Работы в области OTA-обновления ПО автомобильных систем

Работы в области OTA-обновления ПО автомобильных систем

Выпуск 4 (6703) от 27 февраля 2020 г.
РУБРИКА: АВТОМОБИЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Автопроизводители стремятся оснастить свои машины новейшими функциями, которые, между тем, полностью зависят от возможности подключения. Еще одной тенденцией стало предложение платформ «автомобиль–облако» (car-to-cloud). Как бы то ни было, «сквозное» решение данного вопроса до сих пор не найдено.

Основная тенденция современного развития транспортных средств заключается в увеличении степени подключаемости автомобиля, вплоть до подключаемости «ко всему» (V2X). Реализация этой тенденции затрудняется тем, что существующие технологии не в полной мере могут удовлетворить предьявляемым требованиям. Сегодня автопроизводители пытаются это обеспечить, добавляя все новые возможности, однако возникает несовпадение целей – ​электронная промышленность стремится создавать универсальные решения, а большинство крупных автопроизводителей по-прежнему привержены разработке фирменных (патентованных) решений, не подходящих транспортным средствам других фирм, что замедляет повышение уровня подключаемости в целом.


Подключаемость автомобилей: проблемы и движущие факторы

Автомобильные информационно-развлекательные системы и телематические устройства стали главным приоритетом для методик эфирного обновления ПО (over-the-air, OTA). Автопроизводители планируют добавить новые приложения и услуги – ​от каршерингадо определения уровня топлива – ​без изменения конструкции автомобиля. Через любой конкретный автомобиль проходят потоки аудио- и видеоданных – ​по Wi-Fi, 4G и 5G. Соответственно, обеспечение кибербезопасности требует постоянных ОТА-обновлений – ​для предотвращения последствий хакерского взлома бортовой сети нет ничего важнее, чем возможность получить исправления ПО непосредственно от автопроизводителя. Кроме того, поскольку не существует такого понятия, как ПО без ошибок, автомобили также должны быть готовы к получению исправлений, и OTA-обновления – ​необходимая составляющая.

Следующий рубеж – ​OTA-обновление не отдельных блоков, а машины в целом. Автопроизводители должны иметь возможность ориентироваться не только на телематические управляющие устройства (TCU), но и на электронные управляющие устройства (ECU) разных поставщиков, установленные на каждом транспортном средстве. Эти ECU управляют различными частями автомобиля – ​от двигателя и трансмиссии до подушкек безопасности и регулировки положения сидений.

Кроме того, помимо возможности отправлять исправления ПО, автопроизводители должны иметь возможность получать данные от самих транспортных средств. В эпоху высокоавтоматизированных автомобилей большие массивы сенсорных данных, генерируемые камерами, радарами и лидарами, необходимо собирать, обрабатывать, хранить и отправлять в «облако» для реализации процесса обучения ИИ. Наконец, что не менее важно, данные, собранные подключенными транспортными средствами, должны быть проанализированы.

Иными словами, вопрос дальнейшего развития подключенных автомобилей является комплексным и очень сложным. Возможность подключения позволяет автомобильной промышленности разрабатывать и добавлять новые приложения и услуги, обеспечивает поддержку безопасности дорожного движения и кибербезопасности, а также продвигает машинное обучение. Таким образом, связь типа «автомобиль–облако» обеспечивает большой потенциальный рынок.

Почему же никто до сих пор не создал «сквозного», универсального решения для подключаемых автомобилей? Проблема не в недостатке строительных блоков для проектирования подключенных транспортных средств, а в том, что автопроизводители, как они это делали десятилетиями, продолжают создавать собственные решения, ориентированные на одну проблему и не учитывающие разработки других производителей. Возникает своего рода «вавилонское столпотворение», когда автомобильные изготовители комплектного оборудования (OEM) первого и второго уровней создают множество решений, не сочетающихся друг с другом или мешающих друг другу нормально работать. Например, эфирное решение по обновлению ПО, предлагаемое одной компанией или разработанное для одной модели, не обязательно взаимодействует с другой моделью даже той же самой фирмы.

Есть три ключевых фактора, воздействующих на развитие методов подключаемости транспортных средств к «облаку».

Во-первых, это появление «программно-определяемых» транспортных средств, когда автомобиль в целом можно рассматривать с точки зрения ПО.

Во-вторых, 5G и «бесконечная масштабируемость Интернета» заставляют автопроизводителей переосмыслить способы дистанционного обновления функций и контента автомобиля. Специалисты полагают, что 5G и Интернет позволят «добавлять новые функции в автомобиль на протяжении всего его жизненного цикла».

