車(chē)載操作系統(tǒng)之軟件定義汽車(chē)

01

為什么是軟件定義汽車(chē)？

從商業(yè)的角度，一個(gè)產(chǎn)品歸根結(jié)底是一系列功能的集合，來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)的各種需求，而用戶(hù)最終也是為產(chǎn)品功能買(mǎi)單。當(dāng)產(chǎn)品功能不能滿(mǎn)足用戶(hù)需求，企業(yè)就要被迫轉(zhuǎn)型。這是基本的邏輯。

現(xiàn)在整車(chē)廠(chǎng)邁開(kāi)步子做轉(zhuǎn)型，主要是因?yàn)檐?chē)輛目前的功能以及 未來(lái)的產(chǎn)品差異化已經(jīng)需要由車(chē)載軟件實(shí)現(xiàn) 。如果在這個(gè)歷史的岔路口整車(chē)廠(chǎng)還不努力補(bǔ)足自己的軟件能力，一旦放任競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手做出差異化，自己的產(chǎn)品就會(huì)毫無(wú)還手之力；如果真的在產(chǎn)品技術(shù)上被甩開(kāi)代際差異，那就真只能賣(mài)賣(mài)品牌歷史吃老本了。

因此，車(chē)載軟件現(xiàn)在就承擔(dān)了汽車(chē)產(chǎn)品差異化的重任 ，尤其是未來(lái)的車(chē)載操作系統(tǒng) 。參照手機(jī)、電腦的發(fā)展，操作系統(tǒng)可能會(huì)極大地提升汽車(chē)行業(yè)的產(chǎn)業(yè)集中度。眾所周知，作為實(shí)體經(jīng)濟(jì)，汽車(chē)行業(yè)的品牌集中度相比于互聯(lián)網(wǎng)實(shí)際上并不高，因此，“提高市場(chǎng)集中度”就意味著必然有玩家會(huì)被淘汰出局。由于這是一個(gè)新的領(lǐng)域，一切還未成定數(shù)，根據(jù)操作系統(tǒng)在手機(jī)和電腦領(lǐng)域展現(xiàn)出的指數(shù)分布法則，要么是一統(tǒng)江湖，要么是被一統(tǒng)江湖，任何有雄心的一線(xiàn)品牌必然要爭(zhēng)奪領(lǐng)導(dǎo)地位；對(duì)于二線(xiàn)品牌，這時(shí)更是生死存亡之際，必須爭(zhēng)著讓別人墊底。這種行業(yè)大勢(shì)造成了品牌們必須打出“軟件定義汽車(chē)”的口號(hào)。

02

車(chē)載OS：承上啟下，引領(lǐng)智能汽車(chē)發(fā)展

操作系統(tǒng)（Operating System，OS）是指控制和管理整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)的硬件和軟件資源，并合理地組織調(diào)度計(jì)算機(jī)的工作和資源，以提供給用戶(hù)和其他軟件方便的接口和環(huán)境的程序集合。智能設(shè)備發(fā)展到一定程度后一般都需要配備專(zhuān)門(mén)的OS，而每一款成功的OS產(chǎn)品，都能讓人聯(lián)想到一家偉大的公司。比如 Windows，成就了微軟在PC時(shí)代的霸主地位，Android和iOS，則分別使Google和蘋(píng)果在智能手機(jī)時(shí)代大放異彩 。在軟件定義汽車(chē)的大趨勢(shì)下，車(chē)載OS是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)汽車(chē)向智能汽車(chē)升級(jí)的關(guān)鍵。

車(chē)載OS是由傳統(tǒng)汽車(chē)電子基礎(chǔ)軟件不斷演變而來(lái)，傳統(tǒng)汽車(chē)電子產(chǎn)品可分為兩類(lèi)：

