車用操作系統技術現狀及發展趨勢

汪志鴻，于德營，馬天澤，陳炳全，李宗陽，李紅燕

（中國國際工程咨詢有限公司高技術業務部，北京 100048）

1 車用操作系統架構概述

車用操作系統與傳感器、控制器、執行器等物理硬件共同組成車載基礎軟硬件平臺，是實現智能駕駛、智能座艙、安全車控的基礎。車用操作系統是汽車物理硬件與軟件資源的管理控制程序，同時也是車載基礎軟件平臺的基石，主要包括5 個方面的管理功能，分別為：進程與處理機管理、作業管理、存儲管理、設備管理、文件管理。在硬件層面，新能源汽車的硬件架構將向域集中式、中央計算架構轉變，集中到有限的幾個乃至一個算力強大的計算單元上，實現智能駕駛、智能座艙、安全車控等功能。在軟件層面，汽車軟件將由過去的嵌入式開發模式轉變為全棧開發模式，作為連接和統一管理硬件、軟件和用戶的核心樞紐，完成資源調度［1］。車用操作系統為實現智能駕駛、智能座艙、安全車控等功能，須同步研發智能駕駛操作系統、智能座艙操作系統、安全車控操作系統及相應配套工具鏈，實現并行計算、分布管理，完成多個硬件之間的資源調度。未來，車用操作系統作為實現智能駕駛、交互娛樂、車路云協同等功能的軟件載體，將成為汽車智能化發展的重要支撐。

智能駕駛和智能座艙操作系統按架構自下而上均可分為系統軟件和功能軟件。其中，系統軟件按架構自下而上可以分為硬件抽象層、內核和中間件；功能軟件可以分為自動駕駛通用框架模塊、網聯模塊、云控模塊等［2］。安全車控操作系統主要面向傳統車輛控制，基于OSEK OS 和Autosar CP 構建，實現車身、動力、底盤系統等控制功能。車用操作系統架構如圖1所示。

圖1 車用操作系統架構

2 系統軟件技術發展現狀

2.1 硬件抽象層

2.1.1 概念

硬件抽象層是內核與硬件之間的接口層，為操作系統提供虛擬硬件平臺，實現操作系統與硬件解耦以及多硬件平臺間的移植。虛擬硬件平臺由VM（虛擬機）和Hypervisor（虛擬監視器）構成，操作系統在VM上運行，并通過Hypervisor進行調度。

VM是指通過軟件模擬完整的硬件功能，實現操作系統在完全隔離環境中運行。虛擬機可以實現物理硬件的所有工作內容。

Hypervisor 是指運行在物理硬件和虛擬機之間的中間層軟件，協調訪問物理設備和虛擬機，實現多個虛擬機共享一套物理硬件。Hypervisor 分為Type 1（裸機型）和Type 2（寄居型）。Type 1 型的Hypervisor直接運行在物理硬件之上，可直接訪問物理硬件并管理所有硬件資源，在延時、安全性和效率上更勝一籌，但此類型Hypervisor 需要硬件支持，移植難度大，開發成本也較高。Type 2 型的Hypervisor運行在某個操作系統之上，通過操作系統訪問物理硬件，移植難度小，開發成本低，但存在延時較高的問題，且底層操作系統若出現問題將直接影響Hypervisor，因此安全性相對較弱［2］。Type 1 和Type 2架構如圖2所示。

圖2 Hypervisor Type 1型和Type 2型架構

2.1.2 典型虛擬監視器

Hypervisor目前主要應用于智能座艙操作系統，未來將逐步向智能駕駛操作系統擴展。在智能座艙操作系統中，娛樂和智能交互等模塊與儀表顯示等模塊對實時性、安全性、穩定性要求不同，需要在一顆芯片上運行多種操作系統。因此，目前主流Hypervisor 方案選擇Type 1型，保障操作系統之間互不干擾，提升操作系統安全性。典型虛擬監視器包括 QNX Hypervisor、ACRN Hypervisor、Mentor Hypervisor 等，均為Type 1 型。各類Hypervisor 對比如表1所示。

表1 各個Hypervisor對比表

2.1.3 國內外虛擬監視器市場格局

近幾年涌入車載Hypervisor領域的企業非常多，以國外企業為主，主要產品包括加拿大黑莓公司的QNX Hypervisor、英國 XenSource 公司的 Xen Hypervisor、日本松下旗下子公司的OpenSynergy、Linux 基金會的ACRN Hypervisor、美國Mentor Graphics 公司的Mentor Hypervisor 等。其中，QNX Hypervisor 是目前唯一應用到量產車型且功能安全等級達到 ASIL-D 級的產品，支持恩智浦、高通等頭部廠商的芯片。同時，黑莓與博世等多家Tier 1 廠商建立了合作伙伴關系，推廣其Hypervisor產品。此外，高通在Snapdragon Ride 自動駕駛軟件堆棧中也選擇了QNX Hypervisor 2.0版本產品。

