車載安全與系統(tǒng)的可靠性研究

匡云　徐碩　李忠誠　樊振

摘要：汽車安裝的軟件數(shù)量近年來呈現(xiàn)出爆炸式增長，安裝了與云端連接的先進(jìn)車載信息娛樂系統(tǒng)之后，一輛普通的新車有大約14E行代碼。目前車載系統(tǒng)存在的問題主要是在于閉源系統(tǒng)的封閉性，使得車載Os不能夠有效便捷得到其他軟件公司的融入。而利用開源系統(tǒng)編寫的車載Os能夠更加開放，對于使用者和研發(fā)人員提供更好的平臺。加強(qiáng)接納、包容和發(fā)展性。一輛整合了智能操作系統(tǒng)的汽車則可以將汽車引入互聯(lián)網(wǎng)，也就是說，汽車的位置、里程、功耗等數(shù)據(jù)都會上傳到云端，這樣更有利于車載安全。

關(guān)鍵詞：車載OS；可靠性；開源系統(tǒng)；Linux；車載信息中心

1 引言

現(xiàn)如今，車載OS逐漸進(jìn)入人們的視野，而汽車也成為了人們的主要交通工具，而根據(jù)每年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示因車禍而喪失生命的人全世界過百萬，在出行時的安全性得到人們的重視。而車載OS因其在人工智能方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢可以在行車中提供有效的幫助。針對目前汽車使用中存在的安全隱患，利用車載OS的研究與開發(fā)，設(shè)計(jì)出例如：警示駕駛員的疲勞、提示駕駛員的行車速度、車間距離以及智能導(dǎo)航的應(yīng)用，使駕駛員的出行得到安全保障。

2 系統(tǒng)的可靠性研究

2.1 基于Linux的監(jiān)控服務(wù)器系統(tǒng)的的安全可靠性

Linux是Unix類的操作系統(tǒng)，它是Unix類的簡化版但不需使用Unix的方式編碼。當(dāng)然它繼承了Unix的大部分功能，并且Linux可運(yùn)行在多種硬件平臺，是自由軟件，免費(fèi)、公開源代碼的。此外它還滿足以下幾大Unix類操作系統(tǒng)的基本特征。

（1）多用戶多任務(wù)的操作系統(tǒng)：多個任務(wù)或應(yīng)用可同時運(yùn)行，而且是由操作系統(tǒng)卻不是由應(yīng)用來進(jìn)行任務(wù)的控制和時鐘周期的分配的。

（2）具有內(nèi)核的編程接口，符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)，所以可移植能力強(qiáng)，并且它與SystemV和HBSD完全兼容，兼容性好。

（3）提供具有內(nèi)置安全措施的分層的文件系統(tǒng)：包括登陸，口令目錄和文件屬主及權(quán)限等，安全性得到了保障。

（4）提供shell命令解釋程序，shell編程語言及許多高級編程語言。Linux滿足并且適合：對系統(tǒng)安全穩(wěn)定性要求高：對系統(tǒng)資源控制能力的要求高；圖形化界面使用率低，對圖形界面要求不高，非常適合用于監(jiān)控方面。

目前GPRS技術(shù)在我國已經(jīng)比較成熟，配合使用傳感器用它來傳遞與車載相關(guān)信息勢必將取得非常好的效果，再加上Linux系統(tǒng)所特有的一些優(yōu)良特征，基于Linux的車輛監(jiān)控服務(wù)器系統(tǒng)必將有廣闊的前景。

2.2 基于嵌入式LINUX的車載導(dǎo)航系統(tǒng)的安全可靠性

傳統(tǒng)的車載導(dǎo)航系統(tǒng)主要是利用在市場上購買的車載導(dǎo)航儀，不僅價格昂貴，還有許多弊端，如兼容性和系統(tǒng)穩(wěn)定性都不是非常良好。將開源嵌入式Linux操作系統(tǒng)用于車載導(dǎo)航系統(tǒng)中，作為系統(tǒng)核心的車載PC的體積小，集成度高，功耗低，處理能力強(qiáng)，操作簡單便捷而且成本低廉。此外，利用Linux系統(tǒng)的開源性和兼容性，不僅可以解決不同駕駛者的需求差異，還可以很好的與其他系統(tǒng)完美嵌合，更能夠同時解決系統(tǒng)中多個任務(wù)并行處理的問題，這使得系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性得到了保障。

