В этой статье мы рассмотрим, как автомобили — некогда чисто механические устройства — стали электронными и интеллектуальными благодаря интеграции встроенных систем и программного обеспечения, и как к 2026 году они будут эволюционировать в транспортные средства, управляемые программным обеспечением.
Основные функции автомобиля — движение вперёд при нажатии на педаль акселератора, изменение направления движения при повороте руля и остановка при нажатии на тормоз. В автомобилях прошлого большинство функций выполнялось физическими механическими устройствами: нажатие педали запускало двигатель, поворот руля изменял направление вращения колёс, а нажатие на тормоз останавливало колёса за счёт трения. Однако сегодня автомобили эволюционируют, выходя за рамки простых механических устройств и превращаясь в машины, сочетающие в себе сложные электронные системы и программное обеспечение. Современные автомобили помогают поддерживать постоянную дистанцию до впереди идущего автомобиля, облегчают парковку и используют различные датчики для мониторинга окружающей среды и состояния автомобиля — предоставляя информацию водителю или управляя движением транспортного средства. Одним из ключевых элементов, обеспечивающих эти функции, является встроенная система, установленная в автомобиле.
Встроенная система — это компьютерная система, предназначенная для выполнения ограниченных функций в конкретных целях. Типичный персональный компьютер (ПК) может выполнять различные функции путем установки различных программ. Установив программу обработки текста, вы можете использовать ее для создания документов; установив игру, вы можете использовать ее в качестве игровой консоли. В отличие от этого, компьютер, встроенный во встроенную систему, ориентирован на выполнение функций, необходимых для конкретного устройства или системы. Можно подумать, что чем больше функций у компьютера, тем лучше, но давайте возьмем в качестве примера холодильник. Хотя компьютеры используются в современных холодильниках, нет необходимости запускать текстовый процессор или играть в высокопроизводительные игры на компьютере, встроенном в холодильник. Сократив ненужные функции и сосредоточившись на необходимых, можно минимизировать размер и энергопотребление устройства, и оно сможет надежно и эффективно выполнять свои функции. Электронные компоненты, такие как встроенные компьютерные чипы, составляют аппаратную часть встроенной системы, а различные программы, работающие на них, составляют программное обеспечение.
Почему же автомобили стали оснащаться компьютерами? Потому что в автомобили устанавливается все больше электронных устройств, и одновременно возникает необходимость в более сложных и интеллектуальных системах управления. В отличие от универсальных персональных компьютеров, в автомобилях требуются специализированные системы для выполнения конкретных задач. Это связано с тем, что функции, которые должен выполнять автомобиль, не являются бесконечно расширяемыми, как функции текстового процессора или видеоигры; скорее, они определяются в первую очередь функциями вождения, безопасности и комфорта. В автомобиле крайне важно точно измерять такую информацию, как скорость, состояние двигателя, уровень заряда батареи и топлива, а также окружающую среду, и соответствующим образом управлять транспортным средством на основе этой информации. Поэтому выгоднее использовать встроенные системы, разработанные специально для целей и условий эксплуатации автомобиля, а не универсальные компьютеры.
Встраиваемые автомобильные системы можно разделить на несколько областей в зависимости от их функций, включая шасси, силовую установку, кузов и мультимедиа. В области шасси функции, связанные с движением автомобиля, такие как торможение, рулевое управление и подвеска, управляются на основе различных данных, включая скорость автомобиля и расстояние до окружающих транспортных средств. В области силовой установки эти функции контролируют выработку и передачу энергии, учитывая эту информацию, а также состояние двигателя, трансмиссии и батареи. Область кузова управляет функциями, связанными с удобством и безопасностью водителя и пассажиров, такими как сиденья, приборная панель, освещение и двери, в то время как область мультимедиа отвечает за навигацию, телематику, аудио- и видеосистемы, а также различные информационные и коммуникационные функции в автомобиле. Сегодня все большее значение приобретают функции, ориентированные на программное обеспечение, такие как системы помощи водителю, автоматизация вождения, автомобильные сети и возможности подключения.
