基于專利分析的智能座艙系統(tǒng)技術(shù)研究*

王軍雷 冀然

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津300300）

主題詞：智能座艙 專利分析 信息安全 個性化功能

1 前言

隨著智能化技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用日漸廣泛，汽車座艙也逐漸由機(jī)械座艙過渡到智能座艙。智能座艙具有以下特點：具有大尺寸中控液晶屏，全液晶儀表替代傳統(tǒng)儀表，中控屏與儀表盤一體化設(shè)計，新增HUD抬頭顯示、流媒體后視鏡等，人機(jī)交互方式呈多樣化趨勢。

智能座艙系統(tǒng)面向的是座艙的系統(tǒng)級層面，包括車機(jī)、多個顯示屏、攝像頭、語音交互模塊以及車內(nèi)的座椅、踏板等部件。智能座艙系統(tǒng)是整個智能座艙領(lǐng)域的基礎(chǔ)，主要關(guān)注整體架構(gòu)和各部件協(xié)調(diào)實現(xiàn)的功能。通過檢索智能座艙系統(tǒng)方面的專利，深刻剖析專利背后的技術(shù)手段，從全球?qū)＠暾垜B(tài)勢、地域分布和申請人3個方面進(jìn)行宏觀分析，從整體架構(gòu)、系統(tǒng)測試、系統(tǒng)功能和系統(tǒng)安全性4個方面進(jìn)行微觀分析，最后基于分析結(jié)果對智能座艙技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望。

2 智能座艙系統(tǒng)專利分析

分析使用的專利檢索數(shù)據(jù)庫為中國汽車技術(shù)研究中心自主研發(fā)的全球汽車專利數(shù)據(jù)庫，收錄了全球104個國家/地區(qū)的1.4億條專利數(shù)據(jù)。對智能座艙系統(tǒng)相關(guān)專利進(jìn)行檢索，時間范圍為2010年1月1日至今。

檢索主要采用分類號和關(guān)鍵詞相結(jié)合的方式，關(guān)鍵詞包括智能座艙、系統(tǒng)、人機(jī)交互、駕駛等。分類號包括B60和G06等。對檢索到的初始專利文件進(jìn)行去噪和標(biāo)引，最終得到智能座艙系統(tǒng)技術(shù)相關(guān)的專利。其中，國內(nèi)專利1 002件，國外專利249件。

2.1 智能座艙系統(tǒng)技術(shù)全球?qū)＠暾垜B(tài)勢分析

智能座艙系統(tǒng)技術(shù)相關(guān)專利的申請量如圖1所示，受專利申請滿18個月才公開的影響，2020年和2021年的申請量應(yīng)較圖中數(shù)據(jù)更多。

從圖1可以看出，國內(nèi)外智能座艙系統(tǒng)技術(shù)年度專利申請量以2015年為分界點，2015年以前，國內(nèi)外專利申請量在20件以內(nèi)，屬于剛剛起步的階段。2015年以后，國內(nèi)智能座艙技術(shù)年度專利申請量呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，迎來高度發(fā)展階段，并在2020年達(dá)到頂峰；而國外的相關(guān)專利申請量在2018年達(dá)到頂峰，后逐年下降，智能座艙技術(shù)相對停滯。從圖1中還可以看出，2017年至2021年，國內(nèi)相關(guān)專利申請量增速較快，可在一定程度上說明我國的智能座艙系統(tǒng)技術(shù)正在加速趕超國外技術(shù)，未來將會有更多的新技術(shù)和新產(chǎn)品出現(xiàn)。

圖1 國內(nèi)外智能座艙系統(tǒng)技術(shù)年度專利申請量

2.2 智能座艙系統(tǒng)技術(shù)地域分布分析

智能座艙系統(tǒng)技術(shù)的全球?qū)＠季智闆r如表1所示，專利布局國家較為集中，中國和美國的專利申請占全球相關(guān)專利申請的80%以上。

表1 智能座艙系統(tǒng)技術(shù)國家分布情況

從專利申請量地域分布情況來看，中國是智能座艙系統(tǒng)技術(shù)的最大輸入國。這表明，中國的智能座艙系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展迅猛。但是，國外的技術(shù)起步較早，已形成一定的技術(shù)壁壘，這導(dǎo)致中國雖然有較多的申請量，但是發(fā)明授權(quán)量只有6件，實用新型授權(quán)也只有38件?？梢?，智能座艙系統(tǒng)技術(shù)想要突破發(fā)展，還需要加大研發(fā)力度，差異化發(fā)展也許是一條可行之路。

