W tym wpisie na blogu przeanalizujemy, w jaki sposób samochody — kiedyś czysto mechaniczne urządzenia — stały się elektroniczne i inteligentne dzięki integracji systemów wbudowanych i oprogramowania oraz w jaki sposób będą ewoluować w kierunku pojazdów zdefiniowanych programowo, począwszy od roku 2026.
Podstawowymi funkcjami samochodu są jazda do przodu po naciśnięciu pedału przyspieszenia, zmiana kierunku po skręceniu kierownicy oraz zatrzymanie po naciśnięciu hamulca. Patrząc na samochody przeszłości, większość funkcji była realizowana przez fizyczne urządzenia mechaniczne: naciśnięcie pedału uruchamiało silnik, obrót kierownicą zmieniał kierunek kół, a naciśnięcie hamulca zatrzymywało koła poprzez tarcie. Jednak obecnie samochody ewoluują poza proste urządzenia mechaniczne w kierunku maszyn, które łączą złożone systemy elektroniczne i oprogramowanie. Dzisiejsze samochody pomagają utrzymać stałą odległość od pojazdu jadącego z przodu podczas jazdy, wspomagają parkowanie i wykorzystują różne czujniki do monitorowania otoczenia i stanu pojazdu — dostarczając informacji kierowcy lub kontrolując ruch pojazdu. Jednym z kluczowych elementów umożliwiających te funkcje jest wbudowany system zainstalowany w samochodzie.
System wbudowany odnosi się do systemu komputerowego zaprojektowanego do wykonywania ograniczonych funkcji w określonym celu. Typowy komputer osobisty (PC) może wykonywać różne funkcje poprzez instalację różnych programów. Po zainstalowaniu programu do edycji tekstu można go używać do tworzenia dokumentów; po zainstalowaniu gry można go używać jako konsoli do gier. Natomiast komputer wbudowany w system wbudowany koncentruje się na wykonywaniu funkcji wymaganych przez określone urządzenie lub system. Można by pomyśleć, że im więcej funkcji ma komputer, tym lepiej, ale weźmy na przykład lodówkę. Chociaż komputery są używane we współczesnych lodówkach, nie ma potrzeby uruchamiania edytora tekstu ani grania w gry o wysokiej wydajności na komputerze wbudowanym w lodówkę. Ograniczając zbędne funkcje i koncentrując się na niezbędnych, można zminimalizować rozmiar urządzenia i pobór mocy, dzięki czemu może ono wykonywać swoje funkcje niezawodnie i wydajnie. Komponenty elektroniczne, takie jak wbudowane układy scalone, stanowią sprzęt systemu wbudowanego, a różne programy na nich działające stanowią oprogramowanie.
Dlaczego więc samochody zaczęto wyposażać w komputery? Dzieje się tak, ponieważ samochody są wyposażane w coraz większą liczbę urządzeń elektronicznych, a jednocześnie niezbędne stały się bardziej zaawansowane i inteligentne systemy sterowania. Komputery stosowane w samochodach wymagają również systemów wyspecjalizowanych w określonych zadaniach, w przeciwieństwie do komputerów osobistych ogólnego przeznaczenia. Wynika to z faktu, że funkcje, które musi wykonywać samochód, nie są nieskończenie rozszerzalne, jak w przypadku edytora tekstu czy gry wideo; są one raczej definiowane przede wszystkim w kontekście prowadzenia pojazdu, bezpieczeństwa i wygody. W samochodzie kluczowe jest dokładne mierzenie informacji, takich jak prędkość pojazdu, stan silnika, poziom naładowania akumulatora i paliwa oraz otaczającego środowiska, a także odpowiednie sterowanie pojazdem na podstawie tych informacji. Dlatego korzystne jest stosowanie systemów wbudowanych zaprojektowanych specjalnie do celów i środowiska samochodu, a nie komputerów ogólnego przeznaczenia.
