим разнообразием, а парадигмы их проектирования зачастую основываются на принципах связи «отправитель-получатель», что нередко ведет к большому числу зависимостей и ограниченной масштабируемости.

Следующее поколение сетевых архитектур будет иметь центральный коммуникационный сервер, поддерживающий инкапсуляцию, что позволит локально обеспечивать расширяемость. Для таких архитектур характерны следующие особенности (рис. 3): вся информация о сетевой архитектуре будет находиться в ведении центрального информационного сервера и посредника; архитектура электроники будет инкапсулированной и масштабируемой с меньшим уровнем разнообразия в пределах всего ассортимента, от простых автомобилей до конфигураций с полной комплектацией; связь в пределах сетевой архитектуры будет структурированной и иерархической; будет осуществляться автоматическое преобразование данных между различными протоколами, такими как LIN (Local Interconnet Network), CAN (Controller Area Network), FlexRay, Ethernet, беспроводные протоколы связи между машинами и с окружающей инфраструктурой; физический, информационный и сервисный уровни будут раздельными и обладающими функциями межсетевых экранов.

Рис. 3. Основой масштабируемой архитектуры бортовой электроники станет центральный коммуникационный сервер
Рис. 3. Основой масштабируемой архитектуры бортовой электроники станет центральный коммуникационный сервер

 

На системном уровне коммуникационный сервер обеспечит возможности оптимизации физической и логической топологии. Например, на физическом уровне какой-либо нижестоящий шлюз можно будет заменить высокомощным маршрутизирующим механизмом коммуникационного сервера. Для оптимизации на логическом уровне сервер позволит избавиться от зависимостей, характерных для конфигурации «отправитель-получатель», заложив почву для постепенного введения SOA.

Сервисная архитектура

Инновации в сфере автомобильных функций должны идти такими же темпами, как и в ИТ-индустрии и в области потребительской электроники. При этом автомобильные функции становятся все сложнее. Пример эволюции — переход от простого круиз-контроля к активному, а со временем — и к автопилоту. Сегодня функциональность зависит от сигналов от устройств и сенсоров, на секционирование функций сильно влияют унаследованные системы, ресурсы ЭБУ и возможности компании-сборщика. Фокусировки на уровне ЭБУ будет недостаточно, чтобы справляться со сборкой изделия в условиях роста уровня сложности [2]. Поэтому в BMW ввели сервисную архитектуру электроники (рис. 4), предоставляющую все необходимые абстрагированные сервисы для системы в целом. Строгая инкапсуляция и иерархия позволяют тестировать системы с использованием интерфейсов и Agile-методов, снижая таким образом сложность. Кроме того, теперь будет гораздо проще обеспечить многократное использование программных компонентов в автомобилях разных поколений.

Рис. 4. Сервисная архитектура поможет BMW справляться с растущей сложностью функциональных сетей бортовой электроники
Рис. 4. Сервисная архитектура поможет BMW справляться с растущей сложностью функциональных сетей бортовой электроники

 

Внутриавтомобильная и серверная архитектуры

Внутриавтомобильная архитектура электроники и серверная архитектура сегодня развиваются параллельно — все больше функций автомобиля обмениваются данными с серверами или на них выполняются, поэтому актуальными становятся задачи, связанные с изоляцией функций, шифрованием и межсетевыми экранами. Соответствующие шаблоны безопасности уже существуют в ИТ и потребительской электронике и могут быть перенесены в автомобильную индустрию. Большое значение имеет наличие связи между автомобильной сетью и серверами. Основные требования к такой связи: использование коммуникационных стандартов (LTE, Wi-Fi, 5G), высокое качество обслуживания и доступность заданной пропускной способности.

Серверы предоставляют базовые механизмы для различных приложений, выполняя различные функции (например, для роботизированного вождения или мультимедиа), сервисы водителя и анализ информации, передаваемой автомобилем.

Простота соединения внутриавтомобильной и серверной архитектур, а также использование строительных блоков (коммуникационный сервер, SOA, иерархическая архитектура бортовой электроники) позволят сделать большой шаг вперед, подготовив бортовую инфраструктуру к новациям будущего. На рис. 5 показана общая структура системы и архитектура ПО для функций, которые могут выполняться на ЭБУ или на серверах.

Рис. 5. Общий обзор внутриавтомобильной и серверной архитектур. Показаны механизмы безопасности и приватности, которые должны реализоваться обеими архитектурами для обеспечения безупречной работы. РВ — функции роботизированного вождения, ДА — данные, полученные от множества автомобилей, БДС — бортовые диагностические системы, NFC (Near Field Communication)
Рис. 5. Общий обзор внутриавтомобильной и серверной архитектур. Показаны механизмы безопасности и приватности, которые должны реализоваться обеими архитектурами для обеспечения безупречной работы. РВ — функции роботизированного вождения, ДА — данные, полученные от множества автомобилей, БДС — бортовые диагностические системы, NFC (Near Field Communication)

 

Важнейшими факторами успеха являются безупречная структура и подробная документация по внутриавтомобильной и серверной архитектурам. Это касается обработки данных, дистанционного обновления и программного обеспечения, реализующего функции, выполняемые на ЭБУ или серверах.

