智能座艙發(fā)展階段和系統(tǒng)架構(gòu)

本文來(lái)自機(jī)械工業(yè)出版社出版的《智慧城市與智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)，融合創(chuàng)新發(fā)展之路》一書(shū)。繼文章《一文詳解智能網(wǎng)聯(lián)發(fā)展階段和關(guān)鍵技術(shù)》、《智能網(wǎng)聯(lián)應(yīng)用場(chǎng)景、應(yīng)用實(shí)踐和發(fā)展趨勢(shì)》、《一文詳解自動(dòng)駕駛關(guān)鍵技術(shù)》、《一文詳解自動(dòng)駕駛應(yīng)用場(chǎng)景和發(fā)展趨勢(shì)》，本篇介紹智能座艙發(fā)展階段和系統(tǒng)架構(gòu)。

座艙一詞由飛機(jī)和船舶行業(yè)引進(jìn)而來(lái)，“艙”指飛機(jī)或船的內(nèi)部空間，艙體則可分為駕駛艙、客艙、貨艙等。而汽車(chē)座艙可以簡(jiǎn)單理解為傳統(tǒng)的駕駛艙和客艙的組合，也就是車(chē)內(nèi)的駕駛和乘坐空間。智能座艙則是隨著智能汽車(chē)而產(chǎn)生的，是指配備了智能化和網(wǎng)聯(lián)化的車(chē)載產(chǎn)品，從而可以與人、路、車(chē)本身進(jìn)行智能交互的座艙，是人車(chē)關(guān)系從工具向伙伴演進(jìn)的重要紐帶和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)[1]。

現(xiàn)階段智能座艙的發(fā)展主要涵蓋座艙內(nèi)飾和座艙電子領(lǐng)域的創(chuàng)新與協(xié)同，從消費(fèi)者應(yīng)用場(chǎng)景角度出發(fā)而構(gòu)建的人機(jī)交互體系，通過(guò)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)與技術(shù)創(chuàng)新，提供更加智能、便捷和舒適的用戶體驗(yàn)。未來(lái)智能座艙的形態(tài)將是“智能移動(dòng)空間”，在5G和車(chē)聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用普及的前提下，汽車(chē)座艙將擺脫僅僅局限于“駕駛”這一單一場(chǎng)景，演變?yōu)榧凹揖?、娛?lè)、工作、社交”為一體的移動(dòng)空間。

（一）智能座艙發(fā)展階段

汽車(chē)座艙由傳統(tǒng)駕駛艙朝著智能化、數(shù)字化方向發(fā)展，根據(jù)汽車(chē)自動(dòng)駕駛分級(jí)，智能座艙的發(fā)展大致可分為電子座艙、智能助理、人機(jī)共駕，以及智能移動(dòng)空間4個(gè)階段，當(dāng)前正處于由智能助理向人機(jī)共駕階段發(fā)展[2]。

1．電子座艙階段

電子座艙階段起步于車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)，最早可追溯1924年的車(chē)載收音機(jī)；隨后，2001年寶馬引入中央顯示屏，中央顯示屏開(kāi)始進(jìn)入汽車(chē)座艙；然后，2006美國(guó)開(kāi)放了民用化的GPS系統(tǒng)，基于觸屏顯示的車(chē)載功能成為推動(dòng)座艙電子化發(fā)展的重要?jiǎng)恿?；此后?018年來(lái)自偉世通和安波福兩個(gè)主流的電子座艙域控制器方案開(kāi)始推向市場(chǎng)。本階段智能座艙的進(jìn)展主要集中在基礎(chǔ)技術(shù)層面，通過(guò)將汽車(chē)的電子信息系統(tǒng)逐步整合，組成“電子座艙域”，并形成系統(tǒng)分層，決定了汽車(chē)新的軟硬件定義方法。

在這個(gè)階段，傳統(tǒng)分散的座艙體系逐步發(fā)展融合成為一個(gè)集合整體，衍生出后續(xù)的多屏聯(lián)動(dòng)、多屏駕駛等復(fù)雜座艙功能，這也催生出座艙域控制器這種域集中式的計(jì)算平臺(tái)。硬件的整合在成本和技術(shù)兩個(gè)方面體現(xiàn)出價(jià)值。首先，集成化的硬件方案可以減少功能復(fù)雜化后帶來(lái)的座艙硬件成本上升。其次，集中式的方案可以統(tǒng)一通信架構(gòu)，降低設(shè)計(jì)難度，并提高技術(shù)效率。

2．智能助理階段

在智能助理階段，生物識(shí)別技術(shù)和人機(jī)交互技術(shù)的加入推動(dòng)了駕駛員監(jiān)控設(shè)備的迭代和車(chē)輛內(nèi)部感知能力的增強(qiáng)。在這個(gè)階段，車(chē)輛設(shè)置了獨(dú)立的感知層并升級(jí)了交互功能，從而使車(chē)輛的環(huán)境感知、決策和控制能力逐漸增強(qiáng)。首先，獨(dú)立感知層的形成使車(chē)輛能夠“感知”并“理解”駕駛員。

