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-软件占领汽车

发布时间:2021-09-28 06:37:01
来源:bob综合体育下载

  然而,在这个进程中,曾经叱咤风云的传统车企并没有比一批新造车公司跑得更快。历史包袱与技术惯性甚至让家大业大的传统车企在转型时不得不面临更多的掣肘。

  日前,IEEE Spectrum 杂志特约编辑,国际信息技术和系统风险管理领域权威 Robert N. Charette 发表了一篇博文(How Software Is Eating the Car),对汽车电动化、智能化转型中的一大关键——软件问题做了拆解,并就汽车软件的发展趋势、管理风险等核心问题展开了自己的讨论。

  自研软件是否是车企的唯一出路?车企的高管们一定要拥有专业的软件知识吗?随着车上的软件数量逐渐增多,如果进行统一管理,如何保证车辆的网络安全?

  持续的半导体短缺已促使行业上调了对于全球汽车产量损失的预期。今年 1 月份,曾有分析师预测半导体短缺将导致全球汽车产量减少 150 万辆。然而,到 4 月时,数字已经攀升至 270 万辆。到了 5 月,人们预计汽车减产将会超过 410 万辆。

  克莱门森大学国际汽车研究中心的汽车工程系主任 Zoran Filipi 认为, 再没有别的行业像汽车行业这样,正经历如此迅速的技术变革。

  慕尼黑工业大学的信息学名誉教授、汽车软件领域专家 Manfred Broy 指出, 以往,软件是汽车的一部分。但现在,软件决定了汽车的价值。

  软件能力比机械能力更能决定一款汽车的成功。 在他看来,业内人士认可的汽车制造商或者 OEM 在车上的创新,如今都和软件有关。

  十年之前,只有高端车型才会在车身内嵌超过 100 个微处理器组成的 ECU 网络,它们执行着 1 亿行(或者更多)代码。

  但今天,像是搭载了 ADAS 技术的宝马 7 系这种高端车型,可能内嵌了 150 个(或者更多的)ECU。同时,像福特 F-150 这样的皮卡,它运行的代码可能超过了 1.5 亿行。低端一些的车型上,ECU 和代码的数量也在往这个级别靠近,背后原因可能是许多曾经被认为比较豪华的、选配的功能(比如 ACC、AEB)正在成为车上的标配。

  其他的安全功能进一步推动了车上 ECU 和软件数量的增加。比如,欧盟从 2010 年开始强制推行的 ESC、倒车摄像头、eCall(自动紧急呼叫)。另外,内燃机汽车只有通过使用更具创新性的电子器件和软件才能够满足日趋严格的排放标准,也加剧了这一趋势。

  咨询公司德勤估计,2017 年,新车成本中约 40% 来自于基于半导体的汽车电子系统,比例相比于 2007 年翻了一番。到 2030 年,这个数字可能会达到 50% 左右。德勤进一步预测,现在每一辆新车上使用的把半导体部件价值可能在 600 美元左右。

  ECU 和软件代码的数量,仅暗示了当今汽车上面与电子器件和软件设计相关的其中一种复杂性。它们之间是如何协同工作的,这一点带来了更多不易被看到的、令人影响不到的复杂性。

  新的安全、舒适、性能和娱乐功能,从商业角度考虑给消费者提供多种选择但结果导致同一款车型会有不同的配置,以及从燃油车和人类驾驶向电动车和 AI 司机转变的趋势,还有为了抵御入侵而需要编写、检查、调试和最后校验的数百万行的新的代码,这些正在发生的事情把汽车变成了带轮子的超级计算机。

  过去的二十年里,车上更多的安全和娱乐功能已经驱动着,让汽车从纯粹的交通工具变成了一个移动的计算中心。不同于满架的服务器和高速的光学连结,ECU 和线束在一辆车的内外都在进行数据通信。你每次去杂货店的时候,都可能有数百万行代码正在工作。

  关于这份源代码,Antinyan 说, 包含 1 千万种状态陈述和 300 万个功能,它们使用了 3000 万代码予以实现。

  每一个 ECU 中内置的软件的数量与类型存在很大差异,这部分取决于 ECU 的计算能力、它控制哪个功能、需要被处理的车内 / 外的信息和通信、以及它们是按照事件还是按照时间被触发,还要一些强制安全标准和其他的监管要求。过去的十年里,更多的 ECU 软件开始被专门用来确保系统运行的质量、可靠、安全。

