Infotainment und Bedienbarkeit Connected Displays für das automatisierte Fahren

Das Display im Connected Car ist eine moderne IT-Plattform und muss auch als solche gehandhabt werden, etwa mit einer serviceorientierten Architektur.
Das Display im Connected Car ist eine moderne IT-Plattform und muss auch als solche gehandhabt werden, etwa mit einer serviceorientierten Architektur.

Im Connected Car verbindet das Display die Services der automobilen IT-Plattform und der Cloud. Mit einer stärkeren Vernetzung der elektronischen Systeme kann eine eine serviceorientierte Architektur (SOA) die Komplexität erleichtern und ermöglicht neue Geschäftsmodelle und automatisiertes Fahren.

Das Display ist das Tor zu Information, Navigation, Sicherheit und Info­tainment im Auto.

In den 1980er-Jahren steckten die einzigen elektrischen Displays im Autoradio, erst danach hielten digitale Ziffern für Geschwindigkeit und Drehzahl ins automobile Cockpit Einzug. Heute haben quasi alle Autos kleine und große Displays – oder auch radikal hochkant gestellte Mittelkonsolen-Displays wie bei Tesla. Fast jedes neue Auto stellt über ein volldigitales Display die klassischen Rundinstrumente und Fahrzeugdaten dar, zusammen mit Navigation und Infotainment. Im Connected Car ist das Display das Tor in die vernetzte Welt, wie wir sie vom Smartphone kennen.

Vernetzung mit Apps und neuen Funktionen

Komplett virtuelle Cockpitplattformen werden momentan von fast allen großen Herstellern und Zulieferern vorgestellt. Sie sollen vor allem für mehr Sicherheit und Bequemlichkeit für die Fahrzeuginsassen sorgen, etwa mit individuell speicherbaren Einstellungen für Sitz und Klimaanlage. Die Schlüsselfunktionen des Cockpits wie Fahrerinformation, Infotainment, Wärmemanagement oder Soundsystem interagieren dabei intuitiv und sollen eine immersive Erfahrung an Bord bieten. Dazu beobachten die Systeme zunehmend auch die Passagiere, um etwa festzustellen, ob diese müde sind oder welche Person ins Auto gestiegen ist, um personalisierte Einstellungen, Musikvorlieben oder Handyverbindungen zu laden.

Viele dieser Connected-Display-Funktionen gelten als Vorstufen für das automatisierte Fahren – aber nicht nur. Der französische Zulieferer Faurecia geht davon aus, dass bis 2030 lediglich 15 % der automatisierten Fahrzeuge die Stufe 4+ innehaben werden – also zwischen vollautomatisiertem Fahren mit optionalem Lenkrad und autonomem Fahren völlig ohne Lenkrad. Autonomes Fahren muss in den Displays daher zwar konzeptionell „eingebaut“ sein, doch im Augenblick verschleiern die Ausblicke auf selbstfahrende Roboterautos eher, worum es tatsächlich geht: um Konnektivität und das Auto als fahrende IT-Plattform. Fest steht: Das Auto wird zur Plattform für Apps. Tuning-Anbieter bieten jetzt schon Chipsets mit Apps fürs Smartphone an, die für ein „nervöseres“ Gaspedal die Motorkennlinien anpassen. Chark, ein Tochterunternehmen von Mercedes mit gleichnamiger App, macht das Auto zur Paketstation. Der Chark-Nutzer kann ganz normal online einkaufen und das Paket zum Kofferraum seines Pkw liefern lassen. Der Besitzer entsperrt seinen Kofferraum für ein bestimmtes Zeitfenster zur einmaligen Öffnung und der Paketdienst legt das Paket in den Kofferraum.

