為推廣智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)自主操作系統(tǒng)核心技術(shù)應(yīng)用，從整車(chē)電子電氣架構(gòu)出發(fā)，分析了未來(lái)車(chē)用操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)、技術(shù)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)結(jié)合整車(chē)制造商的應(yīng)用需求提出了加快國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)量產(chǎn)裝車(chē)和生態(tài)建設(shè)的實(shí)施建議，以助力智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)自主操作系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化加速發(fā)展。
1 前言
隨著車(chē)輛智能化、網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)的普遍應(yīng)用，汽車(chē)產(chǎn)品與人工智能、網(wǎng)聯(lián)服務(wù)等新興技術(shù)深度融合，其電子電氣（Electronic/Electrical，EE）架構(gòu)也在不斷演進(jìn)，從分布式架構(gòu)向集中式面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（Service-Oriented Architecture，SOA）方向發(fā)展。這種變革的核心驅(qū)動(dòng)力是整車(chē)制造商需要進(jìn)一步提升集成開(kāi)發(fā)效率，實(shí)現(xiàn)以軟件為主的功能特性在車(chē)輛上的快速迭代。通過(guò)打造軟硬件充分解耦的架構(gòu)，專(zhuān)注于應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)，可以支撐在不同車(chē)型上全生命周期的功能升級(jí)，持續(xù)提供差異化的應(yīng)用和體驗(yàn)。整車(chē)EE架構(gòu)的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段。
分布式架構(gòu)時(shí)代，車(chē)用控制器專(zhuān)注于“單一”功能的實(shí)現(xiàn)，各電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）間的數(shù)據(jù)傳遞通過(guò)CAN、LIN等總線傳輸，如果整車(chē)需要增加新的功能，則需要在相應(yīng)的控制器上修改通信信號(hào)，或者基于原有架構(gòu)增加新的硬件。這種架構(gòu)下軟硬件緊密耦合，各控制器間無(wú)法共享計(jì)算能力，隨著車(chē)輛功能的擴(kuò)展，ECU數(shù)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(gòu)下，ECU 數(shù)量明顯減少，整車(chē)大部分應(yīng)用功能集中部署在幾個(gè)核心域控制器中，將應(yīng)用程序的不同功能單元進(jìn)行拆分，通過(guò)設(shè)計(jì)良好的調(diào)用接口將這些服務(wù)聯(lián)系起來(lái)，提供了功能的可擴(kuò)展性[1]。該架構(gòu)從面向信號(hào)的通信升級(jí)為面向服務(wù)的通信，支持算法靈活部署，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用算法和硬件平臺(tái)的分離。
在中央集中式架構(gòu)下，原有架構(gòu)中多個(gè)域控制器進(jìn)一步整合成中央計(jì)算平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)算力集中化，EE架構(gòu)通過(guò)新一代信息與通信技術(shù)將人、車(chē)、路、云的物理空間與信息空間融合為一體，基于系統(tǒng)協(xié)同感知、決策與控制，實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)交通系統(tǒng)安全、節(jié)能、舒適及高效運(yùn)行，提升整車(chē)的性能和用戶體驗(yàn)。
本文首先對(duì)車(chē)控、智駕和座艙操作系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析，對(duì)比分布式操作系統(tǒng)和集中式系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)的特點(diǎn)，并從操作系統(tǒng)內(nèi)核及虛擬化、中間件和集成應(yīng)用方面對(duì)操作系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行研究，然后，討論國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)生態(tài)發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)當(dāng)前存在的問(wèn)題進(jìn)行梳理，提出操作系統(tǒng)的應(yīng)用需求，最后，從戰(zhàn)略共識(shí)、合作模式和產(chǎn)業(yè)實(shí)踐方面給出國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)生態(tài)建設(shè)的實(shí)施建議。