В-третьих, все более широкое использование данных меняет цепочку создания стоимости автономных транспортных средств. Благодаря огромным объемам данных, собранных для приложений автономных автомобилей, в важный «строительный блок» превращается уже собственно «облако».

Учитывая эти факторы, легче анализировать ситуацию на рынке подключаемых транспортных средств в целом и элементы платформы «автомобиль–облако» в частности.


Платформа «автомобиль–облако»

Корпорация Qualcomm представила свою платформу «автомобиль–облако» (рис. 1) в январе 2020 г. на Выставке потребительской электроники в Лас-Вегасе (Consumer Electronics Show, CES). Представители корпорации подчеркивают, что их ближайшая цель – ​дать возможность автопроизводителям повысить производительность средств подключаемости своих автомобилей с уровня 4G до уровня 5G без необходимости замены оборудования, установленного в машине.



Источник: Qualcomm

Рисунок 1. Сервис «автомобиль–облако» (car-to-cloud) корпорации Qualcomm, предназначенный для управления безопасностью, подключаемостью и жизненным циклом автомобилей

* Стимулирование покупки (up-sell) – мотивация покупателя потратить больше денег (например, купить более дорогую модель того же продукта, добавить опции или услуги к приобретаемому продукту).


Платформа «автомобиль–облако» корпорации Qualcomm обладает двумя основными особенностями. Одна из них – ​т. н. «программный идентификатор» (soft SKU). Другая – ​средства обеспечения безопасности, встроенные непосредственно в ИС подключаемости. Soft SKU позволяет перенастраивать программируемые пользователем вентильные матрицы (FPGA) так, что они могут надежно поддерживать новые функциональные возможности при повышении требований к производительности или появлении новых функций. Это обеспечивает плавный переход с 4G на 5G, а также обновление и настройку функций с учетом конкретных сегментов продукта и региона (страны) их использования. Благодаря этим возможностям OEM могут настроить один SKU под требования нескольких клиентов (автопроизводителей) и рынков, что в конечном итоге поможет автопроизводителям сократить расходы на несколько специализированных SKU.



Источник: Aeris

Рисунок 2. Структура прикладного комплекта обеспечения мобильности фирмы Aeris


Платформа «автомобиль–облако» корпорации Qualcomm также обеспечивает автопроизводителям гибкие возможности предоставления данных. По мнению отраслевых экспертов, автопроизводителям не следует взимать плату с потребителей за данные, используемые в OTA-обновлениях, – ​продавцы подключаемых автомобилей должны предлагать покупателям различные системы оплаты, предоставляя тарифные планы с возможностью гибкого объединения данных, услуг и новых функций.

Многие фирмы, действующие на рынке подключаемых транспортных средств, считают предложение Qualcomm платформы «автомобиль–облако» недостаточным и запоздалым. Например, специалисты корпорации Strategy Analytics отмечают у Qualcomm недостаток опыта в управлении жизненным циклом транспортных средств и недостаточное знание ECU различных производителей ИС для транспортных средств. Поддержка платформой «автомобиль–облако» только собственных ИС – ​лишь часть решения вопроса. Для широкого распространения она должна стать универсальной, т. е. обеспечивать поддержку ИС других производителей.

Но пока Qualcomm видит свою миссию в заполнении некоторых пробелов в существующих телематических решениях. Soft SKU важен для Qualcomm в первую очередь потому, что основные производители делают все возможное, чтобы их подключаемые транспортные средства были «ориентированы на будущее». Благодаря возможности Soft SKU активировать по мере необходимости новые функции на уровне программируемых приборов ценность ИС корпорации Qualcomm, установленных в подключаемых автомобилях, может повышаться на протяжении всего жизненого цикла транспортных средств.

Учитывая сложность архитектуры транспортных средств, автомобильная промышленность не может просто перепрофилировать под свои задачи технологию эфирного обновления, изначально разработанную для мобильных телефонов. Данная технология не позволяет обновлять, например, тормозные системы, потому что в ней отсутствуют средства для извлечения необходимых значений допустимых ошибок из различных ECU, чьи ресурсы – ​память и вычислительная мощность – ​сильно ограничены.

Тем не менее корпорация Qualcomm обладает опытом объединения разных игроков в экосистему и надеется повторить собственный успех, достигнутый в плане улучшения функций и контента смартфонов за счет формирования экосистемы сетевых операторов, владельцев контента и разработчиков ПО, но теперь уже в автомобилестроении.


