智能網(wǎng)聯(lián)汽車操作系統(tǒng)發(fā)展趨勢及國產(chǎn)化生態(tài)建設

為推廣智能網(wǎng)聯(lián)汽車自主操作系統(tǒng)核心技術應用，從整車電子電氣架構出發(fā)，分析了未來車用操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢、技術架構和關鍵技術，同時結合整車制造商的應用需求提出了加快國產(chǎn)操作系統(tǒng)量產(chǎn)裝車和生態(tài)建設的實施建議，以助力智能網(wǎng)聯(lián)汽車自主操作系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化加速發(fā)展。1、前言隨著車輛智能化、網(wǎng)聯(lián)化技術的普遍應用，汽車產(chǎn)品與人工智能、網(wǎng)聯(lián)服務等新興技術深度融合，其電子電氣（Electronic/Electrical，EE）架構也在不斷演進，從分布式架構向集中式面向服務的體系結構（Service-OrientedArchitecture，SOA）方向發(fā)展。這種變革的核心驅(qū)動力是整車制造商需要進一步提升集成開發(fā)效率，實現(xiàn)以軟件為主的功能特性在車輛上的快速迭代。通過打造軟硬件充分解耦的架構，專注于應用軟件開發(fā)，可以支撐在不同車型上全生命周期的功能升級，持續(xù)提供差異化的應用和體驗。整車EE架構的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段。分布式架構時代，車用控制器專注于“單一”功能的實現(xiàn)，各電子控制單元（ElectronicControlUnit，ECU）間的數(shù)據(jù)傳遞通過CAN、LIN等總線傳輸，如果整車需要增加新的功能，則需要在相應的控制器上修改通信信號，或者基于原有架構增加新的硬件。這種架構下軟硬件緊密耦合，各控制器間無法共享計算能力，隨著車輛功能的擴展，ECU數(shù)量增多，線束成本不斷增加并增加了裝配難度。域集中式架構下，ECU數(shù)量明顯減少，整車大部分應用功能集中部署在幾個核心域控制器中，將應用程序的不同功能單元進行拆分，通過設計良好的調(diào)用接口將這些服務聯(lián)系起來，提供了功能的可擴展性。該架構從面向信號的通信升級為面向服務的通信，支持算法靈活部署，實現(xiàn)了應用算法和硬件平臺的分離。在中央集中式架構下，原有架構中多個域控制器進一步整合成中央計算平臺，實現(xiàn)算力集中化，EE架構通過新一代信息與通信技術將人、車、路、云的物理空間與信息空間融合為一體，基于系統(tǒng)協(xié)同感知、決策與控制，實現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車交通系統(tǒng)安全、節(jié)能、舒適及高效運行，提升整車的性能和用戶體驗。本文首先對車控、智駕和座艙操作系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，對比分布式操作系統(tǒng)和集中式系統(tǒng)技術架構的特點，并從操作系統(tǒng)內(nèi)核及虛擬化、中間件和集成應用方面對操作系統(tǒng)的技術發(fā)展趨勢進行研究，然后，討論國產(chǎn)操作系統(tǒng)生態(tài)發(fā)展現(xiàn)狀，對當前存在的問題進行梳理，提出操作系統(tǒng)的應用需求，最后，從戰(zhàn)略共識、合作模式和產(chǎn)業(yè)實踐方面給出國產(chǎn)操作系統(tǒng)生態(tài)建設的實施建議。