Изменение процессов, методов и инструментов

Сейчас при разработке бортовой электроники используется множество различных методов и инструментов. Зачастую в каждом отделе автопроизводителя или его поставщика, участвующем в проекте, применяются свои методики, рабочие процессы и инструментальная оснастка. Заимствование лучших методов и инструментов из индустрии ИТ позволит устранить нынешнюю неразбериху и создать более однородную среду разработки. На рис. 6 показаны нынешняя ситуация и то, каким видится будущее. Техническая эволюция обеспечит оптимальный процесс выявления требований на различных этапах, от взаимодействия с клиентом до создания программной архитектуры; упрощенное полноценное моделирование архитектур бортовой электроники на основе SOA; инкапсуляцию контента для распределенной разработки с использованием принципов проектирования SOA; применение процессов Agile-разработки, формирование объединенных команд Scrum и совместно используемых репозиториев кода; внедрение непрерывной интеграции и раннее применение методов виртуальной интеграции.

Рис. 6. Разработка автомобильной электроники сегодня (а) и в будущем (б). Критически важные факторы успеха — безупречная архитектура и подробная документация по внутриавтомобильной и серверной архитектурам. ПДА — проектная документация архитектуры, СК — средства обеспечения комфорта, СВБ — содействие водителю и безопасность, АСКУ — аппаратные средства в контуре управления, ИС — информация и связь, САШ — силовой агрегат и шасси, ПСКУ — программные средства в контуре управления
Рис. 6. Разработка автомобильной электроники сегодня (а) и в будущем (б). Критически важные факторы успеха — безупречная архитектура и подробная документация по внутриавтомобильной и серверной архитектурам. ПДА — проектная документация архитектуры, СК — средства обеспечения комфорта, СВБ — содействие водителю и безопасность, АСКУ — аппаратные средства в контуре управления, ИС — информация и связь, САШ — силовой агрегат и шасси, ПСКУ — программные средства в контуре управления

 

***

Цифровая трансформация и доступность связи приведут к изменению ожиданий покупателей автомобилей — например, можно будет рассчитывать на автоматическое дистанционное обновление функций машины. Появятся новые игроки (подобные Tesla), вырастет потребность в новых законодательных нормах, в частности, касающихся распределения ответственности для систем беспилотного вождения.

Развитию автомобильной электроники будут помогать стандарты ИТ и потребительской электроники, однако многие из этих технологий придется доработать в связи с более строгими требованиями в автомобилестроении. Автомобильная электроника будет отличаться от классических программных систем — требования, связанные с безопасностью, быстродействием, удобством использования, будут диктоваться необходимостью обеспечения высочайшего качества и надежности всех узлов автомобиля, что не всегда нужно для потребительской электроники. Разумное использование и адаптация методов из мира ИТ и потребительской электроники откроют много возможностей и позволят избежать ошибок и ловушек, приведших к ослаблению классических программных систем.

Литература

  1. S. Furst. AUTOSAR Adaptive Platform for Connected and Autonomous Vehicles, presentation at EUROFORUM Elektronik-Systeme im Automobil [EUROFORUM Electronic Systems in Automobiles], 2016. URL: www.autosar.org/fileadmin/files/presentations/EUROFORUM_Elektronik-Systeme_im_Automobile_2016_-_FUERST_Simon.pdf (дата обращения: 18.09.2017).
  2. M. Traub. Mitten im Umbruch zur Digitalisierung: Wie die Zukunft der E/E Architektur von It-Standards Beeinflusst Wird [In the Midst of Change to Digitalization: How IT Standards Will Influence the Future E/E Architecture], presentation at 8th Vector Congress, 2016 (in German). URL: vector.com/congress (дата обращения: 18.09.2017).

Маттиас Трауб (matthias.traub@bmw.de) — главный архитектор платформ бортовой электроники, Александер Майер (alexander.maier@bmw.de) — руководитель отдела по архитектуре бортовой электроники, Кай Барбехен (kai.barbehoen@bmw.de) — вице-президент по архитектуре бортовой электроники и ПО, компания BMW.

Matthias Traub, Alexander Maier, Kai L. Barbehon, Future Automotive Architecture and the Impact of IT Trends. IEEE Software, May/June 2017, IEEE Computer Society. All rights reserved. Reprinted with permission.