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汪志鸿 于德营 马天泽 | 国产车用操作系统发展路径
发布日期:2023-01-03 作者:汪志鸿 于德营 马天泽 信息来源:中咨研究 访问次数: 字号:[ ]

国产车用操作系统发展路径

汪志鸿 于德营 马天泽

摘要:新能源汽车正由传统分布式架构向域集中式、中央计算架构演变,传统分布式架构算法开发已不能满足中央式架构的发展要求。因此,研发安全可靠、实时运行、并行计算、分布管理的车用操作系统,实现多个硬件之间的资源调度将成为未来新能源汽车软件开发的发展趋势。车用操作系统涉及到网络安全和信息安全,是新能源汽车向智能化、网联化发展的根基。为保持新能源汽车竞争优势,推动汽车产业由大变强,发展自主车用操作系统已是当务之急,建议从顶层设计、技术创新、标准检测、推广应用等方面推进自主操作系统的发展。

关键词:车用操作系统;发展路径;建议

一、车用操作系统发展趋势

车用操作系统是汽车物理硬件与软件资源的管理控制程序,同时也是车载基础软件平台的基石,大致包括进程与处理机管理、作业管理、存储管理、设备管理、文件管理等五个方面的管理功能。随着汽车不断向智能化、网联化方向发展,汽车电子电气架构正由传统分布式架构向域集中式、中央计算架构转变,以满足未来智能汽车产品的开发需求。在硬件层面,新能源汽车的硬件架构将越来越集中到有限的几个乃至一个算力强大的计算单元上,实现智能驾驶、智能座舱、安全车控等功能。在软件层面,需相应研发智能驾驶操作系统、智能座舱操作系统、安全车控操作系统,实现并行计算、分布管理,完成多个硬件之间的资源调度。未来车用操作系统作为实现智能驾驶、交互娱乐、车路云协同等功能的软件载体,将成为汽车智能化发展的重要支撑。

二、国外车用操作系统发展情况

(一)整车企业

1.特斯拉

特斯拉研发智能驾驶操作系统、智能座舱操作系统、安全车控操作系统。在智能座舱操作系统方面,特斯拉Version OS是一款基于Linux 4.4内核版本深度改造而成的封闭操作系统,支持PyTorch深度学习编程框架,基于Kafka开源流实时数据处理平台,可支持信息娱乐系统和驾驶辅助系统等,并使用了安全增强型Linux(SE Linux)内核模块,提高了信息安全性,最大限度地保证系统安全。在智能驾驶操作系统方面,特斯拉基于自研的FSD芯片,以Linux内核为基础,定制开发Autopilot智能驾驶操作系统,具有感知、决策规划和控制等功能,拥有48个独立的神经网络,可进行多维度数据处理,并且具备强大的OTA升级能力。该架构基于海量的数据驱动,可实现数据采集、算法模型生成、算法模型分布式训练、算法模型车端部署等功能,可将算法模型与人类行驶行为对比,实现闭环反馈,使系统性能不断迭代优化。在安全车控操作系统方面,特斯拉参考AUTOSAR CP标准自研。

2.宝马

宝马主要研发智能座舱操作系统,其BMW OS是一款基于QNX自研的ROM型智能座舱操作系统,目前已经升级至BMW OS 8版本,支持5G通讯标准、OTA和UWB超宽带技术的无钥匙汽车门禁,为用户提供基于云端计算的新导航系统、车窗语音控制等一系列全新功能。此外,BMW OS和数字化仪表盘、中控曲面屏等硬件设备组成的iDrive平台,可实现转向回馈力度、悬架刚度、电子模拟的发动机轰鸣声等十个档位调节,增强驾驶体验感和操控性。

(二)Tier1企业

1.Vector

Vector主要研发安全车控、智能驾驶操作系统,是AUTOSAR组织的成员,可提供遵循AUTOSAR CP与AP规范的多款中间件方案。Vector提供的产品以标准组件为主,定制组建为辅。与其他Tier1厂商相比,其产品是以源码形式交付,相比于业界更流行的“黑盒交付”,更受整车企业青睐。其研发的MICROSAR Adaptive操作系统是基于AUTOSAR AP平台搭建,为中间件层提供实时运行环境和开发工具,整车企业在架构设计时,可以使用PREEvision Adaptive AUTOSAR Explore(协同开发平台)进行服务设计、服务定义、服务实现、软件架构设计、网络拓扑设计、SOME/IP通信设计,功能安全等级达到ASIL-D级。