2、車用操作系統(tǒng)技術發(fā)展趨勢2.1車用操作系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀2.1.1操作系統(tǒng)的分類在應用需求和技術變革的驅(qū)動下，按照不同的應用場景，智能網(wǎng)聯(lián)汽車操作系統(tǒng)逐漸發(fā)展為安全車控、智能駕駛和智能座艙3類，各操作系統(tǒng)的特點如表1所示。安全車控操作系統(tǒng)主要面向經(jīng)典車輛控制領域，是運行于微控制單元（MicrocontrollerUnit，MCU）上的實時操作系統(tǒng)，汽車安全完整性等級（AutomotiveSafetyIntegrationLevel，ASIL）可達到D等級，實時性好、控制精度高。智能駕駛操作系統(tǒng)主要面向智能駕駛領域，支持高算力異構系統(tǒng)級芯片（SystemOnChip，SOC），包含車規(guī)級操作系統(tǒng)內(nèi)核，兼容自適應汽車開放系統(tǒng)架構（AUTomotiveOpenSystemARchitecture，AUTOSAR）等國際主流中間件，具備多傳感器數(shù)據(jù)的接入和大數(shù)據(jù)吞吐能力，同時滿足自動駕駛所需的功能安全要求。智能座艙操作系統(tǒng)主要面向信息娛樂和數(shù)字儀表，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車提供人機交互服務，包括車載信息娛樂、網(wǎng)聯(lián)、導航、多媒體娛樂、語音、輔助駕駛、人工智能（ArtificialIntelligence，AI）等服務。表1智能網(wǎng)聯(lián)汽車操作系統(tǒng)特點對比2.1.2安全車控操作系統(tǒng)國外安全車控操作系統(tǒng)發(fā)展較早，有成熟的量產(chǎn)經(jīng)驗，主要基于經(jīng)典AUTOSAR技術方案。2003年，寶馬、博世、大陸、大眾等9家企業(yè)作為核心成員，成立了AUTOSAR組織，致力于建立標準化汽車軟件平臺，以減少車用軟件設計的復雜度，提高開發(fā)效率。目前，已有超過360家整車制造商、零部件供應商及相關企業(yè)與該組織建立合作伙伴關系，包括核心合作伙伴9家、高級合作伙伴70家、開發(fā)合作伙伴80家、普通合作伙伴162家、高校和研究機構40家。國內(nèi)安全車控操作系統(tǒng)目前主要處于跟隨狀態(tài)，近年來，本土供應商發(fā)展迅速，具備支撐量產(chǎn)控制器開發(fā)的技術水平。安全車控操作系統(tǒng)適用于控制類和安全性要求較高的應用場景，如發(fā)動機、變速器等傳統(tǒng)動力總成控制器，支持微秒級的實時調(diào)度和不同優(yōu)先級的實時響應，確保關鍵應用程序確定性時延的需求，實現(xiàn)控制器對外圍傳感器、執(zhí)行器的精確控制，保障了車輛的安全性。2.1.3智能駕駛操作系統(tǒng)智能駕駛操作系統(tǒng)將會成為自動駕駛汽車發(fā)展的核心競爭力之一，目前，行業(yè)內(nèi)普遍采用的底層內(nèi)核主要有Linux和QNX操作系統(tǒng)：前者為自動駕駛算法提供豐富的開源生態(tài)，包含大量面向智能駕駛應用算法的三方庫及中間件，但是硬實時無法保證，同時難以滿足功能安全的要求；后者采用微內(nèi)核架構，可滿足自動駕駛對功能安全的認證要求，認證范圍包括工具鏈、微內(nèi)核、libc、libm和libsupc++庫等。國內(nèi)華為、中興和斑馬也都推出了自己的微內(nèi)核及虛擬化組件，其中部分產(chǎn)品已量產(chǎn)應用，并在持續(xù)完善和加速推廣中。為應對自動駕駛技術的發(fā)展，AUTOSAR組織推出了自適應AUTOSAR架構，能夠滿足自動駕駛控制器并行計算和高速通信的應用場景需求，并為應用層提供了標準的調(diào)用接口，自適應AUTOSAR與經(jīng)典AUTOSAR的技術特點對比如表2所示。