2 車(chē)用操作系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
2.1 車(chē)用操作系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
2.1.1 操作系統(tǒng)的分類(lèi)
在應(yīng)用需求和技術(shù)變革的驅(qū)動(dòng)下，按照不同的應(yīng)用場(chǎng)景，智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)操作系統(tǒng)逐漸發(fā)展為安全車(chē)控、智能駕駛和智能座艙3 類(lèi)[2]，各操作系統(tǒng)的特點(diǎn)如表1 所示。安全車(chē)控操作系統(tǒng)主要面向經(jīng)典車(chē)輛控制領(lǐng)域，是運(yùn)行于微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）上的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，汽車(chē)安全完整性等級(jí)（Automotive Safety Integration Level，ASIL）可達(dá)到D 等級(jí)，實(shí)時(shí)性好、控制精度高。智能駕駛操作系統(tǒng)主要面向智能駕駛領(lǐng)域，支持高算力異構(gòu)系統(tǒng)級(jí)芯片（System On Chip，SOC），包含車(chē)規(guī)級(jí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，兼容自適應(yīng)汽車(chē)開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)（AUTomotive Open System ARchitecture，AUTOSAR）等國(guó)際主流中間件，具備多傳感器數(shù)據(jù)的接入和大數(shù)據(jù)吞吐能力，同時(shí)滿足自動(dòng)駕駛所需的功能安全要求。智能座艙操作系統(tǒng)主要面向信息娛樂(lè)和數(shù)字儀表，為智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)提供人機(jī)交互服務(wù)，包括車(chē)載信息娛樂(lè)、網(wǎng)聯(lián)、導(dǎo)航、多媒體娛樂(lè)、語(yǔ)音、輔助駕駛、人工智能（Artificial Intelligence，AI）等服務(wù)。
表1 智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)操作系統(tǒng)特點(diǎn)對(duì)比
2.1.2 安全車(chē)控操作系統(tǒng)
國(guó)外安全車(chē)控操作系統(tǒng)發(fā)展較早，有成熟的量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，主要基于經(jīng)典AUTOSAR 技術(shù)方案。2003 年，寶馬、博世、大陸、大眾等9 家企業(yè)作為核心成員，成立了AUTOSAR組織，致力于建立標(biāo)準(zhǔn)化汽車(chē)軟件平臺(tái)，以減少車(chē)用軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，提高開(kāi)發(fā)效率[3]。目前，已有超過(guò)360家整車(chē)制造商、零部件供應(yīng)商及相關(guān)企業(yè)與該組織建立合作伙伴關(guān)系，包括核心合作伙伴9 家、高級(jí)合作伙伴70家、開(kāi)發(fā)合作伙伴80家、普通合作伙伴162家、高校和研究機(jī)構(gòu)40家[4]。國(guó)內(nèi)安全車(chē)控操作系統(tǒng)目前主要處于跟隨狀態(tài)，近年來(lái)，本土供應(yīng)商發(fā)展迅速，具備支撐量產(chǎn)控制器開(kāi)發(fā)的技術(shù)水平。安全車(chē)控操作系統(tǒng)適用于控制類(lèi)和安全性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景，如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等傳統(tǒng)動(dòng)力總成控制器，支持微秒級(jí)的實(shí)時(shí)調(diào)度和不同優(yōu)先級(jí)的實(shí)時(shí)響應(yīng)，確保關(guān)鍵應(yīng)用程序確定性時(shí)延的需求，實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)外圍傳感器、執(zhí)行器的精確控制，保障了車(chē)輛的安全性。