  采埃孚是全球最大的汽车零部件供应商之一,该公司的软件解决方案 & 全球软件中心副总裁 Nico Hartmann 认为, 用于监测不当的行为并以此确保效果及安全的软件的数量今天正在增加。

  他指出,十年前,一个 ECU 中可能有三分之一的软件是专门用来确保运行质量的,现在这个比例通常是一半以上或者更多,在关键的安全系统中尤其如此。

  沃尔沃的豪华 SUV XC90 上,有大约 110 个 ECU。而一辆沃尔沃汽车最后会使拿哪些 ECU 以及相关的软件,这实际上取决于几个因素。

  和所有车企一样,沃尔沃也会面向不同市场,就一款车推出多种不同的配置。正如 Antinyan 指出的那样, 一个人在瑞士买了一辆沃尔沃汽车,这辆车可能和他在美国能够买到的不一样。

  一款车推向市场,不仅要满足当地监管制度的要求,还要让车主能够就发动机、驱动、安全或者其他的功能方面进行挑选。标准配置、选配的部分和有强制法律要求的部分,还有它们彼此之间是不是能很好的协同工作,这些都会对决定车上 ECU、软件和相关电子器件的确切数量和类型产生影响。

  例如,车企的营销部门与设计和工程部门之间存在着天然的紧张关系。一方面,营销部门想给不同的客户群提供功能众多、类型各异的汽车产品。但另一方面,设计和工程部门更希望控制车辆的配置选择,以此来帮助保持系统的集成、测试、验证工作能够是可控的。每增加一个功能就意味着需要额外的传感器、执行器、ECU 和相匹配的软件,同时还需要做额外的集成工作来确保这些组件可以正常运行。

  咨询公司德勤估计,从研发到投产,一款车的研发预算中的 40% 或者更多将被花在系统集成、测试、验证和最后的校验上。对投产和销售的每款车上正在以及之前使用的电子器件和软件进行追踪,这是一项艰巨的任务。对于整个汽车行业来说,对这种复杂性进行有效管理是一个重要问题。

  同样毫无疑问的是,ECU、传感器和其他电子器件之间作为连接和驱动的部分本身需要很多线束,同时这意味着需要大量人工来把这些线束给安装到车上。数以千计的不同线束让车辆的定制成为可能,而各种物理网络相互连接,控制着车内的信号流。

  车辆的物理电子架构导致在设计网络时要考虑更多的制约因素。很多 ECU 需要靠近与其进行交互的传感器、执行器,例如用在制动系统或者发动机控制的 ECU 就是如此。因此,汽车上那些能连接数千个组件的网络线 根电线 米,重量则可能会超过 68 公斤。

  随着车上 ECU、传感器和相关电子器件数量的增加,减少线束重量并降低复杂性已经成为车企的一个主要目标。

  即使已经在确保所有的电子器件协同工作这件事上花费了大量精力、时间和金钱,但在开始投产前对每一种可能的 ECU 构建组合都进行彻底测试依旧是不太可能的。

  虽然车辆的安全功能往往已经被定义了,但实际上,ECU 构建起来的复杂性更多地体现在舒适性、便利性或者性能功能这些消费者可以选择的地方。某些情况下,由于特定组合的选装配置和功能, 一辆滚动在生产流水线上的新车可能会是这样的新配置的首次测试 。采埃孚的汽车系统产品规划副总裁 Andy Whydell 表示。

  即便是那些已经接受了很多测试的流行的车型,它们上面与软件有关的问题也可能是到售出后,才被发现并得到修正的。有些时候,修正本身还会再需要修正,通用汽车在召回其最畅销的雪佛兰索罗德、2019 款雪佛兰 Sliverado、GMC Sierra 高端皮卡和凯迪拉克 CT6 的时候就发生了这种情况。

  在 Whydell 看来,几乎全部 ECU 的设计和软件都外包给供应商,车企只是根据特定的功能将 ECU 集成为一个统一的系统,这种情况会让多样化管理变得更具挑战性。

