??大部分汽車(chē)創(chuàng )新和特性相關(guān)新聞中都開(kāi)始提及全球三大趨勢——汽車(chē)的互聯(lián)化、電氣化和自動(dòng)化。這三大趨勢塑造著(zhù)當前大環(huán)境，在創(chuàng )新和財務(wù)回報方面為企業(yè)提供了千載難逢的機遇，更重要的是，這些趨勢還創(chuàng )造了一項重大的使命——
??類(lèi)似最初在瑞典提出的“Vision Zero”等項目旨在減少因交通事故造成的傷亡，并在全球多個(gè)轄區作為一種模式進(jìn)行推廣。另一個(gè)類(lèi)似的項目是由美國國家安全委員會(huì )提出的“Road To Zero”，旨在將每年130萬(wàn)的道路交通死亡人數降至零。
??互聯(lián)化和自動(dòng)化技術(shù)為保障安全無(wú)憂(yōu)出行奠定了基礎 (National Safety Council, 2018)。
一、汽車(chē)安全的技術(shù)挑戰
??讓車(chē)輛成為“車(chē)輪上的服務(wù)器”，這不僅關(guān)系到新型車(chē)輛的車(chē)載計算水平，而且還關(guān)系到車(chē)輛與車(chē)輛外部各種系統間的連接。最基本的系統之一就是全球導航衛星系統(GNSS)，包括GPS定位、DSRC或基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的車(chē)輛對車(chē)輛(V2V)和車(chē)輛對基礎設施(V2I)技術(shù)，它們允許車(chē)輛與其他車(chē)輛和基礎設施通信，如用于狀況感知的交通信號燈以及用于信息娛樂(lè )的數據連接。互聯(lián)性對于軟件維護和更新也十分重要。美國的普通駕駛員平均每天在車(chē)里待1個(gè)小時(shí) (AAA Foundation for Traffic Safety, 2019)，在車(chē)里的大部分時(shí)間里，互聯(lián)性對于提供娛樂(lè )和效用來(lái)說(shuō)必不可少。
? 一個(gè)安全的系統需要可靠的設備，以防因設備故障發(fā)生事故；需要功能安全，以防因系統故障導致事故；還需要安全防護，以防因系統遭到黑客攻擊發(fā)生事故。這些功能的有機結合有效防范了人為錯誤，從而提高了車(chē)輛的總體安全性。??
? ??安全防護對于互聯(lián)車(chē)輛和自動(dòng)駕駛車(chē)輛來(lái)說(shuō)不可或缺，否則其功能安全性就會(huì )受到損害。自2015年以來(lái)，已發(fā)生超過(guò)25起車(chē)輛黑客事故，最嚴重的一次公開(kāi)事故影響了140萬(wàn)輛汽車(chē) (Drozhzhin, 2015)。到2030年，汽車(chē)所產(chǎn)生數據估值將達到7500億美元 (McKinsey & Company, 2016)。汽車(chē)系統十分復雜，每輛車(chē)有100多個(gè)ECU和1億多行代碼，高復雜性可能會(huì )造成更多無(wú)法預見(jiàn)的漏洞，就像大規模召回的情況一樣。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)接口的廣泛應用，允許不對車(chē)輛進(jìn)行物理訪(fǎng)問(wèn)即可修復安全漏洞。
??與其他非汽車(chē)應用的安全嵌入式電子系統類(lèi)似，業(yè)內通過(guò)在汽車(chē)設計中采用先進(jìn)的核心安全原則來(lái)解決這些安全性挑戰。? 汽車(chē)的外部接口不但需要抵御物理攻擊，還需要保持通信的完整性和保密性。這就需要安全的域隔離，并且系統也需要能夠抵御邏輯攻擊。車(chē)輛內部通信，以及各種ECU和汽車(chē)MCU的軟件操作，都需要得到保障。? 需要車(chē)輛網(wǎng)關(guān)來(lái)安全可靠地互連和處理這些異構車(chē)載網(wǎng)絡(luò )中的數據。? 網(wǎng)關(guān)提供物理隔離和協(xié)議轉換，用于在功能域（動(dòng)力傳動(dòng)、底盤(pán)與安全系統、車(chē)身控制、信息娛樂(lè )、遠程信息處理、ADAS）之間路由數據。功能域通過(guò)共享數據實(shí)現新功能。通過(guò)網(wǎng)關(guān)，工程師可設計出更穩健、功能性更強的車(chē)載網(wǎng)絡(luò )，從而增強駕駛體驗 (Simacsek, 2019)。
