TSN、智能駕駛和邊緣計算有什么關(guān)系？
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昨天，一則新聞在時間確定性網(wǎng)絡(luò)群里刷屏了：創(chuàng)時科技開業(yè)，上汽智能駕駛又進(jìn)關(guān)鍵一步。對于時間觸發(fā)以太網(wǎng)和TTTech公司，筆者曾在文章一個人，一個想法，一家公司和即將被改變的全世界網(wǎng)絡(luò) 一文中做過介紹，也預(yù)測把時間觸發(fā)引入以太網(wǎng)將是未來網(wǎng)絡(luò)的一個主要趨勢。而上汽與TTTech公司的合作，則是TTTech公司打開國內(nèi)市場的里程碑事件。
1月16日上午，上海創(chuàng)時汽車科技有限公司（簡稱“創(chuàng)時科技”）在上海國際汽車城·創(chuàng)新港舉辦了開業(yè)慶典。上海創(chuàng)時汽車科技有限公司是2018年3月13日，上汽集團(tuán)與奧地利TTTech Computertechnik AG(以下簡稱TTTech)以50.1：49.9的股比成立的合資公司。創(chuàng)時科技致力于推進(jìn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車核心零部件的智能駕駛中央決策控制器（i-ECU）產(chǎn)業(yè)化落地，全面提升智能駕駛領(lǐng)域的核心技術(shù)能力。
TTTech成立于2009年，總部位于奧地利，是科技領(lǐng)域的獨(dú)角獸。TTTech服務(wù)于航天、高速公路、工程機(jī)械、汽車等各行業(yè)。在汽車行業(yè)，TTTech服務(wù)于奧迪、寶馬、大眾、volvo等眾多汽車業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)，開發(fā)產(chǎn)品涵蓋Level 3-5的智能駕駛域控制策略。
除了時間觸發(fā)以太網(wǎng)（TTE，強(qiáng)實時）以外，時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）也是目前車載控制系統(tǒng)的一個選擇。汽車上的控制系統(tǒng)到底采用TTE還是TSN，結(jié)果不得而知，但無論是哪一種，有一點(diǎn)是毋容置疑的，那就是把時間確定性聯(lián)合以太網(wǎng)引入了汽車的控制系統(tǒng)。長期以來，汽車上的通信總線都是CAN總線，但隨著自動駕駛或者智能駕駛需求的提出，CAN總線無論是通信帶寬還是延遲等性能已逐漸的暴露出其不足的地方。后來，人們在2000年發(fā)明了Flexray總線來解決問題，今天TSN標(biāo)準(zhǔn)里最核心的時間觸發(fā)機(jī)制和無縫冗余理念都來自Flexray，但Flexray傳輸速率最高僅20Mbps，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足完全無人駕駛的要求。2006年，IEEE802.1工作組成立AVB音頻視頻橋接任務(wù)組，并在隨后的幾年里成功解決了音頻視頻網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)實時同步傳輸?shù)膯栴}。這一點(diǎn)立刻受到來自汽車和工業(yè)等領(lǐng)域人士的關(guān)注。2012年，AVB任務(wù)組在其章程中擴(kuò)大了時間確定性以太網(wǎng)的應(yīng)用需求和適用范圍，并同時將任務(wù)組名稱改為現(xiàn)在的TSN任務(wù)組。
TSN其實指的是在IEEE802.1標(biāo)準(zhǔn)框架下，基于特定應(yīng)用需求制定的一組“子標(biāo)準(zhǔn)”，旨在為以太網(wǎng)協(xié)議建立“通用”的時間敏感機(jī)制，以確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間確定性。同時利用數(shù)據(jù)整形，確保延遲達(dá)到微秒級（一般每橋不超過250微秒），利用FrameReplication and Elimination幀復(fù)制和消除，確保無論發(fā)生鏈路故障、電纜斷裂以及其他錯誤，均能強(qiáng)制實現(xiàn)可靠的通訊。此選項確保關(guān)鍵流量的復(fù)本在網(wǎng)絡(luò)中能以不相交集的路徑進(jìn)行傳送，只保留首先到達(dá)目的地的任何封包，從而實現(xiàn)無縫冗余，達(dá)到超高的可靠性，這對無人駕駛尤其重要。