國內Hypervisor 發展相對落后，2017 年中科創達、誠邁科技入選黑莓VAI計劃，作為合作伙伴可以使用黑莓的嵌入式技術，開發集成服務、安全關鍵型解決方案。阿里斑馬智行已開發出虛擬機監控技術產品AliOS Hypervisor。中興通訊自研的Hypervisor產品已實現量產裝車應用。

2.2 車用操作系統內核

內核作為操作系統的核心，管理系統的各種資源［3］，提供內存管理、文件管理、CPU 調度管理、輸入輸出管理等功能［4］。內核可以按照內核結構、實時性以及對內核改造程度3 個維度進行分類：根據內核結構，分為微內核和宏內核；按照實時性，分為實時操作系統和分時操作系統；根據對內核改造程度，分為基礎型、定制型和ROM型。

2.2.1 概念

（1） 微內核與宏內核

微內核的內核服務和用戶服務在不同的地址空間中實現，應用程序和硬件的通信通過內核進程和內存管理實現。微內核穩定性較高，易于移植和擴展。由于用戶服務和內核服務相互獨立，內核服務將不會因用戶服務的崩潰而受到影響。此外，微內核每添加一個功能，只須建立一個新的服務到用戶空間當中，無須對內核空間作任何修改，但缺點是用戶服務和內核服務之間交互流程較長，執行速度相對較慢。目前，微內核架構多用于儀表顯示、智能網關、監控其他操作系統等安全等級要求較高的領域。

宏內核中的內核服務和用戶服務在同一地址空間中，執行速度比微內核快，缺點在于當內核中的某個服務崩潰時，會影響其他內核服務，進而導致內核崩潰。此外，添加新的功能意味著內核中的各模塊都需要做相應的修改，導致內核擴展性較弱。目前，在車用操作系統中，宏內核架構多用于智能駕駛、人車交互等算力要求較高的領域。微內核與宏內核特點如表2所示。

表2 微內核與宏內核對比表

（2） 實時操作系統與分時操作系統

實時操作系統是指在規定時間內及時接受并處理外界事件或數據，并協調控制所有實時任務［5］。實時操作系統具有高實時性和高可靠性的特點，主要應用于汽車電控領域，實現車輛行駛過程中的車身控制，如動力控制和制動控制等。

分時操作系統是指通過時間片輪轉等方式，輪流為多個用戶提供服務，實現對每個用戶的快速響應，并提供交互能力［5］。分時操作系統具有多路性、獨立性、及時性、交互性的特點，可以縮短系統平均響應時間、提高吞吐率。在汽車領域，分時操作系統主要應用于人車交互、信息娛樂、導航、自動駕駛等領域。實時操作系統與分時操作系統的特點如表3所示。

表3 實時操作系統與分時操作系統對比表

（3） 基礎型、定制型和ROM型

基礎型操作系統僅包括系統內核、底層驅動等，實現系統最基本的功能，負責管理系統的內存、進程、驅動和網絡系統等。

定制型操作系統是對基礎操作系統進行深度定制化開發，如修改內核、硬件驅動、運行環境、應用程序框架等。一般由國內外頭部車企或軟件開發企業開發。內核改動成本高昂，技術水平要求高，需要有較強的研發實力。

ROM 型操作系統不涉及系統內核修改，僅在基礎型操作系統上進行有限定制化開發，一般只修改/更新操作系統自帶的應用組件程序等。

2.2.2 典型系統內核

目前，主流基礎型操作系統內核包括QNX、Linux、Vxworks 等。但由于QNX 代碼封閉、Vxworks易用性和易擴展性較低，各軟件開發企業大多選擇開源Linux 操作系統或微內核進行定制化開發的技術路線，實現智能駕駛或智能座艙的功能，如特斯拉基于Linux 內核定制開發的Version OS、谷歌基于Linux 內核定制開發并開放源代碼的Android Automotive OS、華為基于微內核的鴻蒙操作系統。此外，由于ROM 型操作系統開發難度較低，各整車企業往往選擇該技術路線，如寶馬BMW OS、小鵬Xmart OS、蔚來NIO OS。3 類基礎型操作系統內核對比如表4所示。