  他表示,个别供应商对车企如何把很多 ECU 集成在一起没有特别深入的理解。与此类似,车企们可能对 ECU 中内置的软件了解有限,它们只是把这些 ECU 作为实现娱乐、车身控制、远程信息处理、动力系统或自动驾驶辅助系统等功能的 黑匣子 去使用。

  时任大众汽车 CEO、现任公司董事会主席的 Herbert Diess 于 2020 年发表的言论表明,汽车制造商们自己开发的软件少得可怜,当时,Herbert Diess 承认 几乎没有一行软件代码是我们自己写的。 大众预计,自家汽车上的软件只有 10% 是自研的。剩下的 90% 来自于数十家供应商。据报道,某些车企的软件供应商多达 50 多家。

  软件供应商的数量众多,与此同时他们每一个又都有自己的开发方法、使用自己的操作系统和语言,这显然让事情变得更加复杂了,在进行验证和最后校验的时候尤其如此。

  这一点,在一项由 Strategy Analytics 和 Aurora Labs 对汽车供应链软件开发人员进行的调查中得到了强调。他们问这些软件开发人员一个问题:如果某个 ECU 中的代码变化影响到了其它的 ECU,你们要发现这一点有多难。结果是,约有 37% 的受访者表示这件事是困难的,31% 的受访者认为这非常困难,7% 的受访者表示这件事几乎不可能做到,另外还有 16% 的受访者认为压根不可能做到。

  车企们和他们的供应商正在意识到必须进行更多合作,以对数据配置管理进行更严格的控制,从而防止因为预料之外的 ECU 代码更改导致意外后果。但是他们双方也都承认,目前仍然有很长的路要走。

  当然,除了要确保车上的软件是安全、可靠的,车企还要保证汽车有能力抵御入侵。2015 年,车辆防盗方面的研究人员曾经成功接管了一辆 2014 款 Jeep 自由光,这一事件给行业敲响了警钟。现在,每个供应商和 OEM 都对网络安全落后造成的潜在威胁有了认知。此前有报道称,在通用汽车有 90 名全职工程师负责开发针对网络安全的解决方案。

  然而,倒回十年前, 汽车软件的设计初衷是为了安全。防入侵(防盗)是第二位的, 美国交通部互联多模式出行中心主任、汽车网络安全专家 Mashrur Chowdhury 指出。

  这一点值得人们关注,因为今天还在使用的大部分 ECU 软件是十年或者更早的时候设计的,当时,防入侵还不像现在这么重要。

  更进一步,过去十年车内与车外通讯呈爆炸式增长。在 2008 年,一辆豪华车的 ECU 中估计有 2500 种数据信号进行着交换。

  沃尔沃汽车的 Antinyan 提到,如今沃尔沃的汽车中有 7000 种外部的数据信号连接着 120 个 ECU,内部的数据信号种类则要多上两个数量级。咨询公司麦肯锡则预计这个信息系统每个小时生成的数据将轻松超过 25G。

  Chowdhury 认为,随着出行 app 和云端服务在过去十年呈现出爆炸式的增长,以及车辆本身内置的复杂的电子器件日益增多, 可能受到攻击的部分几乎每天都在增加。

  这一点同样引起了各国政府的注意,他们因此要求车企履行多项与网络安全相关的义务。比如,要求车企配备经过认证的网络安全管理系统(CSMS)。

  此外,车企们还需要有一个软件更新管理系统,以保证软件的 OTA 更新也能得到安全得管理。车企们还被鼓励 维护每辆车和每个汽车 ECU 上的操作软件所产生的数据库,并维护车辆使用周期内有关应用版本更新的历史日志。 这样的档案可以帮助车企快速定位是哪些 ECU 和车型容易受到某些网络漏洞的影响。

  以往,除非是车上的电子器件坏了,否则大多数司机是不太有机会能注意到它们的。然而随着之前十年中汽车电子汽车的增多,司机注意到它们的机会也变多了。

  金融咨询公司 Stout Risius Ross 撰写的 2020 年汽车缺陷及召回报告显示,2019 年美国有 1500 万辆汽车因为电子器件方面的缺陷而被厂家召回,创下了历年以来的最高记录。同时,这其中又有一半与软件方面的问题有关,这也是 Stout 自从 2009 年开始测算以来比例最高的一次。