2.1.3 智能駕駛操作系統(tǒng)
智能駕駛操作系統(tǒng)將會(huì)成為自動(dòng)駕駛汽車(chē)發(fā)展的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一，目前，行業(yè)內(nèi)普遍采用的底層內(nèi)核主要有Linux和QNX操作系統(tǒng)：前者為自動(dòng)駕駛算法提供豐富的開(kāi)源生態(tài)，包含大量面向智能駕駛應(yīng)用算法的三方庫(kù)及中間件，但是硬實(shí)時(shí)無(wú)法保證，同時(shí)難以滿足功能安全的要求；后者采用微內(nèi)核架構(gòu)，可滿足自動(dòng)駕駛對(duì)功能安全的認(rèn)證要求，認(rèn)證范圍包括工具鏈、微內(nèi)核、libc、libm和libsupc++庫(kù)等。國(guó)內(nèi)華為、中興和斑馬也都推出了自己的微內(nèi)核及虛擬化組件，其中部分產(chǎn)品已量產(chǎn)應(yīng)用，并在持續(xù)完善和加速推廣中。為應(yīng)對(duì)自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，AUTOSAR 組織推出了自適應(yīng)AUTOSAR架構(gòu)，能夠滿足自動(dòng)駕駛控制器并行計(jì)算和高速通信的應(yīng)用場(chǎng)景需求，并為應(yīng)用層提供了標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)用接口[5]，自適應(yīng)AUTOSAR與經(jīng)典AUTOSAR的技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比如表2 所示。智能駕駛操作系統(tǒng)中還集成了高算力SOC 中的AI 驅(qū)動(dòng)和面向自動(dòng)駕駛算法的非標(biāo)準(zhǔn)中間件，該部分目前還有沒(méi)有統(tǒng)一的定義，但是后續(xù)會(huì)圍繞執(zhí)行效率和接口統(tǒng)一進(jìn)行優(yōu)化。
表2 經(jīng)典AUTOSAR與自適應(yīng)AUTOSAR技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比
2.1.4 智能座艙操作系統(tǒng)
在智能座艙操作系統(tǒng)領(lǐng)域，目前業(yè)內(nèi)還沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，主要包括QNX操作系統(tǒng)、諸多基于Linux的定制操作系統(tǒng)以及基于Android 開(kāi)源項(xiàng)目的操作系統(tǒng)[6]。QNX 采用微內(nèi)核架構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、文件系統(tǒng)等模塊和內(nèi)核相互獨(dú)立，任何模塊的故障都不會(huì)導(dǎo)致內(nèi)核崩潰。該系統(tǒng)在車(chē)載操作系統(tǒng)市場(chǎng)的占有率超過(guò)70%，在儀表端有大量應(yīng)用，不過(guò)QNX的開(kāi)放性不足，導(dǎo)致其應(yīng)用生態(tài)缺乏。Linux 是一款開(kāi)源、高效、靈活、功能強(qiáng)大的操作系統(tǒng)，其最大優(yōu)勢(shì)是具備很強(qiáng)的定制開(kāi)發(fā)靈活度。Android 系統(tǒng)是基于Linux 內(nèi)核開(kāi)發(fā)的最成功的產(chǎn)品，其特點(diǎn)是開(kāi)源、靈活定制、應(yīng)用可移植性強(qiáng)和應(yīng)用生態(tài)豐富。當(dāng)前，特斯拉采用Linux 技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)了車(chē)載操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。斑馬、華為等國(guó)內(nèi)企業(yè)積極布局車(chē)載操作系統(tǒng)，自研車(chē)載操作系統(tǒng)內(nèi)核，并在逐漸建立應(yīng)用生態(tài)。國(guó)內(nèi)整車(chē)制造商紛紛基于Android進(jìn)行深度定制化開(kāi)發(fā)，推出自己的智能座艙操作系統(tǒng)。
2.2 整車(chē)操作系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)
2.2.1 操作系統(tǒng)分布式技術(shù)架構(gòu)