表4 3類基礎型操作系統內核對比表

2.2.3 國內外系統內核市場格局

目前主流基礎型操作系統均為國外企業或社區開發，國內雖然有華為、中興通訊、阿里斑馬智行等企業自研微內核架構的基礎型操作系統，但普及率不高。根據CSDN 數據，QNX 市場占有率最高，覆蓋全球主要汽車品牌，已有超過230種車型使用QNX。Linux 市場占有率位居第二，2014 年Linux 基金會推出汽車級Linux，開源車載系統AGL（automotive grade Linux），豐田、戴姆勒、本田等知名車企均參與AGL 項目開發。Vxworks 主要應用于發動機控制領域，合作的品牌包括博世、寶馬、福特、大眾等。微軟曾與許多整車企業合作，但因公司戰略規劃方向調整，其研發的車用操作系統WinCe 已基本退出車用領域。全球車載操作系統內核市場競爭格局如圖3所示。

圖3 全球車載操作系統內核市場競爭格局

對于整車企業而言，自研操作系統內核成本較高，大多基于已有內核進行ROM 型開發。當前，自動駕駛初創公司和整車企業大多是在QNX、Linux等基礎型內核之上進行開發，并自研中間件和應用軟件。整車企業在選擇操作系統內核時，會結合自身需求和研發能力，從安全性、可靠性、開放性、可擴展性、易用性及成本等方面權衡。例如，對實時性、功能安全要求更高的安全控制域，如安全氣囊，整車企業會優先考慮實時性、安全性好的實時操作系統QNX 等。而對應用生態豐富度要求高的座艙域，整車企業會在開放程度更高的Linux、Android 等內核基礎上打造座艙域操作系統。

目前較為成熟的操作系統為特斯拉Version OS和谷歌Android Automotive OS。其中，Version OS 包含智能座艙、智能駕駛和安全車控3 類操作系統，由特斯拉全棧自研，并可通過OTA 進行快速修正與升級，提升用戶體驗。而Android Automotive OS 具有應用生態豐富、開源靈活、可移植性強的特點，有助于軟件開發企業、整車企業快速切入車用智能座艙操作系統領域，建立車載軟件生態。

國內企業中，華為鴻蒙、百度Apollo、阿里斑馬智行AliOS 等操作系統發展較為迅速，均已實現量產，其中鴻蒙操作系統已在比亞迪漢、問界M5、北汽極狐阿爾法等車型應用。Apollo 操作系統已在奇瑞EXEED 星途TX 車型實現應用，并應用于百度自研的第五代L4 級自動駕駛車型Apollo Moon 中。阿里斑馬智行AliOS已在上汽智己L7車型實現量產。上汽、長安、東風、比亞迪等整車企業也相繼開展了深度定制智能駕駛操作系統/智能座艙操作系統的自研工作。中興通訊、中汽創智等在智能駕駛操作系統、智能座艙操作系統、安全車控操作系統均有布局，其中，中興通訊推出基于自研微內核和Safety Linux的雙內核智能駕駛操作系統解決方案，兼顧智能駕駛場景下功能安全和豐富生態支持要求。國內芯片企業地平線等企業基于自研芯片架構也開展了智能駕駛操作系統的自主研發。

2.3 中間件

2.3.1 概念

中間件作為內核和功能軟件之間的中間層軟件，將內核提供的接口重新封裝，并添加一些實用功能，為功能軟件提供更好服務。由于汽車軟件系統出現了多種操作系統并存的局面，導致系統的復雜性和開發成本劇增，為提高軟件的管理性、移植性、裁剪性和質量，須重新定義一套架構，將內外部開發環境交互規則進行統一，幫助實現軟硬件之間的解耦［6］。

2.3.2 典型中間件

目前，主流中間件是Autosar 汽車開放架構，由全球汽車制造商、零部件供應商以及各種研究、服務機構共同參與制定，擁有CP 和AP 兩大平臺［7］。CP架構是針對傳統車輛控制OSEK 標準的嵌入式系統的解決方案，主要應用在算力要求較低的場景中，如發動機控制等傳統電子控制單元。AP 架構是由CP架構演化而來，時延在毫秒級，主要應用在算力要求更高的場景中，如自動駕駛和信息娛樂等領域。Autosar 作為一套標準，在實際應用中，Tier 1 廠商會基于安全車控ECU 模塊中的MCU 芯片，將OSEK OS作為Autosar CP 平臺的底層組件，構建安全車控操作系統，實現車身、動力、底盤系統等控制功能。Autosar CP與AP情況如表5所示。

表5 CP與AP對比

隨著智能駕駛技術的不斷發展，ROS 2 作為能夠支持Linux、RTOS等操作系統的實時系統，已逐漸應用于自動駕駛中間件中［8］。Autosar AP 與ROS 2對比如表6所示。

