隨著智能座艙領(lǐng)域以及駕駛輔助功能的不斷升級，必然伴隨傳感器數(shù)量的提高、芯片算力要求的提高，基于軟件定義汽車的共識，芯片、操作系統(tǒng)、中間件、應(yīng)用算法軟件、數(shù)據(jù)是實現(xiàn)智能座艙的關(guān)鍵因素。對汽車的架構(gòu)及座艙的實現(xiàn)方式進(jìn)行梳理，同時結(jié)合一汽紅旗H9、E-HS9 車型的實踐，對汽車座艙操作系統(tǒng)的現(xiàn)狀和趨勢進(jìn)行分析，探討在新一輪科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的應(yīng)對戰(zhàn)略。

1 前言

當(dāng)前隨著硬件、軟件技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，智能座艙從以功能需求出發(fā)，向“客戶體驗”為核心的理念不斷演變，整體表現(xiàn)為更加安全、智能和舒適。主要體現(xiàn)為以下3方面：

（1）人機交互能力由功能性感知逐步向認(rèn)知、主動式交互發(fā)展；

（2）多屏、大屏、3D 和高清感官方面的創(chuàng)新正逐步成為座艙顯示的新趨勢；

（3）軟件的自定義編程實現(xiàn)場景個性化設(shè)定和自由組合。

在技術(shù)層面，隨著新一代E/E 架構(gòu)的發(fā)展，座艙域正在進(jìn)行深度的融合，整合部分ADAS 功能和V2X 系統(tǒng)，例如在集成儀表中控、后排娛樂、HUD 這些基礎(chǔ)功能上進(jìn)一步融合環(huán)視、DMS、IMS 和部分ADAS 功能， 由此座艙對算力的要求越來越高，推動芯片的制程工藝越來越先進(jìn)，芯片的迭代速度越來越快，汽車產(chǎn)品的發(fā)布周期縮短，部分軟件平臺實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、可擴展、開放式的一體化基礎(chǔ)軟件平臺，以實現(xiàn)軟硬件解耦，達(dá)到軟件功能快速迭代、實現(xiàn)場景服務(wù)和變更開發(fā)的快速升級迭代，從而實現(xiàn)個性化和差異化的座艙產(chǎn)品體驗。

這些技術(shù)變化對底層軟件及操作系統(tǒng)提出了越來越高的要求。

本文通過對智能網(wǎng)聯(lián)時代汽車座艙操作系統(tǒng)發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)進(jìn)行闡述和分析，進(jìn)而提出對座艙操作系統(tǒng)發(fā)展的對策以迎接操作系統(tǒng)發(fā)展的大趨勢。

2 智能座艙操作系統(tǒng)的演變及分類

操作系統(tǒng)(Operating System, OS)指控制和管理計算設(shè)備的硬件和軟件資源的計算機程序，操作系統(tǒng)需要管理和配置內(nèi)存，決定系統(tǒng)資源分配的優(yōu)先次序， 同時控制輸入、輸出設(shè)備的基本功能，且操作系統(tǒng)需要提供一個讓用戶與系統(tǒng)交互的操作界面，需要合理地調(diào)動計算資源、組織計算機工作，以提供給用戶和其它應(yīng)用統(tǒng)一的接口和統(tǒng)一環(huán)境的程序集合。

隨著人們生活水平的提高，電話、電腦、智能穿戴、以及車載設(shè)備發(fā)展到一定程度后，均需要制定專門的操作系統(tǒng)，例如電腦對應(yīng)的微軟Windows 系統(tǒng)， 智能手機、平板對應(yīng)的Android 系統(tǒng)和iOS 系統(tǒng)。智能座艙的OS 是從傳統(tǒng)嵌入式汽車電子的基礎(chǔ)軟件不斷演變而來的，而傳統(tǒng)汽車電子可以分為2大類：

?

