08/9/2023 |
发布日期
由软件驱动的联网汽车或许还停留在科幻小说的阶段，但它们势必会彻底改变我们如今对出行方式的认知。随着经验丰富的汽车企业不断利用新兴技术，无人驾驶汽车普及只是时间问题。1. 然而，未来的道路充满挑战，从汽车软件日益复杂化、硬件和软件组件逐渐解耦，到需要更加注重系统化、以安全为导向的设计和生产，这些都有助于推动未来技术的安全应用。以下是KPIT如何建立并促进驱动自动驾驶汽车的下一代软件的安全应用。.
专家们将级别分为五级。3 在自动驾驶的发展历程中，每个阶段都描述了汽车在多大程度上接管驾驶员的任务和责任，以及人与机器如何交互。车辆自动化的五个阶段涵盖：
如果满足构建面向未来的汽车的某些要求，这些目标或许能够实现。目前的联网汽车架构包含基础软件——AUTOSAR——虽然它能在小型微控制器上高效运行，并且非常适合时间紧迫、安全可靠的应用，但却无法完全满足目标。这些功能大多优先考虑便利性而非安全性，因此缺乏有效且系统的需求导向型设计以及适当的验证和确认测试。虽然此类汽车需要强大的计算能力，但其内部软件基础设施每小时也需要大约 25GB 的内存。4 它使用近 40 个微处理器和数十个传感器进行数据整理。.
KPIT设想以面向服务的架构作为互联汽车的强大基础。该架构配备了分离式ECU（分别位于安全I/O控制器和高性能控制器中）以及专用基础设施以实现强大的计算能力，并利用了广泛使用的类POSIX操作系统（例如Linux）、自适应AUTOSAR以及提供传感器和执行器服务的I/O控制器，以及深度嵌入式实时操作系统（例如经典AUTOSAR）。.
性能控制器辅助驾驶员，专注于非高速功能；而I/O控制器则负责高速功能、滤波处理和对时序要求严格的计算。软件会根据可用功能限制和连接的传感器/执行器而有所不同。性能控制器的优势在于能够按需请求I/O/数据（SOME/IP），并通过空中下载（OTA）进行更新，其更新内容可能包括新功能、错误修复以及功能之间的替代（故障运行）。所有这些要素对于确保自动驾驶等大型软件系统的完整性和可用性都至关重要。.
在互联汽车设计和开发初期，设计汽车电子控制系统时，一项核心原则是故障安全运行。如今，故障安全已远远不够，故障运行能力已成为最基本的要求。.
图 1：从故障安全到故障运行的转变涵盖了关键步骤，这些步骤侧重于故障检测、冗余和逐步安全停止。
如图 1 所示，从故障安全状态到故障运行状态的转变过程包括以下步骤：
停用/降级功能安全状态跨度
许多安全相关系统中的标准方法包括
下面某些功能提供的是降级模式，有时这种模式会有时间限制。
在高度自动化的汽车中，这类安全关键系统通常会配备专用系统，以便在检测到故障时辅助其执行相应功能。这既保证了冗余性，也使车辆能够自行减速直至安全停车。.
安全状态包含
继续行驶直至驾驶员进入循环。
执行自主“安全停车”（在非危险地点停止行驶）
图 2：故障运行系统的四大支柱
自动驾驶汽车整体效应链模型由雷达、摄像头和其他传感器等传感元件组成，这些元件将传感器输入信息输入到感知层，感知层将传感器输入信息转化为车辆周围环境的可处理表示。然后，该表示的环境信息被用于规划组件，从而为控制模块生成可执行的行驶轨迹。.
从安全角度来看，很明显，简单的单纯形实现不足以实现故障安全或运行能力，必须引入额外的设计元素来检测错误并防止故障使系统进入不安全状态。.
图 3：将内部诊断引入自动驾驶汽车架构的两种方法的比较
图 3 展示了在系统中引入内部诊断机制的思路，以便在检测到错误时，系统能够以安全的方式失效。然而，显然，对于自动驾驶等高安全性系统而言，采用 1oo1D 架构无法实现故障安全和运行标准。不过，在汽车行业中，一种名为“带诊断功能的二选一”（2oo2D）的架构正变得越来越流行。在该架构中，两个 1oo1D 通道并行工作，以确保最大可用性。即使其中一个通道发生故障，另一个正常通道仍然可以保证系统的持续运行。.
图 4：分析导致安全关键系统失效的故障
采用 2oo2D 方法时，需要考虑的重要因素是确保通道的独立性，从而防止系统出现共因故障。共因故障是指一个根本原因导致两个通道出现差异，进而造成两个通道同时失效的情况。一些常见的解决方法包括：在不同通道中使用不同的传感器组；在关键部分（例如数学库、融合算法等）使用不同的实现方式；以及采用多样化的硬件平台和其他耦合因素。.
自 20 世纪 80 年代以来，联网汽车在设计、基础设施和技术方面取得了长足的进步。如今，这些汽车力求面向未来，同时高度重视安全性。KPIT 在自动驾驶汽车领域的设计理念是，将故障安全系统中的现有完整性机制进行复用，以此作为构建故障运行系统的核心。虽然目前已有多种旨在实现高诊断覆盖率的软件系统，但未来的发展需要将这些系统融入到稳健的设计中，才能真正实现自动驾驶功能。KPIT 也认识到，成熟的软件质量和安全跟踪方法是开发最佳安全解决方案的关键，并致力于通过一流的验证和确认方法，在虚拟和实际环境中应对复杂软件解决方案所有应用场景的挑战。.
1. https://www.brookings.edu/research/securing-the-future-of-driverless-cars/
2. https://www.nhtsa.gov/technology-innovation/automated-vehicles-safety
3. 0 至 5 级是根据其自动化程度的相对高低来定义的。3 至 5 级目前仍处于测试阶段。.
4. https://qz.com/344466/connected-cars-will-send-25-gigabytes-of-data-to-the-cloud-every-hour/
5. https://www.forbes.com/sites/samabuelsamid/2022/02/08/automated-driving-must-be-fail-operational/?sh=24ef7b2a527f
自动驾驶领域专家
KPIT 技术有限公司
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