Совместное предприятие Volkswagen-Aeris

В 2017 г. фирмы Aeris и Volkswagen Group of America совместно разработали платформу Интернета вещей для поддержки встраиваемого модуля подключаемости для автомобилей. Позднее было решено расширить функцио-нальные возможности этого модуля за счет его оснащения функцией OTA-обновлений. Для этого было сформировано СП Ventic LLC, идея создания которого, похоже, исходила от высшего руководства обеих компаний. Решение создать СП совпало с серьезными организационными изменениями, начатыми Volkswagen осенью 2019 г. для обеспечения возможностей внутрикоропративной разработки всего необходимого аппаратного и программного обеспечения.

Aeris – ​разработчик ПО мирового уровня, завоевавший авторитет среди автопроизводителей. Для обеспечения связи «автомобиль–облако» Aeris предлагает прикладной комплект обеспечения мобильности, состоящий из TCU и платформы подключаемости, приборной платформы и мобильных приложений. К настоящему времени на основе платформы подключаемости Aeris были созданы «победные конструкции» для ряда OEM. С 2017 г., после заключения сделки с Mitsubishi Motors, Aeris надстроила свою платформу подключаемости дополнительными приборными и прикладными уровнями. Кроме того, компания предлагает клиентам и «облачно-независимые» решения.

Однако, как бы комплексно ни выглядела вышеприведенная структура прикладного комплекта Aeris с точки зрения поддержки новых приложений и услуг в транспортных средствах, решения компании по-прежнему ориентированы на TCU.

Специалисты VSI Labs отмечают, что деятельность СП Volkswagen-Aeris охватывает все необходимые для создания унифицированной телематической платформы, поддерживающей современные и перспективные подключаемые сервисы, направления. Однако эта платформа не поддерживает итерационные циклы обработки данных, которые нужны для управления программно-определяемой архитектурой автомобиля. Проще говоря, она не создана для OTA-обновлений всего автомобиля.

Почему Aeris не включила в свою платформу возможность OTA-обновлений ПО различных ECU? Ее специалисты считают, что современная автомобильная архитектура не готова к этому. Требуется повысить количество ECU в транспортных средствах и обновить саму их сетевую архитектуру. Подчеркивается, что в основе опыта Aeris лежит понимание работы OEM. Если какой-либо изготовитель комплектного оборудования добавляет посредством OTA-обновления новые функции в свою продукцию, установленную в 100,0 тыс. транспортных средств, то этот процесс должен совмещаться с технологическим процессом автомобилестроителя по таким параметрам, как базы данных (структура, контент и т. п.), уведомления, определение статуса обновлений (загружены или не загружены) и т. д.

Технические преимущества Aeris в том, что ее предложение позволяет очень быстро добавлять новые сервисы – ​фирме удалось оптимизировать длительность процесса до примерно 3 секунд. Заметим, что при использовании других подходов время ожидания обновлений ПО у конечных пользователей иногда занимает от 30 секунд до одной минуты.


Конкурентная среда

Основные конкуренты Aeris в области OTA-обновлений подключаемых автомобилей – ​автомобильные OEM и поставщики первого уровня, разрабатывающие собственные (проприетарные) решения ОТА-обновлений. Практика создания решений, ориентированных только на корпоративную продукцию (т. н. «сад за высоким забором»), кажется устаревшей, но она все еще распространена в автомобильной промышленности. Как отмечают некоторые эксперты, автопроизводители «ненавидят использовать то, что разработано или используется другими автопроизводителями, даже если технология бесплатна и открыта». Но есть и примеры использования для ОТА-обновлений решений, созданных технологическими партнерами совместно, – ​таковы партнерства Ford-Autonomic-AWS и Jaguar Land Rover-CloudCar. О новом партнерстве на CES‑2020 объявили BlackBerry, QNX и AWS. Их соглашение, нацеленное на автопроизводителей, обещает предоставить «услуги, персонализацию, мониторинг состояния транспортных средств и перспективные системы помощи водителю (ADAS)». Кроме того, о формировании партнерства в 2019 г. объявили Wind River и Airbiquity, пообещав создать программное решение для управления жизненным циклом подключаемых и автономных транспортных средств, которое охватывает связь «автомобиль–облако». В соответствии с соглашением вкладом Wind River будет создание программного решения по OTA-обновлению и управлению жизненным циклом, отличающеесяя высокой модульностью. Airbiquity обеспечит оркестровку ОТА-обновлений, управление кампаниями аналитики, маркетинга, планирования, рекламы и т. п., ПО и управление данными, а также возможности инфраструктуры безопасности на основе стандарта Uptane.