在傳統(tǒng)的分布式架構(gòu)下，操作系統(tǒng)的技術(shù)方案依賴(lài)控制器硬件，導(dǎo)致難以統(tǒng)一維護(hù)和升級(jí)，直到AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)世后，操作系統(tǒng)對(duì)上層的應(yīng)用接口有了統(tǒng)一的運(yùn)行時(shí)環(huán)境（Run-Time Environment，RTE）層來(lái)提供，但也存在同一車(chē)輛應(yīng)用多種AUTOSAR 技術(shù)方案的問(wèn)題，不同控制器之間的開(kāi)發(fā)工具無(wú)法統(tǒng)一，需要同時(shí)維護(hù)多個(gè)類(lèi)型和不同版本的操作系統(tǒng)軟件，開(kāi)發(fā)成本高、整車(chē)級(jí)的功能迭代慢，難以滿足下一代智能車(chē)輛的應(yīng)用需求，操作系統(tǒng)分布式技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。
圖1 操作系統(tǒng)分布式技術(shù)架構(gòu)
2.2.2 操作系統(tǒng)集中式技術(shù)架構(gòu)
在集中式架構(gòu)下，整車(chē)大部分應(yīng)用功能集中部署在異構(gòu)大算力的中央計(jì)算平臺(tái)上，功能軟件之間通過(guò)操作系統(tǒng)及服務(wù)中間件進(jìn)行交互。廣義的操作系統(tǒng)分為系統(tǒng)層和功能層，其中系統(tǒng)層包括經(jīng)典平臺(tái)（Classic Platform，CP）及自適應(yīng)平臺(tái)（Adaptive Platform，AP）標(biāo)準(zhǔn)中間件、操作系統(tǒng)內(nèi)核、虛擬化組件、板級(jí)支持包（Board Support Package，BSP）驅(qū)動(dòng)和非標(biāo)準(zhǔn)中間件，功能層包括傳感器、執(zhí)行器的抽象、可復(fù)用的功能模塊和基礎(chǔ)服務(wù)，為應(yīng)用層提供整車(chē)層級(jí)的服務(wù)接口，對(duì)芯片平臺(tái)實(shí)現(xiàn)隔離[7]，操作系統(tǒng)集中式技術(shù)架構(gòu)如圖2 所示。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外主流整車(chē)制造商均在集中式架構(gòu)的操作系統(tǒng)上有所布局。2023年1月，奔馳推出自主設(shè)計(jì)的整車(chē)級(jí)操作系統(tǒng)MB.OS，其優(yōu)勢(shì)是可以全面打通車(chē)輛功能，包括信息娛樂(lè)功能、智能駕駛輔助及自動(dòng)駕駛等功能。國(guó)內(nèi)一汽、上汽、比亞迪等都通過(guò)戰(zhàn)略合作、集成開(kāi)發(fā)、自研等方式打造自主可控的操作系統(tǒng)平臺(tái)，將操作系統(tǒng)作為核心競(jìng)爭(zhēng)力進(jìn)行布局。
圖2 操作系統(tǒng)集中式技術(shù)架構(gòu)
2.3 操作系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
2.3.1 微內(nèi)核及虛擬化技術(shù)
微內(nèi)核技術(shù)是操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)調(diào)度及控制的基礎(chǔ)，穩(wěn)定、安全、高效是其核心要求。微內(nèi)核在特權(quán)模式下僅保留少量的核心功能，如調(diào)度、內(nèi)存管理、進(jìn)程間通信（Inter-Process Communication，IPC）機(jī)制等，其余組件均運(yùn)行在用戶態(tài)，如設(shè)備驅(qū)動(dòng)、協(xié)議棧等，采用微內(nèi)核架構(gòu)的操作系統(tǒng)具備高可靠性、高實(shí)時(shí)性、高確定性等優(yōu)勢(shì)[8]。未來(lái)，面向中央計(jì)算的場(chǎng)景下，操作系統(tǒng)微內(nèi)核技術(shù)向接口擴(kuò)展和安全升級(jí)等方向發(fā)展：在接口支持方面，將遵循可移植操作系統(tǒng)接口（Portable Operating System Interface，POSIX）規(guī)范，滿足PSE51～PSE54 系列化標(biāo)準(zhǔn)，提供豐富的系統(tǒng)調(diào)用接口，靈活支持更多生態(tài)組件；在芯片適配方面，將支持更多的艙駕一體和中央計(jì)算芯片，并可快速提高國(guó)產(chǎn)芯片的支持?jǐn)?shù)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(tǒng)核心模塊達(dá)到ASIL-D 級(jí)認(rèn)證要求；在信息安全方面，將支持安全加載和啟動(dòng)，支撐可信執(zhí)行環(huán)境（Trusted Execution Environment，TEE）構(gòu)建，提供數(shù)據(jù)安全、通信安全、隱私保護(hù)等基礎(chǔ)功能。