利用嵌入式Linux操作系統(tǒng)配置的軟件，在輔以Qt4和Opencv2.4.6作為圖形用戶界面（GUI）的開發(fā)環(huán)境。Opencv2.4.6提供的視覺處理算法非常豐富，并且它部分以c語言編寫，加上其開源的特性，處理得當(dāng)，不需要添加新的外部支持也可以完整的編譯鏈接生成執(zhí)行程序，加強(qiáng)了系統(tǒng)通信的靈活性；在QT中支持Opencv2.4.6接口和矢量圖形格式SVG，可以滿足車載導(dǎo)航系統(tǒng)的繪圖讀圖需要和駕駛者駕車的安全。同時，利用GPS對車輛進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，系統(tǒng)便可及時的獲取車輛位置（包括經(jīng)緯度與時間等）和運(yùn)行信息（包括車速與方向等），并在用戶界面上顯示出相關(guān)的導(dǎo)航信息，駕駛員便可通過觸摸屏自主操作，從而獲得相應(yīng)的導(dǎo)航資源。

當(dāng)然車載導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動程序也是非常的安全而平穩(wěn)，主要由由以下三個部分構(gòu)成。

（1）自動配置和初始化子程序。初始化子程序首先運(yùn)行，主要負(fù)責(zé)檢測硬件設(shè)備是否存在和能否正常運(yùn)行等；

（2）中斷服務(wù)子程序。由嵌入式Liuux系統(tǒng)來接收硬件中斷，再通過系統(tǒng)來調(diào)用中斷服務(wù)子程序；

（3）服務(wù)于I/O請求的子程序。是對I/O設(shè)備進(jìn)行存取。然后將編寫好的設(shè)備驅(qū)動編譯到內(nèi)核中，在系統(tǒng)啟動時和內(nèi)核一起啟動。

目前基于嵌入式LINUX的車載導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)用到了市場上的某些導(dǎo)航儀中，并且取得了很好的效果，很多用戶反映該系統(tǒng)能夠及時的顯示車輛當(dāng)前運(yùn)行情況，快速響應(yīng)用戶操作，駕駛者操作便捷且導(dǎo)航信息也非常的完整，以便駕駛者們更安全的駕車上路。

2.3 基于Linux的車載信息娛樂的安全可靠性

雖然在行車中關(guān)注其他的事情轉(zhuǎn)移注意力是非常不安全的，但在停車休息或是緩解疲勞時信息娛樂卻又必不可少。比如說天氣預(yù)報(bào)，雖然現(xiàn)在每部手機(jī)上幾乎都有天氣預(yù)報(bào)，甚至自己也可以看窗外天氣，但仍有大部分駕駛者喜歡在行車中打開廣播收聽，然而廣播播放的內(nèi)容大多數(shù)人只在乎少數(shù)自己感興趣的部分，這時Linux又要發(fā)揮作用了，開發(fā)者可以將現(xiàn)有開源代碼將在調(diào)整后用于車載信息娛樂系統(tǒng)中，通過編寫程序，我們可以自行調(diào)整播放的內(nèi)容，好像自己就是DJ一樣，而且它將圖形、通信和多媒體中間件與數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施和管理組件整合在一起，所有這些均在Linux內(nèi)核和相關(guān)驅(qū)動上運(yùn)行。從技術(shù)角度看，廣播可以從許多電視卡上獲得免費(fèi)的支持，我們還可以借助一些簡單的軟件，例如使用FMSCAN來掃描電臺信號，使用FM來警醒調(diào)頻。但是這些軟件都是要單獨(dú)進(jìn)行安裝的，而Linux強(qiáng)大的兼容性和多用戶任務(wù)的操作系統(tǒng)就能保證這些系統(tǒng)和軟件的快速安全的實(shí)施，為駕駛者制作一個屬于自己的電臺，這一系列復(fù)雜的操作只需要通過駕駛者簡單的語音輸入即可快速完成。此外，Linux能更加充分的利用軟硬件資源且很少出現(xiàn)崩潰現(xiàn)象，比其他操作系統(tǒng)有更好的安全性。當(dāng)然在行車中出于我們不會觀看車載視頻，視頻用于顯示交通相關(guān)信息，但停車休息時便可以關(guān)掉交通相關(guān)信息用于車載娛樂而Linux是保證這些順利轉(zhuǎn)化和高效實(shí)施的關(guān)鍵。美中不足的是圖形化界面使用率低，對圖形界面要求不高，但高度的功能隔離就確保了各個系統(tǒng)間互不干涉但又能保證車載的安全，讓駕駛者的出行能夠更加舒心更加愉悅。

3 車載信息中心

3.1 道路偏移警報(bào)