Wbudowane systemy samochodowe można podzielić na kilka obszarów w zależności od ich funkcji, w tym podwozie, układ napędowy, nadwozie i multimedia. W obszarze podwozia funkcje związane z ruchem pojazdu — takie jak hamowanie, układ kierowniczy i zawieszenie — są sterowane na podstawie różnych danych, w tym prędkości pojazdu i odległości od otaczających pojazdów. W obszarze układu napędowego funkcje te sterują wytwarzaniem i przesyłaniem mocy, biorąc pod uwagę te informacje, a także stan silnika, skrzyni biegów i akumulatora. Obszar nadwozia zarządza funkcjami związanymi z wygodą i bezpieczeństwem kierowcy i pasażerów, takimi jak fotele, deska rozdzielcza, oświetlenie i drzwi, podczas gdy obszar multimediów obsługuje nawigację, telematykę, system audio i wideo oraz różne funkcje informacyjne i komunikacyjne w pojeździe. Obecnie funkcje zorientowane na oprogramowanie — takie jak systemy wspomagania kierowcy, automatyzacja jazdy, sieci pojazdów i łączność — stają się coraz ważniejsze.
Każdy z tych systemów zbiera niezbędne informacje z czujników i innych elektronicznych jednostek sterujących (ECU), przetwarza je i odpowiednio reaguje na sytuację. Podczas gdy samochody przeszłości przypominały maszyny poruszające się na podstawie bezpośrednich danych wprowadzanych przez użytkownika, samochody wyposażone w systemy wbudowane ewoluowały w kierunku systemów aktywnych, zdolnych do wykonywania określonych funkcji w oparciu o stan pojazdu i otaczające środowisko, nawet bez konieczności bezpośredniego oceniania sytuacji przez użytkownika lub obsługi. Oczywiście, nie byłoby do końca trafne natychmiastowe nazywanie takich pojazdów systemami sztucznej inteligencji w tym samym sensie, co inteligencja ludzka; jednak wyraźnie różnią się one od pojazdów mechanicznych przeszłości, ponieważ wykorzystują czujniki i komputery do oceny sytuacji i sterowania funkcjami pojazdu na podstawie tych ocen.
Aby samochód funkcjonował „inteligentnie” w ten sposób, oprogramowanie systemu wbudowanego musi być wdrożone stabilnie i w sposób zaawansowany. Oprogramowanie samochodowe to nie tylko pojedynczy program; jest ono raczej wielowarstwowe, co pozwala mu sterować sprzętem, umożliwiać różnym komponentom oprogramowania wzajemną komunikację i wykonywać funkcje aplikacji. W przeszłości można było to wyjaśnić w kategoriach wbudowanych systemów operacyjnych, wbudowanego oprogramowania pośredniczącego i wbudowanego oprogramowania aplikacyjnego. System operacyjny zapewnia podstawowe środowisko wykonawcze, które umożliwia uruchamianie aplikacji na sprzęcie; oprogramowanie pośredniczące abstrahuje różnice między aplikacjami, systemem operacyjnym i sprzętem lub zapewnia niezbędne usługi; a oprogramowanie aplikacyjne realizuje funkcje wymagane w rzeczywistym pojeździe. AUTOSAR, jeden z wiodących współczesnych standardów oprogramowania samochodowego, również ewoluował, dzieląc oprogramowanie na wiele warstw i komponentów, aby zmniejszyć zależności między sprzętem a oprogramowaniem aplikacyjnym oraz zwiększyć możliwość ponownego wykorzystania i interoperacyjność oprogramowania.
Wśród nich, wbudowany system operacyjny i środowisko wykonawcze stanowią kluczowy fundament stabilnego działania oprogramowania samochodowego. System operacyjny można opisać jako rodzaj środowiska wykonawczego, które zarządza zasobami niezbędnymi do działania programów uruchamianych bezpośrednio przez użytkownika lub różnych programów sterujących pojazdem. Tę koncepcję łatwo zrozumieć, wyobrażając sobie boisko sportowe. Jeśli boisko jest podzielone na sekcje przeznaczone do różnych aktywności – takich jak koszykówka, piłka nożna i bieganie – i zarządzane w taki sposób, aby wiele osób mogło jednocześnie wykorzystać potrzebny im czas i przestrzeń, każda aktywność może przebiegać sprawnie, bez zakłócania się nawzajem. Podobnie, typowy system operacyjny zarządza wieloma programami, aby nie kolidowały one ze sobą, efektywnie wykorzystywały zasoby systemowe i działały stabilnie.