（1）汽車電子類控制設(shè)備：通過直接向控制器發(fā)送控制命令，用以實現(xiàn)控制發(fā)動機、DCDC、變速箱 等協(xié)同工作的總成或部件。

（2）車載信息娛樂設(shè)備：如儀表、中控、抬頭顯示（HUD）、流媒體后視鏡（FDM）等。這類部件與用戶體驗強相關(guān)，但是此類設(shè)備不直接參與汽車行駛的控制與決策，對車輛行駛性能和安全不起到?jīng)Q定作用。

汽車類的操作系統(tǒng)分為2大類型：注重開放性、兼容性、生態(tài)聯(lián)合的智能座艙域OS 和注重安全、穩(wěn)定的自動駕駛域OS。

狹義上的OS 即為操作系統(tǒng)的內(nèi)核（Kernel）。內(nèi)核提供給OS 最基本的功能，內(nèi)核主要負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的進(jìn)程、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動程序和文件管理及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)， 內(nèi)核的性能決定了系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

廣義的 OS 按照對底層操作系統(tǒng)改造程度的不同，主要可以分為以下4 種：

（1）基礎(chǔ)型的汽車OS：是汽車底層的操作系統(tǒng)，包括系統(tǒng)內(nèi)核、底層驅(qū)動層，一些OS 還包括虛擬機， 如 QNX、Linux、WinCE、ALIOS 等。

（2）定制型的汽車OS：在基礎(chǔ)型的OS 之上進(jìn)行深度定制化的開發(fā)，定制內(nèi)容包括內(nèi)核定制、硬件驅(qū)動修改、運行時環(huán)境變更、應(yīng)用程序框架適配。

（3）ROM 型汽車OS：基于Linux、Android、ONX 等基礎(chǔ)型操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行定制化開發(fā)，但是并不涉及系統(tǒng)內(nèi)核的更改，一般只修改基礎(chǔ)型操作系統(tǒng)自帶的應(yīng)用程序。

（4）超級APP：不是完整意義的汽車OS，指的是通過整合導(dǎo)航、多媒體、微信、語音功能為一體，來滿足不同車主需求的APP，也稱作手機互聯(lián)，如CarPlay、An? droid Auto、CarLife、Hicar、FAW-VW-LINK 等。智能座艙操作系統(tǒng)演變過程見智能座艙發(fā)展概要（圖1）。

圖1 智能座艙發(fā)展概要

3 座艙域操作系統(tǒng)的構(gòu)成

廣義的 OS 由系統(tǒng)軟件和功能軟件 2 部分構(gòu)成。自上而下可劃分為APP 算法軟件、功能軟件（庫文件+ 中間件）和系統(tǒng)軟件（HAL 層+內(nèi)核+中間件）以及硬件平臺 4 個部分。

（1）硬件平臺：硬件架構(gòu)包括AI 單元和驅(qū)動層，需支持芯片選型的靈活性、可配置拓展性、算力可堆砌性的優(yōu)點，例如H3 平臺架構(gòu)（圖2）。

（2）系統(tǒng)軟件：針對智能座艙場景定制較為復(fù)雜的大規(guī)模嵌入式系統(tǒng)的運行環(huán)境，主要包含如下3層：

①硬件抽象層：包括Hypervisor（虛擬化技術(shù)，用于提供虛擬平臺以便同時支持多操作系統(tǒng)）、BSP（板卡支持包）等。BSP 包括了Bootloader（引導(dǎo)程序）、驅(qū)動程序、配置文檔和HAL 層。位于硬件電路與操作系統(tǒng)內(nèi)核間的接口層用于將硬件抽象化，為操作系統(tǒng)提供虛擬硬件平臺，使其與硬件解耦，并可以在多平臺上移植。

圖2 H3 平臺架構(gòu)

②系統(tǒng)內(nèi)核（Kernel）：內(nèi)核是操作系統(tǒng)最基本的組成部分，主要用于管理系統(tǒng)的內(nèi)存、進(jìn)程、設(shè)備的驅(qū)動程序、文件管理和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)核決定著操作系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