表6 Autosar AP和ROS 2對比

2.3.3 國內外中間件市場格局

目前中間件開發的參與者眾多，多個標準并行。從競爭格局看，整車企業、傳統Tier1廠商、平臺供應商、汽車電子廠商及第三方軟件供應商在中間件領域均有所布局。其中Autosar 是目前最常見和最常用的中間件方案，如果想完全實現Autosar 系統功能，須購買德國維克多、易特馳和芬蘭伊萊比特等Tier1 的Autosar 工具鏈，其中易特馳產品可兼容Autosar與ROS 2架構。

國內有多家企業從事Autosar 中間件的開發，包括東軟睿馳、經緯恒潤、普華基礎軟件、華為、阿里斑馬智行等。

3 功能軟件技術發展現狀

3.1 概念

功能軟件是面向智能駕駛核心共性需求形成的軟件集合，支撐自動駕駛功能靈活敏捷開發，其模塊包括自動駕駛通用框架、網聯、云控等，與系統軟件共同構成完整的智能駕駛操作系統［9］。功能軟件具有彈性可擴展的特點，主要解決算法/組件復用、應用快速開發與迭代、軟件系統集成、可視化開發等問題。

3.2 典型功能軟件

3.2.1 自動駕駛通用框架模塊

自動駕駛通用框架模塊是功能軟件的核心，可調用網聯、云控等功能軟件子模塊，支撐ADAS 和自動駕駛應用進程。模塊包含感知、定位、決策、控制等專用算法組件庫，以及邏輯、數學等基礎算法組件庫。自動駕駛通用框架模塊定義了核心、共性自動駕駛通用框架和數據流，包含共性模塊的實現，并提供對外接口和服務，方便接入非共性或演進算法，促進快速迭代。

3.2.2 網聯模塊

網聯模塊通過實現網聯協同感知、網聯協同規劃等功能，完善自動駕駛通用框架模塊。網聯數據通過V2X 獲得路側數據、攝像頭、智能信號燈、其他車輛等信息，結合單車傳感器系統，進一步提高自動駕駛感知功能，從而增強自動駕駛操作系統的決策能力，最終實現無人駕駛。

3.2.3 云控模塊

云控模塊通過與云控基礎平臺交互，實現人車路云一體化。云控基礎平臺通過云計算和信息共享，為智能網聯汽車及用戶提供車輛運行、基礎設施、交通環境等動態基礎數據。云控模塊一方面為云控基礎平臺提供其所需的數據支撐，另一方面通過中心云/邊緣云進行云端感知、決策和規劃，實現云-端分工協調。

3.3 國內外功能軟件市場格局

目前，可提供功能軟件或相關功能模塊的企業較多，競爭較為激烈，國內有國汽智控、德賽西威、地平線、中科創達、東軟睿馳、映馳和零念，國外有英偉達、TTTech 等。上述大部分企業僅提供部分說明文檔及示例開發，缺少圖形化軟件開發器，開發難度較高，研發的功能軟件僅提供部分模塊功能，豐富程度較低。

4 國外企業車用操作系統發展情況

4.1 整車企業

4.1.1 特斯拉

特斯拉研發智能駕駛操作系統、智能座艙操作系統、安全車控操作系統。在智能座艙操作系統方面，特斯拉Version OS 是一款基于Linux 4.4 內核版本深度改造而成的封閉操作系統，支持PyTorch深度學習編程框架，基于Kafka 開源流實時數據處理平臺，可支持信息娛樂系統和駕駛輔助系統等［4］。為提高信息安全性，Version OS 使用了安全增強型Linux（SE Linux）內核模塊，最大限度地保證系統安全。在智能駕駛操作系統方面，特斯拉基于自研的FSD 芯片，以Linux 內核為基礎，定制開發Autopilot智能駕駛操作系統，具有感知、決策規劃和控制等功能，擁有48 個獨立的神經網絡，可進行多維度數據處理，且具備強大的OTA 升級能力。該架構基于海量的數據驅動，可實現數據采集、算法模型生成、算法模型分布式訓練、算法模型車端部署等功能，可將算法模型與人類行駛行為對比，實現閉環反饋，使系統性能不斷迭代優化。在安全車控操作系統方面，特斯拉參考Autosar CP標準自研。

4.1.2 寶馬

寶馬主要研發智能座艙操作系統，其BMW OS是一款基于QNX 自研的ROM 型智能座艙操作系統，目前已經升級至BMW OS 8 版本，支持5G 通信標準、OTA 和UWB 超寬帶技術的無鑰匙汽車門禁，為用戶提供基于云端計算的新導航系統、車窗語音控制等一系列全新功能。此外，BMW OS 和數字化儀表盤、中控曲面屏等硬件設備組成的iDrive 平臺，可實現轉向回饋力度、懸架剛度、電子模擬的發動機轟鳴聲等10 個擋位調節，增強駕駛體驗感和操控性。

