智能网联汽车软件操作系统现状及发展建议.pdf

16汽车工业研究季刊2023年第2 期.ReLesearch研究DOl:10.3969/j.issn.1009-847X.2023.02.004智能网联汽车软件操作系统现状及发展建议刘宇黎宇科葛鹏张怡凡秦志媛摘要：当前，作为智能网联汽车核心领域的汽车操作系统受制于国外先进国家，一定程度上限制了我国智能网联汽车产业的全面创新。本文基于汽车操作系统发展现状，分析各类操作系统对产业安全风险的影响，最终给出支持汽车软件操作系统发展的政策建议。关键词：汽车软件操作系统OS内核中间件功能件随着智能网联汽车技术飞速发展，汽车从单一的道路交通工具逐步转变为智能移动空间，汽车电子电气架构正在快速向域集成或中央集成式进化，软件和算法正开始成为智能网联汽车的核心竞争内容。汽车软件操作系统成为支撑软件定义汽车、电子电气架构集中化等发展的核心环节，成为国家智能网联汽车竞争的重要领域。当前，我国汽车软件操作系统面临着核心技术掌控不足、企业竞争力不强等问题，面临被国外“卡脖子”的风险，不利于智能网联汽车产业的高质量发展。引言不同阶段智能网联汽车架构介绍1.1自动驾驶早期阶段L1-L2级智能网联汽车电子电气架构多是分布式EE架构。EE架构下的每个功能算法对应着一颗独立芯片，且比较简单，对汽车操作系统（O S）需求相对较低。简单来说，传统电子控制单元（ECU）承担功能有限，运行相对简易，如传感器只涉及简单点云或数字图像等处理，通常只需调度单一任务，不需要高性能汽车OS来调度和分配资源。这个阶段功能算法与微控制处理器单元（MCU）高度耦合。整车企业从供应商买来MCU大多都自带算法，无需自己写算法，只要做好集成就可以，整车企业没有动力去发展操作系统。1.2L2+阶段在此阶段，智能网联汽车功能算法越来越复杂，分布式EE架构已不能满足自动驾驶产品需求，必须要基于集中式EE架构来做开发。在集中式EE架构（域控制器、中央计算平台）下，多种算法运行在同一个类似于英伟达Xavier的系统级芯片（SOC）上，大量信息需要汇集到域控制器上，再进行感知、计算、决策，数据的传输和融合，要比在分布式架构下复杂得多。在这种情况下，SOC芯片需要处理的数据量呈现指数级增长，很多任务还是多线程同时调度，需要强大的实时操作系统才能更好地分配、调度运算和存储资源。L2+以上的自动驾驶需要应对复杂场景，系统的算法复杂、功能丰富、动态部署，高性能的操作系统逐渐成为汽车企业的“刚需”。汽车软件操作系统2发展现状2.1汽车软件操作系统定义范围狭义OS指直接搭载在硬件上的OS内核。广义OS包括从BSP、操作系统内核、中间件及库组件等硬件和上层应用之间的所有程序。系统软件主要由硬件抽象层、操作系统内核以及中间件三部分组成。硬件抽象层包含BSP和Hypervisor，是运17汽车工业研究季刊2023年第2 期研究Reesearch行在基础物理服务器（或主板硬件）和操作系统之间的中间软件层，我们可以把它看作支撑OS操作系统的“元”操作系统。操作系统内核又称为“底层OS”，提供操作系统最基本的功能，负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统，决定着系统的性能和稳定性。中间件作为底层操作系统和应用程序之间的桥梁，是对软硬件资源进行管理、分配和调度的平台，充当着软件和硬件解耦的关键角色。另外，功能软件是指在OS上的自动驾驶核心功能模块等2.2主流汽车软件操作系统分析2.2.1自动驾驶OS内核（底层OS）目前，自动驾驶OS内核主流软件均为国外软件，主要由QNX（黑莓）、Linux（开源基金会）、Vx-Works（风河）三家控制。其中QNX是一个半封闭系统，Linux和Vx-Works是开源系统。（“半封闭”是指客户不能修改QNX内核，但可以编写中间件和应用软件。“开源”是指所有内核源代码都向客户开放，客户可根据实际需求裁剪程序模块，可配置性很高）。（1）Q N X：2 0 11年，全球第一个通过了ISO26262ASIL-D安全认证的实时操作系统。实行收费的商业模式，凭着其安全性、稳定性和实时性，牢牢占据汽车嵌人式操作系统市占率第一的位置。（2）Li n u x：Li n u x 基金会在2 0 12年启动了开源项目AutomotiveGradeLinux（简称AGL），目前成员已经超过10 0 家。当前在汽车市场的应用主要在信息娱乐系统，不过，AGL的最终目标，是提供满足安全关键系统的功能安全目标，从而服务自动驾驶应用。与QNX相比，Linux的优势在于开源，在各种CPU架构上都可以运行，可适配更多的应用场景，并有更为丰富的软件库可供选择，因此，具有很强的定制开发灵活度。Waymo、特斯拉、百度等软件开发能力强的企业大多基于Linux内核开发中间件系统，主要是从成本和减少对软件供应商依赖的角度考虑。(3）Vx Wo r k s：Vx Wo r k s 是开源内核，主要在航空电子领域，汽车板块在其营收中占比的不高。