③中間層：即應(yīng)用程序服務(wù)器層，是處在應(yīng)用和操作系統(tǒng)之間的軟件，可提供標(biāo)準(zhǔn)的接口和協(xié)議，提升程序的可移植性，如自適應(yīng)AutoSAR 運行時的環(huán)境（中間件API 接口）和分布式實時通信中間件等。

（3）功能軟件：包含智能座艙的核心共性功能模塊，如相關(guān)功能模塊算法的編程框架。核心共性功能模塊包括智能座艙通用框架、網(wǎng)聯(lián)功能、云控平臺、多模交互，功能軟件結(jié)合系統(tǒng)軟件，共同構(gòu)成完整的智能座艙操作系統(tǒng)，支撐座艙智能化技術(shù)實現(xiàn)。

（4）應(yīng)用算法軟件：為實現(xiàn)具體座艙智能化功能 、HMI 交互、自動駕駛功能算法的軟件。

圖3 娛樂主機軟件架構(gòu)

4 智能座艙操作系統(tǒng)的技術(shù)趨勢

從目前的發(fā)展方向上來看，由于單車軟件全生命周期價格越來越高，推動汽車主機廠（OEM）大力擴充內(nèi)部軟件研發(fā)團(tuán)隊，降低外部軟件供應(yīng)成本，而且隨著軟件定義汽車的不斷發(fā)展，行業(yè)的盈利模式也將隨之改變，由新車制造/銷售來獲取利潤向大規(guī)模軟件+ 保有量收費（如客戶端（C 端）授權(quán)及流量收益等）的盈利模式轉(zhuǎn)變，因此多數(shù)OEM 都試圖掌握未來智能汽車底層軟件和硬件的控制權(quán)，同時掌握上層生態(tài)環(huán)境，在此階段多數(shù)OEM 傾向于采用中立、免費的操作系統(tǒng)，同時開展多方面的合作，利用豐富的開源軟件資源，實現(xiàn)開發(fā)周期和開發(fā)成本的優(yōu)化。

4.1 主要底層軟件的類型和發(fā)展趨勢

隨著智能座艙功能越來越復(fù)雜，多任務(wù)執(zhí)行需求量的增多，早期采用裸機程序的方式不得不引入大量的中斷，保證功能的自如切換，可中斷的引入使程序結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，導(dǎo)致程序可讀性變差，維護(hù)起來較難。隨著娛樂主機內(nèi)應(yīng)用和接口數(shù)量的增多，座艙軟件使用了更為復(fù)雜操作系統(tǒng)。其中Linux 和QNX 只集成了學(xué)術(shù)定義上的操作系統(tǒng)和通訊協(xié)議棧；而Ubuntu 則在 Linux 的基礎(chǔ)上增加了中間件及桌面環(huán)境；An? droid 系統(tǒng)則在Linux 的基礎(chǔ)上集成了中間件及桌面環(huán)境和大量的應(yīng)用軟件。現(xiàn)階段娛樂主機的主流操作系統(tǒng)主要為QNX、Linux 和Android。

4.1.1 QNX：非開源且安全實時

QNX 系統(tǒng)是一款微內(nèi)核、非開源、嵌入式、安全實時的操作系統(tǒng)。其內(nèi)核內(nèi)存不大于30 kB，QNX 系統(tǒng)的驅(qū)動程序、協(xié)議棧、文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序都是運行在內(nèi)核之外、并受內(nèi)存保護(hù)的空間內(nèi)，這樣就可實現(xiàn)組件間的相互獨立，即避免了因為程序指針錯誤造成的內(nèi)核故障。QNX 系統(tǒng)內(nèi)核小，運行速度快，是一種獨特的微內(nèi)核架構(gòu)，其安全和穩(wěn)定性極高，不易受到病毒的破壞，也是全球首款通過ISO 26262 ASIL-D 安全認(rèn)證的實時操作系統(tǒng)。因此 QNX 系統(tǒng)通常用于對安全穩(wěn)定性要求較高的儀表總成中。