據(jù)統(tǒng)計(jì)在世界范圍內(nèi)，由于駕駛員注意力不集中或者疲勞駕駛，從而導(dǎo)致車輛的無意識偏離而引發(fā)交通事故。這時車道偏離報(bào)警系統(tǒng)（簡稱LDWS或RDWS），由于具有顯著提高車輛行駛主動安全性的潛力，便在駕駛者安全行車的過程中起到了關(guān)鍵性的作用。傳統(tǒng)的車道偏離預(yù)警系統(tǒng)不會試圖控制車輛以防止可能發(fā)生的碰撞事故，僅分為“縱向”和“橫向”車道偏離警告兩個主要功能?？v向車道偏離警告系統(tǒng)主要用于預(yù)防那種由于車速太快或方向失控引起的車道偏離碰撞，橫向車道偏離警告系統(tǒng)主要用于預(yù)防由于駕駛員注意力不集中以及駕駛員放棄轉(zhuǎn)向操作而引起的車道偏離碰撞。然而基于LiFlUX的嵌入式車道偏離報(bào)警系統(tǒng)：是基于單目視覺的前視系統(tǒng)，由模/數(shù)轉(zhuǎn)化及解碼電路模塊、緩沖電路模塊、媒體處理器DSP電路模塊、編碼及數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路模塊等模塊組成。該系統(tǒng)通過車載攝像頭采集被跟蹤車道線的模擬視頻信號，經(jīng)解碼生成數(shù)字信號碼流緩沖后送到高速媒體處理器DSP的視頻接口，然后再由視頻處理模塊對數(shù)字視頻信號進(jìn)行車道特征值的提取，最后將處理后的視頻信號送編碼及數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路輸出顯示?；贚inux的車道偏離系統(tǒng)不僅可以完美的做到以上兩個功能，由于系統(tǒng)具有開源性，便可以利用車載云平臺上的資源，如行駛在某一特定崎嶇車道，駕駛者便能通過車友在線提前做好準(zhǔn)備工作，從而避免車輛的偏離，這要比汽車發(fā)生偏離之后在進(jìn)行糾正要好的多，這樣就能大大的減少駕駛者因失誤造成的危害，更利于行車的安全。

3.2 汽車內(nèi)外信息采集

談到車載難免會提到汽車內(nèi)外系統(tǒng)的采集，這里我們可以利用視頻車輛檢測器，通過視頻車輛檢測器檢測到的信息將其呈現(xiàn)出來，甚至遇到交通問題時還可以將其上傳到車載信息云平臺上，這樣就能有效地解決很多的問題。

視頻檢測器是一種基于視頻圖像的檢測技術(shù)，是一種人工模式識別和結(jié)合數(shù)字視頻圖像的技術(shù)。與傳統(tǒng)接觸式檢測方法比較，這類非接觸式檢測方法的檢測范圍大、安裝工程量小、系統(tǒng)可靠性高。視頻采集技術(shù)利用計(jì)算機(jī)、視頻及現(xiàn)代通信等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對交通動態(tài)信息的實(shí)時采集，系統(tǒng)通過安裝在路門或路段的攝像機(jī)采集交通圖像，再進(jìn)行圖像處理得到車流量、指定時間段內(nèi)的車速統(tǒng)計(jì)平均值、瞬時車速度、車型分類、平均車距、檢測交通事故等交通動態(tài)信息，從而為交通的信號控制、交通誘導(dǎo)、信息發(fā)布、指揮提供實(shí)時交通動態(tài)信息。利用視頻檢測器所獲得的交通信息，再將這些信息上直接整合到Linux操作系統(tǒng)的軟件中或者上傳到云平臺上，然后通過QT4和Opencv2.4.6呈現(xiàn)在駕駛者的眼前，讓駕駛者能夠及時作出相應(yīng)的操作。此外一臺攝像機(jī)可觀測多個車道，系統(tǒng)可以同時處理多個攝像機(jī)拍攝的數(shù)據(jù)，這樣更有利于我們對信息的掌握，而且對于Linux來說，它本身就是Unix類操作系統(tǒng)能夠同時進(jìn)行多任務(wù)處理，這使得各信息均能及時反饋到駕駛者眼前。視頻車輛檢測器對道路一定區(qū)域范圍內(nèi)的檢測，車內(nèi)外表面在添加上一系列的傳感器，這樣所獲得的圖像經(jīng)傳輸送入圖像處理機(jī)，再經(jīng)過微處理器處理圖像背景，實(shí)時識別車輛的存在和檢測其它交通參數(shù)，控制中心可根據(jù)這些信息，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制命令。這樣駕車時我們對車內(nèi)外的信息更加了解，也就越方便我們做出相應(yīng)正確的反應(yīng)，極大的提高了駕車的安全性。