智能駕駛操作系統(tǒng)中還集成了高算力SOC中的AI驅(qū)動和面向自動駕駛算法的非標準中間件，該部分目前還有沒有統(tǒng)一的定義，但是后續(xù)會圍繞執(zhí)行效率和接口統(tǒng)一進行優(yōu)化。表2經(jīng)典AUTOSAR與自適應AUTOSAR技術特點對比2.1.4智能座艙操作系統(tǒng)在智能座艙操作系統(tǒng)領域，目前業(yè)內(nèi)還沒有統(tǒng)一的國際標準，主要包括QNX操作系統(tǒng)、諸多基于Linux的定制操作系統(tǒng)以及基于Android開源項目的操作系統(tǒng)。QNX采用微內(nèi)核架構，其驅(qū)動程序、網(wǎng)絡協(xié)議、文件系統(tǒng)等模塊和內(nèi)核相互獨立，任何模塊的故障都不會導致內(nèi)核崩潰。該系統(tǒng)在車載操作系統(tǒng)市場的占有率超過70%，在儀表端有大量應用，不過QNX的開放性不足，導致其應用生態(tài)缺乏。Linux是一款開源、高效、靈活、功能強大的操作系統(tǒng)，其最大優(yōu)勢是具備很強的定制開發(fā)靈活度。Android系統(tǒng)是基于Linux內(nèi)核開發(fā)的最成功的產(chǎn)品，其特點是開源、靈活定制、應用可移植性強和應用生態(tài)豐富。當前，特斯拉采用Linux技術方案實現(xiàn)了車載操作系統(tǒng)開發(fā)。斑馬、華為等國內(nèi)企業(yè)積極布局車載操作系統(tǒng)，自研車載操作系統(tǒng)內(nèi)核，并在逐漸建立應用生態(tài)。國內(nèi)整車制造商紛紛基于Android進行深度定制化開發(fā)，推出自己的智能座艙操作系統(tǒng)。2.2整車操作系統(tǒng)技術架構2.2.1操作系統(tǒng)分布式技術架構在傳統(tǒng)的分布式架構下，操作系統(tǒng)的技術方案依賴控制器硬件，導致難以統(tǒng)一維護和升級，直到AUTOSAR標準問世后，操作系統(tǒng)對上層的應用接口有了統(tǒng)一的運行時環(huán)境（Run-TimeEnvironment，RTE）層來提供，但也存在同一車輛應用多種AUTOSAR技術方案的問題，不同控制器之間的開發(fā)工具無法統(tǒng)一，需要同時維護多個類型和不同版本的操作系統(tǒng)軟件，開發(fā)成本高、整車級的功能迭代慢，難以滿足下一代智能車輛的應用需求，操作系統(tǒng)分布式技術架構如圖1所示。圖1操作系統(tǒng)分布式技術架構2.2.2操作系統(tǒng)集中式技術架構在集中式架構下，整車大部分應用功能集中部署在異構大算力的中央計算平臺上，功能軟件之間通過操作系統(tǒng)及服務中間件進行交互。廣義的操作系統(tǒng)分為系統(tǒng)層和功能層，其中系統(tǒng)層包括經(jīng)典平臺（ClassicPlatform，CP）及自適應平臺（AdaptivePlatform，AP）標準中間件、操作系統(tǒng)內(nèi)核、虛擬化組件、板級支持包（BoardSupportPackage，BSP）驅(qū)動和非標準中間件，功能層包括傳感器、執(zhí)行器的抽象、可復用的功能模塊和基礎服務，為應用層提供整車層級的服務接口，對芯片平臺實現(xiàn)隔離，操作系統(tǒng)集中式技術架構如圖2所示。當前，國內(nèi)外主流整車制造商均在集中式架構的操作系統(tǒng)上有所布局。2023年1月，奔馳推出自主設計的整車級操作系統(tǒng)MB.OS，其優(yōu)勢是可以全面打通車輛功能，包括信息娛樂功能、智能駕駛輔助及自動駕駛等功能。國內(nèi)一汽、上汽、比亞迪等都通過戰(zhàn)略合作、集成開發(fā)、自研等方式打造自主可控的操作系統(tǒng)平臺，將操作系統(tǒng)作為核心競爭力進行布局。