我國智能網聯汽車操作系統研究

潘妍，張也，周瑞坤，蘇仟

國家工業信息安全發展研究中心，北京 100040

0 引言

汽車電子電氣架構正在從分散控制向集中“域控制”轉換。傳統汽車采用的分布式架構異常復雜，車輛各功能受不同電子控制單元（ECU）控制，整車ECU數量動輒上百，而新一代集中式架構主要通過車身控制域、智能駕駛域和智能座艙域三大域控制器和以太網提供未來汽車所需的計算能力和通信能力，極大簡化了開發模式，促進了計算資源優化集中，更能適應智能網聯時代汽車系統高算力、強通訊、寬拓展的實際需求。隨著電子電氣架構的不斷革新，汽車硬件體系將逐漸趨于一致，軟件和算法成為未來競爭的核心要素，必將重塑汽車價值鏈和產業模式。作為軟件定義汽車的核心基礎，智能網聯汽車操作系統既是我國汽車產業趕超世界先進水平的重要賽道，也是搶占萬物互聯時代基礎軟件發展先機的關鍵突破口，已成為汽車產業鏈上企業的必爭之地，國內外車企、集成供應商、互聯網科技巨頭紛紛下場布局，試圖搶占制高點。

1 智能網聯汽車操作系統分類介紹

智能網聯汽車操作系統是運行于車內的系統程序集合，以實現管理硬件資源、隱藏內部邏輯為目標，并提供軟件平臺、用戶程序與系統交互接口、支撐上層應用基礎服務等功能。

根據使用場景，智能網聯汽車操作系統可以分為經典車控操作系統、智能駕駛操作系統和智能座艙操作系統[1]，分別適用于車身控制域、智能駕駛域和智能座艙域三大域控制器。其中，經典車控操作系統、智能駕駛操作系統均屬于車控操作系統（圖1）。

圖1 智能網聯汽車操作系統分類

智能座艙操作系統，又通稱為車載操作系統，主要面向座艙的信息娛樂服務和人機交互控制，應用于車機中控平臺，重點關注應用生態、智能化、互聯互通等需求，對于實時性、可靠性要求不高。該類操作系統發展迅速，目前業界產品包括QNX、AGL、Android、GeniVI、AliOS、WinCE等，系統之上的應用生態也趨向繁榮。

經典車控操作系統主要用于傳統的車輛控制領域，如動力系統、底盤和車身系統。該類操作系統對實時性、可靠性、安全性以及標準化要求極高，產業鏈主要由整車廠和Tier 1集成供應商主導，生態發展趨于穩定成熟。

智能駕駛操作系統是指應用于智能駕駛域控制器的操作系統，除對實時性、安全性、可靠性要求較高之外，還需滿足自動駕駛場景下的高算力、高帶寬等性能要求。目前，智能駕駛操作系統在全世界范圍內處于發展初期，技術路線和市場格局尚未明晰，生態建設仍待探索。

1.1 經典車控操作系統

隨著電子控制的計算平臺和互聯網云端的連接，經典車控操作系統功能也得到了極大拓展，呈現向智能化演進的趨勢。在外部環境日益復雜的情況下，國產車控操作系統廠商、Tier 1供應商有望利用國內存量汽車替換機遇，在未來幾年加速追趕，推進產品落地。主要廠商介紹見表1[2]。

表1 經典車控操作系統主要廠商

1.2 智能座艙操作系統

智能座艙操作系統產業鏈上下游主要包括前裝零部件（如數字儀表盤、域控制器等）、信息娛樂系統、算法等。一方面，數字儀表盤、域控制器等前裝零部件和車機信息娛樂系統市場均由Tier 1供應商主導，具體包括海外的偉世通、大陸、博世、電裝、日本精機等，以及國內的德賽西威、航盛電子、均勝電子、東軟集團等；另一方面，智能座艙算法供應商圍繞各專業領域的布局相對分散，科大訊飛、思必馳、出門問問、云知聲等國內供應商聚焦語音交互，地平線、中汽創智、中科創達、誠邁科技等深耕芯片和車機系統。同時，具備算法能力的廠商往往在智能座艙算法的供給上具備一定優勢；此外，以阿里巴巴、谷歌、百度、華為等為代表的科技巨頭憑借在軟件和大數據領域的資源積累全面“進軍”智能座艙操作系統生態。

智能座艙操作系統按照對底層操作系統的改造程度，主要分為3類。

（1）基礎型，需打造全新底層操作系統和所有系統組件，包括系統內核、底層驅動等，研發成本極高，如QNX、Linux、WinCE等操作系統。

（2）定制型，即在基礎型操作系統之上，根據應用目的進行定制化開發，如修改系統內核、硬件驅動、運行環境、應用程序框架等，有代表性的包括大眾VW.OS、特斯拉Version，國內的華為鴻蒙HOS、阿里系斑馬智行AliOS等。

