Мы в команде Third Man по долгу службы изучаем довольно много англоязычных материалов. Часто интересными статьями хочется поделиться и обсудить поподробнее. Но не всегда есть время всей командой читать 20+ страниц англоязычного текста, поэтому сокращённый и “подсушенный” перевод может стать отличным компромиссом. А удачные “переводы-пересказы” попробуем облагораживать и публиковать на Хабре. Не пропадать же добру.

Сегодня мы рассмотрим статью от инженерно-консалтинговой фирмы Capgemini engineering: “Optimize Vehicle Service with Edge-Based Telematics”. Для нас она интересна тем, что в разработке подобной системы мы уже принимали участие и, вероятно, поучаствуем и в будущем. А значит можем перенять удачные идеи и произвести работу над ошибками.

Введение

Практически все автопроизводители рекомендуют проводить регулярное техническое обслуживание автомобиля. Периодичность зависит от времени и пробега. Специалисты на СТО при осмотре автомобиля могут порекомендовать отремонтировать или заменить некоторые узлы. Даже если автомобиль кажется вполне исправным, к их советам лучше прислушаться. Ведь это может спасти от серьёзных трат в будущем.

Современные технологии и практически повсеместный доступ к беспроводному интернету позволяют непосредственно на автомобиле собирать массу данных с сенсоров, выделять релевантные показатели и пересылать полученную телеметрию в сервисный центр в режиме реального времени. К таким данным можно отнести текущую и максимальную скорость, время холостой работы двигателя, информацию о стиле вождения (резкие ускорения и замедления), потребление топлива, температура системы охлаждения, уровень и состояние технических жидкостей и т. д. Анализ этой информации позволяет вовремя порекомендовать произвести обслуживание автомобиля, и, тем самым, избежать дорогостоящего ремонта.

За сбор и обработку телеметрии отвечают системы мониторинга данных с автомобиля (Car Data Monitoring System - CMDS). Собираемая информация также позволяет лучше подготовиться к путешествию и заранее заменить наиболее изношенные узлы.

Серьезной проблемой подобного подхода являются объёмы данных. Современный автомобиль с продвинутой телематической системой может генерировать до 25 ГБ данных в час [1]. Такие объёмы невозможно передавать через сотовую сеть. А значит телеметрию следует анализировать непосредственно на автомобиле, и передавать только критически важную информацию. Плюс ко всему данные должны быть зашифрованы, а облако автопроизводителя должно быть надёжно защищено от взлома. 

К целям CDMS можно отнести:

• Уменьшение стоимости обслуживания автомобиля;

• Уменьшение времени простоя при поломках;

• Увеличение производительности и надёжности автомобиле;

Даже без передачи данных в облако автомобиль становится более надёжным, так как развитая бортовая система диагностики позволяет заранее выявить отклонения в работе некоторых узлов и предупредить владельца.

В этой статье мы постараемся сфокусироваться на таких аспектах CDMS, как мониторинг, анализ данных, сжатие и бесшовная передача информации через постоянно меняющиеся типы беспроводных сетей, таких как 3G, 4G, 5G, Wi-Fi.

Современное состояние индустрии

Можно выделить 5 основных элементов современной телематической системы:

• Сбор и обработка информации;

• Мониторинг и управление данными;

• Оптимизация использования интернет-трафика (сжатие данных);

• Безопасная передача данных;

• Бесшовное переключение между сетями;

1. Сбор и обработка информации

CDMS анализирует показатели датчиков скорости, уровня и потребления топлива, состояние выхлопных газов, стиль вождения и массу другой информации, агрегирует данные других автомобилей и предупреждает о приближающихся неисправностях. Например, CDMS может выдавать персонализированные рекомендации по обслуживанию, основанные на стиле вождения и истории ремонта конкретного водителя. В свою очередь сервисный центр может заранее заказать требуемые детали, что существенно уменьшает время ремонта или обслуживание автомобиля. Ещё специалисты могут изучить режимы использования автомобиля, чтобы повысить качество обслуживания. А страховые компании могут адаптировать условия страховки под привычки владельца.

2. Мониторинг и управление данными

Сегодня автомобиль зачастую содержит более 40 модулей, соединённых по CAN шине, таких так спидометр, тахометр, различные термометры и датчики давления. Информация с них позволяет получить данные о скорости, ускорении, давлении в шинах, состоянии дороги, расстоянии до других участников движения и состоянии водителя. Этап обработки информации можно разделить на 4 основных задачи:

1. Приём данных. Тут можно выделить 2 типа данных - текущее состояние систем и произошедшие события.

2. Сохранение данных. На относительно слабом встроенном в автомобиль железе требуется организовать гибкое и надёжное хранилище информации.

3. Локальный анализ. Этот шаг можно разбить на анализ и удаление нерелевантных данных. В режиме реального времени система выделяет полезную информацию и предсказывает вероятные неполадки.

4. Унификация данных. Вся информация с разных датчиков автомобиля представляется в едином формате. Например, для этих целей можно выбрать MQTT.

3. Сжатие данных

Телематическая система автомобиля генерирует огромный объём данных даже с учётом отсеивания нерелевантной информации. Как было упомянуто выше, поток данных достигает 25 гигабайт в час.