圖2操作系統(tǒng)集中式技術架構2.3操作系統(tǒng)關鍵技術2.3.1微內(nèi)核及虛擬化技術微內(nèi)核技術是操作系統(tǒng)實現(xiàn)調(diào)度及控制的基礎，穩(wěn)定、安全、高效是其核心要求。微內(nèi)核在特權模式下僅保留少量的核心功能，如調(diào)度、內(nèi)存管理、進程間通信（Inter-ProcessCommunication，IPC）機制等，其余組件均運行在用戶態(tài)，如設備驅(qū)動、協(xié)議棧等，采用微內(nèi)核架構的操作系統(tǒng)具備高可靠性、高實時性、高確定性等優(yōu)勢。未來，面向中央計算的場景下，操作系統(tǒng)微內(nèi)核技術向接口擴展和安全升級等方向發(fā)展：在接口支持方面，將遵循可移植操作系統(tǒng)接口（PortableOperatingSystemInterface，POSIX）規(guī)范，滿足PSE51～PSE54系列化標準，提供豐富的系統(tǒng)調(diào)用接口，靈活支持更多生態(tài)組件；在芯片適配方面，將支持更多的艙駕一體和中央計算芯片，并可快速提高國產(chǎn)芯片的支持數(shù)量；在功能安全方面，將滿足高階智能駕駛的功能及性能要求，操作系統(tǒng)核心模塊達到ASIL-D級認證要求；在信息安全方面，將支持安全加載和啟動，支撐可信執(zhí)行環(huán)境（TrustedExecutionEnvironment，TEE）構建，提供數(shù)據(jù)安全、通信安全、隱私保護等基礎功能。虛擬化技術可以兼容多種子操作系統(tǒng)（GuestOS）運行，實現(xiàn)硬件資源的動態(tài)分配，解決操作系統(tǒng)內(nèi)核安全、性能與生態(tài)的矛盾，支撐未來中央計算時代單芯片架構對操作系統(tǒng)的需求。虛擬化技術將向輕量化方向發(fā)展，利用硬件輔助等技術提供輕量、高效的虛擬化分區(qū)引擎，降低中央處理器（CentralProcessingUnit，CPU）、存儲、網(wǎng)絡、圖形處理器（GraphicsProcessingUnit，GPU）等外設的性能損耗，提供實時、可靠、安全的車用虛擬化運行環(huán)境。2.3.2

中間件技術未來，操作系統(tǒng)中間件會向平臺化方向發(fā)展，通過不斷擴展功能層軟件為應用算法提供更加豐富和靈活的接口，通過不斷提高對硬件平臺的兼容性實現(xiàn)軟硬解耦。系統(tǒng)層中間件主要包括基于AUTOSAR規(guī)范的AP及CP中間件，面向未來中央集成式架構，上述標準中間件可以提供基礎服務和通用功能，盡管AUTOSAR規(guī)范也在持續(xù)完善，但仍不能完整覆蓋端到端的業(yè)務場景，需要在此基礎上集成定制化的組件來滿足應用軟件的差異化需求；功能層中間件需要攻克通用算法模塊的重構技術、功能層的信息安全、功能安全和網(wǎng)聯(lián)云控等基礎服務技術，后續(xù)會進一步基于整車軟件平臺設計通用化的基礎功能，實現(xiàn)整車平臺的能力擴展及各系統(tǒng)之間的協(xié)同，保證整車軟件平臺的一致性。2.3.3集成應用技術面向中央集中式架構，在高性能計算平臺上會實現(xiàn)多種不同類型應用程序的部署，需要系統(tǒng)級集成技術來保證整個控制器資源高效利用、程序運行穩(wěn)定，具體包括整車級任務調(diào)度技術、基于場景的智能管理技術、平臺及應用級安全監(jiān)控等關鍵技術。