2.3 智能座艙系統(tǒng)技術(shù)申請人分析

國內(nèi)智能座艙系統(tǒng)技術(shù)專利的申請人分布如圖2所示，排名前5位的申請人依次是華為技術(shù)有限公司、上海博泰悅臻電子設(shè)備制造有限公司、上海博泰悅臻網(wǎng)絡(luò)技術(shù)服務(wù)有限公司、上海擎感智能科技有限公司和廣州小鵬汽車科技有限公司。匯聚了主機(jī)企業(yè)、零部件企業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)。其中，華為技術(shù)有限公司的專利申請量比較領(lǐng)先，對于互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)來說，在車輛的智能化體驗上發(fā)力也許是發(fā)展的新路徑。

圖2 國內(nèi)智能座艙系統(tǒng)技術(shù)專利申請人

國外智能座艙系統(tǒng)技術(shù)專利的申請人分布如圖3所示，排名第1位的申請人是LG ELECTRONICS INC公司。韓國LG電子與Luxoft公司宣布達(dá)成戰(zhàn)略合作協(xié)議，將聯(lián)合組建一家汽車軟件合資企業(yè)。雙方將基于LG的webOS Auto（汽車網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)）汽車平臺，推動可量產(chǎn)的數(shù)字座艙、車載信息娛樂、后座娛樂系統(tǒng)和打車服務(wù)的市場部署。我國企業(yè)對智能座艙系統(tǒng)的研發(fā)需要繞過韓國LG電子公司布局的技術(shù)點，與韓國LG電子公司進(jìn)行差異化競爭。

圖3 國外智能座艙系統(tǒng)技術(shù)專利申請人

3 智能座艙系統(tǒng)技術(shù)熱點分析

通過對國內(nèi)專利的技術(shù)手段、技術(shù)問題和技術(shù)效果進(jìn)行深度剖析，得到近幾年智能座艙系統(tǒng)的技術(shù)熱點，如圖4所示，從專利分析的角度，近幾年國內(nèi)智能座艙系統(tǒng)主要關(guān)注的技術(shù)熱點包括：整體架構(gòu)、系統(tǒng)測試、系統(tǒng)功能和系統(tǒng)安全性。圖4還示出了每個技術(shù)熱點的專利申請數(shù)量。

圖4 智能座艙系統(tǒng)的技術(shù)熱點分析

3.1 整體架構(gòu)相關(guān)專利分析

整體架構(gòu)及代表專利包括：一機(jī)多屏架構(gòu)（CN113022305A）、硬隔離架構(gòu)（CN111240751A）、一芯雙系統(tǒng)（CN113163171A、CN112929343A）、人機(jī)工程架構(gòu)（CN112918337A）、云端與域控制器架構(gòu)（CN112837407A）、面向服務(wù)的架構(gòu)（CN110955412A）和框架式架構(gòu)（CN109271147A）等。

其中，一機(jī)多屏架構(gòu)和人機(jī)工程架構(gòu)的相關(guān)專利數(shù)量較多，是企業(yè)進(jìn)行差異化競爭的關(guān)鍵所在。下面結(jié)合代表專利詳細(xì)剖析一機(jī)多屏架構(gòu)和人機(jī)工程架構(gòu)的技術(shù)特點。

3.1.1 一機(jī)多屏架構(gòu)

隨著座艙的智能化程度逐漸深入，車載顯示屏的數(shù)量、配置位置以及交互方式有很大的改進(jìn)。專利CN113022305A公開了一種汽車3屏智能座艙主機(jī)系統(tǒng)。

在硬件層面，包括依次并排設(shè)置在汽車儀表臺上的全貼合儀表顯示屏（1）、全貼合中控觸摸屏（2）和全貼合副駕觸摸屏（3），3個屏幕通過連接線束（4）連接到智能座艙主機(jī)（5）。

在軟件層面，智能座艙主機(jī)（5）設(shè)有儀表接插件、中控接插件和副駕接插件，儀表接插件與全貼合儀表顯示屏（1）進(jìn)行交互，中控接插件與全貼合中控觸摸屏（2）進(jìn)行交互，副駕接插件與全貼合副駕觸摸屏（3）進(jìn)行交互，從而通過插件之間的通訊，實現(xiàn)3個屏幕的交互。