但QNX 為非開源系統(tǒng)，開發(fā)難度較大、應(yīng)用生態(tài)較弱、商業(yè)收費高。由于QNX 系統(tǒng)憑借現(xiàn)階段智能座艙操作系統(tǒng)對安全穩(wěn)定性、實時性的嚴(yán)苛要求，仍占據(jù)較大的使用率。

4.1.2 Linux：功能強大并開源

Linux 系統(tǒng)是一款開源且功能強大的操作系統(tǒng)， 具有內(nèi)核緊湊且高效的特點，Linux 系統(tǒng)可以充分發(fā)揮硬件的性能。Linux 系統(tǒng)與 QNX 系統(tǒng)相比最大優(yōu)勢在于代碼開源，具有較強的定制、開發(fā)的靈活性?；贚inux 開發(fā)的操作系統(tǒng)是在Linux Kernel 內(nèi)核上集成了中間件、桌面環(huán)境和應(yīng)用軟件。Linux 的功能較QNX 更為強大，組件構(gòu)成也更加復(fù)雜，因此Linux 常用于支持更多應(yīng)用和多接口的信息娛樂系統(tǒng)中。

4.1.3 Android：Linux 的發(fā)行版本

Android 是 Linux 的發(fā)行版本，其系統(tǒng)更加復(fù)雜， 功能更加強大[6]。Android 是由 Google 公司和開放手機聯(lián)盟在 Linux 的基礎(chǔ)上開發(fā)的操作系統(tǒng)。Android 一度被稱為基于 Linux 開發(fā)的、最成功的產(chǎn)品之一， 應(yīng)用生態(tài)開發(fā)最為豐富，其主要應(yīng)用于移動互聯(lián)設(shè)備，因此，在國內(nèi)車載娛樂系統(tǒng)?；?Android 開發(fā)。Android 系統(tǒng)具有開源、靈活、可以移植性強的優(yōu)點。

但Android 系統(tǒng)安全穩(wěn)定性較差，系統(tǒng)漏洞可能給系統(tǒng)帶來較高的風(fēng)險，技術(shù)維護(hù)成本相對較高，且過度依賴于Google。

Android 系統(tǒng)憑借國內(nèi)豐富的應(yīng)用生態(tài)切入汽車信息娛樂系統(tǒng)。雖然 Android 系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性欠佳，但由于車載娛樂系統(tǒng)對安全性要求相對較低，An? droid 仍然憑借其開源、靈活、可以移植性強的優(yōu)點在國內(nèi)車載娛樂系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)主流地位。

4.2 虛擬化和中間件

Hypervisor 是一種基于硬件虛擬化的軟件技術(shù)， 運行在物理硬件與虛擬客戶機之間。Hypervisor 用于創(chuàng)建、運行和管理客戶操作系統(tǒng)，虛擬操作系統(tǒng)可以訪問（獨占或共享）底層硬件資源，包括 CPU、內(nèi)存和外圍設(shè)備。在每個虛擬客戶機用戶看來，所有已分配的硬件都可用于本機。Hypervisor 還提供硬件設(shè)備共享功能，多個虛擬機可共享使用網(wǎng)絡(luò)、存儲和GPU 外部設(shè)備。近年來，Hypervisor 越來越多地應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心、復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域，用于提高硬件系統(tǒng)的利用率、軟件安全性。Hypervisor 是實現(xiàn)跨平臺應(yīng)用、提高硬件利用率的重要途徑之一。

虛擬化的主要類型如下：

（1）應(yīng)用程序的虛擬化：比如JAVA VM，其本質(zhì)是對二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換；

（2）操作系統(tǒng)的虛擬化：比如容器/Docker 技術(shù)， 其本質(zhì)利用對特定進(jìn)程可用的算力、存儲、IO 資源的管理，幾乎沒有額外系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，操作系統(tǒng)的虛擬化在云服務(wù)中使用較多；