TSN通過IEEE802.1AS-Rev（時間同步）、IEEE802.1Qbv（低延遲隊列管理和調(diào)度）、IEEE802.1Qbu/802.3br（重要數(shù)據(jù)搶占機(jī)制）、IEEE802.1CB（冗余機(jī)制確保高可靠性）等幾個方面確保了無人駕駛控制的需求都能得到滿足。TSN中一系列的協(xié)議族從各個方面都確保了各種控制系統(tǒng)能夠融入5G時代的萬物互聯(lián)場景，這是5G時代的各種網(wǎng)絡(luò)升級換代的基本需求。這也是筆者為何在“一個人，一個想法，一家公司和即將被改變的全世界網(wǎng)絡(luò) ”一文中提到“即將被改變的全世界網(wǎng)絡(luò)”說法的重要依據(jù)，同時也是TSN技術(shù)未來的市場估值為何會達(dá)到幾十萬億級別的一個重要的原因。從這個角度上看，TTE的應(yīng)用場景就比較有局限了，但一些強(qiáng)實時的封閉場合下還是需要TTE的。關(guān)于車載以太網(wǎng)TSN的更詳細(xì)的介紹，請參看文章“簡析車載以太網(wǎng)TSN標(biāo)準(zhǔn)”。
國內(nèi)包括華為在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)公司都紛紛開展TSN等方面的研究，不斷的尋求能否找到TSN標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立初期所提到的能夠達(dá)到萬物互聯(lián)的基本條件：通用的接口標(biāo)準(zhǔn)，希冀通過標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)不同廠家做出來的設(shè)備都能無縫的接入網(wǎng)絡(luò)中。另一方面，如何通過增強(qiáng)邊緣節(jié)點(diǎn)的能力而降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和云端的壓力，邊緣計算的概念應(yīng)運(yùn)而生。
2019年1月3日，在第二屆歐洲邊緣計算論壇（ECF）上，華為與Analog Devices，ARM，Bombardier，B&R Automation，F(xiàn)raunhofer Institute for Open Communication Systems (FOKUS)，German Edge Cloud (GEC)，German Research Center for Artificial Intelligence (DFKI)，HARTING IT，IBM，Intel，KUKA, National Instruments，Renesas Electronics，Schneider Electric，Software AG，Spirent，TTTech等多家伙伴達(dá)成合作意向，將共同努力，聯(lián)合建立歐洲邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（Edge Computing Consortium Europe，簡稱ECCE）。ECCE旨在為智能制造，運(yùn)營商，企業(yè)與IoT等領(lǐng)域的廠商與組織提供全方位的邊緣計算產(chǎn)業(yè)合作平臺，通過產(chǎn)業(yè)協(xié)同，開放創(chuàng)新和示范推廣，深化行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，共同推進(jìn)邊緣計算產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。邊緣計算作為聯(lián)接物理和數(shù)字世界的橋梁，是在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用核心能力的分布式開放平臺，就近提供邊緣智能服務(wù)，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷聯(lián)接、實時業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求。根據(jù)分析公司預(yù)測，邊緣側(cè)數(shù)據(jù)處理將快速增長，到2025年，75%的企業(yè)生成數(shù)據(jù)將在數(shù)據(jù)中心或云之外創(chuàng)建和處理，遠(yuǎn)超今天的不到20%。Stefan Schonegger，貝加萊產(chǎn)品策略與創(chuàng)新副總裁：“我們相信邊緣計算對未來的工廠至關(guān)重要。在數(shù)據(jù)源附近處理數(shù)據(jù)將理想地補(bǔ)充基于公有云的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。貝加萊致力于快速擴(kuò)展我們的Edge產(chǎn)品組合，并向市場提供全面的基于OPC UA和TSN的Edge產(chǎn)品。ECCE正在幫助使我們的活動與廣大的合作伙伴生態(tài)保持一致，這有助于加速采用并推動創(chuàng)新。”
而智能網(wǎng)聯(lián)車和自動駕駛則是邊緣計算的一個典型應(yīng)用場景。
