國產車用操作系統發展路徑

汪志鴻 于德營 馬天澤

摘要：新能源汽車正由傳統分布式架構向域集中式、中央計算架構演變，傳統分布式架構算法開發已不能滿足中央式架構的發展要求。因此，研發安全可靠、實時運行、并行計算、分布管理的車用操作系統，實現多個硬件之間的資源調度將成為未來新能源汽車軟件開發的發展趨勢。車用操作系統涉及到網絡安全和信息安全，是新能源汽車向智能化、網聯化發展的根基。為保持新能源汽車競爭優勢，推動汽車產業由大變強，發展自主車用操作系統已是當務之急，建議從頂層設計、技術創新、標準檢測、推廣應用等方面推進自主操作系統的發展。

關鍵詞：車用操作系統；發展路徑；建議

一、車用操作系統發展趨勢

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，大致包括進程與處理機管理、作業管理、存儲管理、設備管理、文件管理等五個方面的管理功能。隨著汽車不斷向智能化、網聯化方向發展，汽車電子電氣架構正由傳統分布式架構向域集中式、中央計算架構轉變，以滿足未來智能汽車產品的開發需求。在硬件層面，新能源汽車的硬件架構將越來越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，需相應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，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。

二、國外車用操作系統發展情況

(一）整車企業

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，并使用了安全增強型Linux(SE Linux)內核模塊，提高了信息安全性，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，并且具備強大的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。

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通訊標準、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十個檔位調節，增強駕駛體驗感和操控性。

(二）Tier1企業

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。Vector提供的產品以標準組件為主，定制組建為輔。與其他Tier1廠商相比，其產品是以源碼形式交付，相比于業界更流行的“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，功能安全等級達到ASIL-D級。

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是一款針對高級自動駕駛的中間件產品，適用于各種操作系統的進程間通信（IPC）的中間件（目前已支持Linux、Mac OS和QNX），可兼容ROS2和AUTOSAR AP的接口，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，并滿足不同開發階段的需求。

(三）互聯網企業

1.谷歌

谷歌主要研發智能座艙操作系統，其Android Automotive是一款基于Linux內核的智能座艙操作系統，因其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，被廣泛應用于車載信息娛樂系統中。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。Android Automotive架構如圖1所示。

圖1 谷歌Android Automotive架構

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，并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的驅動程序和操作系統服務。在這一模式下，QNX內核得以自動協調通信程序，開發者無需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。QNX架構如圖2所示。

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。

圖2 QNX架構

3.Linux開源基金會

Linux操作系統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。其核心在于網絡化的設計架構，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、設備管理和驅動和網絡通信等五部分組成，其中進程管理是最重要的子系統，主要提供對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。Linux架構如圖3所示。

圖3 Linux架構

(四）芯片企業

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。

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。

三、國內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（一級汽車供應商）廠商占據絕大部分市場，處于領先水平，國內雖然有東軟睿馳、經緯恒潤等廠商，但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、芯片企業均在各自研發，均為基于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，但由于國內廠商對于Linux內核的理解以及操作系統裝車量的不足，并且行業標準和規范缺失，處于各自為戰的狀態，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操作系統在座艙娛樂領域的生態較為完善，研發成本較低，使得Android為整車企業的首選智能座艙操作系統，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，但普及率較低。

四、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具有一定的領先優勢，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。政府和企業已經開始重視缺“芯”問題，并制定了有力的行動方案。但在車用操作系統領域，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快速發展，避免出現新的“卡脖子”問題，需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。

車用操作系統平臺是重構智能網聯汽車的產業鏈和技術鏈的基礎，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。汽車電子底層硬件不再是僅僅提供簡單的邏輯計算，而是需要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。2020年智能手機行業高端芯片禁售事件對我國相關產業產生了重大影響。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，使系統做出錯誤判斷，可能會引發車輛安全事故。而且，智能汽車在使用過程中將產生大量的數據，如果未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，從而導致國家安全隱患。

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。

五、國產車用操作系統的主要問題

(一）關鍵核心技術基礎薄弱

一是相較電腦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。在傳統燃油車時代，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，相關技術基礎薄弱。隨著新能源汽車進入智能化時代，產業模式發生變革，智能駕駛領域有英偉達、智能座艙領域有谷歌等Tier2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，導致整車企業對國產操作系統持續迭代發展的信心不足，裝車率較低。

二是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、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、程序庫等主要被國外公司壟斷。工具鏈基本采用ETAS、EB、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、普華等國內公司自主研發的工具鏈雖然也實際應用于整車企業，但基本是作為國外產品的配套軟件，發展仍處于初級階段，尚不具備獨立開發全套工具鏈的能力。

(二）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。在智能駕駛操作系統方面，我國目前尚沒有統一的標準，應用軟件的接口協議不規范，在一定程度上制約了自動駕駛的發展。在安全標準規范方面，特別是涉及到功能安全和信息安全的規范大都依賴國外，自主研發的標準比較匱乏，尚未建立符合我國國情的車用操作系統規范，同時也缺乏相關的評價標準和法律保障。

(三）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。

六、國產車用操作系統發展的路徑建議

(一）強化頂層政策設計

相關政府主管部門組織第三方智庫及行業機構開展車用操作系統行業研究，提出和制定車用操作系統發展路線圖，從開發、檢測、應用等方面，加強政策引導，探索出臺國產車用操作系統推廣應用政策，通過稅收優惠、保險補貼、獎勵等支持方式，更好的發揮政府作用，推動國產車用操作系統裝車應用。通過重大技術攻關等項目形式，給予資金支持，推動國內相關研究開發主體技術創新。各級國資委推動國有汽車企業將國產車用操作系統協同開發應用作為打造原創技術策源地和現代產業鏈鏈長的重要要求，開展考核和評價，實行研發人員工資單列等政策。加強產業投資引導，鼓勵國家基金和社會資本重點投向車用操作系統等智能化關鍵技術研發領域。建立多部門信息互通共享聯動機制，加強對所支持企業和項目的監督考核力度，確保各項政策舉措落地落實。