Die beschriebenen Funktionen und Apps lassen bei datenschutzsen­siblen Autofahrern Zweifel aufkommen, doch auch an der informativen Selbstbestimmung im Auto wird gearbeitet. Ein Beispiel ist das EU-Projekt Secredas unter Mitarbeit des Fraunhofer-Institutes. Denn: Der Zug fährt unaufhaltsam in Richtung Connected Car – schon allein deshalb, weil die jungen Autokäufer ihr Smartphone-Verhalten ins Auto übertragen wollen.

Over-the-Air-Service

Auch die Industrie ist am vernetzten Auto interessiert, aber aus zunächst anderen Gründen. Insbesondere die Fahrzeugwartung und der Service aus der Ferne werden von entscheidender Bedeutung. Hersteller elektrischer Autos haben in Sachen Wartung over-the-air weniger mit Problemen durch alte Infrastruktur zu kämpfen, das zeigt ein Beispiel von Tesla. Die US-Verbraucherschutzorganisation Consumer Reports bewertete die Beschleunigung des gerade auf den Markt gekommenen Tesla 3 als positiv, monierte zugleich aber auch den zu langen Bremsweg und riet vom Kauf ab. Nach neun Tagen revidierte Consumer Reports sein Urteil – Tesla hatte kurzerhand den ABS-Algorithmus verbessert und per Fernwartung auf die Autos gespielt. Tesla sagt zudem, dass sich 90 % aller Probleme ihrer Fahrzeuge per Ferndiagnose und oft auch mittels Over-the-Air-Update digital beheben lassen. General Motors will ab diesem Jahr sein „digitales Nervensystem“ in der Marke Cadillac zum Einsatz bringen, wie es GM-Präsident Mark Reuss nennt. Bis zu 4,5 TB an Daten soll das neue System transportieren können, und schrittweise bis 2023 Over-the-Air-Funktionalität für alle neuen GM-Modelle selbstverständlich machen.

Die Auto-IT im Wandel

Das Display ist in Zukunft die Schnittstelle zu Information und Bedienung – ähnlich wie ein Computerbildschirm – für Fahrer und Werkstattmitarbeiter gleichermaßen. Im Head Display, dem Armaturenbrett der Zukunft, läuft alles zusammen, einschließlich der nötigen Service-Ports. Doch was läuft hinter dem Display? Bislang kümmert sich der Cockpit Domain Controller um die Autoparameter und der IVI Domain Controller (In-Vehicle Infotainment) ums Infotainment. Doch welche Szenarien greifen, wenn der User etwa die Nürburgring-App für seinen Porsche per Fingertipp am Display herunterlädt, und das Fahrwerk und die Motorsteuerung mittels Renn-Algorithmen steuern will? Welche ECU (Electronic Control Unit, Steuergerät) übergibt wie die neuen Parameter? Welche ECU überwacht die Bitströme, die nach draußen fließen und neu hereinkommen? Aktuelle Architekturen beinhalten pro ECU 20 bis 30 Millionen Codezeilen – wie können zeitnahe Updates aussehen?  

Auch die übrige Auto-IT-Architektur ist betroffen. In modernen Autos sind bis zu sieben Netzwerke mit rund 150 Mikroprozessoren in den entsprechenden ECUs aktiv. Das entspricht rund 100 Millionen Zeilen Software-Code in einem nicht automatisierten Auto. Für das selbstfahrende Auto werden rund 300 Millionen Zeilen Code prognostiziert. Das Auto der Zukunft wird komplexer, mit mehr ECUs, mehr Betriebssystemen, mehr Bordnetzen – und mehr (Spaghetti-)Code. Trotz der notwendigen elektronischen Abwärtskompatibilität ist zunehmende Komplexität nicht die einzige Lösung hinter einem schicken vollflächigen Curved-Display. Das vernetzte Auto wird kein fahrender Computer sein, sondern eher eine Cloud auf Rädern – und benötigt dafür die entsprechende Architektur. Die gute Nachricht: Heute übliche Technologien für Computer-Clouds kombiniert mit echtzeitfähiger Elektronik, wie etwa aus der Avionik, können die Brücke in die hoch vernetzte bis autonome – und sichere – automobile Zukunft schlagen.