虛擬化技術(shù)可以兼容多種子操作系統(tǒng)（GuestOS）運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)硬件資源的動(dòng)態(tài)分配，解決操作系統(tǒng)內(nèi)核安全、性能與生態(tài)的矛盾，支撐未來(lái)中央計(jì)算時(shí)代單芯片架構(gòu)對(duì)操作系統(tǒng)的需求。虛擬化技術(shù)將向輕量化方向發(fā)展，利用硬件輔助等技術(shù)提供輕量、高效的虛擬化分區(qū)引擎，降低中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）等外設(shè)的性能損耗，提供實(shí)時(shí)、可靠、安全的車(chē)用虛擬化運(yùn)行環(huán)境。
2.3.2 中間件技術(shù)
未來(lái)，操作系統(tǒng)中間件會(huì)向平臺(tái)化方向發(fā)展，通過(guò)不斷擴(kuò)展功能層軟件為應(yīng)用算法提供更加豐富和靈活的接口，通過(guò)不斷提高對(duì)硬件平臺(tái)的兼容性實(shí)現(xiàn)軟硬解耦。系統(tǒng)層中間件主要包括基于AUTOSAR 規(guī)范的AP及CP中間件，面向未來(lái)中央集成式架構(gòu)，上述標(biāo)準(zhǔn)中間件可以提供基礎(chǔ)服務(wù)和通用功能，盡管AUTOSAR 規(guī)范也在持續(xù)完善，但仍不能完整覆蓋端到端的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，需要在此基礎(chǔ)上集成定制化的組件來(lái)滿足應(yīng)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(gòu)技術(shù)、功能層的信息安全、功能安全和網(wǎng)聯(lián)云控等基礎(chǔ)服務(wù)技術(shù)，后續(xù)會(huì)進(jìn)一步基于整車(chē)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)通用化的基礎(chǔ)功能，實(shí)現(xiàn)整車(chē)平臺(tái)的能力擴(kuò)展及各系統(tǒng)之間的協(xié)同，保證整車(chē)軟件平臺(tái)的一致性。
2.3.3 集成應(yīng)用技術(shù)
面向中央集中式架構(gòu)，在高性能計(jì)算平臺(tái)上會(huì)實(shí)現(xiàn)多種不同類(lèi)型應(yīng)用程序的部署，需要系統(tǒng)級(jí)集成技術(shù)來(lái)保證整個(gè)控制器資源高效利用、程序運(yùn)行穩(wěn)定，具體包括整車(chē)級(jí)任務(wù)調(diào)度技術(shù)、基于場(chǎng)景的智能管理技術(shù)、平臺(tái)及應(yīng)用級(jí)安全監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)。整車(chē)級(jí)任務(wù)調(diào)度技術(shù)通過(guò)評(píng)估各子任務(wù)的平均執(zhí)行時(shí)間和優(yōu)先級(jí)，優(yōu)化各核上的任務(wù)調(diào)度，進(jìn)而生成整車(chē)的任務(wù)調(diào)度策略，提升系統(tǒng)可靠性；智能管理技術(shù)基于上車(chē)啟動(dòng)、輔助駕駛、停車(chē)娛樂(lè)等不同使用場(chǎng)景，動(dòng)態(tài)調(diào)度CPU、電源等軟、硬件系統(tǒng)資源，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，提高系統(tǒng)的資源利用率；平臺(tái)及應(yīng)用級(jí)安全監(jiān)控技術(shù)針對(duì)關(guān)鍵應(yīng)用、核心中間件、BSP驅(qū)動(dòng)及操作系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行故障診斷與監(jiān)控，上報(bào)故障診斷消息，為系統(tǒng)提供可靠的安全監(jiān)控機(jī)制，提升整車(chē)軟件運(yùn)行的穩(wěn)定性。
3 國(guó)產(chǎn)車(chē)用操作系統(tǒng)生態(tài)建設(shè)
3.1 國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)生態(tài)發(fā)展現(xiàn)狀
操作系統(tǒng)作為“軟件定義汽車(chē)”時(shí)代智能汽車(chē)軟件架構(gòu)的核心技術(shù)平臺(tái)，是保障智能車(chē)輛各項(xiàng)功能及性能的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)軟件分層解耦、應(yīng)用算法跨域共用的關(guān)鍵。當(dāng)前，我國(guó)操作系統(tǒng)還面臨著諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)：一是多以二次開(kāi)發(fā)為主，核心關(guān)鍵技術(shù)仍受制于人；二是核心技術(shù)研發(fā)仍處于初期階段，自主創(chuàng)新能力不足；三是生態(tài)體系還亟需完善[9]。