整車級任務調(diào)度技術通過評估各子任務的平均執(zhí)行時間和優(yōu)先級，優(yōu)化各核上的任務調(diào)度，進而生成整車的任務調(diào)度策略，提升系統(tǒng)可靠性；智能管理技術基于上車啟動、輔助駕駛、停車娛樂等不同使用場景，動態(tài)調(diào)度CPU、電源等軟、硬件系統(tǒng)資源，實現(xiàn)精細化管理，提高系統(tǒng)的資源利用率；平臺及應用級安全監(jiān)控技術針對關鍵應用、核心中間件、BSP驅(qū)動及操作系統(tǒng)內(nèi)核進行故障診斷與監(jiān)控，上報故障診斷消息，為系統(tǒng)提供可靠的安全監(jiān)控機制，提升整車軟件運行的穩(wěn)定性。3、國產(chǎn)車用操作系統(tǒng)生態(tài)建設3.1國產(chǎn)操作系統(tǒng)生態(tài)發(fā)展現(xiàn)狀操作系統(tǒng)作為“軟件定義汽車”時代智能汽車軟件架構的核心技術平臺，是保障智能車輛各項功能及性能的基礎，也是實現(xiàn)汽車軟件分層解耦、應用算法跨域共用的關鍵。當前，我國操作系統(tǒng)還面臨著諸多問題和挑戰(zhàn)：一是多以二次開發(fā)為主，核心關鍵技術仍受制于人；二是核心技術研發(fā)仍處于初期階段，自主創(chuàng)新能力不足；三是生態(tài)體系還亟需完善。根據(jù)麥肯錫發(fā)布的《2030年汽車軟件和電子市場報告》，廣義汽車操作系統(tǒng)的市場規(guī)模到2025年約為370億美元，到2030年可達約500億美元。操作系統(tǒng)作為汽車產(chǎn)業(yè)關鍵核心技術，行業(yè)也在積極推動其發(fā)展。中國汽車工業(yè)協(xié)會于2023年2月發(fā)布中國車用操作系統(tǒng)開源計劃，已公開包括初始化代碼、核心功能源代碼等100多個文件，計劃于2023年底完成功能驗證、2024年通過功能安全認證、2025年實現(xiàn)量產(chǎn)驗證。中國汽車基礎軟件生態(tài)委員會（ChinaAutomotiveBasicSoftwareEcosystemCommittee，AUTOSEMO）于2023年9月發(fā)布《中國汽車基礎軟件發(fā)展白皮書4.0》，為中國汽車基礎軟件的高質(zhì)量發(fā)展奠定了基礎。在軟件定義汽車的發(fā)展趨勢下，車用操作系統(tǒng)逐步成為企業(yè)競爭的核心，國產(chǎn)操作系統(tǒng)應努力做好安全可控的頂層設計，建立國產(chǎn)操作系統(tǒng)的開發(fā)和測試標準，不斷完善生態(tài)體系建設，建立有效的產(chǎn)業(yè)鏈。3.2當前問題及需求分析在當前階段，國產(chǎn)操作系統(tǒng)的生態(tài)建設還存在以下問題：首先，相較于國外車用操作系統(tǒng)在汽車領域已經(jīng)占據(jù)了一定的市場份額，國產(chǎn)操作系統(tǒng)起步較晚，整體裝車率低、應用群體少；其次，當前國內(nèi)操作系統(tǒng)技術方案較多，各企業(yè)開發(fā)過程存在大量重復性工作，造成資源浪費且沒有形成合力；最后，國產(chǎn)操作系統(tǒng)及解決方案資源開放不足，在量產(chǎn)項目上應用少，軟件模塊及工具鏈缺乏量產(chǎn)驗證，遇到“上車難”“上車慢”的問題。在整車制造商應用國產(chǎn)操作系統(tǒng)進行實際量產(chǎn)控制器開發(fā)的過程中，面臨著產(chǎn)品項目交付風險，需要投入更多的資源進行問題解決和產(chǎn)品開發(fā)，具體表現(xiàn)為：操作系統(tǒng)軟件本身存在缺陷，包括功能模塊實現(xiàn)不全、軟件接口沒有實現(xiàn)等，需要不斷迭代版本進行修復；操作系統(tǒng)開發(fā)生態(tài)問題，包括部分三方庫不支持、開源工具不兼容等，需要進行調(diào)試和開發(fā)；與芯片的適配周期問題，支持的芯片范圍有限，對于新的芯片需要較長時間進行適配開發(fā)和驗證。