Che cos'è un veicolo software-defined?

Il settore automobilistico sta subendo un cambiamento digitale, con veicoli software-defined (SDV) che rappresentano il picco di innovazione basata sui dati. Gli SDV sono considerati la nuova generazione di sistemi avanzati per veicoli, che rappresenta una trasformazione continua nell'innovazione automobilistica, in quanto le auto stanno diventando meno incentrate sull'hardware e più incentrate sul software. L'attenzione è concentrata sull'esperienza dell'utente a bordo, potenziata da tecnologie come i sistemi di infotainment.

Prima che se ne diffonda l'adozione su larga scala, occorre che lo sviluppo degli SDV maturi ancora. Tuttavia, questi veicoli offrono già vantaggi ben distinti rispetto ai veicoli tradizionali. Anziché essere limitati alle caratteristiche installate al momento della produzione, gli SDV possono aggiornare continuamente le loro caratteristiche e funzioni software una volta in circolazione. Questa capacità di risolvere i problemi e di effettuare aggiornamenti sta guidando lo sviluppo degli SDV, con conseguente miglioramento dell'esperienza utente.

A oggi, non esistono ancora veicoli completamente definiti dal software. Come per i veicoli autonomi, gli SDV possono essere classificati in livelli da 0 a 5, dove il livello 0 corrisponde a un veicolo "abilitato dal software” e il livello 5 a un veicolo interamente definito dal software. Sebbene il settore stia facendo progressi verso gli SDV di livello 3 e 4, trascorrerà ancora del tempo prima che i veicoli di livello 5 arrivino effettivamente sulle strade. Analogamente a quanto avviene con i veicoli autonomi, non tutti gli OEM (Original Equipment Manufacturer) potrebbero puntare a raggiungere il livello 5, quindi in futuro potrebbero coesistere molti veicoli di livello 3 e 4 insieme agli SDV di livello 5.

Le architetture degli SDV differiscono da quelle di altri veicoli per via della loro profonda integrazione software, come nei veicoli connessi e nei veicoli autonomi (AV). Gli SDV si concentrano sulle funzioni nel veicolo, sull'esperienza di guida e sull'esperienza dell'utente all'interno del veicolo. Al contrario, altri veicoli avanzati spesso concentrano il loro software avanzato sulle funzioni di comunicazione e sull'interazione con l'ambiente.

Ma gli SDV offrono molto più di questo. Forniscono inoltre funzioni di sicurezza avanzate basate su software, come i sistemi anticollisione e i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS). I veicoli utilizzano tradizionalmente un'architettura distribuita, in cui le centraline elettroniche (ECU) con il proprio componente software sono installate per eseguire una singola funzione, come il controllo di un finestrino. Gli SDV mirano a utilizzare meno ECU adottando un' architettura a zone completamente centralizzata nel software, abilitando risorse hardware condivise e riducendo le interferenze.

Ciò significa che un SDV può avere un numero inferiore di ECU ma più potenti, collegate tra loro per gestire più attività, come l'esecuzione di applicazioni ADAS e di informazione e intrattenimento sullo stesso hardware. Tale tecnologia consente inoltre una maggiore flessibilità per gli aggiornamenti software e gli aggiornamenti mirati a zone specifiche all'interno del veicolo.

Separare il software dall'hardware consente inoltre agli SDV di ottenere prestazioni più elevate e offrire una gamma più ampia di funzionalità di bordo rispetto ad altri veicoli. Ciò comporta anche molti altri vantaggi esclusivi, tra cui:

• Flessibilità
• Facilità di aggiornamento
• Maggiore sicurezza e affidabilità
• Miglioramento dell'efficienza di sviluppo
• Ulteriori fonti di ricavo

Una delle caratteristiche esclusive degli SDV è la loro capacità di eseguire aggiornamenti over-the-air (OTA). Gli OTA consentono ai produttori di installare nuove caratteristiche, funzioni e aggiornamenti nel software del veicolo utilizzando il cloud, in modo simile a come gli smartphone si aggiornano utilizzando la tecnologia wireless. Con questa funzione, la tecnologia dei veicoli può rimanere aggiornata nel tempo e integrarsi con funzioni che potrebbero non essere disponibili in fase di produzione.

