Digitalizacja kluczem do rozwiązania problemów związanych z rozwojem pojazdów autonomicznych 

Rynek motoryzacyjny przechodzi transformację. Nowe technologie, wymagania konsumentów, presja środowiska i inne czynniki powodują, że trwa wyścig o odkrycie na nowo osobistych doświadczeń związanych z prowadzeniem samochodu, czyniąc je bardziej komfortowymi, wygodnymi, bezpiecznymi i zrównoważonymi. W miarę wzrostu apetytu na zaawansowane technologicznie pojazdy, a zwłaszcza w miarę jak pojazdy autonomiczne (AV) stają się coraz bardziej rzeczywistością, zmienia się charakter ich rozwoju. Te zaawansowane pojazdy są definiowane przez oprogramowanie i elementy elektroniczne, które umożliwiają korzystanie z zaawansowanych funkcji, pożądanych przez współczesnych konsumentów. Przejście w kierunku pojazdów definiowanych programowo spowodowało gwałtowny wzrost ich złożoności – stają się one coraz bardziej inteligentne i połączone. Wraz z upowszechnianiem się funkcji autonomicznej jazdy i dążeniem do stworzenia w pełni samojezdnych pojazdów, złożoność pojazdów będzie rosła.

Systemy AV zwiększają złożoność

Aby osiągnąć prawdziwą zdolność do samodzielnej jazdy, pojazdy AV będą wymagały kombinacji zaawansowanych technologii i dziedzin inżynieryjnych. To właśnie połączenie technologii i dyscyplin inżynieryjnych powoduje tak ogromną złożoność. Obejmuje to układy mechaniczne, elektryczne i elektroniczne, a także wbudowane oprogramowanie, sztuczną inteligencję i uczenie maszynowe oraz sieci komunikacyjne, które współpracują ze sobą, aby zapewnić funkcjonalność jazdy autonomicznej. W pojeździe AV domeny te przenikają się w większym stopniu niż dotychczas, co sprawia, że żaden układ w pojeździe nie jest naprawdę niezależny.

Dostępne obecnie funkcje ADAS stanowią zapowiedź złożoności, jakiej możemy się spodziewać w prawdziwym pojeździe AV (rysunek 1). Na przykład, układ utrzymywania pojazdu na pasie ruchu wymaga czujników, procesorów i oprogramowania do odbioru linii drogi i obliczania trajektorii pojazdu przed aktywacją elementów mechatronicznych w układzie kierowniczym w celu przejęcia kontroli nad pojazdem. Jednak nawet najbardziej zaawansowane układy ADAS dostępne obecnie osiągają jedynie 3. poziom zdolności do samodzielnej jazdy. Przeskok na 4. poziom stanowi istotną zmianę w rozwoju koncepcji AV; na 4. poziomie kontrola nad pojazdem wyklucza człowieka i spoczywa całkowicie na maszynie. Podczas gdy układ 3. poziomu może wymagać od kierowcy przejęcia kontroli w pewnych okolicznościach, układ 4. poziomu musi zawsze sprawować pełną kontrolę nad pojazdem, ale tylko w określonych warunkach operacyjnych.

Dalszy postęp na drodze do pełnej autonomii będzie zależał od dojrzałości kilku kluczowych technologii. Czujniki wizyjne, takie jak kamery i układy LiDAR, muszą być w stanie dokładnie rozpoznawać inne pojazdy, pieszych i wiele innych obiektów w różnych warunkach pogodowych i oświetleniowych. Zapewnienie niezawodnego działania tych czujników w niekorzystnych warunkach to ważny krok w kierunku pojazdów 4. poziomu. Następnie należało będzie znacznie zwiększyć pokładową moc obliczeniową, aby móc przetwarzać ogromne ilości danych z czujników w czasie zbliżonym do rzeczywistego. Oprócz zwiększenia mocy obliczeniowej, stały rozwój AI i ML może pomóc pojazdom w wydajniejszym i szybszym przetwarzaniu danych. Wreszcie, komunikacja między pojazdami, między pojazdami a infrastrukturą oraz między pojazdami a chmurą będzie musiała się bardziej upowszechnić, aby pojazdy AV mogły działać jako system, a nie pojedyncze jednostki.