近年来，风河加大汽车业务的投人。宝马-ME-英特尔联盟的自动驾驶OS内核一度采用了VxWorks，现代的自动驾驶量产车上也在使用Vxworks。（4）Sy l i x 0 S：2 0 0 6 年开始，翼辉信息研发SylixOS操作系统，并与龙芯紧密合作完成了SylixOS实时操作系统与龙芯3A3000的适配工作，已经初步具备了参与自动驾驶汽车OS内核市场竞争的能力。同时，通过云端获得技术支撑，是SylixOS产品的一大亮点。（5）鸿蒙OS：目前，华为已经推出集成了OS内核和中间件的VOS、A O S产品，正在基于其OS操作系统积极构建产业生态。（6）其他：阿里、瑞华中电32所、6 31天脉等国内企业也在积极培育相关OS内核产品2.2.2座舱OS内核目前，AndriodCarlife和IOSCarplay是座舱OS内核的主流产品，占据绝大部分市场份额。2 0 2 1年，华为推出鸿蒙座舱系统HOS的OS内核，正在积极打造生态体系。2.2.3中间件和功能件当前，Waymo、百度、特斯拉、Mobileye以及传统整车企业和自动驾驶初创公司研发的OS操作系统多为中间件和应用软件。从功能上分可以分为自动驾驶OS（或车身控制系统底座）、座舱OS（座舱娱乐系统底座），以及特定功能软件。中间件方面，绝大部分整车和新创企业都基于国外的OS内核进行开发，推出本企业的中间件，只有华为等少数企业是基于国内OS内核开发中间件。功能件方面，我国和欧美等国家都在智能汽车应用起步阶段，由于我国应用场景更丰富、生态参与企业更多，甚至部分功能件优于欧美等国。产业安全风险分析3.1OS内核是汽车操作系统“卡脖子”的核心环节汽车OS操作系统越往底层，打造产品和构建生态所需的人力、物力就越大且见效越慢，参与的企业就越少，进而形成了我国OS内核企业数量少、技术薄弱的发展局面。另一方面，Waymo、百度、特斯拉、Mobileye、蔚来、小鹏、吉利等科技公司、传统整车、自动驾驶初创公司推出自研自动驾驶OS，都是基于OS内核研发的中间件和应用软件。如果不能获得OS内核授权，相关企业将不能开发中间件和应用软件。例如，华为部分OS产品的WXwork授权将于2 0 2 5 年到期，到期后将不会获得新的版本授权，也就无法继续优化和迭代与之相关的部分中间件和应用软件。根据第一性原理，OS内核已经事实成为汽车操作软件生态发展的基石和产业链关键卡点，如果欧美对我国汽车企业的OS内核突然停止授权，在OS内核之上建立的所有汽车操作系统产业生态，都将面临突然停滞的风险，严重威胁产业安全。只有在底层为国内汽车、科技、初创企业提供安全的OS内核产品，才能保障包括中间件、应用软件生态在内的汽车操作软件生态不受国外突然断供威胁，保证产业的安全可持续发展3.2中间件和应用软件被“卡脖子”的风险相对较小研究Revesearch当前，我国研发中间件和应用软件的企业相对较多，推出的OS中间件和应用软件产品类型和数量也非常丰富。其中，智能驾驶中间件市场国内的华为、东软等企业已经推出相关产品，并开始参与市场竞争。随着未来智能汽车市场的快速发展，在OS内核上也会衍生出众多的中间件和功能件。从实际情况来看，欧美无法通过停止出售或授权某个中间件和应用软件对中国企业实施系统全面打击。由此可以判断，中间件和应用软件面临卡脖子的风险较小。3.3风险小结根据上述分析，我国汽车操作系统未来可能面临三种风险：一是OS内核断供；二是中间件断供；三是应用软件断供。其中，OS内核断供对中国汽车软件操作系统生态的打击是最严重和最具有决定性的。中间件和应用软件断供对汽车软件操作系统生态打击依次降低，并不具有决定性。建议4.1集中资源突破汽车OS内核操18汽车工业研究季刊2023年第2 期作系统核心技术汽车操作系统是决定整个产业生态发展的基石，汽车OS内核是汽车操作系统的核心。根据第一性原理，只有自主掌握汽车OS内核操作系统核心技术，并在市场广泛推广应用，基于OS内核操作系统以上设计的汽车中间件、应用软件才能避免潜在的“卡脖子”风险。对应的包括OS内核操作系统、汽车中间件、应用软件在内的汽车软件产业生态，才能最终解除被“卡脖子”的风险。汽车OS产业联盟，引导汽车、新创、科技等国内企业，共同集中在某一个或少数几个国内OS内核，开展中间件和应用软件研发，加快完善产品性能，培育能与基于国外OS内核的操作系统软件生态抗衡的基于国产OS内核操作系统软件生态。参考文献：1李鲁苗，周玮.全球车用操作系统发展现状 J.汽车纵横,2 0 2 2(1):39-42.2赵世佳，徐可，宋娟，等.我国智能网联汽车操作系统发展的实施策略 J.科技管理研究,2 0 2 0,40(9):10 7-111.3潘妍，张也，周瑞坤，等，我国智能网联汽车操作系统研究J.电子元器件与信息技术,2 0 2 2(5):142-146.4黄辛旭.芯片无需10 0%自研，操作系统函需自主可控 N/OL.每日经济新闻，2022-9-8.http:/ 0 2 2-9-16(10).http:/