4.2 Tier1企業

4.2.1 Vector

Vector 主要研發安全車控、智能駕駛操作系統，是Autosar 組織的成員，可提供遵循Autosar CP 與AP規范的多款中間件方案，功能安全等級達到ASIL-D級。Vector 提供的產品以標準組件為主，定制組件為輔。與其他Tier1 相比，其產品是以源碼形式交付，相比于業界流行的“黑盒交付”，更受整車企業青睞。其研發的MICROSAR Adaptive 操作系統是基于Autosar AP 平臺搭建，為中間件層提供實時運行環境和開發工具，整車企業在架構設計時，可以使用PREEvision Adaptive Autosar Explore（協同開發平臺）進行服務設計、服務定義、服務實現、軟件架構設計、網絡拓撲設計、SOME/IP通信設計。

4.2.2 易特馳

易特馳主要研發安全車控、智能駕駛操作系統，是Autosar組織成員，可提供遵循Autosar CP與AP規范的多款中間件方案，包括RTA-CAR、OS Port、Iceoryx 等，但交付方式主要以“黑盒交付”為主。其中，Iceoryx 是一款適用于各種操作系統的進程間通信（IPC）的高級別自動駕駛中間件產品，目前已支持Linux、Mac OS 和QNX，可兼容ROS2和Autosar AP接口，滿足當前最常見的基于SOME/IP 通信和基于DoIP 診斷的應用場景，滿足不同開發階段的需求。

4.3 互聯網企業

4.3.1 谷歌

谷歌主要研發智能座艙操作系統，其Android Automotive OS 是一款基于Linux 內核的智能座艙操作系統，具有系統平均響應時間短、吞吐率高、可處理多個用戶請求及服務等優點。此外，Android Automotive 增加了AppCar（OEM 和第三方開發的應用）、Car API（汽車App 特有的接口）、Car Service（系統中與車相關的服務）、Vehicle Network Service（汽車的網絡服務）、Vehicle HAL（汽車的硬件抽象層描述）等模塊，具備查看和控制整車其它子系統的能力［10］。Android Automotive架構如圖4所示。

圖4 Android Automotive OS架構

4.3.2 黑莓

黑莓QNX 是一款以安全穩定和實時性著稱的微內核、非開源的實時操作系統，且文件大小遠小于傳統操作系統。QNX 的應用程序之間采用同步消息傳遞的進程間通信模式來訪問所有驅動程序和操作系統服務。在這一模式下，QNX 內核可以自動協調通信程序，開發者無須在每個進程中手動編碼和調試復雜的同步服務。此外，通過將操作系統劃分為可以單獨開發和維護的基礎模塊，QNX 一定程度上實現了操作系統的模塊化和簡單化［10］。QNX 架構如圖5所示。

圖5 QNX架構

黑莓研發的智能座艙操作系統主要聚焦于對實時性和安全性有較高要求的儀表顯示等模塊。

4.3.3 Linux開源基金會

Linux 是一款以靈活開源且性能穩定著稱的宏內核、嵌入式的分時操作系統，主要應用于智能駕駛領域。其核心在于網絡化架構，支持多用戶、多任務、多線程、多CPU 的同時，保障系統的穩定性。其內核由進程管理、內存管理、文件系統、設備管理和驅動以及網絡通信等5 部分組成。其中，進程管理是最重要的子系統，實現對CPU 的訪問控制。此外，硬盤、軟盤、以太網卡等驅動和其他功能可以編譯進內核，也可以在運行時加載。因此，Linux 的內核設計方式提供了一種高度模塊化的嵌入式系統構建方法，可以通過定制驅動程序和應用程序的組合來提供附加功能［10］。Linux架構如圖6所示。

圖6 Linux架構

4.4 芯片企業

4.4.1 英偉達

英偉達基于自研芯片，開發出NVIDIA DRIVE智能駕駛操作系統，為開發者提供自動駕駛所需的所有構建模塊和算法堆棧。該軟件有助于開發者更高效地構建和部署各種先進的智能駕駛應用程序，包括感知、定位和地圖繪制、計劃和控制、駕駛員監控和自然語言處理。其中，智能駕駛操作系統的功能層軟件涵蓋開發高級別自動駕駛功能的處理模塊、工具和框架，如DNN 算法加速庫、Calibration 標定工具、DriveCore 核心庫，幫助下游開發者實現易于深度定制開發的功能軟件。

4.4.2 Mobileye

英特爾旗下的Mobileye 基于自研芯片，開發智能駕駛操作系統，將芯片和智能駕駛操作系統緊耦合，快速為整車廠提供智能駕駛解決方案。同時，Mobileye發布面向芯片的軟件集成化工具EyeQ Kit，該工具充分利用芯片的高能效架構，提供完整的SDK 包（軟件開發工具包）以及OpenCL 環境和TensorFlow（基于深度神經網絡的開源軟件庫）來支持開放計算，允許整車廠在EyeQ 上部署算法，并提供人機接口工具。

