客車智能座艙的架構(gòu)設(shè)計

王雙娥， 張群政， 熊 剛， 文健峰， 王 焯

(中車時代電動汽車股份有限公司， 湖南 株洲 412007)

隨著汽車向電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化、共享化技術(shù)的發(fā)展，智能座艙因其帶來的科技感、駕乘體驗等差異化亮點，受到越來越多的關(guān)注[1-2]。相對于乘用車智能座艙的迅猛發(fā)展，客車智能座艙的定義、產(chǎn)品架構(gòu)規(guī)劃等尚處于初級階段，存在線多、卡多、設(shè)備多等現(xiàn)象[3]。本文提出一種模塊化、集成化的客車智能座艙架構(gòu)方案，為客車智能座艙總體方案設(shè)計提供參考。

1 客車智能座艙架構(gòu)現(xiàn)狀及問題

對于客車智能座艙的定義，廣義來講，除電機、電池、電控、轉(zhuǎn)向、制動、智能駕駛等與整車運行相關(guān)的系統(tǒng)外，其他車載信息系統(tǒng)等都可劃為智能座艙范疇，主要包括以下幾個方面：

1) 人機交互方面。如儀表、中控屏、抬頭顯示屏、綜合信息顯示屏、廣告屏等，同時包括相關(guān)數(shù)據(jù)平臺[4]。

2) 車輛監(jiān)控方面。如車內(nèi)外監(jiān)控錄像、駕駛員狀態(tài)監(jiān)控等，同時還包括相關(guān)監(jiān)控平臺。

3) 車輛運營方面。如用于調(diào)度的調(diào)度屏、喊話器；用于客流計數(shù)的客流攝像頭等，同時還包括相關(guān)運營平臺。

客車智能座艙涉及的服務(wù)對象有車輛運營商、主機廠、駕駛員、乘客、車外行人等。同時基于法規(guī)、客戶等要求，相對于乘用車，客車更注重車輛的安全監(jiān)管及后臺運營。其主要目標在滿足出行科技感、樂享、便捷、舒適性的同時，提高運營效率與安全性，降低成本[5]。主要涉及的技術(shù)能力有：①圖像、音頻、視頻處理技術(shù)和傳輸、顯示技術(shù)[2]；②多模態(tài)交互技術(shù)[6]；③OTA技術(shù)，包括遠程監(jiān)管、控制、診斷、更新等[6]；④以太網(wǎng)、藍牙、WIFI等通訊技術(shù)[7]。

圖1展示了客車智能座艙架構(gòu)現(xiàn)狀。從圖中可以看出，各子系統(tǒng)間集成度較低，客流監(jiān)控、廣告屏、調(diào)度主機、ADAS(對于智能座艙，圖中的ADAS主要指L0～L2級別輔助駕駛及車內(nèi)外安全監(jiān)測報警等)、行駛記錄儀等各設(shè)備冗余配備多根定位天線及4G天線，導(dǎo)致車上需要插卡的設(shè)備多，天線也多，系統(tǒng)較為復(fù)雜。目前尚無車廠面向市場推出較為完善的客車智能座艙架構(gòu)方案。不同智能座艙設(shè)備供應(yīng)商的方案也各異，給整車設(shè)計、物料采購、車輛生產(chǎn)、調(diào)試及售后帶來較大困難。不同的遠程監(jiān)管、遠程控制、數(shù)據(jù)/運營平臺的狀態(tài)難以兼容，導(dǎo)致運營商需要登錄上述不同的平臺來進行相關(guān)業(yè)務(wù)管理，效率低下[8]。

圖1 客車智能座艙架構(gòu)現(xiàn)狀

2 新一代客車智能座艙架構(gòu)設(shè)計

2.1 硬件架構(gòu)

通過梳理現(xiàn)有客車智能座艙的上述定義及存在的問題，本文提出的客車智能座艙硬件架構(gòu)方案如圖2所示。將智能座艙系統(tǒng)劃分為智能座艙主機及附屬設(shè)備。

1) 智能座艙主機。主要功能包括但不限于：數(shù)據(jù)采集功能，包括附屬設(shè)備的信息采集，支持采集的信息統(tǒng)一上傳至平臺；運算控制功能，包括附屬設(shè)備的運算控制，如人機交互顯示控制，多模態(tài)交互控制等。減配版主機可僅具備數(shù)據(jù)采集及通訊功能，不用具備運算控制功能。對于車內(nèi)監(jiān)控主機，可以集成在智能座艙主機里，也可以是單獨的主機，本方案考慮能兼容[9]。

