„Softwarově definované vozidlo (SWdV)“ a dopady na palubní síť

Od doménové k zónové architektuře – softwarově definované vozidlo (SWdV) a požadavky na datové kabely budoucnosti

Při čtení článků o automobilech se v současné době nelze vyhnout dvěma pojmům. Na jedné straně se často hovoří o tzv. „zónové architektuře“ a v této souvislosti také o „softwarově definovaném vozidle (SWdV)“.

Co tyto pojmy znamenají? Jak ovlivní budoucí generace vozidel? Právě těmito otázkami se zabýváme v tomto blogu.

Ohlédnutí do minulosti: složitá kabeláž a vysoká hmotnost

Co znamenají pojmy „zónová architektura“ a „softwarově definované vozidlo (SWdV)“? Jak ovlivní budoucí generace vozidel? Abychom mohli na tyto otázky odpovědět, udělejme si malý výlet do minulosti. První forma topologie palubní sítě se nazývala „distribuovaná“ nebo „modulární architektura“. Všechny senzory a aktory byly připojeny jednotlivě a přímo k řídicí jednotce. Každý senzor nebo aktor měl inteligenci potřebnou pro svou funkci a do řídicích jednotek byly přenášeny pouze řídicí signály a již zpracované měřicí signály prostřednictvím kabelů a sběrnicových systémů (typ Lin- nebo Can-Bus). V každém vozidle bylo instalováno několik set senzorů a až sto řídicích jednotek. Jednotlivé kabely dosahují délky až 16,5 m V důsledku toho se nezřídka stávalo, že celková délka kabelů ve vozidle rychle překročila hranici jednoho kilometru. Výsledkem bylo velmi složité zapojení a vysoká hmotnost kabelového svazku.

Modulární architektura

Každá z řídicích jednotek musela být naprogramována softwarem (firmwarem) specifickým pro její funkci. Aktualizaci firmwaru bylo možné obvykle provést pouze přímo na jednotce pomocí speciálního programovacího kabelu. Proto byla nutná návštěva specializované dílny a aktualizace se prováděla jen v nejvzácnějších případech.

Následné rozšíření funkcí vozidla o další funkce se ukázalo jako velmi obtížné až neproveditelné. Pro každou funkci bylo nutné položit nejméně jeden další kabel napříč vozidlem pro připojení k řídicí jednotce. Často byla pro podporu nové funkce nutná aktualizace firmwaru řídicí jednotky. Vynaložené úsilí tak rychle přesáhlo zamýšlený přínos.

S rostoucím počtem funkcí vozidla, mimo jiné v oblasti bezpečnosti a komfortu, bylo rychle dosaženo limitů této formy zapojení.

Tehdy se zrodila „doménová architektura“.

Aktuální stav techniky: doménová architektura

Na rozdíl od „modulární architektury“ je doménová architektura založena na strukturování senzorů a aktorů podle jejich funkcí a úkolů (domén). Byly definovány různé funkční domény, jako je pohon, komfort nebo infotainment. Každá z nich je monitorována a řízena řídicí jednotkou vyšší úrovně, datovým řadičem (DCU: Domain Control Unit). Připojení k senzoru/aktoru může být realizováno pomocí sběrnicového připojení s nízkým výkonem (např. Lin Bus nebo Can Bus). Samotné jednotky DCU jsou připojeny k výkonné a na služby orientované síti, tzv. bráně (např. Ethernet). Dodatečná instalace další domény nebo jednotky DCU s novou funkcí, jako je ADAS (Advanced Driver Assist System), je tak možná kdykoli a bez problémů.

Doménová architektura

Nevýhoda této technologie se však rychle projeví, pokud funkce domény nelze fyzicky instalovat na stejné místo ve vozidle. To má za následek opět dlouhé kabely od DCU k senzoru nebo aktoru. Jako jednoduchý příklad lze použít funkci „blinkr“: Ve vozidle je nejméně 6 světel blinkrů, která je třeba zapojit v různých rozích, ale všechna jsou řízena jednotkou DCU. Tento typ topologie vozidla je v současné době stále nejmodernější!