Nieodłącznym wyzwaniem jest to, że w miarę dojrzewania tych technologii i zbliżania się branży do pojazdów AV 4. i 5. poziomu, złożoność pojazdu rośnie we wszystkich dziedzinach: sprzęcie, oprogramowaniu, mechanice, elektryce i sieci. Pojazd AV 5. poziomu zastępuje wszystkie funkcje, które musi wykonywać człowiek-kierowca, za pomocą oprogramowania, elektroniki i elementów mechanicznych lub mechatronicznych. Kamery, LiDAR, RADAR i inne rodzaje czujników działają jak oczy, uszy i zakończenia nerwowe pojazdu, postrzegając środowisko jazdy i przekazując informacje do innych układów w pojeździe. Układy komputerowe (a konkretnie urządzenia typu „system-on-chip”) i zaawansowane oprogramowanie działają jak „mózg”, pobierając informacje sensoryczne w celu ich przetworzenia i podjęcia decyzji. Szybkie połączenia sieciowe można traktować jak „nerwy”, które przenoszą informacje z systemów czujników do rdzenia przetwarzającego i przekazują instrukcje w przeciwnym kierunku. I wreszcie systemy mechaniczne i mechatroniczne, które działają jak „mięśnie”, przekształcając sygnały elektryczne w ruch fizyczny, zapewniając kierowanie, hamowanie, przyspieszanie i inne.

W rezultacie pojazd staje się coraz bardziej „komputerem na kółkach”, zawierającym ogromną liczbę zaawansowanych komponentów połączonych w jeden system. Obejmuje to najnowocześniejsze układy SoC, czujniki, sieci elektryczne i systemy mechaniczne, a także szybko rosnącą ilość oprogramowania wbudowanego w każdy pojazd.

Budowanie zaufania na rynku

Oprócz rosnącej złożoności produktów, producenci sprzętu AV mają także do czynienia z konsumentami, którzy nie znają, a czasem nawet są nieufni wobec tak nowej technologii (rysunek 2). Większość konsumentów ma co najwyżej ograniczony kontakt z technologiami zautomatyzowanej jazdy. Jeśli społeczeństwo nie będzie miało zaufania do technologii, jej przyjęcie może się opóźnić. Jak producenci systemów AV udowodnią konsumentom, że są one bezpieczne i niezawodne nawet w trudnych warunkach? Programy pilotażowe i jazdy próbne mogą pomóc w uspokojeniu obaw części społeczeństwa, ale takie bezpośrednie oddziaływanie na dużą skalę jest niepraktyczne. Zamiast tego producenci mogą uczestniczyć w tworzeniu standardów testowania, weryfikacji i walidacji dla systemów AV jako sposobu na wykazanie możliwości swoich systemów.

Normy i przepisy pozwalają firmom i organizacjom rządowym współpracować nad określeniem wskaźników bezpieczeństwa, minimalnych wymagań dotyczących niezawodności, warunków operacyjnych oraz programów testowania i weryfikacji, które mogą w wystarczającym stopniu udowodnić bezpieczeństwo zautomatyzowanego systemu jazdy. Dzięki ustaleniu punktów odniesienia dla bezpieczeństwa, niezawodności i innych cech pojazdów, firmy mogą masowo demonstrować społeczeństwu kompetencje swoich systemów samojezdnych, nie polegając wyłącznie na jazdach próbnych czy innych wydarzeniach na żywo.

