V2X和自动驾驶的整体方法

在许多方面，宝马和梅赛德斯等公司最近发布的自动驾驶概念车都本末倒置。尽管 Google 无人驾驶汽车的成就是不可否认的，但它们仅提供了完全自主交通基础设施所需的一小部分快照。

除了对未来的这些孤立的一瞥之外，还需要全面部署车对车和车对基础设施或 V2X 技术，以推动自动驾驶汽车从测试实验室和受控环境到开放的大众市场采用路。V2X 架构由跨越汽车行业所有层级以及网络基础设施（从车载设备和应用程序到云）的元素组成，并通过无缝连接将传感器信息和大数据拼接在一起，形成运输中的系统系统根据。Meg Divitto 说，虽然仍处于早期阶段，但 V2X 是汽车行业数十年发展的产物，现在正达到工业和政府的转折点，这将有助于开创汽车和互联交通的新时代。

“由于它与汽车行业的发展有关，早期它是一个具有一些控制逻辑的机械系统，”Divitto 说。“这在 80 年代和 90 年代转移到了机电系统，这意味着它是一个机电系统，在汽车中进行了更多的电气操作——从使用按钮门锁到电动门锁，再到使用非常简单的例子。突然之间出现了更多的电子产品，然后是 90 年代汽车中的软件时代。软件开始变得越来越复杂，从基本的控制逻辑转向复杂的模块和设备，然后每个人都变得疯狂。

“因此，您看到内容以快速的速度进入车辆，而汽车制造商由于具有单独的架构且没有标准，因此将东西固定在车辆上只是为了装上东西，”她继续说道。“而且每个人都听说过这一点，但汽车中的代码行数比喷气式战斗机中的多，主要是因为它没有架构，而且模块是用螺栓固定的。这导致了巨大的复杂性，因为它与软件质量和车辆质量有关。

“当你看到这种进展时，你会说，‘好吧，我们必须以不同的方式做事，’”Divitto 解释道。“从这种车辆架构到功能架构已经发生了变化。一些原始设备制造商从 2000 年代开始将他们的设计转变为能够进入功能架构，在该架构中，您可以以一种有意义且不允许这种大毛球代码的方式布置架构和车辆模块的分区; AUTOSAR 诞生于 2004 年，旨在解决这个问题，并让所有 OEM 围绕一个标准的功能性车辆架构聚集在一起，该架构可以为供应商提供通用要求，以便可以使用通用方法来构建、推出、测试和认证。

“但如果你明白这一点，现在就进入下一波浪潮，那就是远程信息处理，”她说。“现在，车辆相互连接并连接到基础设施，而且复杂性要高得多。我对行业的看法是，这将导致一个转折点，架构将不得不回到抽象层方法论，在该方法论中，您从与远程信息处理相关的所有其他事物中抽象出基本的机械、机电一体化和软件功能，联网车辆和 V2V。一旦出现这个临界点，我们将能够看到技术的不同进展以及解决复杂性的方式的不同进展。那时事情会更和谐地完成。

V2X 的整体方法

随着汽车技术的不断进步，一个特别的领域正在帮助推动 V2X 架构的发展——电子控制单元 （ECU）。随着大规模多核处理器的出现，ECU 正在演变为域控制器，为联网汽车中的高级应用提供更高的性能，并实现对各种车辆子系统的更细粒度的控制。尽管从表面上看，这可能被视为 V2X 车轮上的一个非常小的齿轮，但硬件技术的进步为软件和通信基础设施的创新开辟了道路，这些基础设施将作为连接车辆的网关，Artur Seidel 说。

“我们目前处于实现最终目标的早期阶段，但我们看待最终目标的方式是，必须对 V2X 采取非常全面的方法，”Seidel 说。“目前，当您查看媒体中的一些故事时，其中有一个系统被严重入侵，它往往是一个单独的系统，被固定在汽车的某个地方，添加到系统中。但是汽车中的系统本身并没有考虑到连接性，因此必须有一个整体的方法——查看硬件、查看软件、查看通信。

“如果你回顾几年，我们最终看到的是，有很多小型 ECU 没有很好的性能，”Seidel 继续说道。“现在，事情正在转向我们所谓的域控制器，它更强大，我们在例如驾驶辅助领域看到了这一点；你在 CES 上看到 NVIDIA 推出了一款名为 X1 的 256 核 CPU，它将用于驾驶辅助应用程序。现在您拥有一个具有所有这些核心的域控制器，那么您现在如何在其之上拥有一个可以利用的软件层呢？

“Elektrobit 在 AUTOSAR 中非常活跃，我们有一个名为 EB tresos 安全操作系统的安全操作系统，它本质上根据功能是什么，将功能分配给不同安全级别的这些内核。那是软件部分，第三部分当然是通信部分，我们设想像公钥或私钥这样的非对称加密，不仅来自汽车，还来自外部和车内组件之间。这是一种组合方法，将是逐步实现的方法，但最终我们将看到这类系统具有强大的多核域、由安全要求构建的安全操作系统软件汽车，然后对车辆进行严格的加密，”他说。

