ИТ и архитектуры автомобилей будущего

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

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)

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

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

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)

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

***

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.