車載安全與系統的可靠性研究

匡云　徐碩　李忠誠　樊振

摘要：汽車安裝的軟件數量近年來呈現出爆炸式增長，安裝了與云端連接的先進車載信息娛樂系統之后，一輛普通的新車有大約14E行代碼。目前車載系統存在的問題主要是在于閉源系統的封閉性，使得車載Os不能夠有效便捷得到其他軟件公司的融入。而利用開源系統編寫的車載Os能夠更加開放，對于使用者和研發人員提供更好的平臺。加強接納、包容和發展性。一輛整合了智能操作系統的汽車則可以將汽車引入互聯網，也就是說，汽車的位置、里程、功耗等數據都會上傳到云端，這樣更有利于車載安全。

關鍵詞：車載OS；可靠性；開源系統；Linux；車載信息中心

1 引言

現如今，車載OS逐漸進入人們的視野，而汽車也成為了人們的主要交通工具，而根據每年的數據統計顯示因車禍而喪失生命的人全世界過百萬，在出行時的安全性得到人們的重視。而車載OS因其在人工智能方面有著獨特的優勢可以在行車中提供有效的幫助。針對目前汽車使用中存在的安全隱患，利用車載OS的研究與開發，設計出例如：警示駕駛員的疲勞、提示駕駛員的行車速度、車間距離以及智能導航的應用，使駕駛員的出行得到安全保障。

2 系統的可靠性研究

2.1 基于Linux的監控服務器系統的的安全可靠性

Linux是Unix類的操作系統，它是Unix類的簡化版但不需使用Unix的方式編碼。當然它繼承了Unix的大部分功能，并且Linux可運行在多種硬件平臺，是自由軟件，免費、公開源代碼的。此外它還滿足以下幾大Unix類操作系統的基本特征。

（1）多用戶多任務的操作系統：多個任務或應用可同時運行，而且是由操作系統卻不是由應用來進行任務的控制和時鐘周期的分配的。

（2）具有內核的編程接口，符合POSIX標準，所以可移植能力強，并且它與SystemV和HBSD完全兼容，兼容性好。

（3）提供具有內置安全措施的分層的文件系統：包括登陸，口令目錄和文件屬主及權限等，安全性得到了保障。

（4）提供shell命令解釋程序，shell編程語言及許多高級編程語言。Linux滿足并且適合：對系統安全穩定性要求高：對系統資源控制能力的要求高；圖形化界面使用率低，對圖形界面要求不高，非常適合用于監控方面。

目前GPRS技術在我國已經比較成熟，配合使用傳感器用它來傳遞與車載相關信息勢必將取得非常好的效果，再加上Linux系統所特有的一些優良特征，基于Linux的車輛監控服務器系統必將有廣闊的前景。

2.2 基于嵌入式LINUX的車載導航系統的安全可靠性

傳統的車載導航系統主要是利用在市場上購買的車載導航儀，不僅價格昂貴，還有許多弊端，如兼容性和系統穩定性都不是非常良好。將開源嵌入式Linux操作系統用于車載導航系統中，作為系統核心的車載PC的體積小，集成度高，功耗低，處理能力強，操作簡單便捷而且成本低廉。此外，利用Linux系統的開源性和兼容性，不僅可以解決不同駕駛者的需求差異，還可以很好的與其他系統完美嵌合，更能夠同時解決系統中多個任務并行處理的問題，這使得系統的可靠性、穩定性得到了保障。

利用嵌入式Linux操作系統配置的軟件，在輔以Qt4和Opencv2.4.6作為圖形用戶界面（GUI）的開發環境。Opencv2.4.6提供的視覺處理算法非常豐富，并且它部分以c語言編寫，加上其開源的特性，處理得當，不需要添加新的外部支持也可以完整的編譯鏈接生成執行程序，加強了系統通信的靈活性；在QT中支持Opencv2.4.6接口和矢量圖形格式SVG，可以滿足車載導航系統的繪圖讀圖需要和駕駛者駕車的安全。同時，利用GPS對車輛進行實時監控，系統便可及時的獲取車輛位置（包括經緯度與時間等）和運行信息（包括車速與方向等），并在用戶界面上顯示出相關的導航信息，駕駛員便可通過觸摸屏自主操作，從而獲得相應的導航資源。