從國產(chǎn)操作系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化落地角度出發(fā)，整車制造商未來需要一個生態(tài)開放的操作系，做到安全可靠、開放兼容、快速迭代和持續(xù)維護，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：a.安全可靠。操作系統(tǒng)涉及整車的功能安全，需要提供高安全內(nèi)核及虛擬化組件，滿足功能安全和信息安全的要求，并進一步提升虛擬化組件的實時性，降低資源損耗。操作系統(tǒng)軟件需針對不同芯片的原生驅(qū)動進行驗證，并且不斷豐富應用場景。b.開放兼容。需提供統(tǒng)一的軟、硬件運行平臺，以便于集成和驗證，并提供完整的開發(fā)及測試工具鏈、標準的操作系統(tǒng)及功能層接口，支持POSIX接口，兼容AUTOSAR規(guī)范，兼容Linux和Android等應用生態(tài)，對應用層提供統(tǒng)一的SOA接口，提高各開發(fā)團隊間的協(xié)同效率、降低成本。c.快速迭代。操作系統(tǒng)需要快速迭代，修復自身缺陷，同時需支持艙駕一體等下一代芯片，快速適配未來高性能、異構、多核芯片，支持多種AI及圖像加速器等硬件新特性。在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時，需實現(xiàn)主流芯片的覆蓋，縮短操作系統(tǒng)適配的開發(fā)周期。d.持續(xù)維護。操作系統(tǒng)供應商需要穩(wěn)定的技術團隊為其產(chǎn)品提供長期維護，及時響應整車制造商的反饋和需求，對搭載產(chǎn)品提供通信負載調(diào)優(yōu)、系統(tǒng)負載監(jiān)控、啟動過程分析等定制化服務。3.3國產(chǎn)操作系統(tǒng)生態(tài)發(fā)展建議3.3.1達成戰(zhàn)略共識當前，我國自主車用操作系統(tǒng)已經(jīng)全面布局，在市場和技術上都取得了一定突破，但后續(xù)還需進一步推廣和應用，需要行業(yè)達成戰(zhàn)略共識，打造車企主導、深度協(xié)同的產(chǎn)業(yè)生態(tài)?；仡欀悄苁謾C的發(fā)展歷史，手機端的操作系統(tǒng)同樣經(jīng)歷了從功能手機向智能手機演進的階段，如圖3所示[14-15]，經(jīng)過充分競爭，手機操作系統(tǒng)供應商從多家快速減少到只有2～3家。針對車端的操作系統(tǒng)，我國需要把握當前重大窗口期，由國家相關部門牽頭，經(jīng)行業(yè)共同研討，做好國產(chǎn)操作系統(tǒng)的頂層架構設計，制定符合汽車軟件發(fā)展趨勢的車用操作系統(tǒng)標準規(guī)范，從安全性、兼容性及應用層軟件接口通用性著手，構建跨領域協(xié)同的智能網(wǎng)聯(lián)操作系統(tǒng)技術標準體系，同時提升操作系統(tǒng)行業(yè)認證能力，對操作系統(tǒng)內(nèi)核、標準中間件等提供量化的指標，依據(jù)操作系統(tǒng)的開放程度對操作系統(tǒng)軟件進行功能、性能和接口測試，提升操作系統(tǒng)準入門檻，為整車制造商量產(chǎn)應用提供依據(jù)。圖3手機操作系統(tǒng)市場格局演變[14-15]3.3.2創(chuàng)新合作模式操作系統(tǒng)軟件本身開發(fā)難度大，驗證周期長，需要行業(yè)各方深度參與，構建產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新模式，共同繁榮汽車操作系統(tǒng)生態(tài)：一是通過部署重大科技研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化專項課題，推動操作