2) 附屬設(shè)備包括顯示類設(shè)備、子系統(tǒng)附件、乘客信息設(shè)備、視頻監(jiān)控設(shè)備、主動安全設(shè)備、客流、調(diào)度、環(huán)視、電子后視、支付等功能域硬件[9]。其功能定義如下：

圖2 新一代客車智能座艙硬件架構(gòu)

①顯示類子系統(tǒng)。主要包括儀表、中控等，可擴展抬頭顯示(Heads up display，HUD)功能。儀表中控可采用單獨的屏幕，也可采用一體屏使其更高端、更具科技感，主要用于駕駛員與車輛、后臺交互。屏幕僅具備顯示功能，控制集成在智能座艙主機里。

②乘客信息子系統(tǒng)。主要包括乘客信息屏、路牌等，用于輔助提示乘客上下車信息，車內(nèi)廣告、時間、溫度等信息。

③視頻監(jiān)控子系統(tǒng)。主要包括監(jiān)控攝像頭或監(jiān)控攝像頭加監(jiān)控主機，該子系統(tǒng)主要用于監(jiān)控車內(nèi)狀態(tài)，便于安全管控、失物查找等。

④主動安全子系統(tǒng)。主要包括盲區(qū)檢測、碰撞預(yù)警、駕駛員狀態(tài)監(jiān)控、一鍵報警、人臉抓拍、?；锉O(jiān)測等，主要是采集數(shù)據(jù)并提供給整車其他系統(tǒng)進行輔助駕駛決策。在智能座艙領(lǐng)域，該子系統(tǒng)主要用于監(jiān)測車內(nèi)駕駛員、乘客、行人、車輛狀態(tài)等，以保障車輛的安全。

⑤客流子系統(tǒng)。主要包括客流攝像頭或客流攝像頭加客流主機。該子系統(tǒng)主要用于統(tǒng)計各線路客流情況，以輔助調(diào)度等。

⑥調(diào)度子系統(tǒng)。主要包括調(diào)度屏，其中調(diào)度屏可以只用于顯示，也可以帶調(diào)度算法,可以是單獨的屏幕，也可與中控屏集成，以減少整車屏幕，簡化駕駛員操作且降本。該子系統(tǒng)主要用于車輛運營公司對于車輛線路、駕駛員進行調(diào)度管理等。

⑦環(huán)視子系統(tǒng)。主要包括環(huán)視攝像頭、雷達等，可再加環(huán)視主機，也可不加環(huán)視主機。該子系統(tǒng)主要用于泊車輔助、左右轉(zhuǎn)彎、倒車輔助等。

⑧電子后視子系統(tǒng)。主要包括后視攝像頭及后視顯示屏，主要用于取代傳統(tǒng)玻璃后視鏡，以增加對環(huán)境(如夜間、雨天等)的適應(yīng)性，提升駕駛安全，同時可減小風阻。智能座艙主機無需集成該算法。

⑨支付子系統(tǒng)。主要包括刷卡機、投幣機等，可支持刷銀行卡、身份證、公交卡、電子卡、微信、支付寶等，也支持投幣、假幣識別等。其中刷卡機與投幣機既可為獨立部件，也可集成在一起。

通過重新梳理規(guī)劃，打通了智能座艙主機與附屬設(shè)備的數(shù)據(jù)鏈路，將智能座艙主機作為唯一的數(shù)據(jù)輸入/輸出口，由其統(tǒng)一匹配定位天線及4G天線，并共享給其他關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)。

2.2 軟件架構(gòu)

本軟件架構(gòu)主要包括軟件平臺及虛擬化系統(tǒng)兩個方面。為便于對智能座艙系統(tǒng)有一個整體認識，了解其軟件架構(gòu)與其硬件架構(gòu)的連接關(guān)系，圖3也簡要表示出了智能座艙系統(tǒng)的相關(guān)硬件。

圖3 新一代客車智能座艙軟件架構(gòu)(含部分硬件)