Каждая из этих систем собирает необходимую информацию с датчиков и других электронных блоков управления (ЭБУ), обрабатывает эту информацию и соответствующим образом реагирует на ситуацию. В то время как автомобили прошлого больше походили на машины, которые двигались на основе прямого ввода пользователя, автомобили, оснащенные встроенными системами, эволюционировали в активные системы, способные выполнять определенные функции в зависимости от состояния транспортного средства и окружающей среды, даже без прямого участия пользователя в принятии решений или управлении ими. Конечно, было бы не совсем корректно сразу же называть такие транспортные средства системами искусственного интеллекта в том же смысле, что и человеческий интеллект; однако они явно обладают характеристиками, отличными от механических транспортных средств прошлого, поскольку используют датчики и компьютеры для оценки ситуаций и управления функциями транспортного средства на основе этих оценок.
Для того чтобы автомобиль функционировал «умно» таким образом, программное обеспечение встроенной системы должно быть реализовано стабильно и сложно. Автомобильное программное обеспечение — это не просто одна программа; скорее, оно структурировано в несколько слоев, чтобы управлять оборудованием, обеспечивать взаимодействие различных программных компонентов друг с другом и выполнять функции приложений. В прошлом это можно было объяснить с помощью встроенных операционных систем, встроенного промежуточного программного обеспечения и встроенного прикладного программного обеспечения. Операционная система предоставляет базовую среду выполнения, которая позволяет приложениям работать на оборудовании; промежуточное программное обеспечение абстрагирует различия между приложениями, операционной системой и оборудованием или предоставляет необходимые услуги; а прикладное программное обеспечение выполняет функции, необходимые в самом автомобиле. AUTOSAR, один из ведущих современных стандартов автомобильного программного обеспечения, также развивался за счет разделения программного обеспечения на несколько слоев и компонентов для уменьшения зависимостей между оборудованием и прикладным программным обеспечением, а также для повышения повторного использования программного обеспечения и его совместимости.
Среди них встроенная операционная система и среда выполнения служат критически важной основой для стабильной работы автомобильного программного обеспечения. Операционная система может быть описана как тип среды выполнения, которая управляет ресурсами, необходимыми для функционирования программ, выполняемых непосредственно пользователем, или различного программного обеспечения управления транспортным средством. Эту концепцию легко понять, если представить себе спортивное поле. Если поле разделено на секции для различных видов деятельности — таких как баскетбол, футбол и бег — и организовано таким образом, чтобы несколько человек могли использовать необходимое им время и пространство для одновременных тренировок, то каждая деятельность может эффективно выполняться без помех друг другу. Аналогично, типичная операционная система управляет несколькими программами таким образом, чтобы они не конфликтовали друг с другом, эффективно использовали системные ресурсы и работали стабильно.
Программное обеспечение для встроенных систем, используемых в автомобилях, требует характеристик, отличных от характеристик программ, работающих на обычных ПК. В частности, во время движения автомобиля часто возникают ситуации, когда срочная или критически важная информация должна быть обработана в заданные сроки. Поэтому в автомобильных системах характеристики операционной системы реального времени (RTOS), способной обрабатывать определенные задачи в ограниченное время, имеют решающее значение, и система должна уметь корректно обрабатывать входные данные от различных датчиков и устройств управления. Это связано с тем, что если информация, касающаяся скорости, рулевого управления, торможения и состояния автомобиля, не обрабатывается в надлежащее время, последствия могут выходить за рамки простых программных ошибок и напрямую влиять на безопасность автомобиля. AUTOSAR, автомобильный стандарт программного обеспечения, предоставляет архитектуру программного обеспечения, которая учитывает производительность и безопасность в реальном времени на основе функций и требований автомобиля; в частности, платформа Classic используется для встроенных систем с жесткими ограничениями по времени и безопасности.
Благодаря этим характеристикам разработка встроенных операционных систем и программного обеспечения для автомобилей стала критически важной областью, напрямую влияющей на производительность и безопасность транспортных средств. Если раньше основная конкурентоспособность автомобиля в значительной степени определялась механическими характеристиками — такими как двигатель, трансмиссия и кузов — то теперь электронные блоки управления, программное обеспечение, автомобильные сети, датчики и вычислительные платформы стали ключевыми конкурентными факторами. AUTOSAR, ведущий стандарт для автомобильного программного обеспечения, разрабатывается с 2003 года крупными компаниями автомобильной и программной отраслей для создания открытого стандарта для автомобильных электрических и электронных (Э/Э) архитектур. В настоящее время он предлагает не только классическую платформу, разработанную для управления в реальном времени на основе микроконтроллеров и обеспечения безопасности, но и адаптивную платформу для таких приложений, как высокопроизводительные вычислительные ЭБУ и автономное вождение.
