車云協(xié)同計算直擊軟件定義汽車的痛處

文︱立厷

在軟件定義汽車的大背景下，單車硬件能力受到了比較制約。近年來，為了支持智能汽車軟件的持續(xù)發(fā)展，行業(yè)也在探索結(jié)合5G邊緣云，將一部分算力釋放到云端，以提供彈性和可擴展的車規(guī)級應(yīng)用和車規(guī)級操作系統(tǒng)的能力，以此實現(xiàn)的車云結(jié)合的協(xié)同計算架構(gòu)將助力軟件定義汽車的持續(xù)發(fā)展。

在以“智車智駕 智創(chuàng)未來”為主題的2021中關(guān)村智能網(wǎng)聯(lián)汽車國際創(chuàng)新論壇上，國汽智控（北京）科技有限公司研發(fā)副總裁張小斌從車載車規(guī)級操作系統(tǒng)、車云協(xié)同計算基礎(chǔ)框架及應(yīng)用角度分享了應(yīng)對軟件定義汽車挑戰(zhàn)的一些思考。

軟件定義汽車的核心所在

張小斌指出，汽車行業(yè)正在發(fā)生翻天覆地的變化，硬件趨同、軟件定義、數(shù)據(jù)驅(qū)動、汽車電子電氣架構(gòu)也在改變，越來越趨向于中心化的車載計算平臺；智能汽車的代碼量已達到十億行量級，越來越多的功能移到了云端。

擺在行業(yè)面前的課題一個接著一個：結(jié)合汽車計算平臺的云計算應(yīng)該是什么樣的結(jié)構(gòu)？其體現(xiàn)的具體形式是什么？如何讓車云協(xié)同體系架構(gòu)落地，且能夠推而廣之，豐富產(chǎn)業(yè)生態(tài)？

這些問題都是軟件定義汽車發(fā)展中所面臨的挑戰(zhàn)。要實現(xiàn)高級自動駕駛功能，需要在車端部署很多傳感器和高算力平臺。在車載方面，雖然從電子電氣架構(gòu)到傳感器都有很多探索和創(chuàng)新，豐富了產(chǎn)業(yè)生態(tài)，但是單車智能能力畢竟有限，硬件應(yīng)該持續(xù)加載到什么程度？從整車廠的成本，包括軟件可迭代性方面考慮，還有一些更深層次的問題需要進一步探討。

另外，低配車很多是現(xiàn)在和未來的現(xiàn)實，在市場上占了絕大多數(shù)。如何讓低配車也能享受到高級自動駕駛功能的好處，特別是安全性？車輛生命周期是5－10年，整車廠售出汽車之后在軟件升級迭代更新方面也面臨很多實際問題。因為傳統(tǒng)整車廠對可靠性、安全性方面有非常嚴格的要求。經(jīng)常能看到一輛新車在汽車園區(qū)、高等級測試場白天黑夜在跑，所以測試驗證周期非常長。

因此，核心問題在于：如何以有限的車端算力支持后續(xù)的軟件更新和能力擴展？

為什么車控操作系統(tǒng)要孿生到云端？

張小斌介紹說，2019年，出版的《車控操作系統(tǒng)架構(gòu)研究報告》分解出了功能軟件架構(gòu)和系統(tǒng)軟件架構(gòu)。很多同行也是在按照這個架構(gòu)在進行車載操作系統(tǒng)方面的研發(fā)。國汽智控還提出了“車云孿生”架構(gòu)，其中包括幾個部分：車載計算平臺、車載操作系統(tǒng)、計算域、AI域等。而車載操作系統(tǒng)又分為實時操作系統(tǒng)和車載操作系統(tǒng)（如Android），前者負責(zé)汽車安全相關(guān)的工作任務(wù)，已提前設(shè)定好誰先執(zhí)行誰后執(zhí)行，例如遇高速撞車時必須彈開氣囊；后者負責(zé)人機交互部分，如安裝視頻、音樂和系統(tǒng)設(shè)置、升級等。