Serviceorientierte Architektur

Ein erster, ursprünglich aus der IT stammender Ansatz, ist die serviceorientierte Architektur (SOA). Der Begriff wird den Analysten von Gartner zugeschrieben, denn in der IT hatte man in den 1990er-Jahren ein ähnliches Pro­blem. Software war zu kaum wartbaren, großen „monolithischen“ Anwendungen gewuchert. Die serviceorientierte Architektur zerlegte sie wieder in überschaubare Funktionen und stellt auch die Grundlage für spätere Computing Clouds mit den heute üblichen Microservices.

Eine solche SOA-Architektur steckt beispielweise hinter der Cockpit Intelligence Platform (CIP) von Faurecia, die vom israelischen Unternehmen GuardKnox entwickelt und patentiert wurde. In der Cockpitlösung, die im Folgenden als Referenz für automobile SOA-Designs dient, kommunizieren die verschiedenen Services miteinander und können bei Bedarf zu einem Prozess orchestriert werden.

Eine neuartige ECU repräsentiert in diesem Fall einen SOA-Server, der eine Vielzahl von Diensten orchestrieren kann. Damit wird ein plattform- und serviceübergreifender Ansatz möglich, der mehrere Betriebssysteme und Dienste auf einem Steuergerät hostet – mit voller Berechtigungskontrolle und einer sicheren hard- und softwareseitigen Trennung zwischen allen Ressourcen, Anwendungsgruppen und Betriebssystemen. Die Plattform erlaubt Anpassungen und eröffnet damit für OEMs beispielsweise zusätzliche Umsatzquellen entlang der gesamten automobilen Wertschöpfungskette. Diese neuen Apps und Funktionen umfassen zum Beispiel die bereits erwähnten Tuningfunktionen, Parkplatzsuche, aber auch Musik­streaming, Podcasts, Health Checks und einiges mehr. In Teilen sind die Anwendungen dem Consumer wohlbekannt – aber jetzt wird das Auto zur Basis einer Plattformökonomie. Und nicht zuletzt kann eine solche ECU oder Secure Network Orchestrator als Security-Plattform innerhalb des Fahrzeugs eingesetzt werden.

 

Sicherheit ist Teil der Architektur

Im Referenzbeispiel ist die Erhöhung der Sicherheit gegen Angriffe Teil der SOA-/ECU-Architektur, sie handhabt die Kommunikation anders als herkömmliche Clouds. Eine in die SOA eingebaute Kommunikationssperre überprüft und verifiziert Nachrichten auf mehreren Ebenen. Die gesamte Kommunikation wird auf Routing-, Content- und Kontextebene überwacht. GuardKnox spricht vom Lockdown-Prinzip und orientiert sich dabei an Absicherungsverfahren aus Militärsystemen. Eine kontextuelle Reaktion wäre etwa, dass Nachrichten einer OBD-II-Wartungsverbindung, wie sie Werkstätten zur Diagnose verwenden, während der Fahrt ignoriert werden. Die Methode soll Cyber-Sicherheitsrisiken weitgehend eliminieren, indem sie alle eingehenden und internen Fahrzeugkommunikationen in Echtzeit genehmigt oder ablehnt. Dieser für die Fahrzeugsicherheit neuartige Ansatz ermöglicht eine autorisierte Kommunikation und soll das automobile IT-System gleichzeitig vor jeder Art von unpassender Datenübertragung, einschließlich Cyber-Angriffen, schützen.

