世界观速讯丨以太网，如何开启工业无人驾驶汽车时代？

作者：Henry Martel

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随着更多新技术应用于汽车行业，无人驾驶车辆的生态系统将相互作用，它们将自动优化路线、过程和方向，几乎不需要人为干预。

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工业物联网(IIoT)和工业4.0 技术一直是正在进行中的制造业数字化革命背后的驱动力。先进网络技术、机器学习(ML)和人工智能(AI)的引入，为新型智能运营开启了大门。

然而，参与数字化转型的公司往往会遇到问题。集成IIoT 和工业4.0 智能涉及融合信息技术(IT)和运营技术(OT)网络，但这些网络是分离的，并且运行方式也有根本性的差异。

工业网络集成面临的挑战

IT 系统运营通常涉及硬件和软件平台的标准化，重点是用户体验和隐私。OT 系统的运营通常侧重于使用单个控制和过程来运行机器的功能。正确地融合两种网络是有益的，但如果整合不当，则可能会带来长期不利影响。

虽然有些公司在IT 和OT 网络集成方面取得了巨大成功，但也有许多公司失败了。事实是，从传统环境升级到智能工厂可能需要一个漫长而艰巨的过程，在新融合的网络中可能充满了代价高昂的挫折、延迟和不确定性。

IT 和OT 网络融合的战略规划

有人说“防守是最好的进攻。”在集成领域中，避免失败的最佳方法是通过战略规划、协作和验证。毫无疑问，整合过程的最佳工具是战略规划。经过深思熟虑的战略规划将节省时间和资源，并将使I T 和O T 网络的融合变得更容易。

应该根据网络的不同情况定制战略规划。它应包括特定于网络的特定项目和配置需求。然而，除了战略规划外，还应包括以下基本原则，它们可以帮助引导用户完成集成过程。

实施的成败通常取决于网络集成的组织和规划水平。在汽车行业，总线网络通常用于车内通信协议，控制器局域网(CAN)是其中最常见的。CAN 总线是一种轻型多主机串行协议，它将多个发动机控制单元集成在一起，形成了一个允许集中通信的骨干网。

在车辆中，这种联网方式非常适合于防抱死制动系统(ABS)、节气门和转向控制等关键系统。

除CAN 外，车辆通信中还使用了其它几种总线协议。每个协议都遵循国际标准组织(ISO 11898 和ISO 8802)为车辆指定的版本。每个协议都有自己的带宽限制和特殊用途。

一些比较流行的总线协议包括：

• 局域互联网(LIN)：主要用于小型电机应用，如车门后视镜、天窗控制和座椅定位系统。

·SAE J1939 ：用于重型机械、拖拉机、农业和林业。

• 控制器局域网灵活数据范围(C A N -F D)：C A N 协议的扩展版本。允许更大规模的数据传输，有效负载从8 位增加到64 位。

• Flex ray ：使用两个独立的数据通道进行容错。

• 媒体导向系统传输总线(MOST)：用于信息娱乐和多媒体网络技术，可配置为菊花链或环形拓扑。

以太网在工业应用中的优势

总线技术对车内通信至关重要。然而，随着汽车行业的发展，新兴技术开始应用到较新的车辆上，总线系统的先天不足，无法支持这些新技术所需的带宽要求。需要一种协议来处理从大量相互连接的ECU 上所生成的数据，同时为未来技术提供增长和可扩展性的空间。

以太网提供应用所需的带宽，如激光雷达、雷达、GPS、紧急制动检测、碰撞警告、车到万物(V2X)技术等。由于其灵活性，再加上数据传输能力可以扩展到超过10GB，使得以太网成为汽车行业的理想选择。以太网在企业以及使用各种协议和行业标准管理数据的工业网络环境中，也有着良好的成功记录。

以太网的另一个主要优点是其灵活的配置方式。它还支持使用多种数据管理工具来优化网络内的数据流量。典型的以太网数据管理配置包括：

• 拓扑：以太网可以配置为星形、网状、环形、总线或树形拓扑，以支持流量并为车辆网络提供冗余。

• 虚拟局域网(VLAN)：VLAN 使用被称为I E E E802.1q 标签的标识符，将网络分割成小型子网或虚拟LAN 段。然后使用这些VLAN 将物理连接或物理分离的网络设备逻辑分组到更小的子网中。

• 服务质量(QoS)：QoS 用于管理数据流量，并通过将高性能应用设置为较高的优先级，来确保关键应用程序的性能。

开放式系统互联(OSI)模型

标准以太网使用传输控制协议/ 互联网协议(T C P /I P)来处理数据。在20 世纪70 年代和80 年代初采用T C P / I P 协议之前，7 层开放系统互联(O S I)模型被用作协议标准。以太网协议仍然使用OSI 模型，各层分别为：

• 第1层- 物理层：定义与网络的物理连接。这包括电缆类型、射频链路(IEEE 802.11 无线规范)引脚布局、电压和连接器。

• 第2层- 数据链路层：从物理层提供同步和纠错。有两个子层- 媒体访问控制(MAC)和逻辑链路控制(LLC)。大多数交换机在这个级别上运行，包括E C U 和微处理器。总线技术(包括CAN、LIN等)运行在IOS模型的第1 层和第2 层。

• 第3层- 网络层：执行网络IP 路由功能。

• 第4层- 传输层：提供数据传输协议， 如TCP /UDP 连接和无连接通信。

• 第5层- 会话层：建立、管理和终止协作应用程序之间的连接。

• 第6层- 表示层：定义数据压缩和加密。

• 第7层- 应用层：指定应用程序如何访问网络，如电子邮件、网络浏览器和游戏。

工业无人驾驶的未来

以太网改善了商用和乘用车的驾驶员体验，也为工业应用的巨大增长打开了大门。以太网、机器人和人工智能等技术的结合，对无人驾驶车辆，特别是工业无人驾驶车辆产生了巨大影响。

先进的工业无人驾驶车辆采用了最好的技术，并增加了汽车中不常见的额外功能层。为特定目的或特定行业定制机器，包括机械臂、提升门、液压平台、切割工具，并且可由位于世界另一端的驾驶员远程操纵。工业无人驾驶车辆通常出现在公路、农场、矿山、大型建筑工地以及由人类来履行职责太危险的地方。在这些情况下，为无人驾驶车辆提供动力的标准技术至关重要。

工业无人驾驶车辆的未来将是令人振奋的。5G 和高速无线等技术将为新的应用打开大门。对于乘用车和商用车，增强现实和虚拟现实(A R / V R)应用将提供道路状况和天气数据的实时通知。

在工业领域，将出现自动驾驶生态系统。该生态系统可以提供一个基于云应用的新框架，驱动完全自动驾驶的“自我感知”车辆、机器人和各种其它自动化机器。这种新的智能水平将使IAV 能够根据从其他IAV 收集的数据做出自己的决策。

随着更先进的功能被引入车辆网络，传统总线系统无法满足新技术通信所需的带宽需求。由于以太网的灵活性以及在企业和工业网络环境中的成功经验，车辆制造商决定将其作为车辆通信的标准协议。

工业车辆制造商正在利用以太网带来的机遇。随着更多的技术被应用到汽车中，整个社区或无人驾驶车辆生态系统将相互作用。无人驾驶车辆将决定哪些路线、流程和方向是最好的，而操作时几乎无需人机交互。