??車(chē)輛制造商(OEM)積極致力于研發(fā)新功能，以期從競爭中脫穎而出。自動(dòng)駕駛需要安全連接和功能域ECU之間的高帶寬通信，因此要想實(shí)現自動(dòng)駕駛，網(wǎng)關(guān)必不可少。? 網(wǎng)關(guān)作為車(chē)載網(wǎng)絡(luò )的核心，也非常適合用來(lái)支持全車(chē)范圍的應用，如無(wú)線(xiàn)(OTA)更新和車(chē)輛數據分析，以及與OEM服務(wù)器（云）的安全通信。
? ??機器學(xué)習(ML)技術(shù)在自動(dòng)駕駛系統中的應用創(chuàng )造了其他潛在的攻擊手段。系統需要能夠避免機器學(xué)習模型可能被盜的情況，或者提供識別被盜機器學(xué)習模型的方法。系統需要防止用戶(hù)生物識別信息等與隱私相關(guān)的信息丟失，如果車(chē)輛具有用戶(hù)識別功能，那就可以用對抗性的方法保護系統免受這些系統的欺騙。機器學(xué)習還可以通過(guò)檢測異常情況來(lái)防范這些攻擊，或用于建立更強大的防御機制。
二、汽車(chē)安全的標準考量
??安全性是一種法律責任，因此對于汽車(chē)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。用戶(hù)需要能夠相信他們的車(chē)輛會(huì )做它應該做的事情。安全性還可以實(shí)現平臺合并和系統一致性。隨著(zhù)自動(dòng)化等級超過(guò)SAE 2級(L2)，持續監控駕駛環(huán)境的責任也從人類(lèi)駕駛員轉移到了自動(dòng)駕駛系統。?
??傳統的汽車(chē)安全，如ISO 26262等標準的功能安全定義，根據風(fēng)險的嚴重性、暴露率和可控性提供汽車(chē)安全完整性等級(ASIL)。這項標準還定義了V開(kāi)發(fā)模型，要求完全指定組件特性及其相應的規范和可追蹤性，按照其規范所做的修改也應可檢測。利用數據庫訓練機器學(xué)習模型，累積的訓練會(huì )違背初始時(shí)組件特性均已指定的假設。此外，自動(dòng)駕駛系統利用機器學(xué)習時(shí)，將軟件組件的層級架構實(shí)施成端到端的解決方案，這違背了ISO 26262標準的模塊化方案 (Salay & Czarnecki, 2018)。?
??自動(dòng)駕駛系統的安全性不僅要注重傳統的功能安全性，還要考慮行為安全性。作為駕駛策略的一部分，自動(dòng)駕駛系統需要學(xué)習與非自動(dòng)車(chē)輛和行人交互。它們需要學(xué)習預測其他參與方的行為，還需要預測危險和安全關(guān)鍵的情況，即便是邊緣情況也不例外。自動(dòng)駕駛系統需要防范周?chē)鷦?dòng)態(tài)環(huán)境可能帶來(lái)的風(fēng)險，即使是在硬件或軟件無(wú)故障的情況下。
??汽車(chē)安全專(zhuān)家正在開(kāi)發(fā)ISO/PAS 21448標準，即預期功能安全(SOTIF)，用于涵蓋ISO 26262未涉及的場(chǎng)景。對于某些場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，為開(kāi)發(fā)ISO/PAS 21448 SOTIF所進(jìn)行的大量工作并未有效覆蓋邊緣情況以及不安全的未知條件。對于自動(dòng)駕駛市場(chǎng)的其他場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，這項標準可能會(huì )限制或扼殺創(chuàng )新，特別是它關(guān)系到自動(dòng)駕駛領(lǐng)域機器學(xué)習的使用。
三、實(shí)現自動(dòng)駕駛的安全
為了實(shí)現安全無(wú)憂(yōu)的自動(dòng)駕駛，系統需要具備以下特性：?
可靠：超低故障率（汽車(chē)級品質(zhì)）
安全：強大的故障檢測能力(ISO 26262 ASIL D)
可用：正確操作準備就緒（能夠區分安全相關(guān)和非安全相關(guān)的故障）
容錯：即便在發(fā)生故障時(shí)，也可以繼續操作（降低性能/功能，僅可繼續操作重要功能）
? SAE自動(dòng)駕駛分類(lèi)較低級別中的大部分輔助功能都是“故障防護”系統，這意味著(zhù)一旦發(fā)生故障，系統將會(huì )進(jìn)入安全模式。在L0、L1自動(dòng)駕駛功能的情況下，系統依靠駕駛員對車(chē)輛繼續進(jìn)行安全操作。在當前的L2和L3系統中，我們期望系統能夠具備更高級的可用性，能夠識別故障并以降低性能的模式繼續運行，僅在部分情況下依賴(lài)駕駛員。預計L4和L5系統將可以在發(fā)生故障后繼續運行，這意味著(zhù)當系統檢測到故障后，系統內置足夠的冗余來(lái)容錯，以便繼續全面運行足夠長(cháng)的時(shí)間，直到系統將車(chē)輛恢復到安全狀態(tài)。?