W miarę ustalania standardów bezpieczeństwa i niezawodności systemów AV, producenci samochodów będą musieli opracować programy testów, weryfikacji i walidacji, aby wykazać, że ich systemy AV mogą spełnić te kryteria. Programy te będą musiały zostać rozbudowane. Rand Corporation obliczyła, że potrzeba ponad 17 miliardów kilometrów jazdy testowej, aby wykazać się bezawaryjnością znacznie lepszą od ludzkiej. Taka ilość testów jest konieczna do zbadania nierutynowych scenariuszy, które są trudne do przewidzenia i uwzględnienia w trakcie rozwoju. Oczywiście przeprowadzenie wszystkich tych testów z użyciem prototypów w świecie rzeczywistym nie jest możliwe. Zamiast tego testy w świecie rzeczywistym muszą zostać uzupełnione o symulacje wysokiej jakości, które pomogą zespołom projektowym szybciej i taniej zebrać istotne informacje. Dzięki połączonemu podejściu zespoły inżynierów AV będą mogły skuteczniej badać i uwzględniać wyjątkowe scenariusze drogowe, zwiększając tym samym bezpieczeństwo swoich systemów AV.

Siła digitalizacji i inżynierii systemów

Firmy, które chcą wziąć udział w rewolucji związanej z pojazdami autonomicznymi, w tym starsi producenci oryginalnego wyposażenia (OEM), dostawcy i nowi uczestnicy rynku, muszą być w stanie dostarczyć innowacyjne, sterowane oprogramowaniem funkcje pojazdu i zmierzyć się z rosnącą złożonością integracji tych funkcji z mechanicznymi, elektrycznymi i elektronicznymi systemami pojazdu. Aby to osiągnąć, producenci samochodów muszą przemyśleć tradycyjne procesy rozwoju pojazdów i skorzystać z digitalizacji, aby móc konkurować na tym dynamicznym i zatłoczonym rynku. Aby zrozumieć złożone współzależności w nowoczesnym pojeździe, producenci samochodów muszą postrzegać go całościowo, jako układ systemów, obejmujący sprzęt, oprogramowanie, sieci, przewody elektryczne i układy mechaniczne. Dzięki takiej perspektywie producenci samochodów mogą wprowadzać innowacje w szybkim tempie, jakiego wymaga dzisiejszy rynek. Firmy, które wdrożą to podejście, stosując spójny, oparty na modelach przepływ danych, umożliwią swoim inżynierom projektowanie i udoskonalanie modeli funkcjonalnych różnych systemów pojazdu, optymalizację szczegółów w całym cyklu życia produktu oraz łączenie tych modeli.

Dla producentów samochodów kluczowe znaczenie ma przyjęcie tej zmiany i digitalizacja całego cyklu projektowania, rozwoju, walidacji, produkcji i użytkowania pojazdu. Digitalizacja może pomóc w rozwiązaniu najpilniejszych problemów, z jakimi borykają się dziś firmy motoryzacyjne. Stanowi również podstawę do rozwoju i sukcesu w przyszłości (rysunek 3). Firmy motoryzacyjne, które skorzystają z postępu w dziedzinie inżynierii cyfrowej, symulacji i zarządzania cyklem życia, będą lepiej przygotowane do pokonania złożoności rozwoju pojazdów autonomicznych.

Sercem tej transformacji jest koncepcja wszechstronnego cyfrowego bliźniaka pojazdu, obejmującego każdy jego aspekt i związanych z nim procesów produkcyjnych w całym cyklu życia. Cyfrowy bliźniak to sposób na sprostanie wyzwaniom związanym z tworzeniem złożonych systemów samochodowych poprzez opracowanie zestawu bardzo dokładnych modeli, które pomagają przewidzieć zachowanie produktu podczas wszystkich faz cyklu życia pojazdu. Wszechstronny bliźniak cyfrowy jest najdoskonalszą wersją tej koncepcji, wspierając modelowe projektowanie produktu i procesu produkcyjnego, zintegrowane zarządzanie operacjami produkcyjnymi oraz opartą na chmurze pętlę zwrotną analizy danych z produktu w użyciu, zwracaną z powrotem do bliźniaka cyfrowego. Taki cyfrowy bliźniak staje się podstawą rozwoju produktu – jest w stanie zapewnić lepszy wgląd, skrócić cykl rozwoju, poprawić efektywność i zwiększyć zwinność rynku.