Automobilový svět však v současné době prochází extrémními změnami.
Kromě nahrazování spalovacích motorů alternativními pohony zaujímá celé odvětví megatrend „autonomního řízení“, který vyžaduje nové koncepce palubní sítě zítřka.

Palubní síť budoucnosti: zónová architektura a softwarově definované vozidlo

Doménová architektura má jistě určité výhody. Aby však bylo možné zvládnout složitost moderních vozidel a pokrýt budoucí požadavky, je zapotřebí jiný přístup: zónová architektura.

V zónovém konceptu (zónové architektuře) jsou na rozdíl od doménově orientovaného řešení funkce uspořádány podle své pozice ve vozidle, a nikoli podle svého úkolu. V jednoduchém vozidle mohou být pouze čtyři zóny, jedna na každý roh vozidla. Všechny jednotky ve fyzikální zóně jsou řízeny zónovou řídicí jednotkou, zónovou bránou nebo elektronickou řídicí jednotkou (ECU). Tyto zónové řídicí jednotky jsou následně připojeny k centrální procesorové jednotce prostřednictvím páteřní linky (vysokorychlostní datové spojení).

Všechny úlohy ve fyzikální oblasti, které jsou sledovány zónovou řídicí jednotkou, jsou přiřazeny této zóně. Tímto způsobem lze do společné zóny spojit osvětlení, snímače obrazu, blinkry, brzdy, řízení, odpružení atd.

Zónová architektura

Kromě zjednodušení zapojení hraje velmi důležitou roli modularita a flexibilita, aby bylo možné plně využít výhod tohoto řešení.

Modularita zde znamená, že různé úlohy lze realizovat pomocí jednoho a téhož hardwaru (např. stejných jednotek ECU).

Flexibilita znamená možnost provádět aktualizace, opravy chyb, konfigurace, ale také rozšíření bez velkého úsilí řidiče. Díky takzvané funkci „Over the Air“ je možné tyto úkony provádět pomocí připojení k internetu, aniž by bylo nutné navštívit servis. Vozidlo zkontroluje, zda jsou k dispozici aktualizace, a zcela samostatně nahraje nebo nainstaluje software do svých řídicích jednotek. Možnosti a rozšíření si může majitel vozidla zakoupit a nainstalovat sám, podobně jako je tomu v obchodech s aplikacemi známých poskytovatelů operačních systémů pro mobilní koncová zařízení.

Aby bylo možné této modularity a flexibility dosáhnout v praxi, je nutné tyto funkce v budoucnu namísto hardwaru zobrazovat v softwaru. I zde slouží jako příklad model moderního chytrého telefonu, v němž aplikace umožňují uživateli širokou škálu úkolů a aplikací. Kromě telefonování můžete smartphonem také fotografovat nebo navigovat. Kdo chce, může si dokonce vyřídit bankovní operace nebo získávat informace na sociálních sítích.

Tento přístup se v automobilu nazývá „˜softwarově definované vozidlo“.
Prakticky žádné funkce ve vozidle se nyní již nerealizují prostřednictvím hardwarového řídicího systému, ale úkoly řeší program (aplikace) na univerzálním řídicím počítači (zónová řídicí jednotka). Výhodou je, že mnoho aplikací běží současně (multitasking) a všechny funkce zóny tak mohou být realizovány pouze na jedné zónové řídicí jednotce. To samozřejmě vyžaduje velmi vysoký výpočetní výkon, ale také velké množství rozhraní k senzorům/aktorům, které musí být instalovány v zónové řídicí jednotce.

Úkolem těchto zónových řídicích jednotek je komunikovat s centrální procesorovou jednotkou. Za tímto účelem jsou data odesílaná na tuto centrálu předem filtrována a priorizována zónovou řídicí jednotkou. Složitost systému se tak výrazně snižuje a centrální procesorová jednotka se může soustředit na zpracování relevantních dat (např.: funkce ADAS, vyhodnocování obrazových dat atd.).

Datová spojení mezi zónovými řídicími jednotkami a centrální procesorovou jednotkou vyžadují spolehlivou a rychlou komunikaci. Prostředkem k dosažení cíle jsou zde automobilová ethernetová řešení (např. MultiGiG).

