智能網聯汽車操作系統發展趨勢及國產化生態建設*

周時瑩 梁貴友 王德平 張東波 李巖

（中國第一汽車集團有限公司，長春 130013）

主題詞：智能網聯 車用操作系統 國產化 生態建設

1 前言

隨著車輛智能化、網聯化技術的普遍應用，汽車產品與人工智能、網聯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-Oriented Architecture，SOA）方向發展。這種變革的核心驅動力是整車制造商需要進一步提升集成開發效率，實現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，可以支撐在不同車型上全生命周期的功能升級，持續提供差異化的應用和體驗。整車EE架構的發展經歷了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，各電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）間的數據傳遞通過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，通過設計良好的調用接口將這些服務聯系起來，提供了功能的可擴展性[1]。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，基于系統協同感知、決策與控制，實現智能網聯汽車交通系統安全、節能、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的發展現狀進行分析，對比分布式操作系統和集中式系統技術架構的特點，并從操作系統內核及虛擬化、中間件和集成應用方面對操作系統的技術發展趨勢進行研究，然后，討論國產操作系統生態發展現狀，對當前存在的問題進行梳理，提出操作系統的應用需求，最后，從戰略共識、合作模式和產業實踐方面給出國產操作系統生態建設的實施建議。

2 車用操作系統技術發展趨勢

2.1 車用操作系統發展現狀

2.1.1 操作系統的分類

在應用需求和技術變革的驅動下，按照不同的應用場景，智能網聯汽車操作系統逐漸發展為安全車控、智能駕駛和智能座艙3 類[2]，各操作系統的特點如表1 所示。安全車控操作系統主要面向經典車輛控制領域，是運行于微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）上的實時操作系統，汽車安全完整性等級（Automotive Safety Integration Level，ASIL）可達到D 等級，實時性好、控制精度高。智能駕駛操作系統主要面向智能駕駛領域，支持高算力異構系統級芯片（System On Chip，SOC），包含車規級操作系統內核，兼容自適應汽車開放系統架構（AUTomotive Open System ARchitecture，AUTOSAR）等國際主流中間件，具備多傳感器數據的接入和大數據吞吐能力，同時滿足自動駕駛所需的功能安全要求。智能座艙操作系統主要面向信息娛樂和數字儀表，為智能網聯汽車提供人機交互服務，包括車載信息娛樂、網聯、導航、多媒體娛樂、語音、輔助駕駛、人工智能（Artificial Intelligence，AI）等服務。

2.1.2 安全車控操作系統

國外安全車控操作系統發展較早，有成熟的量產經驗，主要基于經典AUTOSAR 技術方案。2003 年，寶馬、博世、大陸、大眾等9 家企業作為核心成員，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，提高開發效率[3]。目前，已有超過360家整車制造商、零部件供應商及相關企業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、開發合作伙伴80家、普通合作伙伴162家、高校和研究機構40家[4]。國內安全車控操作系統目前主要處于跟隨狀態，近年來，本土供應商發展迅速，具備支撐量產控制器開發的技術水平。安全車控操作系統適用于控制類和安全性要求較高的應用場景，如發動機、變速器等傳統動力總成控制器，支持微秒級的實時調度和不同優先級的實時響應，確保關鍵應用程序確定性時延的需求，實現控制器對外圍傳感器、執行器的精確控制，保障了車輛的安全性。

2.1.3 智能駕駛操作系統

智能駕駛操作系統將會成為自動駕駛汽車發展的核心競爭力之一，目前，行業內普遍采用的底層內核主要有Linux和QNX操作系統：前者為自動駕駛算法提供豐富的開源生態，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、微內核、libc、libm和libsupc++庫等。國內華為、中興和斑馬也都推出了自己的微內核及虛擬化組件，其中部分產品已量產應用，并在持續完善和加速推廣中。為應對自動駕駛技術的發展，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用接口[5]，自適應AUTOSAR與經典AUTOSAR的技術特點對比如表2 所示。智能駕駛操作系統中還集成了高算力SOC 中的AI 驅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一的定義，但是后續會圍繞執行效率和接口統一進行優化。