5 國產車用操作系統發展情況及主要問題

5.1 國產車用操作系統發展情況

總體來說，與國外相比，我國車用操作系統發展相對較慢，技術基礎薄弱。在安全車控操作系統方面，以Vector、博世、采埃孚為主的國際頭部Tier1 廠商占據絕大部分市場，處于領先水平［11］。國內雖然有東軟睿馳、經緯恒潤等廠商，但產品穩定性以及相應工具鏈的成熟度仍與國外有一定差距。在智能駕駛操作系統方面，整車企業、軟件開發企業、芯片企業已開展相關研究，大多基于Linux內核的定制型操作系統開發，實現大算力的自動駕駛決策功能。雖然技術路徑較為一致，但由于國內廠商存在對Linux內核理解不深入、操作系統裝車量不足、標準和規范尚未統一等問題，導致國內智能駕駛操作系統發展較為緩慢。在智能座艙操作系統方面，由于Android在座艙娛樂領域的生態較為完善，研發成本較低，使得Android成為諸多企業的首選。此外，國內企業傾向研發微內核操作系統，實現數字儀表顯示等實時性、安全性要求較高的功能，搶占QNX 操作系統市場，但尚未普及。

5.2 國產車用操作系統的主要問題

5.2.1 關鍵核心技術基礎薄弱

一是在燃油車時代，產業模式主要是整車企業與Tier1合作，博世、大陸、采埃孚等國際零部件巨頭可提供完整的軟硬件解決方案，整車企業對自主操作系統的認知度和使用黏性不足，導致國產車用操作系統發展相對較慢。隨著汽車進入智能化時代，產業模式發生變革，英偉達、谷歌等Tier2 廠商直接與整車企業合作，進一步壓縮了國產車用操作系統的發展空間，疊加整車企業對國產操作系統持續迭代發展的信心不足等不利因素，導致國產車用操作系統裝車率較低。

二是相較計算機和智能手機操作系統，車用操作系統對實時性、安全性、穩定性的要求更高。但我國在車用操作系統領域自主創新能力不足，現有大部分車用操作系統大都基于QNX、Linux、Android 系統的二次開發，對內核技術和代碼的理解以及多操作系統融合能力不足，軟硬件兼容適配方面技術薄弱，難以滿足車用操作系統較高的實時性、安全性和穩定性要求。

三是我國車用操作系統開發所需要的工具鏈、安全標準體系、程序庫等大多被國外公司壟斷。工具鏈基本采用易特馳、Vector 等國外企業產品，采購及使用成本較高。東軟睿馳、經緯恒潤、普華基礎軟件等國內公司自主研發的工具鏈雖然已用于整車企業，但基本是作為國外產品的配套軟件，仍處于發展初級階段，尚不具備獨立開發全套工具鏈的能力。

5.2.2 標準和規范體系尚不健全

我國車用操作系統相關的測試標準、規范缺乏系統性和完整性，尚不成體系［12］。在智能駕駛操作系統方面，存在統一標準尚未建立、應用軟件接口協議不規范等問題，在一定程度上制約了智能駕駛的發展［13］。在安全標準規范方面，功能安全和信息安全規范大都來自國外，自主研發的標準較少，尚未建立符合我國國情的車用操作系統規范，也缺乏相關的評價標準和法律保障。

5.2.3 基礎科學建設和人才支撐不足

車用操作系統需要計算機軟件、信息通信、車輛控制、數據安全、信息安全等多學科交叉融合作為支撐。但我國車用操作系統產業和相關學科人才短缺，一方面國內計算機專業教育偏重于計算機工程、軟件工程和軟件應用，與車輛工程、數據安全等學科融合不足；另一方面由于國內車用操作系統相關的基礎軟件研發投入不足，行業前景存在不確定性，導致高端領軍人才匱乏。

6 發展國產車用操作系統的重要性

開發國產車用操作系統對發展汽車產業具有戰略意義。我國新能源汽車產業已形成一定的領先優勢，當前面臨芯片設計制造能力不足和車用操作系統技術基礎薄弱的雙重挑戰。政府和企業已開始重視缺“芯”問題，由于我國操作系統起步較晚，技術基礎薄弱，疊加行業發展經驗和合力不足等不利因素，導致我國車用操作系統發展緩慢。為推動我國智能汽車產業高質量發展，避免出現新的“卡脖子”問題，須大力發展并建立自主可控的車用操作系統，提升車用操作系統的國際話語權，使新能源汽車產業真正成為具有全球競爭力的產業。