專利CN212353623U還提出了安裝在駕駛員座艙頂部及風(fēng)擋玻璃的3D AR HUD顯示裝置，通過CAN總線以及HDMI總線與車載主機(jī)進(jìn)行通訊連接，還通過LVDS總線與液晶儀表顯示屏進(jìn)行通訊連接。該3D AR HUD顯示裝置主要包括安裝在座艙頂部的3D投影裝置以及安裝在座艙風(fēng)擋玻璃上的透明3D顯示屏。通過光學(xué)成像技術(shù)，可以在3D顯示屏上實時顯示當(dāng)前相關(guān)的車輛信息、路況信息等。

目前成熟的智能座艙一般搭載的是固定的液晶屏幕，專利CN109334568A提出了1種翻轉(zhuǎn)屏結(jié)構(gòu)，顯示系統(tǒng)包括對稱的主顯示設(shè)備和副顯示設(shè)備，主顯示設(shè)備用于顯示汽車的儀表信息，副顯示設(shè)備用于顯示儀表信息或娛樂信息，翻轉(zhuǎn)控制器通過CAN總線控制兩翻轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)同步驅(qū)動，從而使主、副顯示設(shè)備同步翻轉(zhuǎn)，便于向其他成員展示屏幕內(nèi)容。

目前，市面上的智能座艙中多個顯示屏的功能一般是分離的，現(xiàn)有專利開始關(guān)注屏幕之間的交互，以期給乘員帶來更舒適、智能化的體驗。專利CN111240626A提出了1種雙屏互動方法，采用1個處理器，在Hypervisor虛擬化技術(shù)上實現(xiàn)在雙系統(tǒng)2個屏上，不需要額外的硬件物理連接方式，同時開啟獨立應(yīng)用顯示圖像信息的功能，并實現(xiàn)雙屏交互方式，降低智能座艙操作系統(tǒng)的硬件成本。專利CN111114320A提出了1種車載智能座艙共享顯示方法，中控端將要輸出的圖像繪制到虛擬顯示屏上；將所述圖像依次通過顯示中間層和內(nèi)核驅(qū)動層后將圖像數(shù)據(jù)寫入預(yù)設(shè)的共享內(nèi)存區(qū)域中，從而通過芯片內(nèi)部內(nèi)存共享完成多設(shè)備間的信息交互，僅需1個物理主機(jī)實現(xiàn)多個設(shè)備功能，產(chǎn)品更加靈活、安全、穩(wěn)定、可靠。設(shè)備主機(jī)單一，使得車身線束成倍遞減，研發(fā)、制造，包裝、運輸、各環(huán)節(jié)的縮減使產(chǎn)品成本上得到較大的降低，產(chǎn)品整機(jī)單價優(yōu)勢更明顯。

3.1.2 人機(jī)工程架構(gòu)

廣義而言，人機(jī)工程研究的核心問題是不同的作業(yè)中人、機(jī)器及環(huán)境3者間的協(xié)調(diào)。在智能座艙領(lǐng)域，同樣也需要檢測行駛環(huán)境，駕駛員狀態(tài)，基于智能座艙的功能提供解決方案?；诖?，將傳感器、主機(jī)以及踏板、座椅、門窗等零部件綜合構(gòu)成的系統(tǒng)稱為人機(jī)工程架構(gòu)。通過對設(shè)計到人機(jī)工程架構(gòu)的專利進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，人機(jī)工程架構(gòu)的主要關(guān)注點包括：根據(jù)駕駛員位置調(diào)節(jié)車內(nèi)座椅、外后視鏡和內(nèi)后視鏡，根據(jù)駕駛員行為調(diào)節(jié)車機(jī)系統(tǒng)，根據(jù)駕駛員健康情況調(diào)整車內(nèi)環(huán)境，例如溫度、濕度和音量等。下面給出2篇代表專利。

專利CN112918337A提出了1種識別眼部位置的智能座艙調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括人體特征識別攝像頭：安裝于車輛外部，用于采集駕駛員全身圖像；DMS攝像頭：安裝于車輛內(nèi)部，用于采集駕駛員的人臉圖像；圖像處理模塊：用于對駕駛員全身圖像和人臉圖像進(jìn)行識別，輸出駕駛員的人體結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)和眼球位置數(shù)據(jù)；存儲模塊：用于存儲人體特征識別攝像頭和DMS攝像頭采集的數(shù)據(jù)以及預(yù)先設(shè)置的人機(jī)工程模型數(shù)據(jù)；系統(tǒng)控制器：用于將駕駛員的人體結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)和眼球位置數(shù)據(jù)分別輸入人機(jī)工程模型，得到座椅控制指令、后視鏡調(diào)節(jié)指令，并分別控制座椅和外后視鏡、內(nèi)后視鏡根據(jù)指令自動調(diào)節(jié)。該專利確保駕駛員在駕駛過程中始終處于人機(jī)工程最優(yōu)且視野最佳的位置。