表2 經典AUTOSAR與自適應AUTOSAR技術特點對比

2.1.4 智能座艙操作系統

在智能座艙操作系統領域，目前業內還沒有統一的國際標準，主要包括QNX操作系統、諸多基于Linux的定制操作系統以及基于Android 開源項目的操作系統[6]。QNX 采用微內核架構，其驅動程序、網絡協議、文件系統等模塊和內核相互獨立，任何模塊的故障都不會導致內核崩潰。該系統在車載操作系統市場的占有率超過70%，在儀表端有大量應用，不過QNX的開放性不足，導致其應用生態缺乏。Linux 是一款開源、高效、靈活、功能強大的操作系統，其最大優勢是具備很強的定制開發靈活度。Android 系統是基于Linux 內核開發的最成功的產品，其特點是開源、靈活定制、應用可移植性強和應用生態豐富。當前，特斯拉采用Linux 技術方案實現了車載操作系統開發。斑馬、華為等國內企業積極布局車載操作系統，自研車載操作系統內核，并在逐漸建立應用生態。國內整車制造商紛紛基于Android進行深度定制化開發，推出自己的智能座艙操作系統。

2.2 整車操作系統技術架構

2.2.1 操作系統分布式技術架構

在傳統的分布式架構下，操作系統的技術方案依賴控制器硬件，導致難以統一維護和升級，直到AUTOSAR標準問世后，操作系統對上層的應用接口有了統一的運行時環境（Run-Time Environment，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工具無法統一，需要同時維護多個類型和不同版本的操作系統軟件，開發成本高、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，操作系統分布式技術架構如圖1所示。

圖1 操作系統分布式技術架構

2.2.2 操作系統集中式技術架構

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及服務中間件進行交互。廣義的操作系統分為系統層和功能層，其中系統層包括經典平臺（Classic Platform，CP）及自適應平臺（Adaptive Platform，AP）標準中間件、操作系統內核、虛擬化組件、板級支持包（Board Support Package，BSP）驅動和非標準中間件，功能層包括傳感器、執行器的抽象、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，對芯片平臺實現隔離[7]，操作系統集中式技術架構如圖2 所示。當前，國內外主流整車制造商均在集中式架構的操作系統上有所布局。2023年1月，奔馳推出自主設計的整車級操作系統MB.OS，其優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。國內一汽、上汽、比亞迪等都通過戰略合作、集成開發、自研等方式打造自主可控的操作系統平臺，將操作系統作為核心競爭力進行布局。

圖2 操作系統集中式技術架構

2.3 操作系統關鍵技術

2.3.1 微內核及虛擬化技術

微內核技術是操作系統實現調度及控制的基礎，穩定、安全、高效是其核心要求。微內核在特權模式下僅保留少量的核心功能，如調度、內存管理、進程間通信（Inter-Process Communication，IPC）機制等，其余組件均運行在用戶態，如設備驅動、協議棧等，采用微內核架構的操作系統具備高可靠性、高實時性、高確定性等優勢[8]。未來，面向中央計算的場景下，操作系統微內核技術向接口擴展和安全升級等方向發展：在接口支持方面，將遵循可移植操作系統接口（Portable Operating System Interface，POSIX）規范，滿足PSE51～PSE54 系列化標準，提供豐富的系統調用接口，靈活支持更多生態組件；在芯片適配方面，將支持更多的艙駕一體和中央計算芯片，并可快速提高國產芯片的支持數量；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，支撐可信執行環境（Trusted Execution Environment，TEE）構建，提供數據安全、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（GuestOS）運行，實現硬件資源的動態分配，解決操作系統內核安全、性能與生態的矛盾，支撐未來中央計算時代單芯片架構對操作系統的需求。虛擬化技術將向輕量化方向發展，利用硬件輔助等技術提供輕量、高效的虛擬化分區引擎，降低中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、存儲、網絡、圖形處理器（Graphics Processing Unit，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境。