Toto spojení se nazývá páteřní linka.

Komunikace zónová brána

Koncept „softwarově definovaného vozidla“ nevyhnutelně vede k zásadní změně paradigmatu pro výrobce OEM. Zatímco dříve byli výrobci vozidel poskytovateli know-how pro technologie (hardware) instalované ve vozidle, nyní se funkce a přidaná hodnota téměř zcela přesouvají z hardwaru na software.

Důraz již není kladen na samotné vozidlo, ale mnohem více na jeho funkci, která je individuálně přizpůsobena přáním zákazníka. Vývoj softwaru však dosud nepatřil mezi hlavní kompetence výrobců OEM. Proto zde již můžeme pozorovat různé trendy. Zatímco některé společnosti, často mladší, mají tendenci vydat se směrem k poskytovatelům softwarových služeb nebo dokonce kompletních systémů, např. Android od Googlu, „klasičtí“ výrobci OEM se snaží udržet know-how ve vlastní režii a investují do budování vlastního softwarového oddělení. V každém případě je stále zajímavé sledovat, která z těchto cest se dlouhodobě prosadí.

Neméně zajímavé je, že zde vznikají zcela nové obchodní modely.

Samotná funkce již není spojena s vozidlem. Prodejci ojetých vozů nebo i zákazníci mohou poměrně snadno dovybavit vozidlo novými funkcemi a vytvořit tak jeho přidanou hodnotu. Hodnota vozu se tak zachová po celou dobu jeho životnosti, nebo se může dokonce zvýšit.

Nyní lze nabídnout i časově omezené používání funkcí nebo předplatné.

Další výhodou je, že vozidlo může komunikovat se svým okolím. Může například shromažďovat data během provozu a ukládat je do cloudu. Tato výměna dat umožňuje neustálé zdokonalování funkcí a služeb, které lze následně aktualizovat za chodu opět ve vozidle. Technicky proveditelná je i přímá komunikace mezi několika vozidly. Všechny tyto možnosti jsou dalším důležitým milníkem na cestě k autonomnímu řízení.

Výhled: enormní nároky na výpočetní výkon a datové kabely

Než bude architektura palubní sítě převedena na zóny, bude to jistě nějakou dobu trvat. Ještě je třeba vyřešit problémy, jako je potřebný výpočetní výkon a datové linky pro 25 Gbit/s nebo více. Podle odhadů by se tak mohlo stát do roku 2030. Technici po celém světě již intenzivně pracují na řešeních.

Společnost MD ELEKTRONIK je se svým produktovým portfoliem velmi silným a kompetentním partnerem, který se zaměřuje právě na tyto požadavky. Nabízíme správné řešení pro koaxiální, UTP, STP _(*) a USB produkty i pro optický přenos dat. Díky vysoce automatizované výrobní strategii splňují naše výrobky nejvyšší standardy kvality.

Shrnutí

Automobilový svět prochází velkými změnami. Velkou výzvou pro výrobce automobilů není jen přechod na elektrický pohon. Důležité je také představit řešení pro myšlenku „chytrého telefonu na čtyřech kolech“.

Důležitým bodem je zde zvýšení efektivity palubní sítě nahrazením vysokého počtu jednotlivých linek „bod-bod“ několika vysoce výkonnými síťovými linkami (např. MultiGiG Ethernet). Na jedné straně to přináší výhodu vysokého snížení hmotnosti. Zároveň to však znamená obrovskou výzvu pro výrobce ECU, protože mnoho funkcí, které byly dříve realizovány v jednotlivých senzorech nebo aktorech, je nyní integrováno do řídicí jednotky jako softwarové řešení. Tyto dva přístupy se označují jako „zónová architektura“ a „softwarově definované vozidlo“.

Závěrem

Požadavky na výpočetní výkon a přenos dat jsou velmi vysoké a stále je co zlepšovat. Datové kabely budoucnosti musí být navrženy pro spolehlivé přenosy v rozsahu až 25 Gbit/s nebo rychlejší. Optické datové kabely se zde stále častěji stávají vhodnou alternativou k měděným kabelům.

(*)
UTP – Unshielded Twisted Pair
STP – Shielded Twisted Pair