??當出現故障時(shí)，切換到人類(lèi)駕駛員是L0至L3系統的一個(gè)關(guān)鍵部分。要實(shí)現從自動(dòng)駕駛系統到人類(lèi)駕駛員的切換，需要進(jìn)行大量研究工作。Eriksson和Stanton的研究發(fā)現，在非緊急情況下，完成切換所需時(shí)間從2至26秒不等，如果駕駛員收到切換請求時(shí)正在進(jìn)行其他任務(wù)，所需的時(shí)間會(huì )更長(cháng)。請記住，車(chē)輛在高速公路上自動(dòng)駕駛時(shí)，高速行駛下的速度超過(guò)每秒25米。在最快的反應時(shí)間下，車(chē)輛需要行駛半個(gè)足球場(chǎng)的路程才能完成切換，在最慢的反應時(shí)間下，車(chē)輛則需要行駛將近6個(gè)足球場(chǎng)的路程才能完成切換。在緊急情況下，駕駛員的反應會(huì )比較慢，并且人類(lèi)駕駛員可能會(huì )做出錯誤的決策，造成交通事故 (Eriksson & Stanton, 2017)。基于這種情況，恩智浦認為實(shí)現安全無(wú)憂(yōu)出行需要L2甚至更高級的自動(dòng)駕駛系統，才能使其在發(fā)生故障后繼續運行，至少能夠安全停車(chē)。
??當爭論被表述為安全的自動(dòng)駕駛系統要始終遵守交通規則時(shí)，我們在現實(shí)世界中卻會(huì )觀(guān)察到與嚴格的規則相應、有時(shí)候甚至是相反的某些場(chǎng)景，存在社會(huì )規范可以使大多數復雜的系統進(jìn)行更高效的運作。這些社會(huì )規范允許在某些情況下違反交通規則，比如在即將駛入車(chē)道時(shí)，繞過(guò)拋錨車(chē)輛或被攔下的車(chē)輛。有時(shí)，違反交通規則并不是故意為之，而是避免交通事故的必要措施。自動(dòng)駕駛系統需要配有決策矩陣，從而選擇可接受的違反交通規則的方式，以實(shí)現更安全、高效的駕駛。
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自動(dòng)駕駛汽車(chē)需要確保采取的任何措施都不會(huì )危及生命安全。這給安全工程師驗證車(chē)輛安全性帶來(lái)了很大的壓力，然而并沒(méi)有令人滿(mǎn)意的方法來(lái)驗證自動(dòng)駕駛汽車(chē)永遠安全運行。?
自動(dòng)駕駛系統架構分為兩個(gè)功能域：
1)?建模域，對環(huán)境進(jìn)行監控和建模；
2)?規劃域，用于制定行為策略和規劃，并進(jìn)行路徑選擇。
系統分為兩個(gè)功能域，每個(gè)功能域由多種設備組成，使其具有更優(yōu)的可擴展性和異質(zhì)性，每個(gè)功能域還可根據特定的應用要求提供高效的計算架構匹配。如果不了解系統的決策機制，那就無(wú)法保證其安全性。這就是大型端到端系統處理感知和規劃時(shí)所涉及的問(wèn)題。配有接收傳感器輸入和提供驅動(dòng)指令輸出的封閉式黑盒方法很難進(jìn)行驗證和調試，而且也很難擴展到新的算法、傳感器解決方案和計算。
??世界上大多數汽車(chē)制造商都在研發(fā)自動(dòng)駕駛技術(shù)，到2050年，自動(dòng)駕駛市場(chǎng)估值將達到7萬(wàn)億美元。安全性和防護性是輔助駕駛和自動(dòng)駕駛系統成功為消費者部署并采用的基石。
??恩智浦認為ISO 26262和ISO/PAS 21448(SOTIF)在定義安全自動(dòng)駕駛系統方面互為補充且不可或缺。ISO 26262可解決因電子系統故障造成的安全風(fēng)險，ISO/PAS 21448 SOTIF為設計驗證和確認任務(wù)提供指導，以檢測因定義或設計缺陷導致的功能行為故障。
??能夠放松身心、處理郵件或看看喜歡的節目，而不是真正的開(kāi)車(chē)上下班，這是某些駕駛員夢(mèng)想的便利場(chǎng)景。我們真正的目標是確保您通過(guò)安全連接充分享受這些功能，同時(shí)通過(guò)系統內置的安全無(wú)憂(yōu)出行技術(shù)為您和周?chē)鸟{駛員提供更高的安全性。
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