Gli SDV contengono molti componenti. Alcuni sono ciò che ci aspetteremmo tradizionalmente di vedere nei veicoli, mentre altri no. Gli SDV includono tre classi di componenti fondamentali:

• Hardware
• Software
• Interfacce tra hardware e software

Hardware

Anche se il software è spesso l'aspetto più discusso degli SDV, un livello hardware fondamentale supporta le capacità di raccolta ed elaborazione dei dati di queste applicazioni software avanzate. Alcuni componenti hardware principali includono:

• Piattaforme di elaborazione centralizzate
• Sensori: telecamere e radar, sensori di collisione e lidar
• Attuatori
• ECU
• Catena cinematica
• Chassis
• Sospensione

Negli SDV, i sensori monitorano ambienti interni e esterni, consentendo al software di prendere decisioni informate. Le ECU gestiscono i sistemi elettrici del veicolo e le ECU a prestazioni più elevate possono controllare più sistemi contemporaneamente. Gli attuatori eseguono comandi diversi dalle ECU, come la frenata e l'uso dello sterzo.

Poiché gli SDV operano come data center su ruote, sono necessari sistemi HPC (High Performance Computing) e potenti GPU (Graphics Processing Unit) per elaborare i dati dei sensori ed eseguire applicazioni come ADAS in modo efficiente. Poiché gli SDV godono di maggiore connettività rispetto ai veicoli tradizionali, devono utilizzare reti di comunicazione come Ethernet per supportare funzionalità di trasferimento dati più veloci.

Software

Il livello software di un SDV include sistemi operativi principali come Windows o Linux per garantire la connettività interna con le tecnologie di comunicazione dati. I sistemi di comunicazione OTA si collegano ai data center esterni per trasferire le informazioni e forniscono la base per l'aggiornamento del software di bordo per il settore automobilistico e l'aggiunta di nuove funzioni e caratteristiche al veicolo.

Gli SDV contengono inoltre un'ampia gamma di app e software per l'esperienza utente, come sistemi di informazione e intrattenimento, cockpit digitali, ADAS, comandi avanzati di gestione del veicolo, cruise control adattivo, climatizzatore interno e sistemi di navigazione. Si collegano al sistema operativo SDV tramite middleware, che funge da livello software per consentire la comunicazione tra il sistema operativo e le singole applicazioni. Queste caratteristiche offrono più comfort e sicurezza durante la guida.

Gli SDV monitorano continuamente le proprie prestazioni e pianificano attività di manutenzione attraverso le loro funzionalità di generazione e analisi dei dati. La manutenzione predittiva consente agli operatori dei veicoli di risolvere eventuali problemi prima che diventino un problema più impattante.

Interfacce tra hardware e software

Tra i livelli hardware e software è contemplato un livello centrale noto come livello di interfaccia, che collega i programmi software all'hardware dell'SDV. Questa interconnessione richiede la standardizzazione delle applicazioni tra OEM e fornitori per garantire la compatibilità.

Il software negli SDV è integrato utilizzando un approccio modulare, in cui a ciascuna applicazione corrisponde un'API (Application Programming Interface). Analogamente, anche l'hardware degli SDV è modulare, poiché le unità di controllo più piccole eseguono attività specializzate per diverse funzioni. Ciò consente ai progettisti di integrare nell'SDV sistemi più complessi e dalle prestazioni più elevate utilizzando "elementi di base" più piccoli, a seconda della funzione prevista.

Mentre i progressi nello sviluppo software guidano le applicazioni degli SDV, i livelli di interfaccia sono fondamentali per organizzare i sistemi hardware e software in un ecosistema funzionale in grado di monitorare e agire in tempo reale. Queste interfacce sono fondamentali anche per la sicurezza del veicolo e per l'esperienza dell'utente.

Lo sviluppo di SDV non influisce solo sul futuro dell'industria automobilistica, poiché la tecnologia sviluppata sarà utile per altri settori. Inoltre, gli SDV stessi avranno molti casi di impiego vantaggiosi per altri settori.

Ad esempio, devono disporre di CPU e GPU potenti per gestire la grande quantità di dati prodotti. Di conseguenza, i produttori di hardware per computer hanno dovuto sviluppare CPU, sistemi 5G e sistemi di edge computing più avanzati per supportare queste e altre applicazioni.

