Bez Ethernetu auta autonomiczne nie mają przyszłości

Kilkanaście lat temu auta autonomiczne były postrzegane wyłącznie jako technologia rodem z filmów z gatunku science fiction i nikt nie wierzył, że kiedykolwiek uda się je w rzeczywistości zbudować. Z kolei kiedy skonstruowano pierwsze tego rodzaju samochody i zaczęto je testować, sceptycznie podchodzono do możliwości dopuszczenia ich do użytku na drogach publicznych. Nie brakowało głosów, że najprawdopodobniej nigdy do tego nie dojdzie, a nawet optymiści twierdzili, że nie stanie się to szybko - spodziewano się, że technologia pojazdów autonomicznych będzie się rozwijać przynajmniej przez kolejnych 15-20 lat. Ze względu na ich ogromny potencjał można mieć jednak nadzieję, że prognozy te się nie sprawdzą i auta tego typu wyjadą na ulice szybciej. Przyczynią się do tego na pewno gigantyczne środki finansowe oraz zasoby ludzkie, które są inwestowane oraz angażowane w ich rozwój.

Zalety pojazdów autonomicznych...

Ogromne zainteresowanie, jakie wzbudzają samochody autonomiczne, nie wynika wyłącznie z faktu niezwykłości tego rozwiązania - przemawiają za nimi przede wszystkim liczne konkretne korzyści, w tym ekonomiczne, dla środowiska oraz społeczne. Jeżeli chodzi o te ostatnie, oczekuje się m.in., że auta tego typu stworzą wiele nowych możliwości dla osób starszych oraz niepełnosprawnych, korzystając z nich, zyskają one bowiem swobodę przemieszczania się. To z kolei pozwoli im na większą samodzielność w życiu codziennym oraz ułatwi utrzymanie się na rynku pracy albo wejście na niego osobom, które do tej pory w nim nie uczestniczyły z powodu ograniczeń zdrowotnych uniemożliwiających prowadzenie auta.

Przewiduje się, że dzięki pojazdom autonomicznym ruch na drogach będzie się odbywał płynniej. To oznacza, że czas spędzany przez kierowców na prowadzeniu samochodu znacząco się skróci - według niektórych szacunków nawet o prawie godzinę dziennie. W efekcie ograniczy to zużycie paliwa. To natomiast przełoży się na oszczędności w wydatkach na nie oraz zmniejszenie emisji szkodliwych substancji towarzyszących jego spalaniu.

...i obawy z nimi związane

Największą przeszkodą na drodze do upowszechnienia się pojazdów autonomicznych jest niepokój ich przyszłych potencjalnych użytkowników o bezpieczeństwo, własne i innych użytkowników dróg. Wynika to przede wszystkim z braku zaufania do maszyn oraz lęku przed przejęciem kontroli nad samochodem przez komputer pokładowy albo, za jego pośrednictwem, przez hakerów, którym udało się złamać jego zabezpieczenia.

Strach jest głęboko zakorzeniony w naszej świadomości wskutek licznych przykładów takich sytuacji przedstawionych w filmach i literaturze. Nie bez znaczenia są także ostatnio nagłaśniane przypadki cyberataków na obiekty przemysłowe, które uwidaczniają skalę zagrożenia, zdalnych ataków na komputery pokładowe "zwykłych" aut czy kolejne doniesienia o odkryciu przez specjalistów luk w ich zabezpieczeniach.

W rezultacie, chociaż według Światowej Organizacji Zdrowia codziennie w wypadkach drogowych na całym świecie ginie prawie 3700 osób, rzadko mówi się o nich szerzej niż lokalnie, a i to głównie w przypadkach szczególnie dramatycznych, tymczasem każde tego typu zdarzenie, w którym udział wzięły pojazdy autonomiczne, jest natychmiast bardzo obszernie relacjonowane nie tylko lokalnie, ale i przez media na całym świecie. Jako przykłady wymienić można wypadki samochodów Tesli, które poruszały się w trybie autopilota, czy autonomicznego auta Ubera.

Automaty wyeliminują błędy ludzkie

Tego rodzaju pojedyncze tragiczne zdarzenia sprawiają, że w niepamięć odchodzą statystyki, które przemawiają na korzyść aut autonomicznych. Przykładem są wnioski, które zostały przedstawione w raporcie przygotowanym przez amerykański urząd NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration). W opracowaniu tym stwierdzono, że w pierwszym roku od wprowadzenia przez firmę Tesla funkcji autopilota pozwalającej na jazdę w trybie autonomicznym liczba wypadków z samochodami tej marki spadła aż o 40%!

Kolejny przykład to szacunki Departamentu Transportu Stanów Zjednoczonych, według których upowszechnienie pojazdów autonomicznych może zmniejszyć liczbę ofiar śmiertelnych wypadków drogowych aż o 94%. Taki bowiem ich procent jest spowodowany błędami ludzkimi.