По этой причине блок сжатия данных - это сердце любого CDMS фреймворка. Эффективные алгоритмы сжатия позволяют в режиме реального времени передавать всю необходимую телематику, уменьшая использование трафика на 80-90%. Также сервисный центр может запрашивать только необходимые данные, разгружая сети мобильных операторов.

4. Безопасная передача данных

Постоянное подключение автомобиля к сети позволяет хакерам перехватить или же подменить сообщения. Так что одной из важных задач телематической системы является безопасная передача информации. Для достижения цели используются TEE/Trustzone, SSL туннели, корневые сертификаты, сгенерированные автопроизводителем для каждого автомобиля, аутентификация и авторизация, 4 уровня шифрования для передачи различных данных: высокий, средний, низкий и отсутствие шифрования. Безопасность данных и устройств включает использование публичных/приватных ключей, сертификаты сервера и девайсов, шифрование и использование хешей.

5. Бесшовное переключение между сетями

Автомобиль не всегда имеет стабильное и качественное подключение к беспроводной сети. При движении качество сотовой связи может падать. А иногда подключение может пропадать совсем. Частично решить проблему позволяет своевременная подготовка альтернативных источников связи. CDMS заранее подключается к нескольким сетям, поднимает зашифрованный туннель к облаку через них и переключается на запасные, если основной источник связи пропадает. 

Для этого реализуется довольно сложная логика мониторинга всех доступных сетей и определения их качества. При переключении между сетями CMDS старается сохранять IP адреса для быстрого восстановления сессий.

Пример организации CDMS сети

Архитектуру CDMS можно организовать с помощью Raspberry Pi с CAN интерфейсом и LTE модемом в качестве центрального контроллера, смартфоном для удалённого мониторинга состояния систем автомобиля владельцем, и сервера на стороне производителя автомобиля.

Программное обеспечение CDMS можно сделать частью цифровой приборной панели (e-cockpit). Полученную информацию можно отображать водителю через IVI систему. Такие показатели, как скорость, обороты и температура двигателя, уровень и расход топлива и так далее можно найти на приборной панели практически любого автомобиля.

Наиболее критичная информация сохраняется на случай отключения питания батареи и позволяет при ремонте получить более полную картину. Если CDMS обнаруживает критическую неполадку - информация о ней незамедлительно выводится на приборную панель или же дашборд.

Точка зрения Capgemini Engineering

Продвинутая телематическая система, обладающая возможностью удалённого доступа к автомобилю, широким набором собираемых данных и достаточно мощным модулем аналитики имеет ряд неоспоримых преимуществ. К ним можно отнести:

• Уменьшение затрат на топливо;

• Получение данных об использовании автопарка в режиме реального времени;

• Повышение эффективности обслуживания автомобиля;

• Повышение уровня безопасности за счёт мониторинг состояния водителя;

• Возможность точнее планировать расписание работ сервисных центров;

• Уменьшение затрат на обслуживание автомобиля;

• Уменьшение затрат на запчасти;

• Уменьшение загрузки сотовых сетей;

• Безопасность данных;

• Точные данные об имеющихся активах;

• Возможность точнее принимать стратегические и финансовые решения;

Беспилотные автомобили следующего поколения смогут передавать терабайты данных через 4G, 5G и Wi-Fi сети. Кроме того, вероятно автомобили будут иметь возможность передавать данные через несколько разных интерфейсов одновременно. Это будет серьёзный шаг вперёд по сравнению с передачей данных только через один интерфейс.

Стремительный рост цифровых технологий в автомобильной индустрии

К 2025 году автопроизводители собираются встроить в автомобиль больше сотни цифровых сервисов, из которых 20-30 будут мониторить состояние автомобиля. Рынок решений для управления автопарком вырастет с 20,6 миллиарда долларов в 2021 до 33,9 миллиарда в 2026 [2]. Сюда можно отнести операционный менеджмент, обслуживание и диагностика транспортных средств, анализ использования автопарка. Такой рост обусловлен развитием как облачных вычислений, так и решений для организации вычислительных модулей непосредственно в автомобиле. В то же время небольшие стартапы предлагают всё больше решений в данной области.

Сегодня телематические системы существенно упрощают жизнь коммерческим клиентам. И решение, описанное в статье, будет отлично масштабироваться. Хоть и предложенный пример дашборда вряд ли рассчитан на пользователя с крупным автопарком. Но это уже детали реализации.

Идея постоянного активного подключения к нескольким сетям для мгновенного переключения выглядит очень даже интересно, но насколько разумно использовать их одновременно для увеличения потока передаваемых данных - вопрос спорный. Кажется, что следует улучшать методы анализа данных непосредственно на автомобиле, а не прибегать к сложным техническим решениям для выгрузки их в облако. Современное железо это вполне позволяет. Анализ потоков цифр сильно менее требователен к вычислительным ресурсам, чем анализ видео, который уже много где применяется для функций ADAS.

Самым неоднозначным моментом, на мой взгляд, является установка подобных систем на личные автомобили обычных людей. Даже с учётом всех описанных преимуществ не все согласятся передавать по 25 гигабайт в час обо всём, что происходит с автомобилем, на сторону. Например, в страховую компанию, которая может повысить платежи или же вовсе лишить страховки. Или же автопроизводителю, который, в случае чего, сможет найти повод для отказа в гарантийном ремонте. Как считаете, в какую сторону будет развиваться телематика для некоммерческого сегмента?