车载安全与系统的可靠性研究

匡云　徐硕　李忠诚　樊振

摘要：汽车安装的软件数量近年来呈现出爆炸式增长，安装了与云端连接的先进车载信息娱乐系统之后，一辆普通的新车有大约14E行代码。目前车载系统存在的问题主要是在于闭源系统的封闭性，使得车载Os不能够有效便捷得到其他软件公司的融入。而利用开源系统编写的车载Os能够更加开放，对于使用者和研发人员提供更好的平台。加强接纳、包容和发展性。一辆整合了智能操作系统的汽车则可以将汽车引入互联网，也就是说，汽车的位置、里程、功耗等数据都会上传到云端，这样更有利于车载安全。

关键词：车载OS；可靠性；开源系统；Linux；车载信息中心

1 引言

现如今，车载OS逐渐进入人们的视野，而汽车也成为了人们的主要交通工具，而根据每年的数据统计显示因车祸而丧失生命的人全世界过百万，在出行时的安全性得到人们的重视。而车载OS因其在人工智能方面有着独特的优势可以在行车中提供有效的帮助。针对目前汽车使用中存在的安全隐患，利用车载OS的研究与开发，设计出例如：警示驾驶员的疲劳、提示驾驶员的行车速度、车间距离以及智能导航的应用，使驾驶员的出行得到安全保障。

2 系统的可靠性研究

2.1 基于Linux的监控服务器系统的的安全可靠性

Linux是Unix类的操作系统，它是Unix类的简化版但不需使用Unix的方式编码。当然它继承了Unix的大部分功能，并且Linux可运行在多种硬件平台，是自由软件，免费、公开源代码的。此外它还满足以下几大Unix类操作系统的基本特征。

（1）多用户多任务的操作系统：多个任务或应用可同时运行，而且是由操作系统却不是由应用来进行任务的控制和时钟周期的分配的。

（2）具有内核的编程接口，符合POSIX标准，所以可移植能力强，并且它与SystemV和HBSD完全兼容，兼容性好。

（3）提供具有内置安全措施的分层的文件系统：包括登陆，口令目录和文件属主及权限等，安全性得到了保障。

（4）提供shell命令解释程序，shell编程语言及许多高级编程语言。Linux满足并且适合：对系统安全稳定性要求高：对系统资源控制能力的要求高；图形化界面使用率低，对图形界面要求不高，非常适合用于监控方面。

目前GPRS技术在我国已经比较成熟，配合使用传感器用它来传递与车载相关信息势必将取得非常好的效果，再加上Linux系统所特有的一些优良特征，基于Linux的车辆监控服务器系统必将有广阔的前景。

2.2 基于嵌入式LINUX的车载导航系统的安全可靠性

传统的车载导航系统主要是利用在市场上购买的车载导航仪，不仅价格昂贵，还有许多弊端，如兼容性和系统稳定性都不是非常良好。将开源嵌入式Linux操作系统用于车载导航系统中，作为系统核心的车载PC的体积小，集成度高，功耗低，处理能力强，操作简单便捷而且成本低廉。此外，利用Linux系统的开源性和兼容性，不仅可以解决不同驾驶者的需求差异，还可以很好的与其他系统完美嵌合，更能够同时解决系统中多个任务并行处理的问题，这使得系统的可靠性、稳定性得到了保障。

利用嵌入式Linux操作系统配置的软件，在辅以Qt4和Opencv2.4.6作为图形用户界面（GUI）的开发环境。Opencv2.4.6提供的视觉处理算法非常丰富，并且它部分以c语言编写，加上其开源的特性，处理得当，不需要添加新的外部支持也可以完整的编译链接生成执行程序，加强了系统通信的灵活性；在QT中支持Opencv2.4.6接口和矢量图形格式SVG，可以满足车载导航系统的绘图读图需要和驾驶者驾车的安全。同时，利用GPS对车辆进行实时监控，系统便可及时的获取车辆位置（包括经纬度与时间等）和运行信息（包括车速与方向等），并在用户界面上显示出相关的导航信息，驾驶员便可通过触摸屏自主操作，从而获得相应的导航资源。