В частности, по мере того, как автомобильная промышленность продолжает внедрять программное обеспечение, роль автомобильного программного обеспечения значительно возросла по сравнению с прошлым. Если раньше типичная структура включала в себя несколько электронных блоков управления (ЭБУ), отвечающих за конкретные функции и работающих относительно независимо, то сейчас автомобильные электрические и электронные архитектуры развиваются в направлении интеграции множества функций и использования высокопроизводительных вычислительных ресурсов. Следовательно, автомобильное программное обеспечение выходит за рамки просто программ управления, привязанных к конкретному оборудованию; становится все более важным иметь структуру, в которой различные программные компоненты взаимодействуют друг с другом и могут непрерывно расширять и управлять функциями автомобиля. Компания AUTOSAR также разрабатывает адаптивную платформу для высокопроизводительных ЭБУ наряду с классической платформой и в последнее время продвигает исполняемые платформы и связанные с ними технологии для поддержки программно-определяемых автомобилей (SDV).
Подобно тому, как Android от Google и iOS от Apple конкурируют на рынке смартфонов, ориентированном на операционные системы, важность программного обеспечения и операционных платформ растет и в автомобильной промышленности. Однако, в отличие от смартфонов, автомобили — это не только продукты, состоящие из программного обеспечения. В транспортных средствах программное обеспечение должно работать совместно с различными датчиками, исполнительными механизмами, электронными блоками управления (ЭБУ), автомобильными сетями, а также электрическим и электронным оборудованием, и требования к безопасности и надежности чрезвычайно высоки. Поэтому способность проектировать и интегрировать аппаратное и программное обеспечение имеет решающее значение в автомобильной промышленности. Разработка AUTOSAR — стандартизированного интерфейса, который уменьшает зависимость между приложениями, оборудованием и ЭБУ, одновременно повышая возможность повторного использования программного обеспечения, — напрямую связана с этими требованиями.
Учитывая параллельное развитие автомобильной и электронной/ИТ-отраслей Южной Кореи, страна, скорее всего, получит значительное конкурентное преимущество в области автомобильных встроенных систем. По мере того, как автомобили эволюционируют из простых машин в системы, объединяющие электронные устройства и программное обеспечение, конвергенция различных технологий, включая не только автомобильное производство, но и полупроводники, датчики, средства связи, операционные системы, программные платформы и искусственный интеллект, приобретает все большее значение. В частности, по мере того, как автомобили превращаются в программно-определяемые транспортные средства, способность реализовывать и управлять функциями автомобиля с помощью программного обеспечения становится одним из ключевых факторов, определяющих конкурентоспособность в автомобильной промышленности. Поэтому, если южнокорейские автомобильные компании, а также фирмы, работающие в сфере электроники и ИТ, продолжат наращивать технические возможности в области автомобильного программного обеспечения и встроенных систем, они смогут продемонстрировать новые конкурентные преимущества на мировом автомобильном рынке.
В прошлом автомобиль представлял собой сложную машину, приводимую в движение в основном двигателем и механическими деталями, но сейчас он все больше напоминает огромную компьютерную систему, в которой многочисленные датчики, электронные блоки управления, системы связи, вычислительные устройства и программное обеспечение взаимосвязаны и работают вместе. Фактически, AUTOSAR в настоящее время стандартизирует различные области автомобильного программного обеспечения, включая связь, среды выполнения, диагностику, аппаратную поддержку, обновления программного обеспечения, безопасность, защиту и функции хранения данных, в то время как адаптивная платформа развивается для решения задач, требующих высокопроизводительных вычислений, таких как автономное вождение.
В конечном счете, утверждение «автомобиль стал компьютером» не просто означает установку одного компьютера внутри транспортного средства. По смыслу оно ближе к идее о том, что по мере роста роли программного обеспечения, которое управляет различными функциями автомобиля и обрабатывает информацию, сам автомобиль трансформируется в масштабную электронную и программную систему. Для понимания будущей эволюции автомобилей необходимо изучить не только механические технологии, такие как двигатели и кузова, но и такие технологии, как встроенные системы, операционные системы, программные платформы, датчики, автомобильные сети и искусственный интеллект. Автомобили больше не являются просто машинами, которые доставляют людей в нужное место; они превращаются в интеллектуальные системы мобильности, которые воспринимают окружающую среду, обрабатывают данные и реализуют различные функции с помощью программного обеспечения.
