我国智能网联汽车操作系统研究

潘妍，张也，周瑞坤，苏仟

国家工业信息安全发展研究中心，北京 100040

0 引言

汽车电子电气架构正在从分散控制向集中“域控制”转换。传统汽车采用的分布式架构异常复杂，车辆各功能受不同电子控制单元（ECU）控制，整车ECU数量动辄上百，而新一代集中式架构主要通过车身控制域、智能驾驶域和智能座舱域三大域控制器和以太网提供未来汽车所需的计算能力和通信能力，极大简化了开发模式，促进了计算资源优化集中，更能适应智能网联时代汽车系统高算力、强通讯、宽拓展的实际需求。随着电子电气架构的不断革新，汽车硬件体系将逐渐趋于一致，软件和算法成为未来竞争的核心要素，必将重塑汽车价值链和产业模式。作为软件定义汽车的核心基础，智能网联汽车操作系统既是我国汽车产业赶超世界先进水平的重要赛道，也是抢占万物互联时代基础软件发展先机的关键突破口，已成为汽车产业链上企业的必争之地，国内外车企、集成供应商、互联网科技巨头纷纷下场布局，试图抢占制高点。

1 智能网联汽车操作系统分类介绍

智能网联汽车操作系统是运行于车内的系统程序集合，以实现管理硬件资源、隐藏内部逻辑为目标，并提供软件平台、用户程序与系统交互接口、支撑上层应用基础服务等功能。

根据使用场景，智能网联汽车操作系统可以分为经典车控操作系统、智能驾驶操作系统和智能座舱操作系统[1]，分别适用于车身控制域、智能驾驶域和智能座舱域三大域控制器。其中，经典车控操作系统、智能驾驶操作系统均属于车控操作系统（图1）。

图1 智能网联汽车操作系统分类

智能座舱操作系统，又通称为车载操作系统，主要面向座舱的信息娱乐服务和人机交互控制，应用于车机中控平台，重点关注应用生态、智能化、互联互通等需求，对于实时性、可靠性要求不高。该类操作系统发展迅速，目前业界产品包括QNX、AGL、Android、GeniVI、AliOS、WinCE等，系统之上的应用生态也趋向繁荣。

经典车控操作系统主要用于传统的车辆控制领域，如动力系统、底盘和车身系统。该类操作系统对实时性、可靠性、安全性以及标准化要求极高，产业链主要由整车厂和Tier 1集成供应商主导，生态发展趋于稳定成熟。

智能驾驶操作系统是指应用于智能驾驶域控制器的操作系统，除对实时性、安全性、可靠性要求较高之外，还需满足自动驾驶场景下的高算力、高带宽等性能要求。目前，智能驾驶操作系统在全世界范围内处于发展初期，技术路线和市场格局尚未明晰，生态建设仍待探索。

1.1 经典车控操作系统

随着电子控制的计算平台和互联网云端的连接，经典车控操作系统功能也得到了极大拓展，呈现向智能化演进的趋势。在外部环境日益复杂的情况下，国产车控操作系统厂商、Tier 1供应商有望利用国内存量汽车替换机遇，在未来几年加速追赶，推进产品落地。主要厂商介绍见表1[2]。

表1 经典车控操作系统主要厂商

1.2 智能座舱操作系统

智能座舱操作系统产业链上下游主要包括前装零部件（如数字仪表盘、域控制器等）、信息娱乐系统、算法等。一方面，数字仪表盘、域控制器等前装零部件和车机信息娱乐系统市场均由Tier 1供应商主导，具体包括海外的伟世通、大陆、博世、电装、日本精机等，以及国内的德赛西威、航盛电子、均胜电子、东软集团等；另一方面，智能座舱算法供应商围绕各专业领域的布局相对分散，科大讯飞、思必驰、出门问问、云知声等国内供应商聚焦语音交互，地平线、中汽创智、中科创达、诚迈科技等深耕芯片和车机系统。同时，具备算法能力的厂商往往在智能座舱算法的供给上具备一定优势；此外，以阿里巴巴、谷歌、百度、华为等为代表的科技巨头凭借在软件和大数据领域的资源积累全面“进军”智能座舱操作系统生态。

智能座舱操作系统按照对底层操作系统的改造程度，主要分为3类。

（1）基础型，需打造全新底层操作系统和所有系统组件，包括系统内核、底层驱动等，研发成本极高，如QNX、Linux、WinCE等操作系统。

（2）定制型，即在基础型操作系统之上，根据应用目的进行定制化开发，如修改系统内核、硬件驱动、运行环境、应用程序框架等，有代表性的包括大众VW.OS、特斯拉Version，国内的华为鸿蒙HOS、阿里系斑马智行AliOS等。