當然車載導航系統設備驅動程序也是非常的安全而平穩，主要由由以下三個部分構成。

（1）自動配置和初始化子程序。初始化子程序首先運行，主要負責檢測硬件設備是否存在和能否正常運行等；

（2）中斷服務子程序。由嵌入式Liuux系統來接收硬件中斷，再通過系統來調用中斷服務子程序；

（3）服務于I/O請求的子程序。是對I/O設備進行存取。然后將編寫好的設備驅動編譯到內核中，在系統啟動時和內核一起啟動。

目前基于嵌入式LINUX的車載導航系統已經運用到了市場上的某些導航儀中，并且取得了很好的效果，很多用戶反映該系統能夠及時的顯示車輛當前運行情況，快速響應用戶操作，駕駛者操作便捷且導航信息也非常的完整，以便駕駛者們更安全的駕車上路。

2.3 基于Linux的車載信息娛樂的安全可靠性

雖然在行車中關注其他的事情轉移注意力是非常不安全的，但在停車休息或是緩解疲勞時信息娛樂卻又必不可少。比如說天氣預報，雖然現在每部手機上幾乎都有天氣預報，甚至自己也可以看窗外天氣，但仍有大部分駕駛者喜歡在行車中打開廣播收聽，然而廣播播放的內容大多數人只在乎少數自己感興趣的部分，這時Linux又要發揮作用了，開發者可以將現有開源代碼將在調整后用于車載信息娛樂系統中，通過編寫程序，我們可以自行調整播放的內容，好像自己就是DJ一樣，而且它將圖形、通信和多媒體中間件與數據庫、系統基礎設施和管理組件整合在一起，所有這些均在Linux內核和相關驅動上運行。從技術角度看，廣播可以從許多電視卡上獲得免費的支持，我們還可以借助一些簡單的軟件，例如使用FMSCAN來掃描電臺信號，使用FM來警醒調頻。但是這些軟件都是要單獨進行安裝的，而Linux強大的兼容性和多用戶任務的操作系統就能保證這些系統和軟件的快速安全的實施，為駕駛者制作一個屬于自己的電臺，這一系列復雜的操作只需要通過駕駛者簡單的語音輸入即可快速完成。此外，Linux能更加充分的利用軟硬件資源且很少出現崩潰現象，比其他操作系統有更好的安全性。當然在行車中出于我們不會觀看車載視頻，視頻用于顯示交通相關信息，但停車休息時便可以關掉交通相關信息用于車載娛樂而Linux是保證這些順利轉化和高效實施的關鍵。美中不足的是圖形化界面使用率低，對圖形界面要求不高，但高度的功能隔離就確保了各個系統間互不干涉但又能保證車載的安全，讓駕駛者的出行能夠更加舒心更加愉悅。

3 車載信息中心

3.1 道路偏移警報

據統計在世界范圍內，由于駕駛員注意力不集中或者疲勞駕駛，從而導致車輛的無意識偏離而引發交通事故。這時車道偏離報警系統（簡稱LDWS或RDWS），由于具有顯著提高車輛行駛主動安全性的潛力，便在駕駛者安全行車的過程中起到了關鍵性的作用。傳統的車道偏離預警系統不會試圖控制車輛以防止可能發生的碰撞事故，僅分為“縱向”和“橫向”車道偏離警告兩個主要功能?？v向車道偏離警告系統主要用于預防那種由于車速太快或方向失控引起的車道偏離碰撞，橫向車道偏離警告系統主要用于預防由于駕駛員注意力不集中以及駕駛員放棄轉向操作而引起的車道偏離碰撞。然而基于LiFlUX的嵌入式車道偏離報警系統：是基于單目視覺的前視系統，由模/數轉化及解碼電路模塊、緩沖電路模塊、媒體處理器DSP電路模塊、編碼及數/模轉換電路模塊等模塊組成。該系統通過車載攝像頭采集被跟蹤車道線的模擬視頻信號，經解碼生成數字信號碼流緩沖后送到高速媒體處理器DSP的視頻接口，然后再由視頻處理模塊對數字視頻信號進行車道特征值的提取，最后將處理后的視頻信號送編碼及數/模轉換電路輸出顯示?；贚inux的車道偏離系統不僅可以完美的做到以上兩個功能，由于系統具有開源性，便可以利用車載云平臺上的資源，如行駛在某一特定崎嶇車道，駕駛者便能通過車友在線提前做好準備工作，從而避免車輛的偏離，這要比汽車發生偏離之后在進行糾正要好的多，這樣就能大大的減少駕駛者因失誤造成的危害，更利于行車的安全。