目前進行的大量嘗試證明，將一部分車載操作系統(tǒng)的功能以整體方式孿生到云端的方案是可行的。對于整車廠來說，首先要滿足車規(guī)要求，對車載操作系統(tǒng)來說，作為感知和規(guī)劃的輸入語言，現(xiàn)在的很多車路云、各種傳感器，包括V2X，能夠與整車智能操作系統(tǒng)的輸入端完全兼容，所以可以把車規(guī)級軟件以整體方式孿生到云端。

孿生到云端的車載操作系統(tǒng)與整車中的操作系統(tǒng)的底層硬件平臺是不一樣的，但是接口、數(shù)據(jù)流、感知、規(guī)劃方面的行為完全一樣。這樣，通過5G邊緣平臺能夠使原來受限的車端算力無限放大。在此之上，結(jié)合5G邊緣云以及中心云的連接和豐富的云端功能，就可以產(chǎn)生大量的應(yīng)用，因為車端操作系統(tǒng)和云端操作系統(tǒng)可以被認為是邏輯整車操作系統(tǒng)。在邏輯整車操作系統(tǒng)之上，完全兼容大量現(xiàn)有的車路云V2X功能，而整個邏輯操作系統(tǒng)是軟件定義的，可以用行業(yè)里很多比較成熟的軟件定義方式進行OTA升級和軟件功能的迭代，利用算法接口進行豐富的應(yīng)用生態(tài)開發(fā)和研究。

這是一個創(chuàng)新的想法，但是也面臨著一些技術(shù)考驗。目前相關(guān)團隊正在努力攻克這些技術(shù)挑戰(zhàn)，包括一些核心技術(shù)。其中包括5G網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在中國聯(lián)通、中國移動、中國電信都在建設(shè)覆蓋全國的5G MEC，北京5G MEC基本上已經(jīng)覆蓋全部城區(qū)和高速公路，延遲在15毫秒左右，基本上已經(jīng)能夠達到實時計算的要求。

這樣就可以將5G低延遲網(wǎng)絡(luò)視為車載操作系統(tǒng)內(nèi)部的內(nèi)網(wǎng)。很多軟件、汽車行業(yè)操作系統(tǒng)的很多組件都可通過SOA數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式將云與孿生操作系統(tǒng)結(jié)合起來，形成更廣泛、功能更豐富的操作系統(tǒng)能力。其中的技術(shù)問題還涉及整車操作系統(tǒng)和孿生操作系統(tǒng)的協(xié)同工作機制、孿生體的管理，包括跨MEC的邊緣遷移，這些都需要和運營商一起合作解決。這不是技術(shù)上的問題，而是生態(tài)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)推動豐富應(yīng)用的方式，相信很快能夠得到解決。

除了車載操作系統(tǒng)，車載計算平臺包括系統(tǒng)軟件、功能軟件、應(yīng)用軟件，在軟件和硬件解耦的背景之下，可以把系統(tǒng)軟件和功能軟件平移到5G邊緣云，因為車載操作系統(tǒng)本身是車規(guī)級的，通過孿生體數(shù)據(jù)孿生到云端之后，它還是保持車規(guī)級能力。

研究表明，以5G作為中間操作系統(tǒng)的實時計算網(wǎng)絡(luò)，其模型基本上是可以成立的，在北京、天津一些專有5G網(wǎng)絡(luò)和公共網(wǎng)絡(luò)上都做了相應(yīng)的實驗，在云端通過這種方式進行一些自動駕駛的控制場景是完全是可行的。剩下的事情是讓孿生到云端的操作系統(tǒng)更加穩(wěn)定，朝著可以量產(chǎn)的方向進行研發(fā)和設(shè)計。這個操作系統(tǒng)叫做車云操作系統(tǒng)，或者叫車云孿生操作系統(tǒng)。它基本上統(tǒng)一了車云應(yīng)用開發(fā)的運行環(huán)境，支持高效的軟件功能開發(fā)和運行環(huán)境，可以通過這種方式快速迭代，豐富整個產(chǎn)業(yè)鏈。

算力如何分配？

張小斌認為，“車云孿生”可以突破單車硬件的算力限制，為車端功能開發(fā)提供可擴展平臺。那么，車端與邊端的算力應(yīng)該怎樣分配呢？

要根據(jù)駕駛場景使用云端資源，靜態(tài)、動態(tài)協(xié)商功能分配，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測及降級運行，跨MEC帶狀態(tài)進行遷移。