根據(jù)麥肯錫發(fā)布的《2030 年汽車(chē)軟件和電子市場(chǎng)報(bào)告》，廣義汽車(chē)操作系統(tǒng)的市場(chǎng)規(guī)模到2025 年約為370 億美元，到2030 年可達(dá)約500 億美元[10]。操作系統(tǒng)作為汽車(chē)產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)，行業(yè)也在積極推動(dòng)其發(fā)展[11]。中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)于2023 年2 月發(fā)布中國(guó)車(chē)用操作系統(tǒng)開(kāi)源計(jì)劃，已公開(kāi)包括初始化代碼、核心功能源代碼等100 多個(gè)文件，計(jì)劃于2023 年底完成功能驗(yàn)證、2024 年通過(guò)功能安全認(rèn)證、2025 年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)驗(yàn)證。中國(guó)汽車(chē)基礎(chǔ)軟件生態(tài)委員會(huì)（China Automotive Basic Software Ecosystem Committee，AUTOSEMO）于2023 年9月發(fā)布《中國(guó)汽車(chē)基礎(chǔ)軟件發(fā)展白皮書(shū)4.0》，為中國(guó)汽車(chē)基礎(chǔ)軟件的高質(zhì)量發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
在軟件定義汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)下，車(chē)用操作系統(tǒng)逐步成為企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的核心，國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)應(yīng)努力做好安全可控的頂層設(shè)計(jì)，建立國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，不斷完善生態(tài)體系建設(shè)，建立有效的產(chǎn)業(yè)鏈[12]。
3.2 當(dāng)前問(wèn)題及需求分析
在當(dāng)前階段，國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的生態(tài)建設(shè)還存在以下問(wèn)題：首先，相較于國(guó)外車(chē)用操作系統(tǒng)在汽車(chē)領(lǐng)域已經(jīng)占據(jù)了一定的市場(chǎng)份額，國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)起步較晚，整體裝車(chē)率低、應(yīng)用群體少；其次，當(dāng)前國(guó)內(nèi)操作系統(tǒng)技術(shù)方案較多，各企業(yè)開(kāi)發(fā)過(guò)程存在大量重復(fù)性工作，造成資源浪費(fèi)且沒(méi)有形成合力；最后，國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)及解決方案資源開(kāi)放不足，在量產(chǎn)項(xiàng)目上應(yīng)用少，軟件模塊及工具鏈缺乏量產(chǎn)驗(yàn)證，遇到“上車(chē)難”“上車(chē)慢”的問(wèn)題。在整車(chē)制造商應(yīng)用國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際量產(chǎn)控制器開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，面臨著產(chǎn)品項(xiàng)目交付風(fēng)險(xiǎn)，需要投入更多的資源進(jìn)行問(wèn)題解決和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，具體表現(xiàn)為：操作系統(tǒng)軟件本身存在缺陷，包括功能模塊實(shí)現(xiàn)不全、軟件接口沒(méi)有實(shí)現(xiàn)等，需要不斷迭代版本進(jìn)行修復(fù)；操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)生態(tài)問(wèn)題，包括部分三方庫(kù)不支持、開(kāi)源工具不兼容等，需要進(jìn)行調(diào)試和開(kāi)發(fā)；與芯片的適配周期問(wèn)題，支持的芯片范圍有限，對(duì)于新的芯片需要較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行適配開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證。
從國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化落地角度出發(fā)，整車(chē)制造商未來(lái)需要一個(gè)生態(tài)開(kāi)放的操作系統(tǒng)[13]，做到安全可靠、開(kāi)放兼容、快速迭代和持續(xù)維護(hù)，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