3.2 汽車內外信息采集

談到車載難免會提到汽車內外系統的采集，這里我們可以利用視頻車輛檢測器，通過視頻車輛檢測器檢測到的信息將其呈現出來，甚至遇到交通問題時還可以將其上傳到車載信息云平臺上，這樣就能有效地解決很多的問題。

視頻檢測器是一種基于視頻圖像的檢測技術，是一種人工模式識別和結合數字視頻圖像的技術。與傳統接觸式檢測方法比較，這類非接觸式檢測方法的檢測范圍大、安裝工程量小、系統可靠性高。視頻采集技術利用計算機、視頻及現代通信等技術，實現對交通動態信息的實時采集，系統通過安裝在路門或路段的攝像機采集交通圖像，再進行圖像處理得到車流量、指定時間段內的車速統計平均值、瞬時車速度、車型分類、平均車距、檢測交通事故等交通動態信息，從而為交通的信號控制、交通誘導、信息發布、指揮提供實時交通動態信息。利用視頻檢測器所獲得的交通信息，再將這些信息上直接整合到Linux操作系統的軟件中或者上傳到云平臺上，然后通過QT4和Opencv2.4.6呈現在駕駛者的眼前，讓駕駛者能夠及時作出相應的操作。此外一臺攝像機可觀測多個車道，系統可以同時處理多個攝像機拍攝的數據，這樣更有利于我們對信息的掌握，而且對于Linux來說，它本身就是Unix類操作系統能夠同時進行多任務處理，這使得各信息均能及時反饋到駕駛者眼前。視頻車輛檢測器對道路一定區域范圍內的檢測，車內外表面在添加上一系列的傳感器，這樣所獲得的圖像經傳輸送入圖像處理機，再經過微處理器處理圖像背景，實時識別車輛的存在和檢測其它交通參數，控制中心可根據這些信息，向執行機構發出控制命令。這樣駕車時我們對車內外的信息更加了解，也就越方便我們做出相應正確的反應，極大的提高了駕車的安全性。

3.3 車聯網信息共享

為了智能車能夠更好安全上路除了汽車的性能良好，車載OS的安全可靠外，再有就是需要一個車聯網，這樣就可以在很多突發事故上能夠盡快將信息上傳到車載信息平臺上，讓問題更好更快的解決。

很多時候車聯網上的信息要比通過檢測和傳感器所得的信息要更加直接一些，因此車聯網系統在車載OS中必不可少，而車聯網主要通過無線通信技術、GPS技術及傳感技術的相互配合實現，還需用到3G網絡，也就是說汽車在行駛至沒有3G網絡的情況下將很難充分利用車聯網上的信息。這時便可利用車身的傳感技術和視頻檢測技術，最終通過Linux快速將信息傳遞給駕駛者。所以在未來的車載中，車聯網技術和汽車本身的傳感視頻檢測技術之間會形成一種互補的關系，當汽車處在轉角等傳感器和視頻檢測器的盲區時，駕駛者便可通過車聯網獲得相應的車載信息；而當3G網絡的信號丟失時，傳感器和視頻檢測器又可以派上用場了，這就大大的提高了車載的安全性。

3.3.1 傳感器技術及傳感信息整合

“車聯網是車、路、人之間的網絡”，車聯網中的傳感技術應用主要是路的傳感器網絡和車的傳感器網絡。這些傳感器用于感知和傳遞路的狀況信息，如車流量、車速、路口擁堵情況等，這些信息都能讓車載系統及時獲得關于道路及交通環境的實時信息。無論是車內、車外，還是道路的傳感器網絡，都起到了車內狀況和環境感知的作用，為“車聯網”獲得了獨特的“內容”。整合這些“內容”，即整合傳感網絡信息，將是“車聯網”重要的技術發展內容，也是極具特色的技術發展內容。

