如何应对自主系统中的集成、安全和安保挑战

我们旅行方式和商品方式的变化交付正在进行中，因为我们已经习惯了无人驾驶飞行器 (UAV) 和无人机。 2017 年运送了数百万架无人机，现在美国有超过 770,000 架注册无人机。 （任何超过 0.55 磅的无人机都需要注册。）无人机在军事应用之外的作用越来越大。自动驾驶汽车就在拐角处，但并不止于此。飞行汽车不再是科幻小说——航天公司Vahana已经实现了单人垂直起降飞机的首次飞行。一个不需要驾照、用交通服务代替私家车的社会已经触手可及。

与所有新技术一样，也存在挑战。使自主系统安全可靠的挑战来自多个方向。无人机在空中的安全要求与自动驾驶汽车不同，小型摄影无人机的安全要求也不同。在沙漠战区运行的无人机也可能与民用空域的无人机有不同的要求。那么开发自主系统需要什么技术，这与现有系统有什么不同？

• 更多传感器意味着更多数据。人为因素被传感器取代。激光雷达、摄像头和其他特定任务的传感器（例如车道传感器）可以复制人眼所见。激光雷达可以在短时间内产生千兆字节的数据。所有这些数据都必须在正确的时间到达正确的位置以进行处理和决策。
• 将来需要进行外部通信或系统到系统的通信。为了提高安全性和优化交通流量，需要车对车 (V2V) 通信。
• 车辆将利用体积更小、功能更强大的计算机，让车辆能够根据传感器信息在本地做出决策。当一辆自动驾驶汽车检测到一个物体时，它不能等待该数据进入云端，然后再决定要做什么。为了实时性能和可靠性，必须在本地做出决定。这就是为什么人工智能正在成为自主系统的关键要素。

所有自治系统中的一个共同点是有效的连接性。如果组件之间没有有效的通信，就不可能构建一个自治系统。关键是在正确的时间将正确的数据传送到正确的位置。 RTI Connext® 是一个基于实时系统的数据分发服务 (DDS) 的连接框架，这是一个对象管理组 (OMG) 标准。 DDS 使用发布-订阅模式提供可扩展、实时、可靠、高性能和可互操作的数据交换。 DDS 完美地满足了自治系统的需求。如果订阅者和发布者在不同的平台上，DDS 会处理寻址、数据编组和解组。 DDS 支持超出基本发布订阅模型的机制。主要好处是使用 DDS 进行通信的应用程序使用以数据为中心的方法分离，其中数据是组件之间的接口。这正是自治系统所需要的。不同的组件取决于获取它们需要的数据。自治系统将类似于下图：

所有不同的系统组件都连接到数据总线。数据总线是所有参与组件共享的虚拟概念。数据总线是组件获取所需信息并将其生成的信息提供给其他组件的地方。新组件可以动态添加到数据总线。数据总线甚至可以拆分成不同的层次，例如本地数据总线和到云的外部连接。

以下是使用 RTI Connext 数据总线的自治系统的分层数据总线示例：

如前所述，安全是一个重要的要求。构建自治系统所需的大部分功能都内置于软件中，完全没有错误的软件是不现实的。软件必须通过严格的测试以确保其安全。例如，美国联邦航空局将 DO-178 用作指导文件，以确定软件能否在机载系统中可靠运行。获得 DO-178 认证不仅耗时，而且成本高昂。每行代码的认证费用为 100 美元。对于自主系统，使用具有认证证据的软件组件非常重要，不仅可以降低成本，还可以满足上市时间要求。 RTI 是第一家发布基于 DDS 的安全关键型数据总线的供应商。

既然我们已经有了一个安全可认证的连接框架，那么安全呢？在当前系统中，安全性并不总是一个问题，因为没有外部通信。汽车已经在车内安装了传感器和连接。但是，与外部没有或非常有限的连接。一旦车门关闭并且汽车正在行驶，就很难闯入汽车。坐飞机也是一样。为了劫持飞机，你必须先上飞机，而且有很多安全措施可以避免这种情况。这随着自治系统而改变。正如我们之前确定的那样，自治系统需要与外部通信，这使得它们更容易受到攻击。如果没有适当的安全措施，自治系统的安全可能会受到恶意黑客攻击。

首先想到的通常是使用安全链接。我们可以使用 TLS 进行外部通信。但是，如果黑客能够访问安全链接，则黑客可以访问该链接上的所有数据。我们需要更高级别的安全性。就像在家里一样，您没有一个可以访问所有内容的钥匙。如果小偷进入房子，他们不会自动进入保险箱或上锁的柜子。外部通信需要细粒度的安全级别。 DDS 安全标准提供分布式访问控制机制，规定哪些数据参与者可以在没有单点漏洞的情况下发布或订阅。这意味着未经授权的应用程序将无法发布控制制动或转向的命令。或者，如果数据总线上的数据遭到破坏，订阅者可以对消息进行加密验证并丢弃任何与既定策略不匹配的内容。 DDS 和 DDS 安全提供了帮助连接和保护自治系统所需的前瞻性灵活性。基于 OMG DDS 安全规范，RTI Connext DDS Secure 具有内置插件，用于提供可互操作的身份验证、访问控制、加密和日志记录主题。 DDS 安全标准的美妙之处在于配置了安全性；您无需更改代码即可确保系统安全。

未来就在这里，这是一个令人兴奋的未来。我们在世界各地的出行方式正在发生变化，随着新挑战的到来，我们将看到新技术的出现。借助 RTI Connext，我们已准备好构建未来的自主系统。

这篇博文重点介绍了我最近在 AUVSI Xponential 上的演讲“满足自主系统软件中的集成、安全和安保挑战”。

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