当然车载导航系统设备驱动程序也是非常的安全而平稳，主要由由以下三个部分构成。

（1）自动配置和初始化子程序。初始化子程序首先运行，主要负责检测硬件设备是否存在和能否正常运行等；

（2）中断服务子程序。由嵌入式Liuux系统来接收硬件中断，再通过系统来调用中断服务子程序；

（3）服务于I/O请求的子程序。是对I/O设备进行存取。然后将编写好的设备驱动编译到内核中，在系统启动时和内核一起启动。

目前基于嵌入式LINUX的车载导航系统已经运用到了市场上的某些导航仪中，并且取得了很好的效果，很多用户反映该系统能够及时的显示车辆当前运行情况，快速响应用户操作，驾驶者操作便捷且导航信息也非常的完整，以便驾驶者们更安全的驾车上路。

2.3 基于Linux的车载信息娱乐的安全可靠性

虽然在行车中关注其他的事情转移注意力是非常不安全的，但在停车休息或是缓解疲劳时信息娱乐却又必不可少。比如说天气预报，虽然现在每部手机上几乎都有天气预报，甚至自己也可以看窗外天气，但仍有大部分驾驶者喜欢在行车中打开广播收听，然而广播播放的内容大多数人只在乎少数自己感兴趣的部分，这时Linux又要发挥作用了，开发者可以将现有开源代码将在调整后用于车载信息娱乐系统中，通过编写程序，我们可以自行调整播放的内容，好像自己就是DJ一样，而且它将图形、通信和多媒体中间件与数据库、系统基础设施和管理组件整合在一起，所有这些均在Linux内核和相关驱动上运行。从技术角度看，广播可以从许多电视卡上获得免费的支持，我们还可以借助一些简单的软件，例如使用FMSCAN来扫描电台信号，使用FM来警醒调频。但是这些软件都是要单独进行安装的，而Linux强大的兼容性和多用户任务的操作系统就能保证这些系统和软件的快速安全的实施，为驾驶者制作一个属于自己的电台，这一系列复杂的操作只需要通过驾驶者简单的语音输入即可快速完成。此外，Linux能更加充分的利用软硬件资源且很少出现崩溃现象，比其他操作系统有更好的安全性。当然在行车中出于我们不会观看车载视频，视频用于显示交通相关信息，但停车休息时便可以关掉交通相关信息用于车载娱乐而Linux是保证这些顺利转化和高效实施的关键。美中不足的是图形化界面使用率低，对图形界面要求不高，但高度的功能隔离就确保了各个系统间互不干涉但又能保证车载的安全，让驾驶者的出行能够更加舒心更加愉悦。

3 车载信息中心

3.1 道路偏移警报

据统计在世界范围内，由于驾驶员注意力不集中或者疲劳驾驶，从而导致车辆的无意识偏离而引发交通事故。这时车道偏离报警系统（简称LDWS或RDWS），由于具有显著提高车辆行驶主动安全性的潜力，便在驾驶者安全行车的过程中起到了关键性的作用。传统的车道偏离预警系统不会试图控制车辆以防止可能发生的碰撞事故，仅分为“纵向”和“横向”车道偏离警告两个主要功能。纵向车道偏离警告系统主要用于预防那种由于车速太快或方向失控引起的车道偏离碰撞，横向车道偏离警告系统主要用于预防由于驾驶员注意力不集中以及驾驶员放弃转向操作而引起的车道偏离碰撞。然而基于LiFlUX的嵌入式车道偏离报警系统：是基于单目视觉的前视系统，由模/数转化及解码电路模块、缓冲电路模块、媒体处理器DSP电路模块、编码及数/模转换电路模块等模块组成。该系统通过车载摄像头采集被跟踪车道线的模拟视频信号，经解码生成数字信号码流缓冲后送到高速媒体处理器DSP的视频接口，然后再由视频处理模块对数字视频信号进行车道特征值的提取，最后将处理后的视频信号送编码及数/模转换电路输出显示。基于Linux的车道偏离系统不仅可以完美的做到以上两个功能，由于系统具有开源性，便可以利用车载云平台上的资源，如行驶在某一特定崎岖车道，驾驶者便能通过车友在线提前做好准备工作，从而避免车辆的偏离，这要比汽车发生偏离之后在进行纠正要好的多，这样就能大大的减少驾驶者因失误造成的危害，更利于行车的安全。