Aby te przewidywania się sprawdziły, dzięki czemu kierowcy, pasażerowie, rowerzyści i piesi będą się czuli na drogach tak bezpiecznie, jak nigdy dotąd, koniecznie trzeba wyeliminować zagrożenia, które zostały wymienione wcześniej jako hamulce popularyzacji aut autonomicznych. Przed ich konstruktorami stoi zatem zadanie, żeby (zakładając, że pomimo szybkich postępów w dziedzinie sztucznej inteligencji bunt maszyn jest jednak najmniej prawdopodobny) zabezpieczyli je przede wszystkim przed ingerencją osób trzecich oraz zagwarantowali ich niezawodne działanie.

Główne komponenty systemu autonomii jazdy

Systemy autonomicznych autopilotów mają zastępować kierowców, w związku z czym ich główne komponenty można przedstawić przez analogię do człowieka. Procesor stanowi w takim przypadku odpowiednik ludzkiego mózgu i realizuje program, w którym zaimplementowane zostały algorytmy sztucznej inteligencji. Analizują one otoczenie samochodu i sytuację na drodze i na tej podstawie dobierają parametry jazdy. Odpowiednikiem zmysłów są czujniki, natomiast systemu nerwowego - sieć pokładowa IVN (In-Vehicle Network).

Autonomia jazdy może być zapewniona na kilku poziomach. Od tego zależy stopień komplikacji algorytmów sterowania autem, a więc wymagania względem mocy obliczeniowej procesora, liczby sensorów oraz ich rozdzielczości.

"Proste" systemy ADAS (Advanced- Driver Assistance Systems), sklasyfikowane na poziomach 1-3, korzystają typowo z "zaledwie" kilku kamer o średniej rozdzielczości oraz większej liczby innych czujników, na przykład radarowych, oraz kontrolera. Analizując ich wskazania, moduł ten wspiera kierowców podczas hamowania, parkowania i wykonywania prostszych manewrów.

W porównaniu z nimi samochody autonomiczne, sklasyfikowane na wyższych poziomach (4 i 5), których system sterowania składać się będzie z co najmniej kilku podsystemów współpracujących z nawet kilkudziesięcioma kamerami o dużej rozdzielczości i innymi czujnikami, będą naszpikowane elektroniką. Dzięki temu stanowić będą w zasadzie mobilne centra danych.

Przepustowość sieci IVN

Konsekwencją powyższego będą bardzo wysokie wymagania pod względem przepustowości sieci pokładowej. Najlepiej można to wyjaśnić na przykładzie kamer. Tabela 1 pokazuje, jak zwiększanie ich rozdzielczości oraz głębi kolorów, czyli liczby bitów na piksel, wpływa na wymaganą przepustowość sieci.

Z zestawienia wynika, że wraz z ewolucją parametrów kamer od rozdzielczości 720 p przez 1080 p po 4 k i głębi kolorów od 8 przez 16 do nawet 24 bitów wymagana przepustowość sieci sukcesywnie się zwiększa - podczas gdy przy słabszej jakości obrazu wystarczy 1 Gb/s, im jest lepsza, nawet 10 Gb/s wydaje się wartością niewystarczającą. Potrzeby w tym zakresie rosną również z jeszcze jednego powodu.

W przypadku czujników, które rejestrują ogromne ilości danych, jak właśnie kamery czy sensory radarowe (lidarowe), w celu zmniejszenia ich strumienia wyjściowego wbudowuje się w nie układy wstępnego przetwarzania danych. W przypadku pojazdów autonomicznych od takiego rozwiązania jednak się odchodzi. Składa się na to kilka powodów.

Przede wszystkim to zastosowanie wymaga, by ograniczyć wszelkie opóźnienia, natomiast wstępna obróbka i wykorzystywane przez układy tego typu algorytmy kompresji danych niestety znacznie je zwiększają. Kompresja przyczynia się oprócz tego do pogorszenia jakości obrazów. To z kolei może prowadzić do podejmowania przez system autopilota błędnych decyzji w oparciu o niedokładne informacje o sytuacji na drodze.

Komunikacja też zwiększa ruch w sieciach IVN

Poza tym, ze względu na trudne warunki, na jakie sensory są narażone wewnątrz aut (ekstremalne temperatury, silne wibracje), niepożądane jest, żeby ich częścią były układy, które nagrzewając się, utrudniałyby ich chłodzenie. To z kolei negatywnie wpływałoby na ich niezawodność i dokładność. Ponadto dodatkowa funkcjonalność zwiększa koszt czujników. To jest niepożądane ze względu na to, że wraz z udoskonalaniem systemów autopilotów różnego typu sensorów na pokładzie pojazdów autonomicznych będzie z pewnością jeszcze przybywać.