2.易特驰

易特驰主要研发安全车控、智能驾驶操作系统,是AUTOSAR组织成员,可提供遵循AUTOSAR CP与AP规范的多款中间件方案,包括RTA-CAR、OS Port、Iceoryx等,但交付方式主要以“黑盒交付”为主。其中,Iceoryx是一款针对高级自动驾驶的中间件产品,适用于各种操作系统的进程间通信(IPC)的中间件(目前已支持Linux、Mac OS和QNX),可兼容ROS2和AUTOSAR AP的接口,满足当前最常见的基于SOME/IP通信和基于DOIP诊断的应用场景,并满足不同开发阶段的需求。

(三)互联网企业

1.谷歌

谷歌主要研发智能座舱操作系统,其Android Automotive是一款基于Linux内核的智能座舱操作系统,因其具有系统平均响应时间短、吞吐率高、可处理多个用户请求及服务等优点,被广泛应用于车载信息娱乐系统中。此外,Android Automotive增加了AppCar(OEM和第三方开发的应用)、Car API(汽车App特有的接口)、Car Service(系统中与车相关的服务)、Vehicle Network Service(汽车的网络服务)、Vehicle HAL(汽车的硬件抽象层描述)等模块,具备查看和控制整车其它子系统的能力。Android Automotive架构如图1所示。

图1 谷歌Android Automotive架构

2.黑莓

黑莓QNX是一款以安全稳定和实时性著称的微内核、非开源的实时操作系统,并且文件大小远小于传统操作系统。QNX的应用程序之间采用同步消息传递的进程间通信模式来访问所有的驱动程序和操作系统服务。在这一模式下,QNX内核得以自动协调通信程序,开发者无需在每个进程中手动编码和调试复杂的同步服务。此外,通过将操作系统划分为可以单独开发和维护的基础模块,QNX一定程度上实现了操作系统的模块化和简单化。QNX架构如图2所示。

黑莓研发的智能座舱操作系统主要聚焦于对实时性和安全性有较高要求的仪表显示等模块。

图2 QNX架构

3.Linux开源基金会

Linux操作系统是一款以灵活开源且性能稳定著称的宏内核、嵌入式的分时操作系统,主要应用于智能驾驶领域。其核心在于网络化的设计架构,支持多用户、多任务、多线程、多CPU的同时,保障系统的稳定性。其内核由进程管理、内存管理、文件系统、设备管理和驱动和网络通信等五部分组成,其中进程管理是最重要的子系统,主要提供对CPU的访问控制。此外,硬盘、软盘、以太网卡等驱动和其他功能可以编译进内核,也可以在运行时加载。因此,Linux的内核设计方式提供了一种高度模块化的嵌入式系统构建方法,可以通过定制驱动程序和应用程序的组合来提供附加功能。Linux架构如图3所示。

图3 Linux架构

(四)芯片企业

1.英伟达

英伟达基于自研芯片,开发出NVIDIA DRIVE智能驾驶操作系统,为开发者提供自动驾驶所需的所有构建模块和算法堆栈。该软件有助于开发者更高效地构建和部署各种先进的智能驾驶应用程序,包括感知、定位和地图绘制、计划和控制、驾驶员监控和自然语言处理。其中,智能驾驶操作系统的功能层软件涵盖开发高级别自动驾驶功能的处理模块、工具和框架,如DNN算法加速库、Calibration标定工具、DriveCore核心库,帮助下游开发者实现易于深度定制开发的功能软件。

2.Mobileye

英特尔旗下的Mobileye基于自研芯片,开发智能驾驶操作系统,将芯片和智能驾驶操作系统紧耦合,快速为整车厂提供智能驾驶解决方案。同时,Mobileye发布面向芯片的软件集成化工具EyeQ Kit,该工具充分利用芯片的高能效架构,提供完整的SDK包(软件开发工具包)以及OpenCL环境和TensorFlow(基于深度神经网络的开源软件库)来支持开放计算,允许整车厂在EyeQ上部署算法,并提供人机接口工具。