3.2 汽车内外信息采集

谈到车载难免会提到汽车内外系统的采集，这里我们可以利用视频车辆检测器，通过视频车辆检测器检测到的信息将其呈现出来，甚至遇到交通问题时还可以将其上传到车载信息云平台上，这样就能有效地解决很多的问题。

视频检测器是一种基于视频图像的检测技术，是一种人工模式识别和结合数字视频图像的技术。与传统接触式检测方法比较，这类非接触式检测方法的检测范围大、安装工程量小、系统可靠性高。视频采集技术利用计算机、视频及现代通信等技术，实现对交通动态信息的实时采集，系统通过安装在路门或路段的摄像机采集交通图像，再进行图像处理得到车流量、指定时间段内的车速统计平均值、瞬时车速度、车型分类、平均车距、检测交通事故等交通动态信息，从而为交通的信号控制、交通诱导、信息发布、指挥提供实时交通动态信息。利用视频检测器所获得的交通信息，再将这些信息上直接整合到Linux操作系统的软件中或者上传到云平台上，然后通过QT4和Opencv2.4.6呈现在驾驶者的眼前，让驾驶者能够及时作出相应的操作。此外一台摄像机可观测多个车道，系统可以同时处理多个摄像机拍摄的数据，这样更有利于我们对信息的掌握，而且对于Linux来说，它本身就是Unix类操作系统能够同时进行多任务处理，这使得各信息均能及时反馈到驾驶者眼前。视频车辆检测器对道路一定区域范围内的检测，车内外表面在添加上一系列的传感器，这样所获得的图像经传输送入图像处理机，再经过微处理器处理图像背景，实时识别车辆的存在和检测其它交通参数，控制中心可根据这些信息，向执行机构发出控制命令。这样驾车时我们对车内外的信息更加了解，也就越方便我们做出相应正确的反应，极大的提高了驾车的安全性。

3.3 车联网信息共享

为了智能车能够更好安全上路除了汽车的性能良好，车载OS的安全可靠外，再有就是需要一个车联网，这样就可以在很多突发事故上能够尽快将信息上传到车载信息平台上，让问题更好更快的解决。

很多时候车联网上的信息要比通过检测和传感器所得的信息要更加直接一些，因此车联网系统在车载OS中必不可少，而车联网主要通过无线通信技术、GPS技术及传感技术的相互配合实现，还需用到3G网络，也就是说汽车在行驶至没有3G网络的情况下将很难充分利用车联网上的信息。这时便可利用车身的传感技术和视频检测技术，最终通过Linux快速将信息传递给驾驶者。所以在未来的车载中，车联网技术和汽车本身的传感视频检测技术之间会形成一种互补的关系，当汽车处在转角等传感器和视频检测器的盲区时，驾驶者便可通过车联网获得相应的车载信息；而当3G网络的信号丢失时，传感器和视频检测器又可以派上用场了，这就大大的提高了车载的安全性。

3.3.1 传感器技术及传感信息整合

“车联网是车、路、人之间的网络”，车联网中的传感技术应用主要是路的传感器网络和车的传感器网络。这些传感器用于感知和传递路的状况信息，如车流量、车速、路口拥堵情况等，这些信息都能让车载系统及时获得关于道路及交通环境的实时信息。无论是车内、车外，还是道路的传感器网络，都起到了车内状况和环境感知的作用，为“车联网”获得了独特的“内容”。整合这些“内容”，即整合传感网络信息，将是“车联网”重要的技术发展内容，也是极具特色的技术发展内容。