a.安全可靠。操作系統(tǒng)涉及整車(chē)的功能安全，需要提供高安全內(nèi)核及虛擬化組件，滿足功能安全和信息安全的要求，并進(jìn)一步提升虛擬化組件的實(shí)時(shí)性，降低資源損耗。操作系統(tǒng)軟件需針對(duì)不同芯片的原生驅(qū)動(dòng)進(jìn)行驗(yàn)證，并且不斷豐富應(yīng)用場(chǎng)景。
b.開(kāi)放兼容。需提供統(tǒng)一的軟、硬件運(yùn)行平臺(tái)，以便于集成和驗(yàn)證，并提供完整的開(kāi)發(fā)及測(cè)試工具鏈、標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)及功能層接口，支持POSIX 接口，兼容AUTOSAR規(guī)范，兼容Linux和Android等應(yīng)用生態(tài)，對(duì)應(yīng)用層提供統(tǒng)一的SOA 接口，提高各開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)間的協(xié)同效率、降低成本。
c.快速迭代。操作系統(tǒng)需要快速迭代，修復(fù)自身缺陷，同時(shí)需支持艙駕一體等下一代芯片，快速適配未來(lái)高性能、異構(gòu)、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(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，需實(shí)現(xiàn)主流芯片的覆蓋，縮短操作系統(tǒng)適配的開(kāi)發(fā)周期。
d.持續(xù)維護(hù)。操作系統(tǒng)供應(yīng)商需要穩(wěn)定的技術(shù)團(tuán)隊(duì)為其產(chǎn)品提供長(zhǎng)期維護(hù)，及時(shí)響應(yīng)整車(chē)制造商的反饋和需求，對(duì)搭載產(chǎn)品提供通信負(fù)載調(diào)優(yōu)、系統(tǒng)負(fù)載監(jiān)控、啟動(dòng)過(guò)程分析等定制化服務(wù)。
3.3 國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)生態(tài)發(fā)展建議
3.3.1 達(dá)成戰(zhàn)略共識(shí)
當(dāng)前，我國(guó)自主車(chē)用操作系統(tǒng)已經(jīng)全面布局，在市場(chǎng)和技術(shù)上都取得了一定突破，但后續(xù)還需進(jìn)一步推廣和應(yīng)用，需要行業(yè)達(dá)成戰(zhàn)略共識(shí)，打造車(chē)企主導(dǎo)、深度協(xié)同的產(chǎn)業(yè)生態(tài)?；仡欀悄苁謾C(jī)的發(fā)展歷史，手機(jī)端的操作系統(tǒng)同樣經(jīng)歷了從功能手機(jī)向智能手機(jī)演進(jìn)的階段，如圖3所示[14-15]，經(jīng)過(guò)充分競(jìng)爭(zhēng)，手機(jī)操作系統(tǒng)供應(yīng)商從多家快速減少到只有2～3家。針對(duì)車(chē)端的操作系統(tǒng)，我國(guó)需要把握當(dāng)前重大窗口期，由國(guó)家相關(guān)部門(mén)牽頭，經(jīng)行業(yè)共同研討，做好國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)，制定符合汽車(chē)軟件發(fā)展趨勢(shì)的車(chē)用操作系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，從安全性、兼容性及應(yīng)用層軟件接口通用性著手，構(gòu)建跨領(lǐng)域協(xié)同的智能網(wǎng)聯(lián)操作系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，同時(shí)提升操作系統(tǒng)行業(yè)認(rèn)證能力，對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核、標(biāo)準(zhǔn)中間件等提供量化的指標(biāo)，依據(jù)操作系統(tǒng)的開(kāi)放程度對(duì)操作系統(tǒng)軟件進(jìn)行功能、性能和接口測(cè)試，提升操作系統(tǒng)準(zhǔn)入門(mén)檻，為整車(chē)制造商量產(chǎn)應(yīng)用提供依據(jù)。
圖3 手機(jī)操作系統(tǒng)市場(chǎng)格局演變[14-15]
3.3.2 創(chuàng)新合作模式
操作系統(tǒng)軟件本身開(kāi)發(fā)難度大，驗(yàn)證周期長(zhǎng)，需要行業(yè)各方深度參與，構(gòu)建產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同創(chuàng)新模式，共同繁榮汽車(chē)操作系統(tǒng)生態(tài)：