三、国内车用操作系统发展情况

总体来说,与国外相比,我国车用操作系统发展相对较慢,技术基础薄弱。在安全车控操作系统方面,以Vector、博世、采埃孚为主的国际头部Tier1(一级汽车供应商)厂商占据绝大部分市场,处于领先水平,国内虽然有东软睿驰、经纬恒润等厂商,但稳定性以及相应工具链的成熟度仍与国外有一定差距。在智能驾驶操作系统方面,整车企业、软件开发企业、芯片企业均在各自研发,均为基于Linux内核的定制型操作系统开发,实现大算力的自动驾驶决策功能,虽然技术路径较为一致,但由于国内厂商对于Linux内核的理解以及操作系统装车量的不足,并且行业标准和规范缺失,处于各自为战的状态,导致国内智能驾驶操作系统发展较为缓慢。在智能座舱操作系统方面,由于Android操作系统在座舱娱乐领域的生态较为完善,研发成本较低,使得Android为整车企业的首选智能座舱操作系统,国内企业倾向研发微内核操作系统,实现数字仪表显示等实时性、安全性要求较高的功能,抢占QNX操作系统市场,但普及率较低。

四、发展国产车用操作系统的重要性

开发国产车用操作系统对发展汽车产业具有战略意义。我国新能源汽车产业具有一定的领先优势,当前面临芯片设计制造能力不足和车用操作系统技术基础薄弱的双重挑战。政府和企业已经开始重视缺“芯”问题,并制定了有力的行动方案。但在车用操作系统领域,由于我国操作系统起步较晚,技术基础薄弱,叠加行业发展经验和合力不足等不利因素,导致我国车用操作系统发展缓慢。为推动我国智能汽车快速发展,避免出现新的“卡脖子”问题,需大力发展并建立自主可控的车用操作系统,提升车用操作系统的国际话语权,使新能源汽车产业真正成为具有全球竞争力的产业。

车用操作系统平台是重构智能网联汽车的产业链和技术链的基础,是必须掌握的关键核心技术。车辆正由单纯的交通工具向智能移动终端转变,汽车电子电气架构正在由分布式向域集中式、中央计算架构持续演进,汽车电子产业链和技术链将面临重构。汽车电子底层硬件不再是仅仅提供简单的逻辑计算,而是需要提供更为强大的算力支持;软件也不再是基于某一固定硬件开发,而是要具备可移植、可迭代和可拓展等特性。智能网联汽车需要一个安全可靠、实时运行、并行计算和分布管理的操作系统,能够支持人工智能、物联网、高算力等新一代信息技术应用。

开发国产车用操作系统有助于保障产业安全。2020年智能手机行业高端芯片禁售事件对我国相关产业产生了重大影响。在智能网联汽车全产业链上的一些关键技术,比如操作系统、车用高性能芯片和车用传感器大量依赖国外公司产品,很大程度影响到我国汽车产业的产业链安全,只有基于自主开发,才不会受制于人。同时,如果没有安全可靠、实时运行的操作系统,就很容易出现信息泄露与篡改,使系统做出错误判断,可能会引发车辆安全事故。而且,智能汽车在使用过程中将产生大量的数据,如果未对这些数据进行有效管理,将会面临极大的数据安全和信息安全,从而导致国家安全隐患。

开发国产车用操作系统将带来巨大经济效益。根据麦肯锡数据显示,2020年全球车用操作系统的市场规模达到238亿美元,预计2025年将达到362亿美元,2030年将达到469亿美元。我国车用操作系统同样也将迎来发展良机,2021年市场规模为94.3亿元,预计2023年有望突破185亿元。

五、国产车用操作系统的主要问题

(一)关键核心技术基础薄弱

一是相较电脑和智能手机操作系统,车用操作系统对实时性、安全性、稳定性的要求更高。在传统燃油车时代,产业模式主要是整车企业与Tier1合作,博世、大陆、采埃孚等国际零部件巨头可提供完整的软硬件解决方案,整车企业对自主操作系统的认知度和使用黏性不足,导致国产车用操作系统发展相对较慢,相关技术基础薄弱。随着新能源汽车进入智能化时代,产业模式发生变革,智能驾驶领域有英伟达、智能座舱领域有谷歌等Tier2直接与整车企业合作,进一步压缩了国产车用操作系统的发展空间,导致整车企业对国产操作系统持续迭代发展的信心不足,装车率较低。