  最后,有超过 50% 的问题不是由明显的软件缺陷导致的,但是进行软件更新成了其中一种修复措施。

  福特曾召回部分 Fusion 和锐际车型,原因是冷却液有可能流到发动机气缸里,从而导致发动机永久性损坏。该公司的解决方案是重新车辆的动力系统控制软件,以此达到减小冷却液进到发动机气缸可能性的目的。

  Stout 的总经理 Neil Steinkamp 指出, 平均下来,车辆召回的规模已下降,与此同时车辆的平均寿命也在下降。

  车企们正在通过技术手段更快地找到问题所在 ,如果问题和电子器件有关就更是如此。牵涉到软件方面的缺陷通常会发生在新车上,而 ECU 和其他的电子器件出现问题则往往是汽车已经推出一段时间后才会出现。

  Stout 的董事长 Robert Levine 指出,近来相比于提高便利性的部件,与汽车关键安全相关的电子器件出现问题的次数有所增加。例如,自从 2018 年 5 月 1 日之后生产的所有车辆都被强制要求能为驾驶员提供车辆正后方 3 × 6 米的可见区域以来,美国已经发生了一系列与倒车摄像头有关的召回事件。许多车企发现,把复杂的摄像头软件和汽车上其他的安全系统集成到一起是困难的。

  其他的新的安全系统,也不是总能正常运行。美国汽车协会(AAA)的一项针对于 ADAS(能够帮助人类司机进行转向或制动 / 加速的高级驾驶辅助系统)的研究表明,这些系统经常会在驾驶员还没有注意到的时候自动脱离,并立即将车辆的控制权交还给人类司机。其测试结果显示,这种系统平均每 13 公里就会出现某种类型的问题,比如,难以让汽车保持在车道内,或者本车和其他的车辆或护栏又靠得太近了。

  许多车主是在不得不支付维修费用的时候,才意识到他们的汽车正在变得日益复杂。如果一台搭载了高级安全功能的汽车发生了碰撞事故,那么修复损失所花费的人工成本中,会有将近 60% 是因为车辆的电子器件。

  美国汽车协会(AAA)在 2018 年做的一项研究表明,如果一辆汽车在挡风玻璃上安装了摄像头,用于实现 AEB、ACC 和 LDW,那么即便是轻微的损坏(比如挡风玻璃破损),其维修价格也会从之前的 210~220 美元攀升到 1650 美元。校准所有这些系统的费用(通常是人工完成的)构成了主要成本。

  这背后的逻辑在于传感器上发生的很小的校准错误,都会大大降低其安全功能的有效性,现在 供应商开发出了自动标定系统,能够免除或者简化需要人工的部分, 采埃孚的 Whydell 表示,利用这些系统有助于提高标定精度,同时也有助于降低维修成本。

  Whydell 还表示,供应商和车企正在研究如何把车上的传感器挪个位置,把它们从车身周边,重新安装到不太可能在事故时遭受损坏的地方。美国汽车协会(AAA)的报告显示,只是维修后保险杠上的超声波系统(可提供停车辅助),成本就约为 1300 美元。如果是用来做盲点监测和交叉路口警报的后方雷达传感器也被损坏了,那么可能还会产生额外的 2050 美元的维修费。

  随着更多使用电子器件导致的车辆维修成本上升,这已经触达一个临界值——保险公司将事故车辆定为全损(而不是定为部分损坏予以维修)反而会偿付更少保险金。

  保险索赔管理公司米歇尔国际在最近的一份报告中称,他们的数据显示,车辆被定为全损的平均年限正在因车辆电子系统的维修成本持续缩短。他们预计 车辆复杂度不断提高 的趋势,还会延续下去。

  车企们现在还遇到一个特殊困境。根据最新的 J.D.Power 美国车辆可靠性研究,今天的内燃机汽车是 32 年以来最可靠的,和之前比,它们已经变得更舒适、安全,同时污染也更少。然而,为了解决政府和公众对全球气候变化日益增长的担忧,车企们发现自己不得不放弃精心准备的内燃机汽车,转而去支持在未来能具备自动驾驶能力的电动汽车。