（3）ROM型，基于Linux或安卓等基础型操作系统进行有限的定制开发，不涉及系统内核更改，一般只修改更新系统自带的应用程序等，大多数车企均采用此种形式定制开发其专属操作系统[3]。

1.3 智能驾驶操作系统

全球智能驾驶操作系统仍处于起步阶段，欧洲AUTOSAR组织针对车控操作系统，发布了Classic和Adaptive两个平台，分别对应传统控制类和自动驾驶的高性能类。其中，Classic平台已广泛应用于发动机控制器、电机控制器、整车控制器、BMS控制器等传统嵌入式ECU中。而Adaptive AUTOSAR平台不是对Classic平台的升级替代，而是面向未来自动驾驶、车联网等复杂场景而提出的一种新型汽车电子系统软件架构标准。Adaptive AUTOSAR从2016年开始制定，采用了基于POSIX标准的操作系统和API接口技术规范，将更多地应用在高级驾驶辅助系统（ADAS）等自动驾驶领域，能够满足高计算能力、高带宽通信、分布式部署等复杂场景需求。

2 智能网联汽车操作系统发展趋势

2.1 操作系统正由软硬一体化向解耦发展

以智能网联、自动驾驶为核心的出行服务模式形成后，将促使汽车产业从“软硬件集成开发”向“软件/硬件解耦单独开发”转变，整车电子电气架构将由分布式架构向集中式架构转变。各领域的核心技术越来越依赖于软件支撑，软件需求和性能直接影响硬件的架构和特性，分布式ECU的总线架构逐步进化为中央计算、中央通讯的架构形态，促使车内控制系统趋于形成统一的架构标准和通用的硬件平台，各类控制功能逐渐演变为统一平台下的各类应用。

通过基础软件帮助汽车软硬件解耦分层，有效减少硬件需求量，增强软件通用性，从而实现软件架构的软实时、在线升级、操作系统可移植，有利于采集数据实现多功能的应用，真正实现“软件定义汽车”。车企也可以利用应用软件在平台化体系下的规模化复用，提升汽车的研发效率，降低研发成本[4]。

2.2 操作系统产品技术路线与生产企业逐渐收敛

汽车电子电气架构从传统分布式架构正在朝向域架构、中央计算架构发展，技术呈现计算集中化、软硬件解耦化、平台标准化以及功能开发生态化趋势。现阶段多个操作系统尚处于并行发展阶段，未来随着汽车电子电气架构的不断演化，不同类型的操作系统将逐渐实现整合，第一阶段核心是将安全车控操作系统整合到智能驾驶操作系统形成自动驾驶操作系统，第二阶段将进一步整合自动驾驶操作系统和智能座舱操作系统形成车内统一智能网联汽车操作系统，第三阶段将延展到车外形成云端孪生式操作系统。未来的智能网联汽车操作系统将不仅包含安全车控操作系统、智能驾驶操作系统和智能座舱操作系统，还可能延展到云端形成孪生操作系统。

3 我国面临的瓶颈与问题

在外部环境日益复杂的情况下，保障我国智能网联汽车产业链、供应链安全稳定面临较大挑战。

3.1 行业竞争格局较为分散，国产系统难以推广

一方面，行业竞争格局较为分散，难以形成研发合力。智能网联汽车操作系统市场潜力巨大，已吸引包括华为、普华、百度、阿里和腾讯在内的众多竞争者进入智能网联汽车操作系统领域，从而导致我国智能网联汽车操作系统市场参与者多、竞争格局分散、研发能力较低，难以形成行业合力。另一方面，国产智能网联汽车操作系统推广难度大。汽车安全与人民群众的生命财产安全息息相关，智能网联汽车操作系统的可靠性和安全性尤为重要，但国产智能网联汽车操作系统“上车”较晚，安全性可靠性验证不足，因此车企往往愿意使用经过市场检验的操作系统产品，不愿意为尝试国产智能网联汽车操作系统而承担相应风险，致使国产智能网联汽车操作系统难以推广。