一是通過(guò)部署重大科技研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化專(zhuān)項(xiàng)課題，推動(dòng)操作系統(tǒng)、芯片、應(yīng)用算法等上、下游生態(tài)體系協(xié)同發(fā)展，進(jìn)行操作系統(tǒng)核心技術(shù)攻關(guān)。如行業(yè)共同研討，基于某個(gè)確定版本的Linux 內(nèi)核展開(kāi)技術(shù)攻關(guān)與產(chǎn)品應(yīng)用，形成完備的產(chǎn)業(yè)配套體系。
二是可由幾個(gè)核心企業(yè)組建戰(zhàn)略聯(lián)盟，共同打造具有中國(guó)特色的車(chē)用操作系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)快速應(yīng)用和迭代。國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)企業(yè)與硬件芯片公司共同推出軟硬一體的平臺(tái)化技術(shù)方案，再由多個(gè)整車(chē)制造商在該平臺(tái)上進(jìn)行充分驗(yàn)證，縮短國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)從研發(fā)階段到量產(chǎn)應(yīng)用的周期。
三是整車(chē)制造商與操作系統(tǒng)供應(yīng)商構(gòu)建新的合作模式，如在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)階段不收取或者只收取開(kāi)發(fā)授權(quán)費(fèi)用（類(lèi)似國(guó)外QNX 操作系統(tǒng)的收費(fèi)方式），在量產(chǎn)應(yīng)用階段，根據(jù)實(shí)際售出的車(chē)輛數(shù)量收取費(fèi)用。前期雙方共擔(dān)開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，在操作系統(tǒng)產(chǎn)品投向市場(chǎng)后兌現(xiàn)利潤(rùn)。
3.3.3 加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)實(shí)踐
加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)實(shí)踐是促進(jìn)國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)成熟度快速提升的關(guān)鍵，需要加快國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)量產(chǎn)裝車(chē)進(jìn)度，形成操作系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用路徑：
一是國(guó)家、地方提供國(guó)產(chǎn)車(chē)用操作系統(tǒng)量產(chǎn)補(bǔ)貼，補(bǔ)貼金額根據(jù)操作系統(tǒng)的類(lèi)別和每臺(tái)車(chē)上控制器的應(yīng)用數(shù)量計(jì)算，以提高整車(chē)廠應(yīng)用國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的積極性。
二是明確國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)量產(chǎn)應(yīng)用的實(shí)施路徑，采取“小步快跑”的策略進(jìn)行自主替代。當(dāng)前車(chē)用操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)明確，由分布式架構(gòu)過(guò)渡到集中式架構(gòu)，并逐漸融合統(tǒng)一?；诓僮飨到y(tǒng)復(fù)雜度高的客觀規(guī)律，可以在現(xiàn)有產(chǎn)品平臺(tái)上按模塊進(jìn)行功能擴(kuò)展和自主轉(zhuǎn)化，加速推進(jìn)國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)在量產(chǎn)車(chē)型上的應(yīng)用。
三是圍繞集成驗(yàn)證進(jìn)行自主操作系統(tǒng)的聯(lián)合設(shè)計(jì)，整車(chē)制造商與操作系統(tǒng)企業(yè)開(kāi)展深度戰(zhàn)略合作，共同研發(fā)面向未來(lái)中央集中式架構(gòu)的整車(chē)級(jí)操作系統(tǒng)，整車(chē)制造商專(zhuān)注于產(chǎn)品定義與架構(gòu)設(shè)計(jì)、核心算法及中間件研發(fā)和系統(tǒng)集成驗(yàn)證，操作系統(tǒng)企業(yè)完成系統(tǒng)層軟件開(kāi)發(fā)，雙方共同參與操作系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到量產(chǎn)應(yīng)用的全過(guò)程，共享產(chǎn)業(yè)協(xié)同成果，為國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)量產(chǎn)應(yīng)用和生態(tài)建設(shè)樹(shù)立行業(yè)新范式。
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