車企工程師的視角是如何看待智能網(wǎng)聯(lián)汽車的？

為了滿足智能網(wǎng)聯(lián)汽車多源信息早期集成的要求，提出了智能化設(shè)備的概念與模型，識(shí)別出智能化設(shè)備的重要特征：具備解釋性語(yǔ)言的開(kāi)放接口。針對(duì)這一特征并根據(jù)實(shí)時(shí)性及安全性的要求，對(duì)車載嵌入式設(shè)備的早期集成給出了三種解決方案：Web CGI 方案、Java 方案和分布式方案。針對(duì)分布式解決方案，從軟件工程的角度，提出了利用高抽象級(jí)別的 RMI 來(lái)解決嵌入式設(shè)備互聯(lián)的方法，采用 CORBA 構(gòu)件互聯(lián)協(xié)議，以智能手機(jī)控制媒體播放設(shè)備的原型實(shí)現(xiàn)來(lái)進(jìn)行平臺(tái)中間件的驗(yàn)證。

隨著汽車技術(shù)從機(jī)械化到“三電化”的發(fā)展，以智能化網(wǎng)聯(lián)化為重要特征的駕駛自動(dòng)化系統(tǒng)（Driving Automation System）的開(kāi)發(fā)毫無(wú)疑問(wèn)地成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)要適應(yīng)市場(chǎng)的需要，產(chǎn)品需求要符合用戶需求特征。從計(jì)算機(jī)行業(yè)的大型機(jī)到個(gè)人計(jì)算機(jī)再到消費(fèi)電子的發(fā)展歷程來(lái)看，智能網(wǎng)聯(lián)汽車以消費(fèi)電子和共享服務(wù)為特征的功能需求多樣化和用戶體驗(yàn)個(gè)性化將成為整車廠產(chǎn)品研發(fā)的關(guān)注點(diǎn)。

另一方面，自動(dòng)駕駛的主動(dòng)安全系統(tǒng)，感知和監(jiān)視車輛內(nèi)外狀態(tài)環(huán)境，識(shí)別周邊事物及對(duì)車輛、占有物和道路使用者的潛在危險(xiǎn)，通過(guò)駕駛員告警、車輛系統(tǒng)調(diào)整、和車輛子系統(tǒng)主動(dòng)控制等手段，自動(dòng)介入而幫助避免或減輕碰撞。其中， 通過(guò)對(duì)目標(biāo)和事件的感知、識(shí)別、分類和預(yù)判來(lái)監(jiān)視駕駛環(huán)境，及對(duì)目標(biāo)及事件反應(yīng)與執(zhí)行，均需要將大量的傳感器集成在汽車電子電器系統(tǒng)上，大量的單片機(jī)及 ECU（Electronic Control Unit ）等復(fù)雜設(shè)備都迫切需要智能互聯(lián)，以滿足 HMI （ Human Machine Interface ）、 MMI（Machine to Machine Interface）操作的便利性、復(fù)雜性以及智能地駕駛員信息傳達(dá)和部件間信息傳遞的要求。

汽車研發(fā)將以系統(tǒng)研發(fā)平臺(tái)化技術(shù)、零部件快速集成與驗(yàn)證技術(shù)為支撐點(diǎn)，以快速迭代的生產(chǎn)模式為方向進(jìn)行變革。而平臺(tái)開(kāi)發(fā)的中間件技術(shù)以及基礎(chǔ)軟件設(shè)計(jì)規(guī)范及接口的定義，必將成為各整車廠引領(lǐng)本次變革的制高點(diǎn)和必須掌握的核心技術(shù)。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)與要求

平臺(tái)中間件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)須達(dá)成以下目標(biāo)。

1）支持零部件靈活部署

2）支持零部件快速集成

3）支持產(chǎn)品早期驗(yàn)證

4）支持快速迭代的生產(chǎn)模型

根據(jù) HMI 架構(gòu)平臺(tái)設(shè)計(jì)目標(biāo)，平臺(tái)中間件的設(shè)計(jì)要達(dá)到以下目標(biāo)。

