隨著智能座艙領域以及駕駛輔助功能的不斷升級，必然伴隨傳感器數量的提高、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、中間件、應用算法軟件、數據是實現智能座艙的關鍵因素。對汽車的架構及座艙的實現方式進行梳理，同時結合一汽紅旗H9、E-HS9 車型的實踐，對汽車座艙操作系統的現狀和趨勢進行分析，探討在新一輪科技和產業(yè)發(fā)展中的應對戰(zhàn)略。

1 前言

當前隨著硬件、軟件技術的不斷創(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，整體表現為更加安全、智能和舒適。主要體現為以下3方面：

（1）人機交互能力由功能性感知逐步向認知、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場景個性化設定和自由組合。

在技術層面，隨著新一代E/E 架構的發(fā)展，座艙域正在進行深度的融合，整合部分ADAS 功能和V2X 系統，例如在集成儀表中控、后排娛樂、HUD 這些基礎功能上進一步融合環(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，芯片的迭代速度越來越快，汽車產品的發(fā)布周期縮短，部分軟件平臺實現了標準化、可擴展、開放式的一體化基礎軟件平臺，以實現軟硬件解耦，達到軟件功能快速迭代、實現場景服務和變更開發(fā)的快速升級迭代，從而實現個性化和差異化的座艙產品體驗。

這些技術變化對底層軟件及操作系統提出了越來越高的要求。

本文通過對智能網聯時代汽車座艙操作系統發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)進行闡述和分析，進而提出對座艙操作系統發(fā)展的對策以迎接操作系統發(fā)展的大趨勢。

2 智能座艙操作系統的演變及分類

操作系統(Operating System, OS)指控制和管理計算設備的硬件和軟件資源的計算機程序，操作系統需要管理和配置內存，決定系統資源分配的優(yōu)先次序， 同時控制輸入、輸出設備的基本功能，且操作系統需要提供一個讓用戶與系統交互的操作界面，需要合理地調動計算資源、組織計算機工作，以提供給用戶和其它應用統一的接口和統一環(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、以及車載設備發(fā)展到一定程度后，均需要制定專門的操作系統，例如電腦對應的微軟Windows 系統， 智能手機、平板對應的Android 系統和iOS 系統。智能座艙的OS 是從傳統嵌入式汽車電子的基礎軟件不斷演變而來的，而傳統汽車電子可以分為2大類：

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

（2）車載信息娛樂設備：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，但是此類設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決定作用。

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

狹義上的OS 即為操作系統的內核（Kernel）。內核提供給OS 最基本的功能，內核主要負責管理系統的進程、內存、設備驅動程序和文件管理及網絡系統， 內核的性能決定了系統的性能和穩(wěn)定性。

廣義的 OS 按照對底層操作系統改造程度的不同，主要可以分為以下4 種：

（1）基礎型的汽車OS：是汽車底層的操作系統，包括系統內核、底層驅動層，一些OS 還包括虛擬機， 如 QNX、Linux、WinCE、ALIOS 等。

（2）定制型的汽車OS：在基礎型的OS 之上進行深度定制化的開發(fā)，定制內容包括內核定制、硬件驅動修改、運行時環(huán)境變更、應用程序框架適配。

（3）ROM 型汽車OS：基于Linux、Android、ONX 等基礎型操作系統的基礎上進行定制化開發(fā)，但是并不涉及系統內核的更改，一般只修改基礎型操作系統自帶的應用程序。

（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，如CarPlay、An? droid Auto、CarLife、Hicar、FAW-VW-LINK 等。智能座艙操作系統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 座艙域操作系統的構成

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

（1）硬件平臺：硬件架構包括AI 單元和驅動層，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（圖2）。

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

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

圖2 H3 平臺架構

②系統內核（Kernel）：內核是操作系統最基本的組成部分，主要用于管理系統的內存、進程、設備的驅動程序、文件管理和網絡系統，系統內核決定著操作系統的性能和穩(wěn)定性。

③中間層：即應用程序服務器層，是處在應用和操作系統之間的軟件，可提供標準的接口和協議，提升程序的可移植性，如自適應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、網聯功能、云控平臺、多模交互，功能軟件結合系統軟件，共同構成完整的智能座艙操作系統，支撐座艙智能化技術實現。

（4）應用算法軟件：為實現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

4 智能座艙操作系統的技術趨勢

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）大力擴充內部軟件研發(fā)團隊，降低外部軟件供應成本，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）授權及流量收益等）的盈利模式轉變，因此多數OEM 都試圖掌握未來智能汽車底層軟件和硬件的控制權，同時掌握上層生態(tài)環(huán)境，在此階段多數OEM 傾向于采用中立、免費的操作系統，同時開展多方面的合作，利用豐富的開源軟件資源，實現開發(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雜，多任務執(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構變得復雜，導致程序可讀性變差，維護起來較難。隨著娛樂主機內應用和接口數量的增多，座艙軟件使用了更為復雜操作系統。其中Linux 和QNX 只集成了學術定義上的操作系統和通訊協議棧；而Ubuntu 則在 Linux 的基礎上增加了中間件及桌面環(huán)境；An? droid 系統則在Linux 的基礎上集成了中間件及桌面環(huán)境和大量的應用軟件?，F階段娛樂主機的主流操作系統主要為QNX、Linux 和Android。

