智能網(wǎng)聯(lián)汽車多源信息集成平臺(tái)技術(shù)研究

朱賽春，陳效華，劉華仁，紀(jì)明君

（北汽集團(tuán)新技術(shù)研究院，北京 101300）

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）的開發(fā)毫無疑問地成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。產(chǎn)品開發(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)。

引用格式：

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)，通過駕駛員告警、車輛系統(tǒng)調(diào)整、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，通過對(duì)目標(biāo)和事件的感知、識(shí)別、分類和預(yù)判來監(jiān)視駕駛環(huán)境，并對(duì)目標(biāo)和事件進(jìn)行反應(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)及電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）等復(fù)雜設(shè)備都迫切需要智能互聯(lián)，以滿足人機(jī)界面（Human Machine Interface，HMI）、機(jī)對(duì)機(jī)界面（Machine to Machine Interface，MMI）操作的便利性、復(fù)雜性以及駕駛員、零部件之間信息傳達(dá)的智能性設(shè)計(jì)要求。

汽車研發(fā)將以系統(tǒng)研發(fā)的平臺(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，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)與開發(fā)須達(dá)成4個(gè)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[1]。（4）支持快速迭代的生產(chǎn)模型[2]。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8個(gè)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)用邏輯開放接口規(guī)范（Pro fi le）。（3）靈活配置HMI功能。（4）快速切換HMI風(fēng)格。（5）支持迭代開發(fā)，縮短HMI功能開發(fā)周期[3]。（6）縮短HMI與Tier1&2集成開發(fā)時(shí)間，整車開發(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頭單元（Head Unit，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、后視鏡及后排娛樂屏快速開發(fā)。智能網(wǎng)聯(lián)汽車電子電器系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，其中紅色標(biāo)記部分平臺(tái)中間件在整車系統(tǒng)集成中占有核心位置[4]。

圖1 智能網(wǎng)聯(lián)汽車電子電器系統(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及模塊間的交互語言一般采用解釋性的高級(jí)語言。交互語言為解釋性語言的設(shè)備被稱為智能化設(shè)備（Smart Device）。從概念上講，圖3中的設(shè)備智能化模型應(yīng)包括腳本語言、解釋引擎和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分。其中紅色部分的解釋引擎和下面黑色部分的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的接口為平臺(tái)中間件開發(fā)范圍，藍(lán)色箭頭為數(shù)據(jù)流走向。

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。

（4）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)[5]。如果要求在幾十ms級(jí)別，在設(shè)計(jì)上能有更多的方案可供選擇。兼顧綜合考慮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可用性，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)進(jìn)程間通信（Inter Process Communication，IPC）和遠(yuǎn)程進(jìn)程調(diào)用（Remote Process Call，RPC）較低的遠(yuǎn)程方法調(diào)用（Remote Method Invoke，RMI）。由圖4的進(jìn)程間通信抽象度模型（IPC Paradigms）的藍(lán)色箭頭指向可知，越往頂層抽象度越高，可用性越好；越往底層抽象度越低，但實(shí)時(shí)性較高[6]。

圖4 進(jìn)程間通信模型

2.1 Web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Web方案如圖5所示。執(zhí)行設(shè)備使用圖5中紅色部分的Web通用網(wǎng)關(guān)接口（Common Gateway Interface，CGI）和外部進(jìn)行交互。藍(lán)色部分的訪問端使用XHTML語言及AJAX技術(shù)，利用JavaScript解釋引擎來訪問執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)嵌藍(lán)色部分的Web服務(wù)前端，在其中部署CGI，用C語言或PHP、Python等解釋引擎來解釋前端過來的指令，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Java方案如圖6所示。圖中紅色部分的HMI應(yīng)用邏輯規(guī)范采用Java語言，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（Accessary Utilities），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。圖7雙系統(tǒng)的紅色部分RMI使用TCP Socket或BlueTooth Socket進(jìn)行遠(yuǎn)程方法調(diào)用。

圖 7 多主機(jī)分布式體系架構(gòu)設(shè)計(jì)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)采用WIFI或BlueTooth進(jìn)行無線連接。考慮到雙系統(tǒng)間通信的實(shí)時(shí)性，和兩個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)的不一致性，選用了公用對(duì)象請(qǐng)求代管者體系結(jié)構(gòu)（Common Object Request Broker Architecture，CORBA）作為RMI通信協(xié)議。CORBA組件主要用于實(shí)現(xiàn)平臺(tái)無關(guān)和透明傳輸，所以采用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是實(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。為避免數(shù)據(jù)原語可能的不一致性，特地同時(shí)為L(zhǎng)inux和Android移植了ominORB[7]相同版本。本方案采用omniORB 4.2.0版本。

（2）Linux和Android能通過TCP/IP彼此訪問。Linux和Android能彼此通過TCP/IP“看”到對(duì)方，可對(duì)它們部署omniNames CORBA對(duì)象尋址服務(wù)。這樣，通過對(duì)象名字能訪問對(duì)象實(shí)體，而不用關(guān)心對(duì)象實(shí)體部署在哪里。

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。由于編譯過程對(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Make fi le文件，然后修改目錄“src/tool”中的Make fi le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用戶層支持庫進(jìn)行選擇。本次原型驗(yàn)證采用TI DRA7xx的Linux平臺(tái)配型的“arm-linux-gnueabihf”工具鏈。

（3）omniORB運(yùn)行時(shí)的環(huán)境。生成的omniORB運(yùn)行庫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)行過程是從omniORB獲取到IPlaylist和IMediaPlayer對(duì)象，然后IPlaylist和IMediaPlayer對(duì)象再與媒體播放器實(shí)體進(jìn)行交互。

3.2 HMI設(shè)計(jì)

HMI側(cè)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庫只實(shí)現(xiàn)了POXIC standard C library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語言定義的遠(yuǎn)程調(diào)用接口。

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方案以及本次omniORB方案的RMI通信延時(shí)和資源占用情況。本次測(cè)試環(huán)境和測(cè)試方案如下。

（1）測(cè)試環(huán)境：Intel(R) Xeon(R) CPU E3-1226 v3 @ 3.30 GHz，內(nèi)存為 20 GB 。

（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。

（4）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API連續(xù)1 000次試驗(yàn)的結(jié)果。

表1 命令發(fā)送時(shí)延 nanosecond

表2 Callback調(diào)用時(shí)延 nanosecond

表3 程序內(nèi)存消耗 Byte

表4 Service啟動(dòng)時(shí)間 nanosecond

表5 HMI APP啟動(dòng)時(shí)間 nanosecond

5 結(jié)論

經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，這種分布式主機(jī)雙系統(tǒng)之間的RMI調(diào)用延時(shí)不超過0.1 ms，服務(wù)啟動(dòng)時(shí)間不超5 ms，完全滿足車機(jī)操作實(shí)時(shí)性及服務(wù)快速啟動(dòng)響應(yīng)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都有廣泛的應(yīng)用前景。此外，本方案全部采用開源代碼進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)周期短，見效快，能較好地滿足商業(yè)軟件對(duì)開發(fā)周期及成本的要求。針對(duì)RMI的并發(fā)操作及對(duì)有高帶寬需求的視覺傳感器的集成，還有待進(jìn)一步研究。

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