  来自采埃孚的 Andy Whydell 观察到,在今天的汽车上, 使用当今架构的软件正在变得难以管理。

  另外一些声音持有相同的看法。咨询公司麦肯锡认为,汽车软件的复杂性正在迅速超过人们开发和维护软件的能力。过去十年间,软件的复杂性增加了四倍,但供应商和车企们软件的生产能力并没有同步提高。麦肯锡预言,未来十年,汽车软件的复杂性可能还会再增加三倍。现在,汽车制造商和供应商们都在努力缩小「研发 - 生产能力之间的鸿沟」。

  实际上,这里的部分问题在于如何支撑起一个能稳定增长的代码库。一家汽车公司的负责人曾对麦肯锡表示,按照目前的速度,如果差距不缩小,那针对现有代码库的软件维护将会消耗软件研发所需要的全部资源。

  Whydell 观察到, 在某些情况下,汽车行业已经不再把总代码行数视为复杂性的衡量标准了,他们开始把车企或供应商为了满足当前和未来需求而雇佣的软件人员的数量(视为衡量的标准)。

  如果情况真的和大众汽车集团董事长 Herbert Diess 说的一样, 汽车未来的创新将有 90% 是因为软件 ,那么缩小「研发 - 生产」之间的差距看起来就特别的艰巨。

  拥有必要的专业软件人员是成功的关键。正如麦肯锡说的那样, 虽然汽车组织必须在许多层面上都要表现突出,才能在软件游戏中取胜,但是吸引和留住顶尖人才可能是其中最关键的一点。

  关于这一点,来自采埃孚的 Whydell 曾承认,怎么样才能雇佣到软件专业人员是让他夜不能寐的原因之一。事实上,这个问题让所有的供应商和 OEM 经理都会觉得头疼。

  虽然反应得有些慢,但车企们已经认识到,很大程度上由于埃隆 · 马斯克和特斯拉提出的 软件定义汽车 的概念,他们目前把必要的软件和电子器件外包给供应商、然后自己再集成到汽车上的方法论不适用于电动汽车。

  汽车媒体 Ward Auto 援引了 Tier 1 大陆集团的研究及高级工程主管 Tamara Snow 的话。Tamara Snow 认为内燃机汽车中使用的分布式 ECU 架构,在功能和复杂性上都 已经到达极限 。在应对完全自动驾驶功能时,这种局限性尤为明显。

  另外的一点是,汽车行业需要新的汽车软件和物理架构来对电池组进行管理,内燃机和与之相关的动力系统已经不能再发挥作用。

  新架构将只包含少数功能强大、速度极快的计算机处理器,这些处理器能执行微服务器驱动的代码,并能够通过更少的线束或者无线的方式在更多传感器之间完成内部通信。汽车外部的通信也会更加重要。采埃孚的 Hartmann 认为,这些新的架构会由车企和供应商们的软件团队以一种成本更低、开发周期更短的方法开发,而为了做到这一点,车企和供应商们需要学习开发软件和系统的新方法。

  在 Manfred Broy 看来,最大的问题可能是企业管理层缺乏足够的专业软件知识,从而导致无法理解所需要的转型。虽然一辆车的硬件复杂性是显而易见的,但 Broy 认为, 更重要的是软件的复杂性(这在很大程度上取决于对于硬件的选择)、尤其是软件的成本,但车企对这些的认知还很模糊,软件能够不断的进化让这件事变得更加关键。

  克莱门森的 Zoran Filipi 则解释说, 一百多年以来,车企一直专注在内燃机的完善上,然后他们把车辆的其余部分外包给供应商,最后再把所有的组件集成到一起去。随着电子器件和软件开始上车,车企也用相同的办法——这些电子器件和软件只是另外一种被集成到车上的 黑匣子 。他表示,现在,OEM 和他们的供应商需要将他们的组织从以硬件优先,转变为软件优先,与此同时需要至少在接下来的十年内使用现有的方法去支持和和改进内燃机汽车。

  前奥迪研发负责人兼董事会成员 Peter Mertens 在最近接受 CleanTechnica 采访时表示, 德国汽车行业把他们最关键的、足以决定生死的新产品——软件,托付给了对软件缺少经验和知识的管理人员。

  明天和大众、奥迪、保时捷、戴姆勒的所有高层管理人员进行一次工作评估,并要求他们编写一个小游戏或者一款简单但是能运行的病毒 , 如果他们做不到,就立刻解雇他们,原因就是他们不适合这份工作。