Ein solcher Ansatz kann eine sichere und dennoch flexible Architektur ins Auto bringen, die sich für alle kommenden Betriebssysteme und Applikationen eignet. Wird ein Teil der SOA-Architektur in die Hardware gegossen, wäre sogar noch eine weitere Optimierung der Antwortzeiten möglich. Der Vorteil von Tempo und Unempfindlichkeit gegenüber reinen Softwarelösungen würde allerdings auch den Nachteil eines Generationswechsels bei den Prozessor-Chips mit sich bringen. Die Lösung hierfür sind Field-Programmable-Gate-Arrays, FPGAs. In einem FPGA-Chip können logische Schaltungen geladen werden. Der FPGA wird anwendungsbezogen programmiert, ein Update oder Generationswechsel kann ähnlich wie bei Software sehr schnell realisiert werden. Zudem hilft der FPGA einer ultraschnellen und fehlertoleranten Signalverarbeitung. Er kann bestimmte Hardwarebereiche logisch voneinander isolieren und erweiterte Verschlüsselungen nutzen.

Eine derart gesicherte, beschleunigte und aktualisierbare SOA- / ECU-Architektur ist eine Möglichkeit, die Herausforderungen des Connected Display im vernetzten Auto der nahen Zukunft zu meistern. Sichere Zustellung, Authentifizierung des Absenders und Überprüfung der Datenintegrität, Fehlerbehebung, verbesserte Benutzerfreundlichkeit sowie neue Funk­tionalitäten könnten auf diesem Wege sicher eingeführt werden. Das Firmware-Image wäre dabei sowohl hard- als auch softwareseitig verschlüsselbar und kann am Standort des Lieferanten signiert werden, was eine jederzeit sichere Installation in die entsprechenden Endgeräte gewährleistet. Die Technologie kann das Firmware Image vor oder während des ersten Boot-Vorgangs entschlüsseln und authentifizieren und dabei gleichzeitig sicherstellen, dass keine nicht autorisierte Hardware verwendet wird.

 

SOA und Künstliche Intelligenz

Eine SOA-Architektur einschließlich Lockdown und FPGA-Ansatz weist noch weiter in die Zukunft. Die ECU kann mit diesem Ansatz auch für weitere Analyseaufgaben und für Anwendungen der künstlichen Intelligenz (KI) genutzt werden. Die Verarbeitung erfolgt dabei vor Ort in der als Secure Network Orchestrator genutzten ECU. Dies reduziert die Latenzzeiten und nach einer Vorverarbeitung müssen aus dem Fahrzeug nur die Ergebnisse in die Cloud gesendet werden. Die Verbindung wäre end-to-end absicherbar, und neben Zukunftsszenarien wie Machine Learning und KI ist es auch möglich, personalisierte Apps für den Besitzer einzuspielen oder eine vorausschauende Wartung für den OEM sowie die Flottenüberwachung für Flottenbetreiber einzurichten.

Ein virtuelles Cockpit für das Connected Car muss vor dem Hintergrund einer sich verändernden Architektur des Autos gesehen werden, der Blick auf einzelne Fahrzeugkomponenten würde die Perspektive unzulässig verengen. Mit einer SOA-Architektur hinter dem Connected Display kann auch der Weg Richtung automatisiertes Fahren beschritten werden. Im Zuge der Disruption bestehender Strukturen haben OEMs die Chance, sich mit neuen Geschäftsmodellen neu zu erfinden. Mehr Wirtschaftlichkeit auf allen Ebenen und neue Wertschöpfungspoten­ziale nach dem Motto „Turning Drivers into Subscribers“ lassen sich plötzlich so schnell erreichen wie beim Wechsel vom linearen Fernsehen zu Netflix.

Dr. Klaus Dibbern ist Managing Director bei GuardKnox, er hält einen Doktortitel in Maschinenbau und einen MBA der Stanford Graduate School of Business. Seit mehr als 25 Jahren gründet und entwickelt er mit seinem Ingenieurwissen Unternehmen, die Ridesharing-Plattform flinc etwa wurde 2017 von Daimler übernommen. Dr. Dibbern verfügt zusätzlich über umfangreiche Expertise im Bereich Software.