1) 軟件平臺。主要包括Android及Linux操作系統(tǒng)，其中智能座艙主機、中控屏采用Android系統(tǒng)，便于功能的擴展；儀表系統(tǒng)采用Linux系統(tǒng)，保障車輛運行時儀表界面的安全與穩(wěn)定。通過Android系統(tǒng)硬件抽象層(HAL)的接口文件及Native層的HIDL接口以及APP層的相關(guān)AIDL接口定義、規(guī)范及標準，實現(xiàn)Native層音視頻處理、OTA升級等算法的研發(fā)及第三方應(yīng)用算法的快速融合，通過提供豐富的標準化API接口及中間軟件，實現(xiàn)面向用戶的多種應(yīng)用程序的開發(fā)。

2) 虛擬化系統(tǒng)。主要是指運行在硬件平臺與軟件平臺之間的中間軟件層，用于硬件與軟件的解耦，將硬件平臺中的每一類計算資源和接口虛擬相應(yīng)的多個計算資源和接口進行分配，供軟件平臺中的Android及Linux系統(tǒng)調(diào)用，打破一個硬件只能被一個操作系統(tǒng)調(diào)用的局面。通過虛擬化系統(tǒng)還可對軟件平臺中的雙操作系統(tǒng)實行車端或遠程升級；實現(xiàn)雙操作系統(tǒng)健康管理；實時監(jiān)控雙操作系統(tǒng)的運行狀態(tài)，對系統(tǒng)異常信息進行日志記錄；通過拖拽等方式實現(xiàn)中控及儀表界面(如音樂播放、地圖導(dǎo)航、信息報警提示)的雙屏互動。

2.3 新架構(gòu)優(yōu)缺點

本文提出的上述客車智能座艙軟硬件架構(gòu)方案優(yōu)缺點如下：

1) 硬件架構(gòu)方面。原方案對客車智能座艙尚無統(tǒng)籌的整體認識，各功能部件相對分散，一個功能的增加，往往需要疊加一個或多個部件，各部件之間又存在功能冗余、硬件冗余。本方案通過對客車智能座艙按服務(wù)對象的需求進行功能域的劃分，將客車智能座艙分成了乘客信息顯示、視頻監(jiān)控、主動安全、客流、調(diào)度、環(huán)視、電子后視、支付、HMI、子系統(tǒng)附件等功能模塊，同時將以上功能模塊的控制運算、信息輸入輸出通過智能座艙主機統(tǒng)籌規(guī)劃，避免了主機多、線多、卡多的問題，通用性及可拓展性較強。同時在標準化方面要求智能座艙主機及附屬設(shè)備功能、性能及硬件接口統(tǒng)一，可有效解決現(xiàn)有市面上各廠家狀態(tài)不一導(dǎo)致的設(shè)計、采購、生產(chǎn)、調(diào)試、售后困難等問題。

2) 軟件架構(gòu)方面。通過虛擬化系統(tǒng)，可使軟件平臺兼容不同硬件平臺，軟硬件解耦，軟件可復(fù)用性更高，同時主機及附屬設(shè)備采用Android及Linux系統(tǒng)，兼顧了可拓展性及安全性。通過應(yīng)用平臺對各APP功能的拓展，對運營商而言，更方便其運營管控，使用起來更高效；對主機廠而言，通過軟件定義汽車，可增加賣點，同時通過遠程監(jiān)控平臺可及時跟蹤處理車輛故障，有效促進車輛的優(yōu)化改進。

3) 本軟硬件架構(gòu)方案在現(xiàn)階段來講，因集成度較高，對硬件的算力要求較高，同時因功能域涉及不同的服務(wù)對象，實施起來會存在一定難度。

后期隨著行業(yè)及技術(shù)的發(fā)展，本架構(gòu)方案可考慮更高的集成度，如車載大腦或計算在云端等，更加便于統(tǒng)一管理，真正實現(xiàn)軟件定義汽車[10]。

3 結(jié)束語

隨著智能化、網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，智能座艙功能的加持已日趨成為車輛差異化賣點。后期隨著城市交通一體化發(fā)展需求，可對車端、平臺端、場站、路端、移動端總體方案進行進一步研究與細化。同時隨著行業(yè)及技術(shù)的發(fā)展，可考慮智能座艙域與智能駕駛域、整車控制域的進一步集成與優(yōu)化[11]。