3.3.2 开放的、智能的车载终端系统平台

车载终端是车主获取车联网最终价值的媒介，可以说是网络中最为重要的节点。当前，很多车载导航娱乐终端并不适合“车联网”的发展，其核心原因是采用了非开放的、非智能的终端系统平台。基于不开放、不够智能的终端系统平台是很难被打造成网络生态系统的。Google的Android系统，源代码完全开放，可以被裁减和优化。因此，从目前来看GoogleAndroid也将会成为车联网终端系统的主流操作系统，并专为触摸操作设讹体验良好、可个性化定制，应用丰富且应用数量快速增长，已经形成了成熟的网络生态系统，Android将是车载娱乐导航终端平台操作系统的必然选择。

3.3.3 语音识别和播报技术

无论多好的触摸体验，对驾车者来说，行车过程中触摸操作终端系统都是不安全的，也是不可靠的，因此语音识别技术显得尤为重要，它将是车联网发展的助推器。驾驶者通过语音来对车联网系统发出命令，车联网会根据驾驶者发出的命令做出相应的反馈，并通过语音播报给驾驶者，这时驾驶者便能够用耳朵来接收车联网的反馈。然而语音识别和播报技术依赖于网络和语料库及运算能力，而采用基于服务端技术的“云识别”技术这样就大大的提升了语音识别技术的级别，驾驶人完全可以不用触碰光靠听和说就能处理问题，更加利于车载。

3.3.4 服务端计算与服务整合技术

云计算在车载这一块显得格外重要，除上述语音识别要用到云计算技术外，很多应用和服务的提供都要采用服务端计算、云计算的技术。类似互联网及移动互联网，终端能力有限，通过服务端计算才能整合更多信息和资源向终端提供及时的服务，服务端计算开始进入了云计算时代。云计算将在车联网中用于分析计算路况、大规模车辆路径规划、智能交通调度计、基于庞大案例的车辆诊断计算等。车联网和互联网、移动互联网一样都得采用服务整合来实现服务创新、提供增值服务。通过服务整合，可以使车载终端获得更合适更有价值的服务，如呼叫中心服务与车险业务整合、远程诊断与现场服务预约整合、位置服务与商家服务整合等。

3.3.5 通信及其应用技术

车载的安全也离不开通信技术，更离不开这些技术的应用。如在通信技术可以依靠3G网络完成，而所应用的方面才是其关键。如通过车友在线可连接当地的实时情况，迷路时将传感器和视频检测器所得的图像传输到车联网等。

3.3.6 互联网技术

车联网的信息共享自然是行车中的一个关键点，车联网的本质就是通过互联网将驾驶者及车辆和相应信息联系在一起。车联网是通过整合车、路、人各种信息与服务，最终都是为人（车内的人及关注车内的人）提供服务的，因此，能够获取车联网提供的信息和服务的不仅仅是车载终端，而是所有能够访问互联网及移动互联网的终端，因此电脑、手机也是车联网的终端。现有互联网及移动互联网的技术及应用基本上都能够在车联网中使用，包括媒体娱乐、电子商务、Web2.0应用、信息服务等。当然，车联网与现有通用互联网、移动互联网相比，其有两个关键特性：一是与车和路相关，二是把位置信息作为关键元素。因此需要围绕这两个关键特性发展车联网的特色互联网应用，将给车联网带来更加广泛的用户及服务提供者。

4 结语

总之，Linux凭借着其独特的开源性以及强大的兼容性，用户们不仅可以得到这强大的操作系统功能，还可以根据车主个性化需求为车主量身打造一套完美的出行计划。此外基于Linux的车载监控服务系统，导航系统，信息娱乐等各项完美嵌合，为驾驶者们的扫清行车中的迷茫：而道路偏移警报，车内外信息的采集和车联网信息的共享使驾驶者的出行得到安全保障。未来车辆必定会成为人类出行的重要交通工具，通过智能的对汽车进行操作和控制，减少能源消耗，提高出行效率和安全性势必会成为车载的主流。而Linux正是这类操作系统的不二之选，由Linux作为核心系统，在辅以Ql4和Opencv2.4.6作为图形用户界面的开发环境，加上充分利用云平台和车联网上的信息，而汽车的位置、里程、功耗等数据都会上传到云端，未来的车辆将不再是一辆独立的车，而是一辆入了网的智能车。