Oprogramowanie systemów wbudowanych stosowanych w samochodach wymaga innych cech niż programy działające na komputerach PC ogólnego przeznaczenia. W szczególności, gdy pojazd jest w ruchu, często zdarzają się sytuacje, w których pilne lub krytyczne informacje muszą zostać przetworzone w określonym czasie. Dlatego w systemach samochodowych kluczowe znaczenie mają cechy systemu operacyjnego czasu rzeczywistego (RTOS) – który może przetwarzać określone zadania w ograniczonym czasie – a system musi być w stanie prawidłowo obsługiwać dane wejściowe z różnych czujników i urządzeń sterujących. Wynika to z faktu, że jeśli informacje dotyczące prędkości, układu kierowniczego, hamowania i stanu pojazdu nie zostaną przetworzone w odpowiednim czasie, konsekwencje mogą wykraczać poza proste błędy programu i bezpośrednio wpływać na bezpieczeństwo pojazdu. AUTOSAR, standard oprogramowania samochodowego, zapewnia architekturę oprogramowania, która uwzględnia wydajność i bezpieczeństwo w czasie rzeczywistym w oparciu o funkcje i wymagania pojazdu; platforma Classic jest w szczególności wykorzystywana w systemach wbudowanych z rygorystycznymi ograniczeniami w zakresie czasu rzeczywistego i bezpieczeństwa.
Wykorzystując te cechy, rozwój wbudowanych systemów operacyjnych i oprogramowania dla samochodów stał się kluczowym obszarem, który bezpośrednio wpływa na osiągi i bezpieczeństwo pojazdów. Podczas gdy w przeszłości o konkurencyjności pojazdu decydowały głównie parametry mechaniczne – takie jak silnik, skrzynia biegów i nadwozie – obecnie kluczowe czynniki konkurencyjności stanowią elektroniczne jednostki sterujące, oprogramowanie, sieci pojazdów, czujniki i platformy obliczeniowe. AUTOSAR, wiodący standard oprogramowania samochodowego, jest rozwijany od 2003 roku przez duże firmy z branży motoryzacyjnej i oprogramowania w celu ustanowienia otwartego standardu dla architektur elektrycznych i elektronicznych (E/E) w motoryzacji. Obecnie oferuje on nie tylko platformę klasyczną (Classic Platform) – zaprojektowaną z myślą o sterowaniu w czasie rzeczywistym i bezpieczeństwie opartym na mikrokontrolerach – ale także platformę adaptacyjną (Adaptive Platform) dla aplikacji takich jak wysokowydajne komputery sterujące (ECU) i autonomiczna jazda.
W szczególności, wraz z ciągłym wdrażaniem oprogramowania w przemyśle motoryzacyjnym, jego rola znacznie wzrosła niż w przeszłości. Podczas gdy typowa struktura w przeszłości obejmowała wiele sterowników (ECU) odpowiedzialnych za określone funkcje, działających stosunkowo niezależnie, architektura elektryczna i elektroniczna pojazdów samochodowych ewoluuje obecnie w kierunku integracji wielu funkcji i wykorzystania zasobów obliczeniowych o wysokiej wydajności. W związku z tym oprogramowanie samochodowe wykracza poza proste programy sterujące powiązane z określonym sprzętem; coraz ważniejsze staje się posiadanie struktury, w której różne komponenty oprogramowania komunikują się ze sobą i mogą stale rozszerzać i zarządzać funkcjami pojazdu. AUTOSAR rozwija również platformę adaptacyjną (Adaptive Platform) dla wysokowydajnych sterowników (ECU) obok platformy klasycznej (Classic Platform), a ostatnio rozwija platformy wykonywalne i powiązane technologie w celu obsługi pojazdów definiowanych programowo (SDV).