4.1.1 QNX：非開源且安全實時

QNX 系統是一款微內核、非開源、嵌入式、安全實時的操作系統。其內核內存不大于30 kB，QNX 系統的驅動程序、協議棧、文件系統、應用程序都是運行在內核之外、并受內存保護的空間內，這樣就可實現組件間的相互獨立，即避免了因為程序指針錯誤造成的內核故障。QNX 系統內核小，運行速度快，是一種獨特的微內核架構，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 安全認證的實時操作系統。因此 QNX 系統通常用于對安全穩(wěn)定性要求較高的儀表總成中。

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

4.1.2 Linux：功能強大并開源

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

4.1.3 Android：Linux 的發(fā)行版本

Android 是 Linux 的發(fā)行版本，其系統更加復雜， 功能更加強大[6]。Android 是由 Google 公司和開放手機聯盟在 Linux 的基礎上開發(fā)的操作系統。Android 一度被稱為基于 Linux 開發(fā)的、最成功的產品之一， 應用生態(tài)開發(fā)最為豐富，其主要應用于移動互聯設備，因此，在國內車載娛樂系統常基于 Android 開發(fā)。Android 系統具有開源、靈活、可以移植性強的優(yōu)點。

但Android 系統安全穩(wěn)定性較差，系統漏洞可能給系統帶來較高的風險，技術維護成本相對較高，且過度依賴于Google。

Android 系統憑借國內豐富的應用生態(tài)切入汽車信息娛樂系統。雖然 Android 系統的安全穩(wěn)定性欠佳，但由于車載娛樂系統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)點在國內車載娛樂系統領域占據主流地位。

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， 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，虛擬操作系統可以訪問（獨占或共享）底層硬件資源，包括 CPU、內存和外圍設備。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 還提供硬件設備共享功能，多個虛擬機可共享使用網絡、存儲和GPU 外部設備。近年來，Hypervisor 越來越多地應用在數據中心、復雜嵌入式系統領域，用于提高硬件系統的利用率、軟件安全性。Hypervisor 是實現跨平臺應用、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）應用程序的虛擬化：比如JAVA VM，其本質是對二進制的轉換；

（2）操作系統的虛擬化：比如容器/Docker 技術， 其本質利用對特定進程可用的算力、存儲、IO 資源的管理，幾乎沒有額外系統負擔，操作系統的虛擬化在云服務中使用較多；

（3）硬件虛擬化：比如直接在硬件基礎上運行的Xen、Opensynergy、QNX、ACRN 等，在完整的 OS 上運行的KVM，對算力及IO 的影響小，額外負擔成本少。實現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、多模交互融合方面。其中語音涉及單模語音交互技術，降噪、回聲消除、語音識別，視覺涉及基于圖像信息、ToF 傳感器算法的技術實現人臉識別、手勢識別以實現駕駛員、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，而視覺基礎技術是多模技術的基礎，隨著攝像頭數量的增加、分辨率的提升，視覺基礎技術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)學習，從監(jiān)督學習走向自主學習。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。

與此同時，為實現人機共駕，對算法延遲的要求越來越高，快速、穩(wěn)定、準確、對網絡的低依賴是智能座艙未來的基本要求?；诖艘笙聞荼卦黾觽鞲衅鲾盗考澳芰Γ鐢z像頭個數、分辨率、運行幀率、麥克風數量、AEC 通道數量等，每一個因素都將對算法及上層應用產生影響，導致對算力的要求越來越高。

5 一汽集團的實踐

2020 年量產的紅旗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和車載信息娛樂系統領域，Renesas 提供穩(wěn)定的 BSP 支持。

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一汽和業(yè)界領先的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：基于 Linux 系統的信息系統（儀表）是與安全相關顯示組件以及基于Android 系統的車載信息娛樂系統（IVI）。COQOS Hypervisor 與 Android 系統和 Linux 系統共享 R-Car H3 GPU 的處理能力，將應用呈現在多個顯示屏上，進而實現強大且靈活的智能座艙系統。

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圖4 COQOS Hypervisor 軟件架構

6 智能座艙系統發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

6.1 系統性能

快節(jié)奏的現代生活，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評價打分的關鍵要點。系統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 系統安全

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

6.3 系統穩(wěn)定

智能座艙系統的功能豐富多樣、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，系統越來越復雜，軟件問題也層出不窮。需要有效、快速地解決軟件問題，確保系統穩(wěn)定。

6.4 知識產權

現代社會對知識產權的保護非常重視。避免被競爭對手借助專利設卡，重視知識產權并通過知識產權保護自研技術是一項很重要的內容。

6.5 個性化需求

用戶群體復雜，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。智能座艙操作系統需要注重考慮如何滿足個性化需求。

7 汽車智能座艙系統發(fā)展中的對策

7.1 軟件平臺化

采用低耦合設計方案，讓軟件平臺化。系統軟件可以方便、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琢，既降低了研發(fā)成本，也提升了軟件質量。同時，低耦合設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，采用易擴展維護的功能設計，借助專業(yè)代碼質量檢測工具(如SonarCube、LeakCanery 等)進行代碼質量檢測。以規(guī)范化手段確保軟件質量，保證系統穩(wěn)定性。

7.3 保持快速迭代

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

7.4 保持技術創(chuàng)新和導入

保持對新技術的關注，不斷創(chuàng)新，在5G 和AI 時代持續(xù)進行產品導入，取得先機。

8 結束語

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

面向服務的架構(Service Oriented Architecture， SOA)作為一種面向服務的架構的組件模型。未來隨著 SOA 的廣泛應用，SOA 可將不同的應用服務進行解耦，并通過預先定義好的接口進行調用，使得構建在不同的系統中的服務可以以一種統一和通用的方式進行交互，進而推進實現軟件定義汽車。