По мнению экспертов фирмы Strategy Analytics, из всего, что было до сих пор сказано и сделано в области подключаемых автомобилей, наиболее существенны успехи Harman, дочерней фирмы Samsung. Ее сервис дистанционного обновления ПО транспортных средств уже выбрали 23 крупнейших OEM, он управляет более чем 30 млн подключаемых автомобилей. Ожидается, что в ближайшие пять лет число подключаемых автомобилей вырастет до 300 млн шт. Harman делает все, от персонализированного облачного контента до новых приложений и сервисов, конфигурируемых в автомобиле. Но покрывает ли сервис Harman OTA-обновления ECU? Похоже, это будет осуществлено еще не скоро – ​по крайней мере не в нынешнем поколении подключаемых транспортных средств.


Конвейеры данных

По мнению Strategy Analytics, OTA-обновления автомобиля в целом – ​отдельное направление, тон в котором задают Aurora Labs и Excelfore. В настоящее время немногие специалисты автомобильной промышленности сосредоточены на разработке когерентных линий передачи (конвейеров) данных, соединяющих облачный сервер с транспортными средствами, а транспортные средства – ​с устройствами внутри него самого. Производители автомобилей, как уже говорилось, консервативны и предпочитают разрабатывать для новой задачи новое патентованное решение. Если создается конвейер данных, то он ориентирован на одну задачу в каждой новой модели каждого автопроизводителя.

Очевидно, что необходимо быстрее переходить на новые методы обновления ПО всего автомобиля и сбора данных. Если автопроизводители серьезно относятся к совершенствованию технологий автономного вождения, они должны быть в состоянии получать данные таким же образом, как работает ПО в реальном мире. Соответственно, для обеспечения автономного вождения им придется освоить перспективные методы OTA-обновлений ПО всего автомобиля, а также способы извлечения данных о функционировании автомобиля.

Первым шагом в этом процессе для отрасли должна стать разработка общего протокола обмена сообщениями по конвейеру данных, который позволит серверу общаться с каждым клиентом на одном и том же языке и в то же время даст ему возможность проверять наличие определенного ECU или датчика в транспортном средстве. Эта проверка необходима для оценки способности каждого ECU работать с OTA-обновляемым ПО.

Процесс ОТА-обновления ПО всего автомобиля гораздо сложнее, чем просто загрузка обновлений ПО. Специалисты фирмы Aurora Labs выделили ряд вопросов, на которые надо ответить при разработке методов OTA-обновлений.

Могут ли современные решения OTA-обновлений позволить вернуться к предыдущей версии ПО, если возникла проблема с новой версией? Возможно ли избежать перераспределения предыдущих версий ПО и снова записать их на флэш-память?

Возможно ли обновить функциональность без перезагрузки?

Может ли данное решение поддерживать различные автомобильные ECU (информационно-развлекательное оборудование, безопасность, трансмиссия, ADAS, шасси, кузов и обеспечение комфорта)? Что еще более важно, смогут ли современные решения OTA-обновлений поддерживать такие ECU сегодня и в будущем, используя одну и ту же технологию?

Соответствует ли данное решение OTA-обновлений требованиям скорости обновления и энергопотребления технологической линии? Можно ли обновить ECU с помощью последних версий ПО до выхода из режима обновления?

Требует ли решение OTA-обновления работ по клиентской интеграции всеми поставщиками ECU в данной автомобильной экосистеме?

Все эти вопросы остаются актуальными для тех, кто пытается реализовать возможность OTA-обновлений ПО автомобиля в целом.

Фирма Excelfore достигает этого путем создания архитектуры «клиент–сервер» и формирования уровня абстракции, позволяющего программному агенту «знать» конкретные характеристики приборов транспортного средства. Благодаря этому становится возможным отправлять OTA-обновления ПО различных автомобильных OEM непосредственно с облачной платформы eSync компании Excelfore на те или иные электронные приборы. В начале 2018 г. Excelfore предоставила открытой отраслевой ассоциации eSync Alliance собственную версию технологии eSync (рис. 3). Круг сторонников альянса и пользователей его технологий быстро расширяется – ​ожидается, что в 2020 г. автомобили, использующие технологию eSync, будут поставляться в Европу, КНР и Японию пятью автопроизводителями. Однако в США они пока не появятся. Осенью прошлого года FAW, один из крупнейших китайских автопроизводителей, объявил о развертывании платформы eSync. Новые автомобили FAW, выпускаемые в настоящее время, позволяют совершать OTA-обновления 33 устройств от 24 различных поставщиков.