（3）硬件虛擬化：比如直接在硬件基礎(chǔ)上運行的Xen、Opensynergy、QNX、ACRN 等，在完整的 OS 上運行的KVM，對算力及IO 的影響小，額外負(fù)擔(dān)成本少。實現(xiàn)硬件虛擬化可以采用全虛擬化（Full- Virtual? ized）、半 虛 擬 化（Para- Virtualized）或 透 傳（Pass through）的方式。

4.3 感知算法

感知算法涉及語音、視覺、聲學(xué)、多模交互融合方面。其中語音涉及單模語音交互技術(shù)，降噪、回聲消除、語音識別，視覺涉及基于圖像信息、ToF 傳感器算法的技術(shù)實現(xiàn)人臉識別、手勢識別以實現(xiàn)駕駛員、乘客檢測，如抽煙、情緒管理等。

智能座艙是典型的多模交互場景，而視覺基礎(chǔ)技術(shù)是多模技術(shù)的基礎(chǔ)，隨著攝像頭數(shù)量的增加、分辨率的提升，視覺基礎(chǔ)技術(shù)由單幀感知走向時序感知、從平面感知變?yōu)榱Ⅲw建模、從單模態(tài)變?yōu)槎嗄B(tài)學(xué)習(xí)，從監(jiān)督學(xué)習(xí)走向自主學(xué)習(xí)。同時語音交互是多模態(tài)交互的重要部分，涉及多模、多音區(qū)定位、多模人聲分離、多模語音識別、多?；芈曄徒翟氲燃夹g(shù)。

與此同時，為實現(xiàn)人機共駕，對算法延遲的要求越來越高，快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確、對網(wǎng)絡(luò)的低依賴是智能座艙未來的基本要求。基于此要求下勢必增加傳感器數(shù)量及能力，例如攝像頭個數(shù)、分辨率、運行幀率、麥克風(fēng)數(shù)量、AEC 通道數(shù)量等，每一個因素都將對算法及上層應(yīng)用產(chǎn)生影響，導(dǎo)致對算力的要求越來越高。

5 一汽集團(tuán)的實踐

2020 年量產(chǎn)的紅旗H9 及E-HS9 的座艙域是基于Renesas Rcar-H3 的虛擬化座艙域控制器平臺，Rcar- H3 是Renesas 的汽車計算平臺的第三代解決方案，提供強大的CPU 計算能力、圖像處理能力，適用于安全駕駛輔助系統(tǒng)和車載信息娛樂系統(tǒng)領(lǐng)域，Renesas 提供穩(wěn)定的 BSP 支持。

?

一汽和業(yè)界領(lǐng)先的OpenSynergy 一起基于H3 定制開發(fā)了Type-1 型虛擬機COQOS Hypervisor（圖4）， 使其能夠在一個 R-Car H3 芯片上同時執(zhí)行多個操作系統(tǒng)：基于 Linux 系統(tǒng)的信息系統(tǒng)（儀表）是與安全相關(guān)顯示組件以及基于Android 系統(tǒng)的車載信息娛樂系統(tǒng)（IVI）。COQOS Hypervisor 與 Android 系統(tǒng)和 Linux 系統(tǒng)共享 R-Car H3 GPU 的處理能力，將應(yīng)用呈現(xiàn)在多個顯示屏上，進(jìn)而實現(xiàn)強大且靈活的智能座艙系統(tǒng)。

?