Należy oprócz tego pamiętać, że nie tylko czujniki będą źródłem zwiększonego ruchu w sieciach pokładowych. Duży wkład w niego będą też wnosiły systemy komunikacji, na przykład pomiędzy autami (Vehicle to Vehice, V2V) czy pomiędzy samochodami a chmurą. Obecnie ruch sieciowy generowany przez nie już sięga 1 Gb/s, a w samochodach całkowicie autonomicznych z pewnością przekroczy kilka Gb/s.

Redundancja i bezpieczeństwo

Wspomniana wcześniej niezawodność, będąca cechą mogącą przekonać do aut autonomicznych wszystkich wobec nich sceptycznych, wymaga, oprócz odpowiedniej przepustowości, zapewnienia redundancji. Wymóg ten dotyczy zarówno nadmiarowości rozumianej jako wyposażenie pojazdu w zapasowe komponenty systemów sterowania (jednostki centralne, czujniki, moduły komunikacyjne), jak i w zakresie przesyłu danych, sprzętowo oraz programowo, w tym obsługi alternatywnych tras transmisji danych.

Kolejny wymieniony wcześniej wymóg to bezpieczeństwo transmisji. Zapewnienie go przynajmniej na podstawowym poziomie wymusi implementację algorytmów szyfrowania danych i rozwiązań, które uniemożliwią przeprowadzenie ataków typu man in the middle (kluczy publicznych).

Czym jest Ethernet samochodowy?

Chociaż pod uwagę brane są różne standardy komunikacyjne, w tym nowe, powstałe na przestrzeni ostatnich lat specjalnie z myślą o komunikacji w obrębie pojazdów autonomicznych, opisane wyżej wymagania i względy praktyczne (w komunikacji in-vehicle bowiem najlepiej sprawdzą się sieci o otwartej architekturze, skalowalne i rozwojowe) sprawiają, że najpoważniejszym kandydatem do realizacji sieci IVN jest Ethernet, a dokładnie jego odmiana - Ethernet samochodowy.

Tytułowy termin jest nazwą zbiorczą wszystkich sieci wykorzystywanych w komunikacji pomiędzy podsystemami wewnątrz aut opartych na technologii Ethernetu. Do tej kategorii zaliczane są m.in. dwa standardy: BroadR-Reach (OPEN Alliance BroadR-Reach) oraz 100Base-T1 (IEEE 802.3bw). W obu "klasyczny" Ethernet został zmodyfikowany w celu dostosowania do wymagań komunikacji in-vehicle. Mimo wynikających z tego podobieństw występują między nimi również różnice. Choć nie są znaczące i nie ma ich wiele, warto się w nich orientować.

Podobieństwa i różnice

W BroadR-Reach, który zapewnia transmisję w trybie full duplex przy prędkości 100 Mb/s skrętką dwuprzewodową, modyfikacje wprowadzono tylko na poziomie warstwy fizycznej, zaś w warstwie MAC jest identyczny z IEEE 802.3. Przy prędkości transmisji 100 Mb/s standard BroadR-Reach najlepiej sprawdza się w pasywnych funkcjach systemów wspomagania kierowcy, jak na przykład LDW (Lane Departure Warning), która ostrzega przed zjechaniem z pasa drogi, niewymagających bezstratnego przesyłu wideo. Innym ważnym segmentem jego zastosowań są systemy rozrywkowo-informacyjne - BroadR-Reach jest rozwiązaniem tańszym niż MOST (Media Oriented Systems Transport) i LVDS. Przewaga tego standardu Ethernetu samochodowego nad tym ostatnim wynika także stąd, że wykorzystuje się w nim znacznie lżejsze kable. Każda oszczędność pod tym względem jest w przypadku wyposażenia aut bardzo korzystna.

W standardzie 100Base-T1 (przyrostek T1 został dodany dla odróżnienia od 100Base-T) inaczej niż w BroadRReach w podwarstwie PMA (Physical Medium Attachment) zdefiniowano testy dla wartości maksymalnej parametru Transmit Peak Diff erential Output. W specyfikacji opracowanej przez OPEN Alliance BroadR-Reach parametru tego natomiast w ogóle nie zdefiniowano. Druga różnica dotyczy wymagań czasowych dla poleceń wake-up, krótszych w przypadku 100Base-T1.

Podsumowanie

Warto na koniec dodać, że standardy BroadR-Reach oraz 100Base-T1 są interoperacyjne. Można by przy okazji również zapytać, po co IEEE stworzyło swoją wersję Ethernetu samochodowego, tak bardzo zbliżoną do BroadR-Reach. Można domniemywać, że główną zachętą był potencjał rynku pojazdów autonomicznych, na którym również ta organizacja standaryzacyjna pragnęła zaznaczyć swoją obecność. Który z przedstawionych standardów, a może zamiast nich nowa wersja Ethernetu samochodowego, która dopiero powstanie, zdominuje rynek pojazdów autonomicznych, pokaże czas.

Monika Jaworowska
źródła zdjęć: Volvo, Waymo