3.3 車聯(lián)網(wǎng)信息共享

為了智能車能夠更好安全上路除了汽車的性能良好，車載OS的安全可靠外，再有就是需要一個車聯(lián)網(wǎng)，這樣就可以在很多突發(fā)事故上能夠盡快將信息上傳到車載信息平臺上，讓問題更好更快的解決。

很多時候車聯(lián)網(wǎng)上的信息要比通過檢測和傳感器所得的信息要更加直接一些，因此車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在車載OS中必不可少，而車聯(lián)網(wǎng)主要通過無線通信技術(shù)、GPS技術(shù)及傳感技術(shù)的相互配合實(shí)現(xiàn)，還需用到3G網(wǎng)絡(luò)，也就是說汽車在行駛至沒有3G網(wǎng)絡(luò)的情況下將很難充分利用車聯(lián)網(wǎng)上的信息。這時便可利用車身的傳感技術(shù)和視頻檢測技術(shù)，最終通過Linux快速將信息傳遞給駕駛者。所以在未來的車載中，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和汽車本身的傳感視頻檢測技術(shù)之間會形成一種互補(bǔ)的關(guān)系，當(dāng)汽車處在轉(zhuǎn)角等傳感器和視頻檢測器的盲區(qū)時，駕駛者便可通過車聯(lián)網(wǎng)獲得相應(yīng)的車載信息；而當(dāng)3G網(wǎng)絡(luò)的信號丟失時，傳感器和視頻檢測器又可以派上用場了，這就大大的提高了車載的安全性。

3.3.1 傳感器技術(shù)及傳感信息整合

“車聯(lián)網(wǎng)是車、路、人之間的網(wǎng)絡(luò)”，車聯(lián)網(wǎng)中的傳感技術(shù)應(yīng)用主要是路的傳感器網(wǎng)絡(luò)和車的傳感器網(wǎng)絡(luò)。這些傳感器用于感知和傳遞路的狀況信息，如車流量、車速、路口擁堵情況等，這些信息都能讓車載系統(tǒng)及時獲得關(guān)于道路及交通環(huán)境的實(shí)時信息。無論是車內(nèi)、車外，還是道路的傳感器網(wǎng)絡(luò)，都起到了車內(nèi)狀況和環(huán)境感知的作用，為“車聯(lián)網(wǎng)”獲得了獨(dú)特的“內(nèi)容”。整合這些“內(nèi)容”，即整合傳感網(wǎng)絡(luò)信息，將是“車聯(lián)網(wǎng)”重要的技術(shù)發(fā)展內(nèi)容，也是極具特色的技術(shù)發(fā)展內(nèi)容。

3.3.2 開放的、智能的車載終端系統(tǒng)平臺

車載終端是車主獲取車聯(lián)網(wǎng)最終價值的媒介，可以說是網(wǎng)絡(luò)中最為重要的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)前，很多車載導(dǎo)航娛樂終端并不適合“車聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展，其核心原因是采用了非開放的、非智能的終端系統(tǒng)平臺。基于不開放、不夠智能的終端系統(tǒng)平臺是很難被打造成網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)的。Google的Android系統(tǒng)，源代碼完全開放，可以被裁減和優(yōu)化。因此，從目前來看GoogleAndroid也將會成為車聯(lián)網(wǎng)終端系統(tǒng)的主流操作系統(tǒng)，并專為觸摸操作設(shè)訛體驗(yàn)良好、可個性化定制，應(yīng)用豐富且應(yīng)用數(shù)量快速增長，已經(jīng)形成了成熟的網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)，Android將是車載娛樂導(dǎo)航終端平臺操作系統(tǒng)的必然選擇。

3.3.3 語音識別和播報(bào)技術(shù)

無論多好的觸摸體驗(yàn)，對駕車者來說，行車過程中觸摸操作終端系統(tǒng)都是不安全的，也是不可靠的，因此語音識別技術(shù)顯得尤為重要，它將是車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的助推器。駕駛者通過語音來對車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)出命令，車聯(lián)網(wǎng)會根據(jù)駕駛者發(fā)出的命令做出相應(yīng)的反饋，并通過語音播報(bào)給駕駛者，這時駕駛者便能夠用耳朵來接收車聯(lián)網(wǎng)的反饋。然而語音識別和播報(bào)技術(shù)依賴于網(wǎng)絡(luò)和語料庫及運(yùn)算能力，而采用基于服務(wù)端技術(shù)的“云識別”技術(shù)這樣就大大的提升了語音識別技術(shù)的級別，駕駛?cè)送耆梢圆挥糜|碰光靠聽和說就能處理問題，更加利于車載。