Podobnie jak Android firmy Google i iOS firmy Apple konkurowały na rynku smartfonów, koncentrując się na systemach operacyjnych, tak samo w branży motoryzacyjnej rośnie znaczenie oprogramowania i platform operacyjnych. Jednak w przeciwieństwie do smartfonów, samochody nie są produktami składającymi się wyłącznie z oprogramowania. W pojazdach oprogramowanie musi współdziałać z różnymi czujnikami, siłownikami, elektronicznymi jednostkami sterującymi (ECU), sieciami pojazdów oraz sprzętem elektrycznym i elektronicznym, a wymagania dotyczące bezpieczeństwa i niezawodności są niezwykle wysokie. Dlatego umiejętność projektowania i integracji sprzętu i oprogramowania jest kluczowa w branży motoryzacyjnej. Rozwój AUTOSAR – znormalizowanego interfejsu, który zmniejsza zależności między aplikacjami, sprzętem i jednostkami sterującymi (ECU), jednocześnie zwiększając możliwość ponownego wykorzystania oprogramowania – jest bezpośrednio związany z tymi wymaganiami.
Biorąc pod uwagę równoległy rozwój południowokoreańskich branż motoryzacyjnej i elektronicznej/IT, kraj ten z dużym prawdopodobieństwem zdobędzie znaczącą przewagę konkurencyjną w dziedzinie samochodowych systemów wbudowanych. W miarę jak samochody ewoluują od prostych maszyn w systemy łączące urządzenia elektroniczne i oprogramowanie, coraz większego znaczenia nabiera konwergencja różnych technologii – obejmujących nie tylko produkcję motoryzacyjną, ale także półprzewodniki, czujniki, komunikację, systemy operacyjne, platformy programowe i sztuczną inteligencję. W szczególności, w miarę jak samochody ewoluują w kierunku pojazdów sterowanych programowo, możliwość wdrażania i zarządzania funkcjami pojazdu za pomocą oprogramowania staje się jednym z kluczowych czynników decydujących o konkurencyjności w branży motoryzacyjnej. Dlatego też, jeśli południowokoreańskie firmy motoryzacyjne oraz firmy elektroniczne i IT będą nadal rozwijać potencjał techniczny w dziedzinie oprogramowania i systemów wbudowanych, będą w stanie wykazać się nowymi przewagami konkurencyjnymi na globalnym rynku motoryzacyjnym.
Podczas gdy w przeszłości samochód był złożoną maszyną napędzaną głównie silnikiem i częściami mechanicznymi, obecnie staje się bardziej potężnym systemem komputerowym, w którym liczne czujniki, elektroniczne jednostki sterujące, systemy komunikacyjne, urządzenia obliczeniowe i oprogramowanie są ze sobą połączone i współpracują. W rzeczywistości AUTOSAR standaryzuje obecnie różne obszary oprogramowania samochodowego, w tym komunikację, środowiska wykonawcze, diagnostykę, wsparcie sprzętowe, aktualizacje oprogramowania, bezpieczeństwo i funkcje pamięci masowej, podczas gdy Platforma Adaptacyjna ewoluuje, aby sprostać potrzebom w obszarach wymagających obliczeń o wysokiej wydajności, takich jak autonomiczna jazda.
Ostatecznie stwierdzenie, że „samochód stał się komputerem”, nie oznacza po prostu, że w pojeździe zainstalowano pojedynczy komputer. Bliższe jest znaczeniowo idei, że wraz ze wzrostem znaczenia oprogramowania – które kontroluje różne funkcje pojazdu i przetwarza informacje – sam samochód przekształca się w potężny system elektroniczny i programowy. Aby zrozumieć przyszłą ewolucję samochodów, konieczne jest zbadanie nie tylko technologii mechanicznych, takich jak silniki i nadwozia, ale także technologii takich jak systemy wbudowane, systemy operacyjne, platformy programowe, czujniki, sieci pojazdów i sztuczna inteligencja. Samochody nie są już jedynie maszynami, które transportują ludzi do pożądanych miejsc; ewoluują w inteligentne systemy mobilności, które postrzegają otoczenie, przetwarzają dane i realizują różne funkcje za pomocą oprogramowania.