二是我国在车用操作系统领域自主创新能力不足,现有大部分车用操作系统大都基于QNX、Linux、Android系统的二次开发,对内核技术和代码的理解,以及多操作系统融合能力不足,软硬件兼容适配方面技术薄弱,难以满足车用操作系统较高的实时性、安全性、稳定性要求。

三是我国车用操作系统开发所需要的工具链、安全标准体系、程序库等主要被国外公司垄断。工具链基本采用ETAS、EB、Vector等国外企业产品,采购及使用成本较高。东软睿驰、经纬恒润、普华等国内公司自主研发的工具链虽然也实际应用于整车企业,但基本是作为国外产品的配套软件,发展仍处于初级阶段,尚不具备独立开发全套工具链的能力。

(二)标准和规范体系尚不健全

我国车用操作系统相关的测试标准、规范缺乏系统性和完整性,尚不成体系。在智能驾驶操作系统方面,我国目前尚没有统一的标准,应用软件的接口协议不规范,在一定程度上制约了自动驾驶的发展。在安全标准规范方面,特别是涉及到功能安全和信息安全的规范大都依赖国外,自主研发的标准比较匮乏,尚未建立符合我国国情的车用操作系统规范,同时也缺乏相关的评价标准和法律保障。

(三)基础科学建设和人才支撑不足

车用操作系统需要计算机软件、信息通信、车辆控制、数据安全、信息安全等多学科交叉融合作为支撑。但我国车用操作系统产业和相关学科人才短缺,一方面国内计算机专业教育偏重于计算机工程、软件工程和软件应用,与车辆工程、数据安全等学科融合不足;另一方面由于国内车用操作系统相关的基础软件研发投入不足,行业前景存在不确定性,导致高端领军人才匮乏。

六、国产车用操作系统发展的路径建议

(一)强化顶层政策设计

相关政府主管部门组织第三方智库及行业机构开展车用操作系统行业研究,提出和制定车用操作系统发展路线图,从开发、检测、应用等方面,加强政策引导,探索出台国产车用操作系统推广应用政策,通过税收优惠、保险补贴、奖励等支持方式,更好的发挥政府作用,推动国产车用操作系统装车应用。通过重大技术攻关等项目形式,给予资金支持,推动国内相关研究开发主体技术创新。各级国资委推动国有汽车企业将国产车用操作系统协同开发应用作为打造原创技术策源地和现代产业链链长的重要要求,开展考核和评价,实行研发人员工资单列等政策。加强产业投资引导,鼓励国家基金和社会资本重点投向车用操作系统等智能化关键技术研发领域。建立多部门信息互通共享联动机制,加强对所支持企业和项目的监督考核力度,确保各项政策举措落地落实。

(二)促进车用操作系统技术研发和创新

一是鼓励芯片企业、软件企业、整车企业等相关市场主体、科研院所协同合作,整合全球创新资源,基于行业内已形成的标准或优秀案例,集中资源继续做更深、更高层次的技术创新,共同推进车用操作系统参考架构等研制工作,构建车用操作系统基础资源共享环境。

二是加强车用操作系统内核开发等关键技术攻关,提高自主研发能力,提高产品国际竞争力,为产品的持续迭代提供技术保障。提高车用操作系统的架构通用性和平台可延展性,面向未来预留拓展和跨界融合空间。提高操作系统的通用性,统一规范和标准,实现不同系统兼容与替换。

三是强化信息安全技术开发,加强对国产车用操作系统安全可控关键技术的研发和创新,按照车用操作系统自下而上架构,从内核、中间件、通用算法库等层面制定系统安全策略,防止非法访问、篡改、破坏,保证车辆运行功能安全。充分利用好第三方检测、认证机构资源,建立操作系统补丁情况更新、漏洞信息通报、安全漏洞分析,以及安全应急处置等技术协调及通报处理机制。