智能座艙通過(guò)獨(dú)立感知層，可以獲取車(chē)內(nèi)的視覺(jué)（光學(xué)）數(shù)據(jù)、語(yǔ)音（聲學(xué)）數(shù)據(jù)以及來(lái)自車(chē)輛底盤(pán)和車(chē)身的信息，例如方向盤(pán)、制動(dòng)踏板、油門(mén)踏板、檔位和安全帶等，然后再通過(guò)生物識(shí)別技術(shù)，如人臉識(shí)別和語(yǔ)音識(shí)別，綜合判斷駕乘人的生理狀態(tài)和行為狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員的“理解”。并根據(jù)具體場(chǎng)景，提供“車(chē)對(duì)人”的主動(dòng)交互，減輕駕駛員在駕駛過(guò)程中“人對(duì)車(chē)”的負(fù)擔(dān)，并有效改善交互體驗(yàn)。

其次，交互方式得到了升級(jí)，車(chē)內(nèi)的交互手段不再局限于傳統(tǒng)的“物理按鍵交互”（硬開(kāi)關(guān)），而是發(fā)展到了多種交互方式并存的狀態(tài)，包括“觸屏交互”（軟開(kāi)關(guān)）、“語(yǔ)音交互”和“手勢(shì)交互”等。尤其是隨著自動(dòng)駕駛對(duì)車(chē)內(nèi)視覺(jué)感知要求的不斷提高，基于視覺(jué)的駕駛員監(jiān)控技術(shù)在車(chē)艙內(nèi)得到更加快速的落地應(yīng)用，而這種技術(shù)的普及，大大增強(qiáng)了智能汽車(chē)的感知能力，并推動(dòng)了智能助理的前身——多模交互技術(shù)在智能座艙中的落地實(shí)現(xiàn)。

3．人機(jī)共駕階段

此階段，隨著電子電氣架構(gòu)由采用分布式架構(gòu)的ECU向域控制器過(guò)渡，自動(dòng)駕駛等級(jí)的提高以及車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)的算力增強(qiáng)，ADAS也得到增強(qiáng)。在這些關(guān)鍵因素驅(qū)動(dòng)下，車(chē)輛可在上車(chē)-行駛-下車(chē)的整個(gè)用車(chē)周期中，主動(dòng)感知駕乘人需求，并為駕乘人主動(dòng)提供個(gè)性化、場(chǎng)景化的服務(wù)。

在某些情況下，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)車(chē)內(nèi)外傳感器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，自動(dòng)激活車(chē)輛的功能，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛初步的自主或半自主決策。智能座艙還可對(duì)大量的車(chē)外道路環(huán)境信息進(jìn)行篩選，并結(jié)合車(chē)內(nèi)指令（如目的地選擇）進(jìn)行優(yōu)先級(jí)判定，并將最重要的信息呈現(xiàn)給駕駛員。此外，智能座艙還能基于車(chē)內(nèi)感知系統(tǒng)（Intelligent Video Surveillance ，IVS），監(jiān)測(cè)駕駛員健康狀況與行為，并給予相應(yīng)的提醒。

同時(shí)，隨著座艙域、動(dòng)力域和底盤(pán)域的相互融合，達(dá)到足夠功能安全等級(jí)后，座艙控制域可以直接調(diào)用自動(dòng)駕駛域的駕駛服務(wù)，進(jìn)行車(chē)輛的駕駛控制，實(shí)現(xiàn)人機(jī)共駕新模式。經(jīng)過(guò)對(duì)座艙域系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)和軟硬件的安全升級(jí)，智能助理將彌補(bǔ)“駕駛控制”這個(gè)最后的短板，朝著成為“全能智能助理”的目標(biāo)邁進(jìn)。

在人機(jī)共駕階段，語(yǔ)音控制和手勢(shì)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了突破，車(chē)內(nèi)感知和車(chē)外感知的結(jié)合使得智能汽車(chē)實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛感知精細(xì)化，這一階段的特點(diǎn)是將座艙與自動(dòng)駕駛技術(shù)高度集成，弱化了對(duì)駕駛員的駕駛要求。

4．智能移動(dòng)空間階段

智能移動(dòng)空間階段也稱作第三生活空間階段，該階段座艙與自動(dòng)駕駛技術(shù)高度集成，弱化了對(duì)駕駛員的駕駛要求，而是以用戶為中心，使用場(chǎng)景將更生活化、豐富化，具備娛樂(lè)、生活、信息、互聯(lián)等多方位場(chǎng)景化功能，為用戶提供更加隨心、愉悅、便捷的沉浸式體驗(yàn)。