車用操作系統是汽車向智能化、網聯化發展的基礎，是必須掌握的關鍵核心技術。車輛正由單純的交通工具向智能移動終端轉變，汽車電子電氣架構正在由分布式向域集中式、中央計算架構持續演進，汽車電子產業鏈和技術鏈將面臨重構［9］。汽車電子底層硬件不再僅僅提供簡單的邏輯計算，而是須提供更為強大的算力支持，軟件也不再是基于某一固定硬件開發，而是要具備可移植、可迭代和可拓展等特性。智能網聯汽車需要一個安全可靠、實時運行、并行計算和分布管理的操作系統，能夠支持人工智能、物聯網、高算力等新一代信息技術應用。

開發國產車用操作系統有助于保障產業安全。在智能網聯汽車全產業鏈上的一些關鍵技術，比如操作系統、車用高性能芯片和車用傳感器大量依賴國外公司產品，很大程度影響到我國汽車產業的產業鏈安全，只有基于自主開發，才不會受制于人。同時，如果沒有安全可靠、實時運行的操作系統，就很容易出現信息泄露與篡改，導致系統產生錯誤判斷，可能會引發車輛安全事故［14］。而且智能汽車在使用過程中將產生大量的數據，如不能對這些數據進行有效管理，將會面臨極大的數據安全和信息安全，存在重大國家安全隱患。

開發國產車用操作系統將帶來巨大經濟效益。根據麥肯錫數據顯示，2020 年全球車用操作系統的市場規模達到238 億美元，預計2025 年將達到362億美元，2030 年將達到469 億美元。我國車用操作系統同樣也將迎來發展良機，2021 年市場規模為94.3億元，預計2023年有望突破185億元。

7 車用操作系統發展趨勢

伴隨汽車電子電氣架構演進，車用操作系統從多系統向少系統、從單核向多核分布式架構發展。在分布式階段，整車存在多類型控制系統，如發動機電控系統EMS、自動變速器控制單元TCU、車身電子穩定系統ESP、電池管理系統BMS等，均需要單獨的嵌入式操作系統，只為實現既定功能負責，不考慮與其他ECU 信息交換。在域集中階段，功能相近ECU進行融合，基于域控制器，操作系統向少數集成化發展，形成智能駕駛操作系統、智能座艙操作系統、安全車控操作系統；未來發展到中央集中式階段，硬件集中化也會帶來操作系統功能集成、數量減少，形成統一的整車智能操作系統。從內核數量及架構特點變化來看，從傳統汽車到智能汽車，計算資源管理和計算模型發生了巨大變化，主控芯片向異構式SoC芯片升級，在AI 單元、計算單元和控制單元上，由Hypervisor虛擬化分區，各不同安全等級內核系統運行在各自分區內，每個單元完成各自功能，操作系統由單一內核向多內核發展，并將形成多核分布式、異構融合的架構。

7.1 車用操作系統產業發展趨勢

目前，行業的總體認識是車用操作系統的整體架構朝著橫向集中和縱向分層的方向發展，主要有“深度耦合，軟硬綁定”和“分層解耦、開放共用”兩種模式。

前者主要由特斯拉、大眾、蔚來、理想等整車企業采用，采用內嵌Version OS 的FSD 芯片、內嵌QNX的英偉達芯片、內嵌Android 和QNX 的高通芯片。該模式的優勢是初期軟硬一體開發效率高，直接面向汽車產品需求迭代快，但存在研發投入大、系統封閉難以形成統一標準和生態、技術迭代的可持續性不足等問題。

后者主要由軟件開發企業采用，如阿里斑馬智行、普華基礎軟件等。該模式在能夠廣泛適配各類型芯片的同時，可保證操作系統的獨立演進。分層解耦的模塊化開發可支持整車企業靈活地適配中間件及個性化上層應用。開放共用的模式便于構建行業標準、降低行業整體成本，幫助整車企業更高效地復用和積累已有的自研軟件應用，實現整車軟件的安全可控，但存在發展初期規模效應不足、操作系統生態單薄、操作系統與芯片軟硬協同效率較低等問題。