Источник: Excelfore

Рисунок 3. Работа системы eSync на серверах «облака» и на клиентских приложениях транспортного средства

* CAN (controller area network) – асинхронная последовательная коммуникационная шина (протокол), использующая в качестве среды передачи витую пару проводов. Протокол CAN реализует первый и второй уровень эталонной модели OSI. При скорости передачи 1 Мбит/с длина шины может достигать 40 м. При меньших скоростях длину можно увеличить до километра.

** LIN (local interconnect network) – простая последовательная однопроводная шина (протокол) для автомобильных применений, используется в тех случаях, когда применение шины CAN дорого. По шине LIN управляются различные приводы (корректоры фар, заслонки климатической системы, приводы центрального замка), а также собирается информация с простых датчиков (дождя, света, температуры).

*** FlexRay – автомобильный сетевой протокол, отличающийся в лучшую сторону от протоколов CAN и MOST как по рабочим характеристикам, так и по цене. Основные характеристики: скорость передачи данных 10 Мбит/с, временная синхронизация, возможность резервирования, безопасность, устойчивость к отказам.


Aurora Labs, в свою очередь, не создает программных агентов, а компилирует библиотеку ПО, включающую коды из разных ECU (рис. 4). Специалисты отмечают уникальность этого подхода.



Источник: Aurora Labs

Рисунок 4. Подход Aurora Labs к OTA-обновлениям


В качестве заключения можно привести оценку фирмы Strategy Analytics: «Хотя технологии OTA-обновления ПО автомобиля в целом пока распространяются медленно, недавно представленные автомобильные процессоры вскоре будут реализовывать автомобильную архитектуру следующего поколения. Будь то новые межсетевые процессоры-шлюзы NXP Semiconductors или ADAS и шлюзовые процессоры Texas Instruments, поставщики полупроводниковых приборов расширяют предложение новых ИС. Они стремятся воплотить в жизнь пожелание автомобильной промышленности № 1: сделать возможным эфирное обновление ПО. Каждый OEM пытается сделать свое автомобильное ПО обновляемым».


Yoshida Junko. Car to Cloud: From Apps to Whole-Car Updates. EE Times, January 25, 2020: https://www.eetimes.com/car-to-cloud-from-apps-to-whole-car-updates/


МНЕНИЕ ЭКСПЕРТА

Роман Сулицкий

К многочисленным проблемам OTA-обновлений технологического свойства стоило бы добавить весьма существенный юридический аспект – ​кто будет отвечать за аварийную ситуацию с автомобилем, произошедшую по вине системы управления? Автопроизводители не просто консервативны, но обоснованно осторожны в вопросах, связанных с гарантией здоровья водителей во время управления автомобилем. Совершенствование систем поддержки принятия решений водителем и автопилотирования напрямую связывают с развитием сетей 5G, а следовательно, в самое ближайшее время функция OTA-обновлений станет одной из ключевых в цепочке обеспечения безопасности движения. При этом существующая многовариантность решений и концепций в этой области является закономерным процессом поиска оптимальных вариантов. Благо, что оплачивать эти разработки и новшества пока предлагается и удается покупателям транспортных средств, однако со временем существующие коммерческие наработки могут быть дополнены аналогичными военными разработками при активной поддержке правительств стран – ​лидеров автомобилестроения. Можно также спрогнозировать и то, как долго и кем будут решаться обозначенные сложности в развитии технологии. За последние годы мы могли убедиться в способностях Китая реализовать подобные комплексные и масштабные технологические программы на государственном уровне. Для активной работы в этой области у Китая уже сейчас имеются все необходимые элементы, включая собственную глобальную систему геопозиционирования, которая будет запущена в 2020 году. Показательно, что своеобразным полигоном для отработки новшеств в этой области традиционно стала в очередной раз Южная Корея с наибольшим количеством подключенных автомобилей, а это значит, что Китай также сделает рывок в ближайшее время и на более высоком уровне объединения технологий.


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 24/25 (6748/6749) от 23 декабря 2021 г. г.
Выпуск 23(6747) от 25 ноября 2021 г. г.
Выпуск 18(6742) от 16 сентября 2021 г. г.
Выпуск 17(6741) от 02 сентября 2021 г. г.