專利CN111816199A提出了1種汽車智能座艙的環(huán)境音控制方法，通過智能座艙的麥克風(fēng)陣列，采集車外環(huán)境音；通過模型判斷所述娛樂節(jié)目音量是否遮蔽了所述外部環(huán)境音，若是則自動調(diào)小音量；當(dāng)車內(nèi)播放的娛樂節(jié)目，并不適合調(diào)小音量，則增強(qiáng)外部環(huán)境音，并通過車內(nèi)音響進(jìn)行播放。該專利通過對車內(nèi)外的環(huán)境音進(jìn)行算法設(shè)計，能夠兼顧娛樂和安全，它加強(qiáng)了前后座之間的溝通安全性和有效性，具有很高的應(yīng)用價值。

3.2 系統(tǒng)測試相關(guān)專利分析

系統(tǒng)測試及代表專利包括：智能座艙測試臺架（CN113049272A）、遠(yuǎn)程通信自調(diào)試（CN113220516A）、集成化測試（CN112269080A）、觸控屏測試（CN112882928A）、現(xiàn)場錄制測試（CN112925712A）和云端測試（CN112380140A）等。

觸控屏是座艙與用戶之間交互的重要環(huán)節(jié)，觸控屏出現(xiàn)問題后會極大地影響用戶體驗，甚至引發(fā)交通事故。基于此，本節(jié)重點分析觸控屏測試方面的代表專利。

專利CN112882928A提出了1種汽車智能座艙觸控屏幕自動化測試方法，包括：獲取待測屏幕顯示畫面圖像；建立虛擬坐標(biāo)系；確定待測屏幕顯示畫面圖像在虛擬坐標(biāo)系下的屏幕基準(zhǔn)位置；建立測試設(shè)備觸控點與虛擬坐標(biāo)系的聯(lián)系；確定測試設(shè)備觸控點在虛擬坐標(biāo)系中的測試基準(zhǔn)點；在虛擬坐標(biāo)系中進(jìn)行測試腳本開發(fā)；在世界坐標(biāo)系中執(zhí)行測試命令。該專利通過建立虛擬坐標(biāo)系實現(xiàn)待測屏幕與測試設(shè)備的空間關(guān)聯(lián)，可以便捷的進(jìn)行智能座艙觸控屏幕開發(fā)測試，提升屏幕測試效率與準(zhǔn)確性。

3.3 系統(tǒng)功能相關(guān)專利分析

系統(tǒng)功能主要包括人機(jī)交互和各企業(yè)視需求而研發(fā)的個性化功能。人機(jī)交互功能及代表專利包括：多模態(tài)（CN113306491A）、零部件復(fù)用（CN113101672A）、人機(jī)交互模式與車輛行駛狀態(tài)結(jié)合（CN111674335A）以及主副屏分離（CN110356334A）等。目前，車載人機(jī)交互系統(tǒng)與沉浸式體驗就已經(jīng)成為汽車行業(yè)的關(guān)注焦點，多模態(tài)交互方式包括語音、觸摸、手勢、視覺、表情等。

智能座艙系統(tǒng)的個性化功能及代表專利包括：手機(jī)車內(nèi)定位（CN112258752A）、與智能穿戴設(shè)備交互（CN111591250A）以及游戲（CN113101672A）等。這些個性化功能與人們的生活和娛樂緊密相關(guān)，解決了車內(nèi)用戶的需求痛點，將作為智能汽車的特色賣點。

專利CN112258752A提出了1種基于智能座艙藍(lán)牙的防手機(jī)遺忘車內(nèi)報警方法，獲取信息娛樂系統(tǒng)和手機(jī)之間的第1相對角度信息；獲取BCM系統(tǒng)和手機(jī)之間的第2相對角度信息；獲取ADAS系統(tǒng)和手機(jī)之間的第3相對角度信息；根據(jù)第一相對角度信息、第二相對角度信息和第3相對角度信息，判斷手機(jī)是否在車輛的車艙空間范圍內(nèi)。其優(yōu)點是：利用車內(nèi)現(xiàn)有的藍(lán)牙模塊，無論用戶將手機(jī)放置在車內(nèi)任何地方，均能實現(xiàn)手機(jī)在車內(nèi)的定位。駕乘人員鎖車時，如定位到手機(jī)在車內(nèi)，則信息娛樂系統(tǒng)發(fā)出提示音，提示駕乘人員手機(jī)遺忘汽車內(nèi)。