（3）ROM型，基于Linux或安卓等基礎型操作系統進行有限的定制開發，不涉及系統內核更改，一般只修改更新系統自帶的應用程序等，大多數車企均采用此種形式定制開發其專屬操作系統[3]。

1.3 智能駕駛操作系統

全球智能駕駛操作系統仍處于起步階段，歐洲AUTOSAR組織針對車控操作系統，發布了Classic和Adaptive兩個平臺，分別對應傳統控制類和自動駕駛的高性能類。其中，Classic平臺已廣泛應用于發動機控制器、電機控制器、整車控制器、BMS控制器等傳統嵌入式ECU中。而Adaptive AUTOSAR平臺不是對Classic平臺的升級替代，而是面向未來自動駕駛、車聯網等復雜場景而提出的一種新型汽車電子系統軟件架構標準。Adaptive AUTOSAR從2016年開始制定，采用了基于POSIX標準的操作系統和API接口技術規范，將更多地應用在高級駕駛輔助系統（ADAS）等自動駕駛領域，能夠滿足高計算能力、高帶寬通信、分布式部署等復雜場景需求。

2 智能網聯汽車操作系統發展趨勢

2.1 操作系統正由軟硬一體化向解耦發展

以智能網聯、自動駕駛為核心的出行服務模式形成后，將促使汽車產業從“軟硬件集成開發”向“軟件/硬件解耦單獨開發”轉變，整車電子電氣架構將由分布式架構向集中式架構轉變。各領域的核心技術越來越依賴于軟件支撐，軟件需求和性能直接影響硬件的架構和特性，分布式ECU的總線架構逐步進化為中央計算、中央通訊的架構形態，促使車內控制系統趨于形成統一的架構標準和通用的硬件平臺，各類控制功能逐漸演變為統一平臺下的各類應用。

通過基礎軟件幫助汽車軟硬件解耦分層，有效減少硬件需求量，增強軟件通用性，從而實現軟件架構的軟實時、在線升級、操作系統可移植，有利于采集數據實現多功能的應用，真正實現“軟件定義汽車”。車企也可以利用應用軟件在平臺化體系下的規模化復用，提升汽車的研發效率，降低研發成本[4]。

2.2 操作系統產品技術路線與生產企業逐漸收斂

汽車電子電氣架構從傳統分布式架構正在朝向域架構、中央計算架構發展，技術呈現計算集中化、軟硬件解耦化、平臺標準化以及功能開發生態化趨勢。現階段多個操作系統尚處于并行發展階段，未來隨著汽車電子電氣架構的不斷演化，不同類型的操作系統將逐漸實現整合，第一階段核心是將安全車控操作系統整合到智能駕駛操作系統形成自動駕駛操作系統，第二階段將進一步整合自動駕駛操作系統和智能座艙操作系統形成車內統一智能網聯汽車操作系統，第三階段將延展到車外形成云端孿生式操作系統。未來的智能網聯汽車操作系統將不僅包含安全車控操作系統、智能駕駛操作系統和智能座艙操作系統，還可能延展到云端形成孿生操作系統。

3 我國面臨的瓶頸與問題

在外部環境日益復雜的情況下，保障我國智能網聯汽車產業鏈、供應鏈安全穩定面臨較大挑戰。

3.1 行業競爭格局較為分散，國產系統難以推廣

一方面，行業競爭格局較為分散，難以形成研發合力。智能網聯汽車操作系統市場潛力巨大，已吸引包括華為、普華、百度、阿里和騰訊在內的眾多競爭者進入智能網聯汽車操作系統領域，從而導致我國智能網聯汽車操作系統市場參與者多、競爭格局分散、研發能力較低，難以形成行業合力。另一方面，國產智能網聯汽車操作系統推廣難度大。汽車安全與人民群眾的生命財產安全息息相關，智能網聯汽車操作系統的可靠性和安全性尤為重要，但國產智能網聯汽車操作系統“上車”較晚，安全性可靠性驗證不足，因此車企往往愿意使用經過市場檢驗的操作系統產品，不愿意為嘗試國產智能網聯汽車操作系統而承擔相應風險，致使國產智能網聯汽車操作系統難以推廣。