1）支持HMI架構(gòu)上顯示與功能邏輯的分離；

2）形成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的車載應(yīng)用邏輯開(kāi)放接口規(guī)范（Profile）；

3）靈活配置 HMI功能；

4）快速切換 HMI風(fēng)格；

5）支持迭代開(kāi)發(fā)，縮短 HMI新功能開(kāi)發(fā)周期；

6）縮短 HMI與 Tier1&2集成開(kāi)發(fā)時(shí)間，整車開(kāi)發(fā)周期由通常兩年半降低為一年半；

7）減少信息源部署的物理制約，支持 TBox及多傳感器信息源與 HU 的快速集成；

8）減少顯示屏幕部署的物理制約，支持儀表、中控屏、副駕屏、前視鏡、后視鏡及后排娛樂(lè)屏快速開(kāi)發(fā)。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車電子電器系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示，其中的平臺(tái)中間件部分在整車系統(tǒng)集成中占有中心位置。

圖 1 系統(tǒng)構(gòu)成概念圖

基于以太網(wǎng)總線的智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)零部件部署拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖 2 零部件部署拓?fù)鋱D

2設(shè)計(jì)方案

為了便于設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)與外界的交互，HMI 界面及模塊間交互語(yǔ)言一般采用解釋性的高級(jí)語(yǔ)言。交互語(yǔ)言為解釋性語(yǔ)言的設(shè)備我們稱之為智能化設(shè)備（SmartDevice）。從概念上圖3中的設(shè)備智能化模型應(yīng)包括腳本語(yǔ)言、解釋引擎和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分。

圖 3 設(shè)備智能化模型

對(duì)原始嵌入式系統(tǒng)設(shè)備的智能化，至少要滿足以下幾方面要求。

1）系統(tǒng)的安全性。對(duì)原生系統(tǒng)的安全性影響最小。汽車 ECU等原生系統(tǒng)對(duì)安全性要求很高，不能因?yàn)樘摂M化后的外圍設(shè)備功能邏輯程序執(zhí)行的崩潰而影響原生系統(tǒng)的工作。

2）交互的便利性。采用解釋性高級(jí)語(yǔ)言對(duì)被虛擬化的外圍設(shè)備編程進(jìn)行交互，以滿足對(duì)目標(biāo)設(shè)備操作的功能邏輯不斷變化的要求。

3）部署的自適性。智能 HMI與原生嵌入式系統(tǒng)能有靈活的連接和部署。

HMI操作的實(shí)時(shí)性。對(duì)操作實(shí)時(shí)性的要求，根據(jù)用戶體驗(yàn)及應(yīng)用模塊之間調(diào)用的時(shí)間要求，應(yīng)有適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)。如果要求在幾十毫秒級(jí)別，在設(shè)計(jì)上能有更多的方案可供選擇。兼顧系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可用性綜合考慮，智能網(wǎng)聯(lián)汽車應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)采用實(shí)時(shí)性相對(duì) IPC（Inter ProcessCommunication）和 RPC（Remote Process Call） 較 低 的 RMI（Remote MethodInvoke）。圖4的進(jìn)程間通信抽象度模型（IPCParadigms）表示，越往頂層抽象度越高，可用性越好，而實(shí)時(shí)性越差。

圖 4 進(jìn)程間通信模型

2.1Web方案

智能網(wǎng)聯(lián)汽車應(yīng)用系統(tǒng)的嵌入式設(shè)備智能化的 Web 方案如圖 5 所示。執(zhí)行設(shè)備使用 Web 的 CGI（Common GatewayInterface）和外部進(jìn)行交互。訪問(wèn)端使用XHTML 語(yǔ)言及AJAX 技術(shù)， 利用 JavaScript 解釋引擎來(lái)訪問(wèn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)嵌 Web 服務(wù)前端，在其中部署 CGI，用 C 語(yǔ)言或 PHP、Python 等解釋引擎來(lái)解釋前端過(guò)來(lái)的指令，并調(diào)用執(zhí)行機(jī)構(gòu)的服務(wù)。