Nel settore automobilistico, lo sviluppo SDV sta rendendo possibile una tecnologia ADAS più avanzata che supporta altre applicazioni di guida autonoma. In aggiunta, la quantità di dati prodotti dagli SDV fornisce aggiornamenti più accurati in tempo reale sui veicoli commerciali e sulle applicazioni di gestione della flotta. Gli SDV potrebbero anche contribuire a far crescere il settore della mobilità-as-a-service (MaaS) fornendo agli utenti l'accesso on-demand a una vasta gamma di veicoli e personalizzando l'esperienza MaaS per soddisfare le loro esigenze.

Poiché gli SDV sono in grado di fornire dati dettagliati sul comportamento di guida e sulle prestazioni del veicolo, la tecnologia ha anche il potenziale per rivoluzionare il settore assicurativo dei veicoli. Ciò può portare a modelli assicurativi più personalizzati e dinamici per i conducenti.

Gli SDV saranno in grado di connettersi con le smart city e le smart grid, che utilizzano la tecnologia digitale e i dati per migliorare aspetti come i servizi pubblici e le infrastrutture per i residenti. Questi utilizzeranno le operazioni vehicle-to-grid (V2G) e grid-to-vehicle (G2V) per gestire la distribuzione dell'energia nella rete. La gestione delle flotte di SDV all'interno delle smart city potrebbe contribuire a ridurre il traffico o gli incidenti, e gli SDV potrebbero anche comunicare aggiornamenti in tempo reale alle autorità cittadine tramite tecnologia OTA.

Come qualsiasi architettura di veicoli, gli SDV offrono vantaggi e sfide. Questi veicoli richiedono un livello di complessità più elevato a causa dell'impiego di diverse piattaforme software e architetture software, ed è fondamentale garantire l'interoperabilità con hardware sia convenzionale che avanzato.

Alcuni dei vantaggi di questa tecnologia sono:

• Prestazioni del motore, della batteria e del carburante ottimizzate grazie al monitoraggio avanzato
• Maggiore sicurezza grazie all'ADAS e ai sistemi anticollisione
• Aggiornamenti software OTA e possibilità di aggiungere nuove caratteristiche e funzioni
• Auto-monitoraggio del veicolo tramite telematica e diagnostica e la capacità di eseguire la manutenzione predittiva
• Un'esperienza personalizzata per ogni passeggero dell'auto, dai cruscotti personalizzati alle opzioni di infotainment
• Maggiore comfort per i passeggeri grazie a più servizi di infotainment

Tuttavia, gli SDV non sono un sistema maturo. I progettisti e i produttori devono superare diverse sfide tecniche e progettuali:

• sono necessari software complessi e grandi quantità di codice, che implicano maggiori rischi di bug.
• Come veicoli connessi digitalmente, gli SDV sono vulnerabili alle minacce informatiche perché si connettono ad altre reti.
• Gli SDV raccolgono una grande quantità di dati, il che potrebbe portare a problemi di privacy in caso di mancata osservanza delle best practice per la sicurezza.
• Il settore è tecnicamente complesso e richiede diverse competenze ingegneristiche distinte, quindi la carenza di talenti ed esperti potrebbe rappresentare un problema man mano che gli SDV vengono prodotti su larga scala.
• I ritardi di produzione sono già un problema con i veicoli elettrici. Poiché gli SDV hanno un ambiente hardware ed elettronico integrato complesso, ciò può causare ritardi ancora maggiori.

Garantire la sicurezza informatica negli SDV

La sicurezza informatica è una sfida unica per gli SDV. Poiché scambiano molti dati sia nel veicolo che su reti dati esterne, i potenziali punti di ingresso e nodi vulnerabili all'interno del veicolo stesso sono molti.

Per proteggersi dai tentativi di hacking, saranno necessarie misure di cybersicurezza più robuste e protocolli di comunicazione sicuri. Alcune piattaforme software, come QNX, sono diventate popolari nel settore SDV grazie alle loro funzioni di sicurezza avanzate. In futuro, l'intelligenza artificiale svolgerà un ruolo chiave nella protezione degli SDV dalle minacce informatiche.