3.2 关键核心技术受制于人，存在“卡脖子”风险

（1）操作系统内核开发难度较大，内核技术基本被国外科技巨头企业掌握，车企大多使用开源Android、Linux系统进行二次开发，存在“断供”风险。（2）缺少操作系统一体化架构设计，高度依赖供应商软件产品，然而各家供应商标准接口和协议各不相同，因此存在安全性和稳定性风险。（3）缺少一体化开发设计平台，在自动驾驶操作系统领域，大多使用国外Autosar Classic和Adaptive平台，我国自主研发设计基础薄弱，与国外仍有较大差距[5-8]。

3.3 标准等顶层设计不完善，缺少统筹考量规划

国内智能网联汽车操作系统相关标准和技术法规进展缓慢。一是经典车控操作系统方面，不同车型的底层电子电气架构、零部件标准接口不统一，大大提高了相关软件产品研发、适配和应用推广的门槛。二是智能驾驶操作系统方面，我国尚无统一的标准，应用软件的接口协议不规范等问题突出，在一定程度上制约了我国智能驾驶操作系统的发展。三是智能座舱操作系统方面，国际上还未发布相关标准，个性化开发规范不统一，存在信息安全风险。四是操作系统测试评价方面，我国缺乏统一的评价标准体系和可操作的测试指南，各机构测试能力水平参差不齐，技术人员配备、仿真平台搭建等方面存在较大差异，测试服务能力高低不一。

3.4 产业生态发展基础薄弱，上下游步调不统一

（1）产业链发展基础薄弱。国外Linux、Android、WinCE三大底层操作系统占据了88%的市场，而我国产业链前端进展缓慢，难以有效满足国内汽车产业对自主操作系统的技术和性能要求。（2）产业链上下游发展步调不统一。产业链上游操作系统开发厂商研发进度未能与下游整车企业研发周期相同步，存在各自为战现象，在一定程度上限制了智能网联汽车操作系统的发展[9-10]。（3）我国专业人才储备不足，智能网联汽车操作系统在我国起步晚、基础弱，对于专业人才的能力水平要求高，但同时具备汽车专业背景，了解汽车架构及软件架构的复合型人才较为稀缺。

4 结论

结合产业发展实际和经验，建议从以下几个方面综合施策，加快能力提升，促进展业发展。

4.1 明确行业发展路径

在发展靠前的智能座舱域，加速智能座舱操作系统的路径收敛和垂直整合，集约资源打造拥有国产自主知识产权的主流产品，为相关产品提供政策支持，积极引导车企使用，减少产业链上下游与操作系统适配过程中的资源浪费。在格局未定的智能驾驶域，充分发挥市场力量，鼓励和引导国内企业对标Mobileye、英伟达、特斯拉等头部企业，加大产品研发力度，提升技术先进性，以自主芯片创新应用为引领，加快推进软硬件一体化计算平台研发。在存量替代的车身控制域，在保持与主流国际汽车软件标准的兼容性要求的基础上，突破新型电子电气架构下的实时操作系统内核等关键技术，打造拳头产品，借助国产存量替代的机遇，减轻对外底层依赖和供应链上游市场风险的影响。

4.2 加强关键技术研究

（1）聚焦智能网联汽车操作系统关键核心技术，通过国家重大项目，支持相关技术研究、促进产业发展和商业化运作。（2）支持企业开展协同创新，整合产业链优势资源，攻关智能网联汽车计算基础平台等关键共性技术，建立面向未来出行的融合创新平台。（3）依托相关高校和科研院所成立重点实验室和专业技术创新中心，加快成果转化和产学研用一体化运作，推进具有国际竞争力的智能网联操作系统技术、产品及服务创新。

4.3 发挥标准引领作用

（1）针对我国汽车基础软件行业标准规范缺失的问题，从国家层面构建统一、规范的发展规划和标准推进机制；（2）借鉴AUTOSAR等国际标准化实践经验，加快制定符合我国智能网联汽车发展特点和趋势的操作系统行业标准规范，构建合理、完善、先进的标准体系和测试评价体系；（3）着力解决企业在跨平台、跨系统集成应用方面面临的复杂兼容性问题，支撑智能网联汽车操作系统实现多端部署、跨域连接、信息融合和大规模应用。

4.4 完善产业发展机制

智能网联汽车操作系统涉及的产业链庞大复杂，关联众多重点领域协同创新，需加强部门间协同配合，着力解决网络基础设施建设、软硬件架构升级、自动驾驶应用、数据共享利用等关键问题。充分尊重技术发展规律和产业融合特点，鼓励多主体参与和多路线发展，做好主机厂、供应商等供需双方的对接，合理布局全栈软硬件生态，补齐短板，锻造长板，实现战略引领。