V2X 安全合规性

尽管将多个 ECU 整合到更少、更强大的基于多核芯片的域控制器中有助于降低硬件成本和复杂性，但它也凸显了自联网汽车问世以来一直困扰着的安全问题。在今天和过去车辆子系统主要由单个 ECU 控制的情况下，当为在同一域控制器上运行的一组特定应用程序引入连接性时，该控制器还管理安全关键功能，您会引入互联网传播威胁的可能性整个系统。虽然进入智能手机或笔记本电脑的恶意软件可能会破坏日常活动，但联网汽车环境中的恶意软件或损坏的文件可能会导致灾难性故障，从而导致生命损失。

尽管安全关键操作系统解决方案可用，但在单个 CPU 上安全地将信息娱乐应用与转向或制动功能分开是 V2X 开发人员的首要考虑因素，因为它必须以符合严格的汽车安全法规的方式进行架构，并另外考虑与互联网连接相关的安全风险。因此，汽车供应商越来越多地转向为 V2X 软件开发提供最佳实践的行业标准，同时也有助于促进采用统一的安全和安保合规方法。

“追溯到远程信息处理市场时代，一直被讨论为抑制因素的一件事是，如果一辆汽车以每小时 60 英里的速度行驶并被黑客入侵，会发生什么？因此，公众恐惧症与安全领域的这个空间有关，”Divitto 说。“解决这个问题的一种方法是通过与创建抽象层的车辆架构相关的标准。就像在飞机中，飞机功能的核心是黑盒的，抽象层之上的其他方面是允许车辆连接的特性和功能。当你开始谈论创建抽象层时，就像今天在飞机上一样，信息娱乐系统不与飞机的操作共享任何东西——不是公共汽车，不是通信，不是设备，没有什么。这就是我们作为一个行业将要达到的目标，因为它创建了分离，根据某些系统需要与他们周围的世界。”

“一旦你连接了一个系统，你当然就有可能面临安全挑战，比如黑客攻击等等，”Seidel 说。“因此，通信必须 a） 加密；b） 必须满足功能安全的要求，因为只有车内的某些子系统才能接收这些更新；c） 就像您在启动时对未联网汽车进行非常基本的系统检查一样，对于联网的更复杂的车辆，这些检查必须更复杂、更精细——例如，如果有人介绍不正确的地图数据，具有与 V2I 接口通信的传感器的联网车辆应该有多种验证信息的方式。

“随着我们看到越来越强大的 ECU，我们现在必须将各种车辆系统的划分组合到一个物理 CPU 上，这符合将安全操作系统与信息娱乐功能相结合的要求，”他继续说道。“那么你如何安全地实施这种划分？

“我们使用 ISO 26262，并为此付出了很多努力，”Seidel 继续说道。“要处理这种多核方法，它又回到了这样一个事实，即这不是您的智能手机软件或具有大量软件负载的 PC 软件。这些是不同分区的软件，有助于管理复杂性。对于不同的汽车安全完整性等级 （ASIL） 要求，如果我的转向系统具有危及生命的 ASIL D 要求，我会以与信息娱乐系统的一部分截然不同的方式对待和划分它。ISO 26262 有助于管理复杂性，因为它清楚地定义了要求，因此当我处理 ASIL D 系统时，我不会通过共享内存或非加密访问提供任何东西。”

除了在车辆子系统之间实施安全的软件架构外，V2X 系统的开发人员还面临着测试和验证联网汽车如何与其他车辆及其周围环境交互的挑战。现代汽车中的数百万行代码不仅使这些验证工作变得复杂，而且 OEM 和一级供应商还面临这样一个事实，即几乎不可能测试车辆在道路上可能遇到的所有场景。作为回应，ETSI 和 Car2Car 通信联盟等组织正在积极努力为联网车辆定义合规性测试和测试场景，而软件供应商正在转向模拟技术来帮助降低成本并加快上市时间，首席产品官 André Rolfsmeier 说dSPACE GmbH 经理。

“V2X 应用程序，如交叉路口辅助、避免碰撞或危险警告系统，通常是通过基于模型的设计方法开发的，并通过仿真进行测试，”Rolfsmeier 说。“dSPACE 提供了专用工具，用于通过使用开环和闭环仿真的虚拟测试驱动器来测试 V2V 和 V2I 应用程序。通过这种方式，可以在实验室中使用真实场景对ECU软件进行测试，并在开始实际试驾之前提高相关的软件成熟度水平。这种方法可以显着减少汽车行业的开发时间和成本。

“此外，dSPACE 快速原型设计系统已广泛应用于汽车行业。例如，这些系统允许在较短的迭代周期内开发 V2X 应用程序并直接在车辆中体验，”Rolfsmeier 补充道。

V2X 推动通信融合

虽然 V2V 和 V2I 通信不会用作侵入式制动等安全关键功能的最终控制回路，但它们对于传输有关车辆周围环境以及即将到来的道路和交通状况的信息至关重要，这些信息可以与其他车辆融合传感器数据为驾驶员以及未来的自动驾驶汽车提供更清晰的环境图。随后，V2X 连接架构通常需要低于 100 微秒的延迟，尤其是在应用于避免碰撞等应用时。