(二）促進車用操作系統技術研發和創新

一是鼓勵芯片企業、軟件企業、整車企業等相關市場主體、科研院所協同合作，整合全球創新資源，基于行業內已形成的標準或優秀案例，集中資源繼續做更深、更高層次的技術創新，共同推進車用操作系統參考架構等研制工作，構建車用操作系統基礎資源共享環境。

二是加強車用操作系統內核開發等關鍵技術攻關，提高自主研發能力，提高產品國際競爭力，為產品的持續迭代提供技術保障。提高車用操作系統的架構通用性和平臺可延展性，面向未來預留拓展和跨界融合空間。提高操作系統的通用性，統一規范和標準，實現不同系統兼容與替換。

三是強化信息安全技術開發，加強對國產車用操作系統安全可控關鍵技術的研發和創新，按照車用操作系統自下而上架構，從內核、中間件、通用算法庫等層面制定系統安全策略，防止非法訪問、篡改、破壞，保證車輛運行功能安全。充分利用好第三方檢測、認證機構資源，建立操作系統補丁情況更新、漏洞信息通報、安全漏洞分析，以及安全應急處置等技術協調及通報處理機制。

(三）加強車用操作系統應用推廣

一是加快自主車用操作系統應用推廣，制定推進計劃，明確國產替代目標，完善應用替代推進政策及政府采購政策，黨政機關要率先采購采用國產操作系統的公務用車。鼓勵智能網聯汽車測試過程中搭載自主車用操作系統，鼓勵測試企業采用搭載國內操作系統的智能網聯汽車開展測試工作。

二是以智能駕駛、智能座艙、安全車控技術發展趨勢為牽引，產業化應用為目標，促成車用操作系統在中國量產車型的集成和推廣，依靠實車整體集成和測試加快產品迭代優化。

三是推動商業模式創新，鼓勵企業在遵守開源軟件許可證協議的基礎上開展商業運營模式創新，可考慮采取“產品免費、應用服務收費”等商業模式，加快國產車用操作系統推廣以占領市場，吸引更多應用開發者豐富應用生態。

四是圍繞“操作系統+應用軟件與數字內容服務+智能網聯汽車”的產業生態系統，逐步構建合作共贏的應用推廣體系，由整車企業、零部件企業、系統軟件開發商、網絡運營服務商，以及數字內容分發商、應用軟件開發商和內容服務提供商等廣泛參與，構建良性的生態環境。

(四）加快建立行業標準和測試認證

一是組織整車企業、軟件公司、行業機構等單位，加快自主車用操作系統接口、功能、安全和通訊等標準規范制定，建立自動駕駛核心算法開發規范標準，制定軟件故障診斷、安全管理等服務標準，與云控、電子電氣等新一代架構技術協同，以安全可控和開放兼容為總體要求，共同推動建立我國的智能汽車軟硬件標準和規范。

二是建立完善車用操作系統檢測認證體系，支持構建國家操作系統測試認證服務平臺，開展車用操作系統檢測認證業務，在系統關鍵性能、遠程升級、功能安全、信息安全等方面，按照合規性、安全性、可靠性、穩定性等多個維度設置不同等級，引導行業不斷調優操作系統性能、提高信息安全。

三是支持行業領軍企業、行業機構、科研院所深度參與AUTOSAR等國際組織的活動和標準制定，借鑒吸收國際上成熟或有影響力的汽車電子電氣基礎軟件架構，在國際相關標準兼容的基礎上，制定出符合中國智能網聯汽車發展特點和趨勢的操作系統標準和規范。

(五）加強高層次緊缺軟件技術人才培養和引進

充分發揮高校在人才培養、科學研究、學科專業建設等方面的優勢，持續加大車用操作系統領域相關專業設置，探索推行將汽車工程與信息通信、計算機軟件等學科融合教學。深入實施產學合作協同育人項目，支持引導校企共建車用操作系統實驗室，以產業和技術發展的最新需求推動應用型人才培養。鼓勵自主車用操作系統進高校，通過廣泛使用、問題反饋和加速迭代，增強人才對自主車用操作系統的認知度和使用黏性。

(六）支持產業創新聯盟組織跨學科跨領域協同攻關

從政策和資金層面支持科技社團組建或者已經成立的產業聯盟，由其牽頭組織汽車整車、零部件、電子、通信、智能控制等跨學科跨領域力量協同攻關，在研發、制造、芯片、軟件、應用、標準、規范等方面形成完整的產業生態。特別是，為國產汽車芯片和操作系統優先提供示范應用場景。

(七）鼓勵資本助力車用操作系統產業發展

社會資本融入智能汽車實體產業是近年來呈現的新業態，大量資本看好自動駕駛產業前景，并對此產業充滿信心。通過政策扶持，發揮政府作用，引導和鼓勵金融資本力量助力自動駕駛產業，積極積極構建良性產業生態，發揮市場在資源配置中的決定性作用，推動車用操作系統等基礎軟件發展，實現政策和市場引導雙輪驅動。

課題組成員：汪志鴻 于德營 馬天澤

陳炳全 李宗陽 李紅燕

參考文獻

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