在這個(gè)階段，將基于車(chē)輛位置，融合信息、娛樂(lè)、訂餐、互聯(lián)等功能，為消費(fèi)者提供更加便捷的體驗(yàn)，包括但不限于提供出行規(guī)劃、主動(dòng)訂餐、智能內(nèi)容推送、影音娛樂(lè)、自動(dòng)停車(chē)+充電+找車(chē)、自動(dòng)付費(fèi)等服務(wù)，在這種環(huán)境下，駕乘人員在車(chē)上就可以體驗(yàn)線上線下的無(wú)縫聯(lián)動(dòng)，享受便利的服務(wù)。此時(shí)，車(chē)輛被視為“第三生活空間”，帶有獨(dú)特的移動(dòng)屬性，它不僅是一個(gè)交通工具，還是一個(gè)具有獨(dú)特功能的生活空間，使消費(fèi)者能夠在移動(dòng)中享受與傳統(tǒng)生活場(chǎng)所相似的便捷和舒適，為消費(fèi)者帶來(lái)更加便利、愉悅的體驗(yàn)，使他們能夠在移動(dòng)的同時(shí)完成各種任務(wù)和享受多樣化的娛樂(lè)與生活體驗(yàn)。

目前智能座艙正處于由智能助理階段向人機(jī)共駕階段發(fā)展。在硬件方面，座艙內(nèi)部的實(shí)體按鍵被簡(jiǎn)化，大屏化、多屏化趨勢(shì)顯著；在軟件方面，語(yǔ)音交互技術(shù)被廣泛應(yīng)用，人臉識(shí)別技術(shù)和手勢(shì)識(shí)別技術(shù)也被嘗試，座艙所能實(shí)現(xiàn)的功能趨于多樣化[3]。隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能座艙將不斷優(yōu)化現(xiàn)有功能，確保用戶數(shù)據(jù)安全以及座艙布局更人性化和合理化，為駕駛員和乘客帶來(lái)更智能、便捷和個(gè)性化的駕乘體驗(yàn)。

（二）智能座艙系統(tǒng)架構(gòu)

智能座艙的系統(tǒng)架構(gòu)主要由底層硬件層、中間軟件層和上層服務(wù)層構(gòu)成[4]，如圖1所示。

圖1?智能座艙系統(tǒng)架構(gòu)圖

底層為硬件層，包括座艙系統(tǒng)所需的硬件組件，如攝像頭、麥克風(fēng)陣列、內(nèi)嵌式存儲(chǔ)器（磁盤(pán)）（Embedded Multi Media Card，EMMC)、內(nèi)存 (Double Data Rate SDRAM，DDR SDRAM)等，這些硬件組件負(fù)責(zé)采集、處理和存儲(chǔ)座艙系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)。

中間層為座艙系統(tǒng)的核心部分，包含系統(tǒng)軟件層和功能軟件層。系統(tǒng)軟件層包括操作駕駛域系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)（Linux SPI）和座艙域系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)（Android SPI），這些系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)底層硬件的管理和控制，以及與上層系統(tǒng)的交互。

功能軟件層包括感知軟件、控制模型、決策中心、車(chē)機(jī)服務(wù)，其中感知軟件包括與智能駕駛公用部分的感知軟件和智能座艙自身域的感知軟件等，用于從車(chē)輛和座艙的傳感器數(shù)據(jù)中提取、分析和處理有效信息；控制模型則基于感知的信息執(zhí)行相應(yīng)的控制策略；決策中心可通過(guò)感知SDK建立場(chǎng)景SDK進(jìn)而開(kāi)展對(duì)應(yīng)的智能決策；車(chē)機(jī)服務(wù)包括系統(tǒng)控制、車(chē)身控制、數(shù)據(jù)服務(wù)、OTA、底盤(pán)狀態(tài)及車(chē)身數(shù)據(jù)等內(nèi)容。

上層為服務(wù)層，這一層提供了與用戶交互和服務(wù)的接口，包含啟用攝像頭人臉識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、數(shù)據(jù)服務(wù)、場(chǎng)景網(wǎng)關(guān)、賬號(hào)鑒權(quán)功能等，這些服務(wù)通過(guò)與用戶的互動(dòng)，提供個(gè)性化和智能化的座艙體驗(yàn)。

右側(cè)支撐層是支撐軟件的快速開(kāi)發(fā)工具，也稱成長(zhǎng)平臺(tái)，它提供了開(kāi)發(fā)、測(cè)試、部署和管理座艙系統(tǒng)的工具和環(huán)境，用于加速軟件的開(kāi)發(fā)和迭代。這種系統(tǒng)架構(gòu)使得智能座艙能夠有效集成和管理座艙內(nèi)各種硬件設(shè)備和軟件功能，并提供豐富的體驗(yàn)和服務(wù)選項(xiàng)。同時(shí)，底層硬件、中間層軟件和上層服務(wù)之間的分層關(guān)系也使得系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)更加靈活。

參考文獻(xiàn)

[1] 億歐智庫(kù).2019汽車(chē)智能座艙產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告[N].2020,01.[2] 地平線.2019年智能座艙發(fā)展趨勢(shì)白皮書(shū)[N].2019,12.[3] 郁淑聰,孟健,張渤.淺談汽車(chē)智能座艙發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)[J].時(shí)代汽車(chē),2021(05):10-11.[4] 智能交通技術(shù).智能座艙架構(gòu)與功能開(kāi)發(fā)流程詳解[EB/OL].2021,10.?https://blog.csdn.net/weixin_55366265/article/details/120775964

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吳冬升 博士