3.3.2 開放的、智能的車載終端系統平臺

車載終端是車主獲取車聯網最終價值的媒介，可以說是網絡中最為重要的節點。當前，很多車載導航娛樂終端并不適合“車聯網”的發展，其核心原因是采用了非開放的、非智能的終端系統平臺。基于不開放、不夠智能的終端系統平臺是很難被打造成網絡生態系統的。Google的Android系統，源代碼完全開放，可以被裁減和優化。因此，從目前來看GoogleAndroid也將會成為車聯網終端系統的主流操作系統，并專為觸摸操作設訛體驗良好、可個性化定制，應用豐富且應用數量快速增長，已經形成了成熟的網絡生態系統，Android將是車載娛樂導航終端平臺操作系統的必然選擇。

3.3.3 語音識別和播報技術

無論多好的觸摸體驗，對駕車者來說，行車過程中觸摸操作終端系統都是不安全的，也是不可靠的，因此語音識別技術顯得尤為重要，它將是車聯網發展的助推器。駕駛者通過語音來對車聯網系統發出命令，車聯網會根據駕駛者發出的命令做出相應的反饋，并通過語音播報給駕駛者，這時駕駛者便能夠用耳朵來接收車聯網的反饋。然而語音識別和播報技術依賴于網絡和語料庫及運算能力，而采用基于服務端技術的“云識別”技術這樣就大大的提升了語音識別技術的級別，駕駛人完全可以不用觸碰光靠聽和說就能處理問題，更加利于車載。

3.3.4 服務端計算與服務整合技術

云計算在車載這一塊顯得格外重要，除上述語音識別要用到云計算技術外，很多應用和服務的提供都要采用服務端計算、云計算的技術。類似互聯網及移動互聯網，終端能力有限，通過服務端計算才能整合更多信息和資源向終端提供及時的服務，服務端計算開始進入了云計算時代。云計算將在車聯網中用于分析計算路況、大規模車輛路徑規劃、智能交通調度計、基于龐大案例的車輛診斷計算等。車聯網和互聯網、移動互聯網一樣都得采用服務整合來實現服務創新、提供增值服務。通過服務整合，可以使車載終端獲得更合適更有價值的服務，如呼叫中心服務與車險業務整合、遠程診斷與現場服務預約整合、位置服務與商家服務整合等。

3.3.5 通信及其應用技術

車載的安全也離不開通信技術，更離不開這些技術的應用。如在通信技術可以依靠3G網絡完成，而所應用的方面才是其關鍵。如通過車友在線可連接當地的實時情況，迷路時將傳感器和視頻檢測器所得的圖像傳輸到車聯網等。

3.3.6 互聯網技術

車聯網的信息共享自然是行車中的一個關鍵點，車聯網的本質就是通過互聯網將駕駛者及車輛和相應信息聯系在一起。車聯網是通過整合車、路、人各種信息與服務，最終都是為人（車內的人及關注車內的人）提供服務的，因此，能夠獲取車聯網提供的信息和服務的不僅僅是車載終端，而是所有能夠訪問互聯網及移動互聯網的終端，因此電腦、手機也是車聯網的終端。現有互聯網及移動互聯網的技術及應用基本上都能夠在車聯網中使用，包括媒體娛樂、電子商務、Web2.0應用、信息服務等。當然，車聯網與現有通用互聯網、移動互聯網相比，其有兩個關鍵特性：一是與車和路相關，二是把位置信息作為關鍵元素。因此需要圍繞這兩個關鍵特性發展車聯網的特色互聯網應用，將給車聯網帶來更加廣泛的用戶及服務提供者。

4 結語

總之，Linux憑借著其獨特的開源性以及強大的兼容性，用戶們不僅可以得到這強大的操作系統功能，還可以根據車主個性化需求為車主量身打造一套完美的出行計劃。此外基于Linux的車載監控服務系統，導航系統，信息娛樂等各項完美嵌合，為駕駛者們的掃清行車中的迷茫：而道路偏移警報，車內外信息的采集和車聯網信息的共享使駕駛者的出行得到安全保障。未來車輛必定會成為人類出行的重要交通工具，通過智能的對汽車進行操作和控制，減少能源消耗，提高出行效率和安全性勢必會成為車載的主流。而Linux正是這類操作系統的不二之選，由Linux作為核心系統，在輔以Ql4和Opencv2.4.6作為圖形用戶界面的開發環境，加上充分利用云平臺和車聯網上的信息，而汽車的位置、里程、功耗等數據都會上傳到云端，未來的車輛將不再是一輛獨立的車，而是一輛入了網的智能車。