Gli SDV presentano un nuovo modello di business per gli OEM (Original Equipment Manufacturer), che si concentra sulla sincronizzazione dello sviluppo software con l'hardware. Con la possibilità di fornire aggiornamenti OTA agli SDV, gli OEM e i produttori devono essere in grado di convalidare i nuovi software dei veicoli e garantire la conformità normativa. Un gemello digitale, che funge da replica digitale del veicolo, può testare diversi scenari utilizzando dati provenienti da diversi ambienti operativi e geografici. Apportando modifiche al modello del gemello digitale, gli OEM possono garantire che tali aggiornamenti siano efficaci senza compromettere potenzialmente la sicurezza dei veicoli reali. In effetti, le aziende stanno iniziando a creare ambienti completamente virtuali in cui gli ingegneri possono entrare in un veicolo simulato per testare le modifiche al software prima che entri in funzione.

Con questi cambiamenti nel settore automobilistico, gli OEM devono ora sviluppare veicoli che siano compatibili con più fornitori di hardware e software in tutta la catena di fornitura, garantendo la conformità di tutte le applicazioni aggiuntive agli standard di sicurezza e normativi. Ad esempio, Volvo Group e Daimler Truck hanno recentemente annunciato una partnership per lo sviluppo congiunto di una piattaforma SDV per veicoli commerciali pesanti. 

Data la complessità della progettazione SDV rispetto alle architetture dei veicoli tradizionali, il software di simulazione può aiutare a individuare eventuali problemi nelle fasi iniziali del processo di progettazione e sviluppo e a correggerli prima della fase di prototipazione fisica. Per gli SDV, la simulazione può aiutare a:

• Anticipare i problemi di progettazione ed eseguire test shift-left nelle fasi iniziali del processo
• Analizzare le funzioni di sicurezza e cybersicurezza del veicolo
• Utilizzare l'intelligenza artificiale per accelerare lo sviluppo
• Progettare nuove architetture elettriche ed elettroniche
• Simulare a livello di chip e di circuito stampato (PCB) per garantire che i componenti delle ECU dimostrino integrità termica, del segnale e della potenza
• Progettare le reti di bordo, come sensori, antenne e comunicazioni ad alta velocità
• Simulare interferenze elettromagnetiche
• Analizzare la system performance e l'affidabilità del sistema
• Sviluppare prototipi imparziali e ad alta fedeltà che integrano software e hardware nei progetti tramite gemelli digitali

Ansys offre molti strumenti che simulano la gamma di sfide tecniche e di progettazione presentate nello sviluppo SDV, concentrandosi principalmente sugli aspetti hardware e di integrazione del progetto. Tra cui:

• La funzionalità SAM (System Architecture Modeling) di Ansys, che fornisce una fonte di dati autorevole come framework architettonico per l'acquisizione della descrizione del sistema in fase di progettazione
• Il software Ansys Medini analyze, una soluzione di sistemi basata su modelli che implementa i principali metodi di analisi della sicurezza e garantisce la conformità agli standard di settore, tra cui ISO 26262
• La piattaforma Ansys SCADE, che consente lo sviluppo, la verifica e la generazione di codice automatica in base a modelli per un software integrato sicuro e affidabile
• Il software Ansys ModelCenter, che collega i requisiti di sistema del SAM ai modelli di simulazione e all'analisi tecnica per verificare i comportamenti e i requisiti dell'intero sistema
• Il software Ansys HFSS, che garantisce un design efficiente e la convalida virtuale di tutti i componenti elettronici, dal chip ai sistemi. Il software HFSS è anche in grado di stabilire l'affidabilità elettromagnetica per verificare se le interferenze elettromagnetiche possano causare problemi nel sistema complessivo.
• La piattaforma Ansys Twin Builder, che crea modelli rapidi di ordini ridotti (ROM) di modelli complessi e ad alta fedeltà per ridurre i tempi di risoluzione
• Il software ANSYS AVxcelerate Sensors, che offre una simulazione dei sensori fisicamente accurata per il test autonomo dei sistemi con la percezione dei sensori
• Il software Ansys AVxcelerate Headlamp, che accelera lo sviluppo di fari intelligenti convalidando il comportamento della legge di controllo e testando i potenziali casi limite nelle prime fasi di progettazione
• Il software Ansys SimAI, uno strumento ottimizzato per l'intelligenza artificiale che accelera la progettazione e l'ottimizzazione delle simulazioni per velocizzare lo sviluppo dei componenti

Contatta oggi stesso il nostro team tecnico per ulteriori informazioni su come un approccio alla progettazione basato sulla simulazione può aiutare a ottimizzare la progettazione e la produzione di componenti SDV e sistemi interconnessi.

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