目前有多种连接技术可用于促进 V2V 和 V2I 数据的传输，但尚未就最终在国家或全球范围内采用的最终共识达成一致。这促使行业调查用于联网车辆的现有和新兴通信类型，因为缺乏政府监管可能会迫使汽车制造商在未来支持多种无线标准。

“对于 V2V 以及部分 V2I，设备之间需要直接、低延迟的临时通信，因为通常相关的应用程序与安全相关，”Rolfsmeier 说。“V2V 和 V2I 要求车辆和交通基础设施（如交通信号灯、信标和道路工作标志）配备专用的 WLAN 通信模块。因此，如果不强制引入这项技术，OEM 将不得不考虑商业模式和车辆设备选项，例如将 V2V、V2I 和某些 ADAS 功能打包到一个专用选项中。”

“在美国、欧盟和日本，目前使用不同的汽车专用 WLAN 自组织网络实施，因此没有全球标准，”Rolfsmeier 继续说道。“未来几年，美国可能会强制实施 V2V 和 V2I，但尚未做出最终决定。就目前的情况而言，欧盟的政府并不倾向于规范这项技术的引入。”

“目前在车辆之外，它将是 802.11p。这至少是人们计划的标准，”Seidel 说。“好消息是北美和欧洲目前正在采用该标准，但我也听说一些蜂窝提供商开始将所谓的 LTE Direct 定位为替代方案。现在还为时尚早，但这利用了 Wi-Fi 和 LTE 调制解调器，我们都知道它们的发展速度有多快。因此，我们将看到更多提高速度和通信访问的选项。”

“为了节省开发成本和时间，必须协调各个汽车 WLAN 自组织网络实施，”Rolfsmeier 说。“否则，像 dSPACE 这样的汽车制造商和工具供应商如果打算在全球范围内支持 V2V 和 V2I 通信，他们可能不得不对所有不同的实施进行投资。

“我们将特定区域的 WLAN ad hoc 网络实施视为 V2V 和 V2I 的中间解决方案，”Rolfsmeier 说。“对于汽车制造商和汽车司机来说，车对后端服务器 （V2B） 通信似乎也是一个有吸引力的用例。相关的 V2B 架构包括车辆中的 3G/4G LTE 通信模块、通常由 OEM 运行的后端服务器，以及对于某些功能，允许使用大数据分析和评估数千辆汽车的汽车云。在这种情况下，重要的是要注意 3G/4G LTE 是一种通用的、非汽车专用的全球标准，并且由于通用汽车的 OnStar 等紧急呼叫系统和宝马辅助。此外，智能手机利用 3G/4G，智能手机在现代汽车中的更紧密集成也迫在眉睫。使用移动通信技术，车辆连接到云中的后端服务器，OEM 可以通过这些服务器提供特定服务、无线 （OTA） 软件更新或动态导航数据以及有关地图的最新信息、实时交通、道路工程、交通标志、停车位和其他基于位置的服务。

“此外，目前正在研究一种名为 5G 的新移动通信网络标准——4G LTE 的继任者，”他继续说道。“5G 应该在 2020 年准备就绪，据说它还支持低延迟的 ad hoc 设备到设备通信，而无需移动网络供应商的基站。如果这成为现实，5G 可能是 V2V、V2I 和 V2B 的未来技术。

V2X 和自动驾驶汽车——双向街道

尽管 V2X 架构仍处于起步阶段，但技术的进步、标准的演变以及行业和政府之间的协作正在融合在一起，以引导通往自动驾驶的道路。IBM 和 Continental 的 Connected Electronic Horizo​​n 计划等合作伙伴、Black Hat 的 I Am The Cavalry等草根组织以及汽车联盟 等行业联盟只是其中的几个例子。汽车领域围绕 V2X 技术产生的协同效应，其结果已经显现。

“在 CES 上，一些供应商使用的一个术语是‘群智能’，”Seidel 说。“一些原始设备制造商展示的其中一个应用是停车位查找器，其中汽车使用自动停车来寻找停车位并使用自动功能离开停车位，然后与其他汽车通信，现在有另一个停车位现货。所以这不仅仅是一个安全讨论，而是一个效率讨论——所有这些事情都通过 V2X 实现。您不需要自动驾驶汽车即可从 V2X 中受益，但 V2X 和自动驾驶可以完美地结合在一起，因为您可以比非自动驾驶汽车更好地驾驶自动驾驶汽车。

“当然，这是一个主题，根据定义，您必须解决需要标准化的冲突，同时需要 OEM 区分他们的产品，”他继续说道。“我认为我们正走在良好的轨道上，随着 V2X 与自动驾驶相结合的好处变得更加明显，这将加速。V2X 将与自动驾驶汽车携手开发，我们肯定会在该领域与我们的客户合作。在接下来的 10 到 20 年，你会看到这两者并行发展。”

审核编辑：郭婷