Cyfrowy bliźniak będzie stanowił podstawę zintegrowanego podejścia wymaganego przez nowoczesne pojazdy, łącząc dziedziny mechaniczne, elektryczne, elektroniczne i oprogramowanie w celu zaprojektowania kompletnego systemu. Wszechstronny cyfrowy bliźniak może również wspierać ogromne wymagania dotyczące weryfikacji i walidacji systemu autonomicznej jazdy. Symulacje wysokiej jakości wszechstronnego cyfrowego bliźniaka pojazdu umożliwiają zespołom inżynierskim wykorzystanie wiedzy ze znanych sytuacji rzeczywistych, w połączeniu ze sprawdzonymi metodami matematycznymi, co pozwala odkryć scenariusze krytyczne dla bezpieczeństwa. Praca w środowisku wirtualnym pozwala zespołom znacznie skuteczniej odkrywać i analizować takie scenariusze, zmniejszając liczbę nieznanych systemów o kluczowym znaczeniu dla bezpieczeństwa.

Następnie, nowoczesne rozwiązania symulacyjne mogą wspierać pełną weryfikację i walidację pojazdu w różnych warunkach środowiskowych i drogowych, aż do poszczególnych czujników, elektronicznych jednostek sterujących, oprogramowania i jednostek obliczeniowych. Rozwiązania te pozwalają firmom na testowanie różnych systemów, a nawet całych pojazdów w środowisku wirtualnym, zanim zdecydują się na poniesienie kosztów prototypowania i certyfikacji fizycznej. Dzięki temu wirtualna weryfikacja i walidacja za pomocą symulacji o wysokiej wierności jest idealna do wczesnej weryfikacji i walidacji systemu, a zwłaszcza tych nowo zidentyfikowanych „przypadków narożnych”. W połączeniu z cyfrowym środowiskiem projektowym i inżynierskim, wnioski z symulacji pojazdów mogą zostać szybko wykorzystane w projektach systemów.

Cyfrowa przyszłość przemysłu motoryzacyjnego

Cyfryzacja wzmocni pozycję firm motoryzacyjnych, które będą dążyć do osiągnięcia wyższych poziomów autonomii pojazdów. Udoskonalone funkcje i systemy pojazdu będą opierać się na coraz bardziej złożonej architekturze bazowej, złożonej z potężnych układów komputerowych, czujników, oprogramowania, podsystemów elektromechanicznych i przewodów elektrycznych. Złożoność ta będzie odczuwalna w całym cyklu rozwoju pojazdu, od projektu po weryfikację, testowanie i produkcję. Powszechna cyfryzacja będzie również wspierać nowe podejście do rozwoju pojazdów, które zachęca do współpracy między dziedzinami i wspiera spójność danych w całym cyklu życia produktu oraz zdolność do zbierania i analizowania danych pochodzących z testów i z terenu.

Wreszcie, ważne jest, aby dostrzec wartość silnego partnerstwa technologicznego dla powodzenia inicjatyw transformacji cyfrowej. Firmy takie jak Siemens współpracują z klientami ze wszystkich branż, aby opracować plany cyfryzacji i stworzyć potężne cyfrowe bliźniaki produktów, procesów produkcyjnych i innych. Partner technologiczny może zaoferować solidny portfel możliwości cyfrowych, usługi konsultingowe i inżynieryjne, które zmniejszą ryzyko w programie transformacji cyfrowej i przyspieszą postępy w realizacji kluczowych etapów. Mogą też wdrażać technologie w sposób najlepiej odpowiadający potrzebom firmy: w siedzibie, w chmurze lub w chmurze hybrydowej. Dzięki odpowiedniemu wsparciu w postaci technologii i usług inżynieryjnych, firmy motoryzacyjne mogą sprostać wyzwaniom związanym ze złożonością AV i cyfrową przyszłością swojej branży.