(三)加强车用操作系统应用推广

一是加快自主车用操作系统应用推广,制定推进计划,明确国产替代目标,完善应用替代推进政策及政府采购政策,党政机关要率先采购采用国产操作系统的公务用车。鼓励智能网联汽车测试过程中搭载自主车用操作系统,鼓励测试企业采用搭载国内操作系统的智能网联汽车开展测试工作。

二是以智能驾驶、智能座舱、安全车控技术发展趋势为牵引,产业化应用为目标,促成车用操作系统在中国量产车型的集成和推广,依靠实车整体集成和测试加快产品迭代优化。

三是推动商业模式创新,鼓励企业在遵守开源软件许可证协议的基础上开展商业运营模式创新,可考虑采取“产品免费、应用服务收费”等商业模式,加快国产车用操作系统推广以占领市场,吸引更多应用开发者丰富应用生态。

四是围绕“操作系统+应用软件与数字内容服务+智能网联汽车”的产业生态系统,逐步构建合作共赢的应用推广体系,由整车企业、零部件企业、系统软件开发商、网络运营服务商,以及数字内容分发商、应用软件开发商和内容服务提供商等广泛参与,构建良性的生态环境。

(四)加快建立行业标准和测试认证

一是组织整车企业、软件公司、行业机构等单位,加快自主车用操作系统接口、功能、安全和通讯等标准规范制定,建立自动驾驶核心算法开发规范标准,制定软件故障诊断、安全管理等服务标准,与云控、电子电气等新一代架构技术协同,以安全可控和开放兼容为总体要求,共同推动建立我国的智能汽车软硬件标准和规范。

二是建立完善车用操作系统检测认证体系,支持构建国家操作系统测试认证服务平台,开展车用操作系统检测认证业务,在系统关键性能、远程升级、功能安全、信息安全等方面,按照合规性、安全性、可靠性、稳定性等多个维度设置不同等级,引导行业不断调优操作系统性能、提高信息安全。

三是支持行业领军企业、行业机构、科研院所深度参与AUTOSAR等国际组织的活动和标准制定,借鉴吸收国际上成熟或有影响力的汽车电子电气基础软件架构,在国际相关标准兼容的基础上,制定出符合中国智能网联汽车发展特点和趋势的操作系统标准和规范。

(五)加强高层次紧缺软件技术人才培养和引进

充分发挥高校在人才培养、科学研究、学科专业建设等方面的优势,持续加大车用操作系统领域相关专业设置,探索推行将汽车工程与信息通信、计算机软件等学科融合教学。深入实施产学合作协同育人项目,支持引导校企共建车用操作系统实验室,以产业和技术发展的最新需求推动应用型人才培养。鼓励自主车用操作系统进高校,通过广泛使用、问题反馈和加速迭代,增强人才对自主车用操作系统的认知度和使用黏性。

(六)支持产业创新联盟组织跨学科跨领域协同攻关

从政策和资金层面支持科技社团组建或者已经成立的产业联盟,由其牵头组织汽车整车、零部件、电子、通信、智能控制等跨学科跨领域力量协同攻关,在研发、制造、芯片、软件、应用、标准、规范等方面形成完整的产业生态。特别是,为国产汽车芯片和操作系统优先提供示范应用场景。

(七)鼓励资本助力车用操作系统产业发展

社会资本融入智能汽车实体产业是近年来呈现的新业态,大量资本看好自动驾驶产业前景,并对此产业充满信心。通过政策扶持,发挥政府作用,引导和鼓励金融资本力量助力自动驾驶产业,积极积极构建良性产业生态,发挥市场在资源配置中的决定性作用,推动车用操作系统等基础软件发展,实现政策和市场引导双轮驱动。

课题组成员:汪志鸿 于德营 马天泽

陈炳全 李宗阳 李红燕

参考文献

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[2]2022年中国新能汽车行业系列研究—车载OS博弈,“兵家必争”:底层篇[EB/OL].头豹研究院,2022.

https://www.fxbaogao.com/detail/3460665.

[3]谢春生,彭钢.计算机行业操作系统:汽车软件化的起点[EB/OL].华泰证券,2022.

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[4]汽标委智能网联汽车分标委资源管理与信息服务标准工作组.车控操作系统总体技术要求研究报告[EB/OL].2022.

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[5]迈向生态共建的车用操作系统之路[EB/OL].德勤咨询.

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