3.3.4 服務(wù)端計(jì)算與服務(wù)整合技術(shù)

云計(jì)算在車載這一塊顯得格外重要，除上述語音識別要用到云計(jì)算技術(shù)外，很多應(yīng)用和服務(wù)的提供都要采用服務(wù)端計(jì)算、云計(jì)算的技術(shù)。類似互聯(lián)網(wǎng)及移動互聯(lián)網(wǎng)，終端能力有限，通過服務(wù)端計(jì)算才能整合更多信息和資源向終端提供及時的服務(wù)，服務(wù)端計(jì)算開始進(jìn)入了云計(jì)算時代。云計(jì)算將在車聯(lián)網(wǎng)中用于分析計(jì)算路況、大規(guī)模車輛路徑規(guī)劃、智能交通調(diào)度計(jì)、基于龐大案例的車輛診斷計(jì)算等。車聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)一樣都得采用服務(wù)整合來實(shí)現(xiàn)服務(wù)創(chuàng)新、提供增值服務(wù)。通過服務(wù)整合，可以使車載終端獲得更合適更有價值的服務(wù)，如呼叫中心服務(wù)與車險業(yè)務(wù)整合、遠(yuǎn)程診斷與現(xiàn)場服務(wù)預(yù)約整合、位置服務(wù)與商家服務(wù)整合等。

3.3.5 通信及其應(yīng)用技術(shù)

車載的安全也離不開通信技術(shù)，更離不開這些技術(shù)的應(yīng)用。如在通信技術(shù)可以依靠3G網(wǎng)絡(luò)完成，而所應(yīng)用的方面才是其關(guān)鍵。如通過車友在線可連接當(dāng)?shù)氐膶?shí)時情況，迷路時將傳感器和視頻檢測器所得的圖像傳輸?shù)杰嚶?lián)網(wǎng)等。

3.3.6 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

車聯(lián)網(wǎng)的信息共享自然是行車中的一個關(guān)鍵點(diǎn)，車聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)就是通過互聯(lián)網(wǎng)將駕駛者及車輛和相應(yīng)信息聯(lián)系在一起。車聯(lián)網(wǎng)是通過整合車、路、人各種信息與服務(wù)，最終都是為人（車內(nèi)的人及關(guān)注車內(nèi)的人）提供服務(wù)的，因此，能夠獲取車聯(lián)網(wǎng)提供的信息和服務(wù)的不僅僅是車載終端，而是所有能夠訪問互聯(lián)網(wǎng)及移動互聯(lián)網(wǎng)的終端，因此電腦、手機(jī)也是車聯(lián)網(wǎng)的終端?，F(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)及移動互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)及應(yīng)用基本上都能夠在車聯(lián)網(wǎng)中使用，包括媒體娛樂、電子商務(wù)、Web2.0應(yīng)用、信息服務(wù)等。當(dāng)然，車聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)有通用互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)相比，其有兩個關(guān)鍵特性：一是與車和路相關(guān)，二是把位置信息作為關(guān)鍵元素。因此需要圍繞這兩個關(guān)鍵特性發(fā)展車聯(lián)網(wǎng)的特色互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，將給車聯(lián)網(wǎng)帶來更加廣泛的用戶及服務(wù)提供者。

4 結(jié)語

總之，Linux憑借著其獨(dú)特的開源性以及強(qiáng)大的兼容性，用戶們不僅可以得到這強(qiáng)大的操作系統(tǒng)功能，還可以根據(jù)車主個性化需求為車主量身打造一套完美的出行計(jì)劃。此外基于Linux的車載監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)，導(dǎo)航系統(tǒng)，信息娛樂等各項(xiàng)完美嵌合，為駕駛者們的掃清行車中的迷茫：而道路偏移警報(bào)，車內(nèi)外信息的采集和車聯(lián)網(wǎng)信息的共享使駕駛者的出行得到安全保障。未來車輛必定會成為人類出行的重要交通工具，通過智能的對汽車進(jìn)行操作和控制，減少能源消耗，提高出行效率和安全性勢必會成為車載的主流。而Linux正是這類操作系統(tǒng)的不二之選，由Linux作為核心系統(tǒng)，在輔以Ql4和Opencv2.4.6作為圖形用戶界面的開發(fā)環(huán)境，加上充分利用云平臺和車聯(lián)網(wǎng)上的信息，而汽車的位置、里程、功耗等數(shù)據(jù)都會上傳到云端，未來的車輛將不再是一輛獨(dú)立的車，而是一輛入了網(wǎng)的智能車。