圖 5 嵌入式設(shè)備智能化 Web 方案

2.2 Java方案

智能網(wǎng)聯(lián)汽車應(yīng)用系統(tǒng)的嵌入式設(shè)備智能化的 Java 方案如圖 6 所示。HMI 采用 JAVA 語(yǔ)言，在 Java 虛擬機(jī)空間解釋執(zhí)行。解釋后的代碼與設(shè)備的 Native 空間交互，進(jìn)行對(duì)設(shè)備的操作。

圖 6 嵌入式設(shè)備智能化 JAVA 方案

2.3 分布式方案

考慮到智能網(wǎng)聯(lián)汽車電子電器體系架構(gòu)的可擴(kuò)展性及零部件的冗余性，兼顧消息通信的實(shí)時(shí)性，采用多主機(jī)分布式體系架構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖7所示。該方案把原生系統(tǒng)作為智能設(shè)備的附屬設(shè)備（AccessaryUtilities），HMI和執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用分布式架構(gòu)，分別部署在兩臺(tái)主機(jī)的不同系統(tǒng)中。雙系統(tǒng)在 TCP Socket 或 BlueTooth Socket 上進(jìn)行遠(yuǎn)程方法調(diào)用（RMI）。

圖 7 嵌入式設(shè)備分布式方案

3原型驗(yàn)證

采用Android 智能手機(jī)與嵌入式設(shè)備互聯(lián)， 把智能手機(jī)作為 HMI，嵌入式設(shè)備作為執(zhí)行設(shè)備。兩系統(tǒng)的連接采用 WIFI 或 BlueTooth 進(jìn)行無(wú)線連接?？紤]到雙系統(tǒng)間通信的實(shí)時(shí)性，和兩個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)不一致性，選用了CORBA（Common Object Request Broker Architecture）作為 RMI 通信協(xié)議。CORBA 組件天生為實(shí)現(xiàn)平臺(tái)無(wú)關(guān)和透明傳輸而生，故采用 CORBA 這類跨平臺(tái)組件是上佳的選擇。

實(shí)現(xiàn)的原型是在 Linux 和 Android 兩個(gè)操作系統(tǒng)平臺(tái)上部署一個(gè)媒體播放的分布式應(yīng)用程序。其中，Android 系統(tǒng)上的 APP 提供用戶操作界面及應(yīng)用功能邏輯，Linux 系統(tǒng)上的 Service 實(shí)現(xiàn)媒體解碼和媒體播放的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)側(cè)的 Linux 系統(tǒng)和 Android 系統(tǒng)交互需要滿足以下條件。

1）Linux和 Android同時(shí)部署相同版本omniORB(AT&T)支持庫(kù)。為避免數(shù)據(jù)原語(yǔ)可能的不一致性，特地同時(shí)為 Linux 和 Android移植了 ominORB相同版本。本方案采用 omniORB4.2.0版本。

2）Linux和 Android能通過(guò) TCP/IP彼此可訪問(wèn)。Linux和 Android能彼此通過(guò)TCP/IP“看”到對(duì)方，在它們上可部署omniNamesCORBA對(duì)象尋址服務(wù)。這樣， 通過(guò)對(duì)象名字能訪問(wèn)對(duì)象實(shí)體，而不用 關(guān)心對(duì)象實(shí)體在部署在哪里。

omniORB 對(duì) Linux 平臺(tái)支持很好，Linux 側(cè)omniORB 的移植相對(duì)容易，移植要點(diǎn)如下。

1）交叉編譯

因?yàn)榫幾g過(guò)程對(duì)omniORB IDL 編譯工具的依賴， 需要先編譯出“ omniidl ”， “omkdepend” ， “omnicpp”三個(gè)程序build-host 的版本。具體操作方式是先用cmake 生成修改 Makefile 文件，然后修改目錄“src/tool”中的 Makefile 文件，把其中的編譯器更換為 build-host 版本。

2）交叉編譯器的選擇

交叉編譯選擇 GCC。ARM平臺(tái)有很多Linux移植版，編譯時(shí)需要參照處理器指令集類型和 Linux用戶層支持庫(kù)進(jìn)行選擇。本次原型驗(yàn)證采用 TIDRA7xx的