7.2 車用操作系統在各功能域的架構方案以及發展趨勢

新能源汽車中，最常見3 個功能域：車輛控制域、智能駕駛域和智能座艙域。車輛控制域主要涉及車輛的各類基礎傳感器，如溫度傳感器、基礎執行器等。車輛控制域對算力要求較低，但對功能安全要求較高，須達到ASIL-D 級，因此車輛控制域的控制器以低算力SoC 或MCU 為主，搭載高功能安全等級的實時操作系統。智能駕駛域主要負責攝像頭、激光雷達、毫米波雷達等傳感器感知環境，并決策控制車輛行駛。智能駕駛域一般使用高AI 算力的SoC，搭載微內核架構的RTOS 和安全增強型Linux。智能座艙域主要負責人機交互，涉及從各種傳感器感知駕駛員及乘客的意圖，并給予及時反饋。智能座艙域一般使用高CPU/GPU 算力的SoC，使用Hypervisor 進行資源隔離，運行多個程序，分別控制儀表，中控屏等。未來隨著電子電氣架構的演進，智能座艙、智能駕駛將開始融合，基于Hypervisor 的軟硬隔離，實現不同功能安全等級要求的功能域承載不同形態的操作系統（實時操作系統/Linux），并能夠在線升級，構建最佳用戶體驗的軟硬件架構。

7.3 Hypervisor發展趨勢

未來，車載計算基礎平臺的硬件算力、存儲能力、通信能力將得到極大提升，同時上層應用也日益豐富且復雜。在此背景下，虛擬化技術將成為車載計算基礎平臺中非常重要且不可或缺的基礎軟件。綜合來看，車用Hypervisor的發展有以下趨勢。一是高功能安全、高信息安全、高確定性、高性能的硬件資源實現分區隔離。由于軟硬系統的復雜度快速上升，原本在多個ECU 中實現的多個功能被整合到域控制器或中央計算平臺上，導致軟件系統更為復雜、出錯概率增加、可靠性下降，而高功能安全、高信息安全、硬實時硬件資源分區隔離的Hypervisor可以在不影響原有系統性能的基礎上，為解決上述挑戰帶來堅實的基礎支撐。二是硬件資源的高效、彈性共享。復雜的應用系統要求操作系統能夠更有效地利用硬件資源，動態資源的分配可以在復雜應用需求環境下充分利用硬件資源的潛能。三是高安全、高性能的跨域通信。在分區隔離以及高效彈性共享的基礎上，高安全、高性能的分區軟件系統的跨域通信可提高整個軟硬件系統的運行效率，并保障跨域通信的功能安全和信息安全。

7.4 內核發展趨勢

車用操作系統內核面臨支持以自動駕駛為代表的AI 應用生態、負載軟硬件環境下的高功能安全和高信息安全保障、車用環境下高安全/高性能/實時性/確定性/穩定性的綜合優化等方面的挑戰。因此，車用操作系統內核須著力優化高確定性/硬實時中斷處理能力，支持搶占式調度，提供確定性的中斷延遲和調度延遲，加強功能安全和信息安全，并實現高效自適應分區調度，兼容支持國際標準 POSIX 以及行業事實標準（例如 Linux 自定義部分）的應用接口，提供良好應用生態支持。

7.5 中間件發展趨勢

因汽車軟件架構正逐步由面向信號的架構朝SOA架構升級，中間件的未來發展有以下趨勢：一是提供SOA 服務框架，將復雜系統分解成多個組件，以低耦合的方式集成，并支持車路云一體化的跨域算力融合與分布式通信；二是屏蔽底層異構硬件，在統一的架構下向上提供統一的接口，使開發者專注于應用開發，實現功能軟件的移植迭代；三是支持跨核、跨芯片、跨域、跨系統的通信場景，支持 DDS（分布式實時通信）、SOME/IP（通信協議）以及車載以太網/TSN 等新型通信技術；四是提供異構確定性調度框架，支持以時間驅動、數據驅動等多種編程范式，有序地安排對異構芯片的資源需求，保障關鍵任務執行確定性的同時，最大化利用系統資源。

7.6 功能軟件發展趨勢

功能軟件正逐步朝著模塊化、組件化和服務化方向發展。在功能軟件成為系統模塊之前，各垂直應用往往直接基于系統底層開發，實現單一功能，不同應用之間能力無法復用，開發難度大，資源開銷大。隨著功能軟件層被抽象出來，將成為面向服務的標準系統組件，可實現節省系統資源的同時，極大降低應用開發的成本開銷。一方面，基于中間件和SOA 服務架構，功能軟件可完成自動駕駛算法應用的數據流和控制流框架搭建，對接不同的智駕算法模塊，協同傳感器輸入、多模感知、預測、規劃等不同的環節，實現算法流程注入、安全監控和狀態管理機制；另一方面，功能軟件通過構建地圖服務、定位服務和數據引擎等體系，建立智能駕駛基礎服務體系。

操作系統是智能網聯汽車復雜計算和協同控制的技術基石，已成為汽車行業的重要技術發展方向。我國應立足于產學研合作攻關，以開源、開放、共享、協同的開發模式聚集企業、高校院所和用戶的力量，加速信息技術和汽車產業的融合，推進操作系統的迭代發展，加快實現操作系統中國方案的落地，推動車路云一體化建設和智能網聯汽車產業發展。