在這個過程中，肯定會涉及一些具體的內(nèi)部設(shè)計，包括根據(jù)駕駛場景進行云端資源和車端資源的算力和功能的調(diào)配。因為基于SOA架構(gòu)和數(shù)據(jù)驅(qū)動，所以操作系統(tǒng)中的組件是分層、分模塊的，可以通過數(shù)據(jù)去關(guān)聯(lián)在一起，所以算力可以在云端和車端靈活調(diào)配，這樣，低端車就可以在云端擁有高級自動駕駛功能，解放了車端硬件的算力瓶頸。

當然，在這個過程中也可以讓車端和云端進行動態(tài)功能協(xié)商，一部分功能可以在車端運行，還有一部分功能可以根據(jù)當時的駕駛狀況孿生到云端。如果在云端碰到一些其他失效原因，則可以通過降級運行的方式來保證自動駕駛車輛本身的安全和人員的安全。

難點問題還包括網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的監(jiān)測和降級運行。另外，對這套方案影響比較大的是手機可以跨省漫游，所以車也需要解決跨MEC漫游的問題。

在典型應(yīng)用架構(gòu)中，車端很多應(yīng)用可以作為其他應(yīng)用的功能載體，或者數(shù)據(jù)源載體。通過數(shù)字化整車孿生云端，可以產(chǎn)生更多的數(shù)字化應(yīng)用，與現(xiàn)有的車路云、智慧公路、智慧交通、智慧城市等項目緊密地結(jié)合在一起。

統(tǒng)一體系架構(gòu)帶來的好處包括：自然支持現(xiàn)有的網(wǎng)聯(lián)云控應(yīng)用，車端和云端的結(jié)合可以更多地感知到環(huán)境數(shù)據(jù)；同時因為車端車控操作系統(tǒng)孿生到云端提供了標準的接口，原有的很多車端應(yīng)用可以繼續(xù)在云端運行。

通過云端5G豐富的資源可以解決車端算力受限的問題，在提升單車算力的同時5G邊緣云和孿生還支持系統(tǒng)天然解決多車協(xié)同的問題。

具體講，算力是在車邊靜態(tài)或動態(tài)浮動，可以根據(jù)場景提高自動駕駛等級，突破單車硬件的限制，將高算力功能部署在云端，為后續(xù)軟件迭代提供算力支持。

在多車協(xié)同方面，云端有多數(shù)據(jù)源，還可以接收路側(cè)設(shè)備、公共服務(wù)（地圖、天氣、交通等）數(shù)據(jù)、多車行駛等數(shù)據(jù)，在云端實現(xiàn)大規(guī)模場景融合、多車最優(yōu)規(guī)劃，提高多車駕駛的安全性和效率。

好處還有很多

孿生方式運行到云端還有其他好處，因為車端車控操作系統(tǒng)中有很多控制動力、底盤的感知數(shù)據(jù)，通過孿生方式在云端運行有助于輔助車輛設(shè)計，包括人們熟悉的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)整車設(shè)計也可以在云端打通，整車廠能夠在云端進行更大范圍的場景規(guī)劃設(shè)計，包括車端部件仿真設(shè)計、車控軟件測試和軟件功能復(fù)現(xiàn)、與其他仿真環(huán)境集成完成整車設(shè)計的快速驗證調(diào)優(yōu)。

張小斌最后指出，車云協(xié)同計算可以保障軟件定義的持續(xù)發(fā)展，充分利用5G和MEC提供的低延時、高帶寬網(wǎng)絡(luò)和計算資源，使邊緣云與車載計算平臺協(xié)同組成可擴展算力平臺，為軟件定義汽車提供持續(xù)的算力和能力支持，支持車輛全功能開發(fā)和仿真；車云協(xié)同計算還將推動5G應(yīng)用落地，實現(xiàn)車端算力擴展、云端應(yīng)用開發(fā)和軟件定義實施，也是落實中國方案的有效方案。