2.3.2 中間件技術

未來，操作系統中間件會向平臺化方向發展，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軟硬解耦。系統層中間件主要包括基于AUTOSAR 規范的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 規范也在持續完善，但仍不能完整覆蓋端到端的業務場景，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、功能安全和網聯云控等基礎服務技術，后續會進一步基于整車軟件平臺設計通用化的基礎功能，實現整車平臺的能力擴展及各系統之間的協同，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多種不同類型應用程序的部署，需要系統級集成技術來保證整個控制器資源高效利用、程序運行穩定，具體包括整車級任務調度技術、基于場景的智能管理技術、平臺及應用級安全監控等關鍵技術。整車級任務調度技術通過評估各子任務的平均執行時間和優先級，優化各核上的任務調度，進而生成整車的任務調度策略，提升系統可靠性；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，動態調度CPU、電源等軟、硬件系統資源，實現精細化管理，提高系統的資源利用率；平臺及應用級安全監控技術針對關鍵應用、核心中間件、BSP驅動及操作系統內核進行故障診斷與監控，上報故障診斷消息，為系統提供可靠的安全監控機制，提升整車軟件運行的穩定性。

3 國產車用操作系統生態建設

3.1 國產操作系統生態發展現狀

操作系統作為“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，我國操作系統還面臨著諸多問題和挑戰：一是多以二次開發為主，核心關鍵技術仍受制于人；二是核心技術研發仍處于初期階段，自主創新能力不足；三是生態體系還亟需完善[9]。

根據麥肯錫發布的《2030 年汽車軟件和電子市場報告》，廣義汽車操作系統的市場規模到2025 年約為370 億美元，到2030 年可達約500 億美元[10]。操作系統作為汽車產業關鍵核心技術，行業也在積極推動其發展[11]。中國汽車工業協會于2023 年2 月發布中國車用操作系統開源計劃，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 年實現量產驗證。中國汽車基礎軟件生態委員會（China Automotive Basic Software Ecosystem Committee，AUTOSEMO）于2023 年9月發布《中國汽車基礎軟件發展白皮書4.0》，為中國汽車基礎軟件的高質量發展奠定了基礎。

在軟件定義汽車的發展趨勢下，車用操作系統逐步成為企業競爭的核心，國產操作系統應努力做好安全可控的頂層設計，建立國產操作系統的開發和測試標準，不斷完善生態體系建設，建立有效的產業鏈[12]。

3.2 當前問題及需求分析

在當前階段，國產操作系統的生態建設還存在以下問題：首先，相較于國外車用操作系統在汽車領域已經占據了一定的市場份額，國產操作系統起步較晚，整體裝車率低、應用群體少；其次，當前國內操作系統技術方案較多，各企業開發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，國產操作系統及解決方案資源開放不足，在量產項目上應用少，軟件模塊及工具鏈缺乏量產驗證，遇到“上車難”“上車慢”的問題。在整車制造商應用國產操作系統進行實際量產控制器開發的過程中，面臨著產品項目交付風險，需要投入更多的資源進行問題解決和產品開發，具體表現為：操作系統軟件本身存在缺陷，包括功能模塊實現不全、軟件接口沒有實現等，需要不斷迭代版本進行修復；操作系統開發生態問題，包括部分三方庫不支持、開源工具不兼容等，需要進行調試和開發；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和驗證。

從國產操作系統產業化落地角度出發，整車制造商未來需要一個生態開放的操作系統[13]，做到安全可靠、開放兼容、快速迭代和持續維護，具體表現在以下幾個方面：

a.安全可靠。操作系統涉及整車的功能安全，需要提供高安全內核及虛擬化組件，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。操作系統軟件需針對不同芯片的原生驅動進行驗證，并且不斷豐富應用場景。

b.開放兼容。需提供統一的軟、硬件運行平臺，以便于集成和驗證，并提供完整的開發及測試工具鏈、標準的操作系統及功能層接口，支持POSIX 接口，兼容AUTOSAR規范，兼容Linux和Android等應用生態，對應用層提供統一的SOA 接口，提高各開發團隊間的協同效率、降低成本。

c.快速迭代。操作系統需要快速迭代，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。在保證產品質量的同時，需實現主流芯片的覆蓋，縮短操作系統適配的開發周期。

d.持續維護。操作系統供應商需要穩定的技術團隊為其產品提供長期維護，及時響應整車制造商的反饋和需求，對搭載產品提供通信負載調優、系統負載監控、啟動過程分析等定制化服務。