3.2 關鍵核心技術受制于人，存在“卡脖子”風險

（1）操作系統內核開發難度較大，內核技術基本被國外科技巨頭企業掌握，車企大多使用開源Android、Linux系統進行二次開發，存在“斷供”風險。（2）缺少操作系統一體化架構設計，高度依賴供應商軟件產品，然而各家供應商標準接口和協議各不相同，因此存在安全性和穩定性風險。（3）缺少一體化開發設計平臺，在自動駕駛操作系統領域，大多使用國外Autosar Classic和Adaptive平臺，我國自主研發設計基礎薄弱，與國外仍有較大差距[5-8]。

3.3 標準等頂層設計不完善，缺少統籌考量規劃

國內智能網聯汽車操作系統相關標準和技術法規進展緩慢。一是經典車控操作系統方面，不同車型的底層電子電氣架構、零部件標準接口不統一，大大提高了相關軟件產品研發、適配和應用推廣的門檻。二是智能駕駛操作系統方面，我國尚無統一的標準，應用軟件的接口協議不規范等問題突出，在一定程度上制約了我國智能駕駛操作系統的發展。三是智能座艙操作系統方面，國際上還未發布相關標準，個性化開發規范不統一，存在信息安全風險。四是操作系統測試評價方面，我國缺乏統一的評價標準體系和可操作的測試指南，各機構測試能力水平參差不齊，技術人員配備、仿真平臺搭建等方面存在較大差異，測試服務能力高低不一。

3.4 產業生態發展基礎薄弱，上下游步調不統一

（1）產業鏈發展基礎薄弱。國外Linux、Android、WinCE三大底層操作系統占據了88%的市場，而我國產業鏈前端進展緩慢，難以有效滿足國內汽車產業對自主操作系統的技術和性能要求。（2）產業鏈上下游發展步調不統一。產業鏈上游操作系統開發廠商研發進度未能與下游整車企業研發周期相同步，存在各自為戰現象，在一定程度上限制了智能網聯汽車操作系統的發展[9-10]。（3）我國專業人才儲備不足，智能網聯汽車操作系統在我國起步晚、基礎弱，對于專業人才的能力水平要求高，但同時具備汽車專業背景，了解汽車架構及軟件架構的復合型人才較為稀缺。

4 結論

結合產業發展實際和經驗，建議從以下幾個方面綜合施策，加快能力提升，促進展業發展。

4.1 明確行業發展路徑

在發展靠前的智能座艙域，加速智能座艙操作系統的路徑收斂和垂直整合，集約資源打造擁有國產自主知識產權的主流產品，為相關產品提供政策支持，積極引導車企使用，減少產業鏈上下游與操作系統適配過程中的資源浪費。在格局未定的智能駕駛域，充分發揮市場力量，鼓勵和引導國內企業對標Mobileye、英偉達、特斯拉等頭部企業，加大產品研發力度，提升技術先進性，以自主芯片創新應用為引領，加快推進軟硬件一體化計算平臺研發。在存量替代的車身控制域，在保持與主流國際汽車軟件標準的兼容性要求的基礎上，突破新型電子電氣架構下的實時操作系統內核等關鍵技術，打造拳頭產品，借助國產存量替代的機遇，減輕對外底層依賴和供應鏈上游市場風險的影響。

4.2 加強關鍵技術研究

（1）聚焦智能網聯汽車操作系統關鍵核心技術，通過國家重大項目，支持相關技術研究、促進產業發展和商業化運作。（2）支持企業開展協同創新，整合產業鏈優勢資源，攻關智能網聯汽車計算基礎平臺等關鍵共性技術，建立面向未來出行的融合創新平臺。（3）依托相關高校和科研院所成立重點實驗室和專業技術創新中心，加快成果轉化和產學研用一體化運作，推進具有國際競爭力的智能網聯操作系統技術、產品及服務創新。

4.3 發揮標準引領作用

（1）針對我國汽車基礎軟件行業標準規范缺失的問題，從國家層面構建統一、規范的發展規劃和標準推進機制；（2）借鑒AUTOSAR等國際標準化實踐經驗，加快制定符合我國智能網聯汽車發展特點和趨勢的操作系統行業標準規范，構建合理、完善、先進的標準體系和測試評價體系；（3）著力解決企業在跨平臺、跨系統集成應用方面面臨的復雜兼容性問題，支撐智能網聯汽車操作系統實現多端部署、跨域連接、信息融合和大規模應用。

4.4 完善產業發展機制

智能網聯汽車操作系統涉及的產業鏈龐大復雜，關聯眾多重點領域協同創新，需加強部門間協同配合，著力解決網絡基礎設施建設、軟硬件架構升級、自動駕駛應用、數據共享利用等關鍵問題。充分尊重技術發展規律和產業融合特點，鼓勵多主體參與和多路線發展，做好主機廠、供應商等供需雙方的對接，合理布局全棧軟硬件生態，補齊短板，鍛造長板，實現戰略引領。