Linux 平臺(tái)配型的“arm-linux-gnueabihf” 工具鏈。

3）omniORB運(yùn)行時(shí)環(huán)境

生成的 omniORB 運(yùn)行庫(kù)若非直接安裝到系統(tǒng)的“LIB”路徑，則需要在運(yùn)行omniNames 前把 omniORB 的 lib 路徑加入到“LD_LIBRARY_PATH”環(huán)境變量中。

圖 8 嵌入式設(shè)備智能化設(shè)計(jì)

如圖 8 所示，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的 Linux 服務(wù)程序是一個(gè)媒體播放器。選用開(kāi)源媒體播放框架FFmpeg(http://ffmpeg.org/)作為解碼器，然后又選用了mplayer(http://www.mplayerhq.hu/)作為播放器的 shell，ALSA 作為聲音通道。執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行過(guò)程，是 omniORB 封裝著拿到 IPlaylist和IMediaPlayer 對(duì)象，IPlaylist 和 IMediaPlayer 與媒體播放器實(shí)體進(jìn)行交互。

3.2 HMI設(shè)計(jì)

HMI 側(cè)的 omniORB 的移植基本和 Linux 側(cè)的相同，但需要注意的是omniORB官方不支持Android平臺(tái)。而 Android原生 bionic庫(kù)只實(shí)現(xiàn)了 POXICstandardClibrary的子集(bionic相對(duì)POXIC標(biāo)準(zhǔn)缺少了大約 200條函數(shù)實(shí)現(xiàn))，這樣omniORB對(duì) Android 的支持有限。在移植過(guò)程中僅遭遇到數(shù)條需要補(bǔ)充的 C函數(shù)。Android版本 的 toolchain 選 用 Android NDK的 API level-19，指令集設(shè)置為“-march=armv7-a”。HMI APP 是一個(gè)Android 應(yīng)用程序，結(jié)構(gòu)如圖 9 所示。

圖 9 智能化設(shè)備 HMI 設(shè)計(jì)

下面是用CORBA IDL 語(yǔ)言定義的遠(yuǎn)程調(diào)用接口。

module MediaPlayer

{

interface IMediaPlayerListener { void onSeekComplete(in longmsec);

};

interface IMediaPlayer { void pause();

void seekTo(in long msec); void start();

void stop(); voidforward();

void backward();

void settOnSeekCompleteListener(in IMediaPlayerListener listener);

};

};

4 性能評(píng)測(cè)

本次試驗(yàn)評(píng)測(cè)了高通的面向 IoT 的 AllJoyn 方案和本次omniORB 方案的RMI 通信延時(shí)和資源占用情況。本次的測(cè)試環(huán)境和測(cè)試方案如下。

1）測(cè)試環(huán)境：Intel(R) Xeon(R) CPUE3-1226

2) 測(cè)試計(jì)時(shí)已去除 STDIO 操作；

3）測(cè)試兩類 API：一類是只單向發(fā)送，另一類是帶 callback；

表中顯示的使用 nanosecond單位計(jì)時(shí)， 每次測(cè)試數(shù)據(jù)是調(diào)用測(cè)試 API1000次的結(jié)果。

5 結(jié) 論

經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，這種雙主機(jī)雙系統(tǒng)之間的 RMI調(diào)用時(shí)延不超過(guò) 1ms，服務(wù)啟動(dòng)時(shí)間不超 5ms，完全滿足車機(jī)操作實(shí)時(shí)性及服務(wù)快速加載的要求。系統(tǒng)穩(wěn)定，可靠性、擴(kuò)展性強(qiáng)，在汽車電子電器架構(gòu)智能駕駛應(yīng)用領(lǐng)域及 Telematics 都有廣泛應(yīng)用前景。另外，本方案全部采用開(kāi)源代碼進(jìn)行開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)周期短，見(jiàn)效快，能較好地滿足商業(yè)軟件對(duì)軟件開(kāi)發(fā)周期及成本的要求。

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