3.3 國產操作系統生態發展建議

3.3.1 達成戰略共識

當前，我國自主車用操作系統已經全面布局，在市場和技術上都取得了一定突破，但后續還需進一步推廣和應用，需要行業達成戰略共識，打造車企主導、深度協同的產業生態?；仡欀悄苁謾C的發展歷史，手機端的操作系統同樣經歷了從功能手機向智能手機演進的階段，如圖3所示[14-15]，經過充分競爭，手機操作系統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，我國需要把握當前重大窗口期，由國家相關部門牽頭，經行業共同研討，做好國產操作系統的頂層架構設計，制定符合汽車軟件發展趨勢的車用操作系統標準規范，從安全性、兼容性及應用層軟件接口通用性著手，構建跨領域協同的智能網聯操作系統技術標準體系，同時提升操作系統行業認證能力，對操作系統內核、標準中間件等提供量化的指標，依據操作系統的開放程度對操作系統軟件進行功能、性能和接口測試，提升操作系統準入門檻，為整車制造商量產應用提供依據。

圖3 手機操作系統市場格局演變[14-15]

3.3.2 創新合作模式

操作系統軟件本身開發難度大，驗證周期長，需要行業各方深度參與，構建產業鏈協同創新模式，共同繁榮汽車操作系統生態：

一是通過部署重大科技研發及產業化專項課題，推動操作系統、芯片、應用算法等上、下游生態體系協同發展，進行操作系統核心技術攻關。如行業共同研討，基于某個確定版本的Linux 內核展開技術攻關與產品應用，形成完備的產業配套體系。

二是可由幾個核心企業組建戰略聯盟，共同打造具有中國特色的車用操作系統基礎平臺，實現國產操作系統快速應用和迭代。國產操作系統企業與硬件芯片公司共同推出軟硬一體的平臺化技術方案，再由多個整車制造商在該平臺上進行充分驗證，縮短國產操作系統從研發階段到量產應用的周期。

三是整車制造商與操作系統供應商構建新的合作模式，如在項目開發階段不收取或者只收取開發授權費用（類似國外QNX 操作系統的收費方式），在量產應用階段，根據實際售出的車輛數量收取費用。前期雙方共擔開發風險，在操作系統產品投向市場后兌現利潤。

3.3.3 加強產業實踐

加強產業實踐是促進國產操作系統成熟度快速提升的關鍵，需要加快國產操作系統量產裝車進度，形成操作系統技術的應用路徑：

一是國家、地方提供國產車用操作系統量產補貼，補貼金額根據操作系統的類別和每臺車上控制器的應用數量計算，以提高整車廠應用國產操作系統的積極性。

二是明確國產操作系統量產應用的實施路徑，采取“小步快跑”的策略進行自主替代。當前車用操作系統的發展趨勢明確，由分布式架構過渡到集中式架構，并逐漸融合統一?；诓僮飨到y復雜度高的客觀規律，可以在現有產品平臺上按模塊進行功能擴展和自主轉化，加速推進國產操作系統在量產車型上的應用。

三是圍繞集成驗證進行自主操作系統的聯合設計，整車制造商與操作系統企業開展深度戰略合作，共同研發面向未來中央集中式架構的整車級操作系統，整車制造商專注于產品定義與架構設計、核心算法及中間件研發和系統集成驗證，操作系統企業完成系統層軟件開發，雙方共同參與操作系統從設計到量產應用的全過程，共享產業協同成果，為國產操作系統量產應用和生態建設樹立行業新范式。