隨著機(jī)器視覺，深度學(xué)習(xí)和傳感器等技術(shù)的發(fā)展，汽車的功能不再局限于傳統(tǒng)的出行和運(yùn)輸工具，而是逐漸變?yōu)橐粋€智能的，互聯(lián)的計算系統(tǒng)，我們稱這樣新型的汽車為智能網(wǎng)聯(lián)車（Connected and Autonomous Vehicles，CAVs）。智能網(wǎng)聯(lián)車的出現(xiàn)催生出了一系列的新的應(yīng)用場景，例如自動駕駛，車聯(lián)網(wǎng)以及智能交通。Intel在2016年的報告指出，一輛自動駕駛車輛一天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)為 4TB，這些數(shù)據(jù)無法全部上傳至云端處理，需要在邊緣節(jié)點(diǎn)（汽車）中存儲和計算。
自動駕駛計算場景無疑是目前最熱的研究方向之一，圍繞此場景有經(jīng)典的自動駕駛算法評測數(shù)據(jù)集KITTI，還有針對不同自動駕駛階段的經(jīng)典的視覺算法。在工業(yè)界目前有許多針對CAVs 場景推出的計算平臺，例如 NVIDIA DRIVE PX2和XilinxZynq UltraScale+ ZCU106等。同時，學(xué)術(shù)界有許多前沿工作也開始探索CAVs 場景下的邊緣計算平臺的系統(tǒng)設(shè)計。Liu 等將自動駕駛分為傳感（Sensing），感 知 （Perception） 和 決 策（Decision-making）三個處理階段，并比較三個階段在不同異構(gòu)硬件上的執(zhí)行效果，由此總結(jié)除了自動駕駛?cè)蝿?wù)與執(zhí)行硬件之間的匹配規(guī)則。Lin等對比了感知階段三個核心應(yīng)用，定位（Localization），識別（Object Detection ）和追蹤（Object Tracking）在GPUs，F(xiàn)PGAs和ASICs 不同組合運(yùn)行的時延和功耗，指導(dǎo)研究人員設(shè)計端到端的自動駕駛計算平臺。除了硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，還有一類研究推出完整的軟件棧幫助研究人員實現(xiàn)自動駕駛系統(tǒng)，例如百度的Apollo和日本早稻田大學(xué)的Autoware。
邊緣計算經(jīng)過近幾年的技術(shù)儲備，已經(jīng)得到了來自國內(nèi)外政府、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛重視和一致認(rèn)可，現(xiàn)在到了全面開花結(jié)果并帶來經(jīng)濟(jì)效益的時候。得益于網(wǎng)絡(luò)、隔離技術(shù)、體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、算法執(zhí)行框架、數(shù)據(jù)處理平臺以及安全隱私這七個關(guān)鍵技術(shù)的快速發(fā)展，邊緣計算技術(shù)已經(jīng)走向成熟，并在許多應(yīng)用場景下發(fā)揮作用。按照這個趨勢繼續(xù)進(jìn)行下去，邊緣計算將產(chǎn)生更大的外溢效果，成為各行各業(yè)的粘合劑和智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的催化劑，促進(jìn)整個工業(yè)體系的升級轉(zhuǎn)型。但同時我們也必須看到，能否把這些相關(guān)的技術(shù)如TSN、邊緣計算、自動駕駛智能算法等完全無縫的融合起來，是一件比較困難的事情。
但無論如何，新興的網(wǎng)絡(luò)時代已經(jīng)來了。TSN將隨著5G逐漸的滲透和改變各種傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，不僅僅是自動駕駛汽車、航天器等的控制系統(tǒng)，而且還會逐漸的滲透和改變工業(yè)控制、智能家居等所有領(lǐng)域。在升級換代的時候，希望我們?nèi)缲惣尤R的宋總在“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的江湖：我們需要對制造業(yè)有敬畏之心”一文中所提到的那樣，我們要對將被改變的各個行業(yè)要有敬畏之心，這樣才能走的更遠(yuǎn)更好。
寫到結(jié)尾的時候，恰好看到闖爺發(fā)了一篇文章：2018年全年中國集成電路進(jìn)口金額首次突破20000億元，看來國產(chǎn)芯片任重而道遠(yuǎn)啊。希望在5G和TSN的萬物互聯(lián)時代，這種局面能有所改變。我們一起加油！
全文完。
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