圖4 COQOS Hypervisor 軟件架構(gòu)

6 智能座艙系統(tǒng)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

6.1 系統(tǒng)性能

快節(jié)奏的現(xiàn)代生活，使人們更加重視高性能。啟動速度快、界面切換迅速都成為了智能座艙系統(tǒng)評價打分的關(guān)鍵要點。系統(tǒng)性能受限于硬件及軟件平臺，需要在軟件層面盡可能地優(yōu)化，以最大化發(fā)揮硬件性能。

6.2 系統(tǒng)安全

車載系統(tǒng)的安全關(guān)系到乘員生命和車輛及承載的財產(chǎn)，其重要性毋庸置疑。軟件行業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展多年，各種新技術(shù)、新系統(tǒng)層出不窮，但與此同時，黑客技術(shù)也從未止步，如何保證安全性，是一個永恒的課題。

6.3 系統(tǒng)穩(wěn)定

智能座艙系統(tǒng)的功能豐富多樣、種類繁多，有如駕乘輔助類、娛樂類、工作類等。隨著功能越來越豐富，系統(tǒng)越來越復(fù)雜，軟件問題也層出不窮。需要有效、快速地解決軟件問題，確保系統(tǒng)穩(wěn)定。

6.4 知識產(chǎn)權(quán)

現(xiàn)代社會對知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)非常重視。避免被競爭對手借助專利設(shè)卡，重視知識產(chǎn)權(quán)并通過知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)自研技術(shù)是一項很重要的內(nèi)容。

6.5 個性化需求

用戶群體復(fù)雜，有年輕人和中老年人，有男性、有女性，每個人群、每個人偏好是不一樣的。智能座艙操作系統(tǒng)需要注重考慮如何滿足個性化需求。

7 汽車智能座艙系統(tǒng)發(fā)展中的對策

7.1 軟件平臺化

采用低耦合設(shè)計方案，讓軟件平臺化。系統(tǒng)軟件可以方便、快速地移植到新平臺。對于車企而言，能夠投入更多精力精雕細(xì)琢，既降低了研發(fā)成本，也提升了軟件質(zhì)量。同時，低耦合設(shè)計使得軟件的擴展和定制更為靈活，滿足了個性化的需要。

7.2 軟件規(guī)范化

嚴(yán)格實行軟件規(guī)范化，制定一套軟件代碼規(guī)范。例如，采取可讀性強的命名規(guī)則，采用易擴展維護(hù)的功能設(shè)計，借助專業(yè)代碼質(zhì)量檢測工具(如SonarCube、LeakCanery 等)進(jìn)行代碼質(zhì)量檢測。以規(guī)范化手段確保軟件質(zhì)量，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。

7.3 保持快速迭代

支持OTA（系統(tǒng)升級）和SOTA（功能模塊升級）2 種遠(yuǎn)程升級方案。這2 種方式給安全漏洞補丁、軟件漏洞補丁及新功能的導(dǎo)入提供了基礎(chǔ)性支持。

7.4 保持技術(shù)創(chuàng)新和導(dǎo)入

保持對新技術(shù)的關(guān)注，不斷創(chuàng)新，在5G 和AI 時代持續(xù)進(jìn)行產(chǎn)品導(dǎo)入，取得先機。

8 結(jié)束語

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，智能座艙操作系統(tǒng)穩(wěn)步演變，通過對智能座艙系統(tǒng)演變進(jìn)程的剖析，以及對一汽紅旗H9、E-HS9 車型智能座艙系統(tǒng)搭載的分析，提出智能座艙發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和應(yīng)對措施，進(jìn)而支撐以用戶體驗為導(dǎo)向的智能座艙開發(fā)方式，應(yīng)對未來市場的挑戰(zhàn)。

面向服務(wù)的架構(gòu)(Service Oriented Architecture， SOA)作為一種面向服務(wù)的架構(gòu)的組件模型。未來隨著 SOA 的廣泛應(yīng)用，SOA 可將不同的應(yīng)用服務(wù)進(jìn)行解耦，并通過預(yù)先定義好的接口進(jìn)行調(diào)用，使得構(gòu)建在不同的系統(tǒng)中的服務(wù)可以以一種統(tǒng)一和通用的方式進(jìn)行交互，進(jìn)而推進(jìn)實現(xiàn)軟件定義汽車。