3.4 系統(tǒng)安全性相關(guān)專利分析

系統(tǒng)安全是永不過時的1個話題，隨著網(wǎng)聯(lián)化的加劇與自動駕駛設(shè)備的使用率逐漸提高，智能座艙內(nèi)部的信息安全和駕駛安全受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。眾多車企、零部件企業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)公司也在系統(tǒng)安全性方面布局多件專利。

其中，信息安全及代表專利包括：通信/登錄安全保護(hù)（CN113162921A）。駕駛安全及代表專利包括：駕駛員安全檢測（CN112998675A）、中控報警（CN112381100A）、疲勞應(yīng)對（CN111391858A）和主動安全（CN110696768A）等。

專利CN112998675A提出了1種基于大數(shù)據(jù)的車載智能座艙安全駕駛系統(tǒng)，通過安裝在方向盤的人體信息采集傳感器對駕駛員信息進(jìn)行采集，無需駕駛員額外佩戴健康手環(huán)等傳統(tǒng)的穿戴檢測設(shè)備，駕駛員只需進(jìn)入駕駛艙內(nèi)，正常駕駛車輛，手握方向盤即可把駕駛員的身體狀況實時穩(wěn)定的傳輸?shù)街锌嘏_并顯示，非常方便靈活；人體信息采集傳感器可以采集駕駛員的血壓，血脂，心率，血氧等信息實時了解駕駛員的健康狀況，并傳輸?shù)街锌嘏_，提供參考，必要時提供語音告警，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定及時。

專利CN111391858A提出了1種智能座艙系統(tǒng)控制方法，實時獲取駕駛員面部信息和姿勢信息，當(dāng)駕駛狀態(tài)為極度疲勞狀態(tài)時，開啟導(dǎo)航系統(tǒng)引導(dǎo)駕駛員到最近的安全?？奎c休息，并且開啟環(huán)境調(diào)節(jié)裝置且將其設(shè)定為提神模式；當(dāng)駕駛狀態(tài)為輕度疲勞狀態(tài)時，開啟環(huán)境調(diào)節(jié)裝置且將其設(shè)定為提神模式。該專利通過對疲勞及停車休息時的動態(tài)調(diào)整駕艙的舒適性和睡眠模式，快速營造1個智能氛圍舒適性的座艙，改善用戶車生活的品質(zhì)以及間接的安全考慮。

4 智能座艙系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展展望

我國在智能座艙系統(tǒng)的整體架構(gòu)、系統(tǒng)測試、系統(tǒng)功能和系統(tǒng)安全性方向都有布局專利，體現(xiàn)了智能座艙系統(tǒng)全面發(fā)展的趨勢，但是仍然存在一些薄弱環(huán)節(jié)。

（1）在信息安全方面，僅著眼于用戶身份的核實，但對于用戶的喜好、地址、路線等隱私數(shù)據(jù)并未提出相應(yīng)的保密措施。隨著國家對信息安全的愈加重視，如何保證網(wǎng)聯(lián)互通的前提下對用戶隱私數(shù)據(jù)進(jìn)行較好的保護(hù)，是智能座艙需要研發(fā)的重點。

（2）在個性化功能方面的專利數(shù)量較少，大部分專利還是布局在與駕駛場景相關(guān)的功能上，例如導(dǎo)航、監(jiān)測駕駛員狀態(tài)。建議完善社會調(diào)研，擴(kuò)展研發(fā)人員思路，在智能座艙中融入生活場景下所需的功能，比如有物品遺落在車內(nèi)時，如何通過智能座艙查找；如何通過智能座艙與家庭設(shè)備交互，從而提高企業(yè)的核心競爭力。

（3）經(jīng)過專利檢索和分析可知，企業(yè)越來越追求沉浸式體驗，在一機(jī)多屏架構(gòu)、與行駛狀態(tài)結(jié)合方面布局了大量的專利；而過度地沉浸對駕駛安全是不利的。如何在保證一定體驗前提下維持駕駛員的警惕性，是目前專利布局和研發(fā)的空白。

（4）各企業(yè)在系統(tǒng)測試方面的專利數(shù)量較少，現(xiàn)有的測試大多是為了滿足法規(guī)要求，測試目的和方法都比較明確。但是，隨著智能座艙系統(tǒng)的競爭逐漸激烈，應(yīng)著重從用戶需求角度出發(fā)構(gòu)建測試環(huán)境，測試結(jié)果用于指導(dǎo)系統(tǒng)的更新或升級，以滿足用戶的使用需求。