1. 汽車(chē)電子控制裝置 ：通過(guò)直接向執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如電子閥門(mén)、繼電器開(kāi)關(guān)、執(zhí)行馬達(dá)等）發(fā)送指令，以控制車(chē)輛關(guān)鍵部件（如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、動(dòng)力電池等）的協(xié)同工作，一般統(tǒng)稱(chēng)為ECU（Electronic Control Unit，電子控制單元）。常見(jiàn)的ECU包括發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)EMS（Engine Management System）、自動(dòng)變速箱控制單元TCU（Telematics Control Unit）、車(chē)身電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP（Electronic Stability Program）、電池管理系統(tǒng)BMS（Battery Management System）等。 該類(lèi)系統(tǒng)涉及安全、行駛性能 。
2. 車(chē)載電子設(shè)備 ：在汽車(chē)環(huán)境下能夠獨(dú)立使用的電子裝置，和汽車(chē)本身的性能并無(wú)直接關(guān)系，常見(jiàn)的包括行車(chē)電腦、導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車(chē)音響、電視娛樂(lè)系統(tǒng)、車(chē)載通信系統(tǒng)、上網(wǎng)設(shè)備等。這類(lèi)系統(tǒng)常與用戶(hù)體驗(yàn)相關(guān)，不直接參與汽車(chē)行駛的控制決策，對(duì)車(chē)輛行駛性能和安全影響較小。

基于此，車(chē)載操作系統(tǒng)一般分為車(chē)控操作系統(tǒng)和智能座艙操作系統(tǒng)兩類(lèi)：

1. 車(chē)控操作系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)車(chē)輛底盤(pán)控制、動(dòng)力系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛；
2. 智能座艙操作系統(tǒng)主要為車(chē)載信息娛樂(lè)服務(wù)以及車(chē)內(nèi)人機(jī)交互提供控制平臺(tái)，是汽車(chē)實(shí)現(xiàn)座艙智能化與多源信息融合的運(yùn)行環(huán)境。

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車(chē)載OS在車(chē)載智能計(jì)算平臺(tái)中的位置

車(chē)載智能計(jì)算平臺(tái)自下而上可大致劃分為硬件平臺(tái)、系統(tǒng)軟件（硬件抽象層+OS內(nèi)核+中間件）、功能軟件（庫(kù)組件+中間件）和應(yīng)用算法軟件等四個(gè)部分。

• 硬件平臺(tái) ：基于異構(gòu)分布式硬件架構(gòu)，包括AI單元、計(jì)算控制單元，應(yīng)支持芯片選型靈活、可配置擴(kuò)展，算力可疊加等優(yōu)點(diǎn)。
• 系統(tǒng)軟件 ：針對(duì)汽車(chē)場(chǎng)景定制的復(fù)雜大規(guī)模嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，主要包含三層：
• 硬件抽象層 ：包括BSP（Board Support Package，板卡支持包）、Hypervisor（硬件虛擬化技術(shù)，提供虛擬平臺(tái)支持多操作系統(tǒng)）等。BSP包括了Bootloader（以基礎(chǔ)支持代碼來(lái)加載操作系統(tǒng)的引導(dǎo)程序）、HAL（Hardware Abstract Layer，硬件抽象層）代碼、驅(qū)動(dòng)程序、配置文檔等，是內(nèi)核與硬件之間的接口層，目的是為操作系統(tǒng)提供虛擬硬件平臺(tái)，使其具有硬件無(wú)關(guān)性，可以在多平臺(tái)上移植。
• 操作系統(tǒng)內(nèi)核（Kernel） ：即狹義操作系統(tǒng)，如OSEKOS、VxWorks、RT-Linux等。內(nèi)核提供操作系統(tǒng)最基本的功能，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的進(jìn)程、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、文件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。
• 中間件 ：處于應(yīng)用和操作系統(tǒng)之間的軟件，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下軟件互聯(lián)和互操作等共性問(wèn)題，提供標(biāo)準(zhǔn)接口、協(xié)議，具有較高的移植性，如POSIX/ARA（自適應(yīng)AUTOSAR運(yùn)行時(shí)環(huán)境，即中間件API接口）和DDS（Data Distribution Service，分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)）等。
• 功能軟件 ：包含自動(dòng)駕駛的核心共性功能模塊，如相關(guān)算法的編程框架（如TensorFlow、Caffe、PaddlePaddle等）。核心共性功能模塊包括自動(dòng)駕駛通用框架、網(wǎng)聯(lián)、云控等，結(jié)合系統(tǒng)軟件，共同構(gòu)成完整的自動(dòng)駕駛操作系統(tǒng)，支撐自動(dòng)駕駛技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
• 應(yīng)用算法軟件 ：實(shí)現(xiàn)具體的自動(dòng)駕駛功能、HMI（Human Machine Interface，人機(jī)交互界面）交互等算法軟件。

狹義的操作系統(tǒng)僅包含系統(tǒng)內(nèi)核Kernel部分，是系統(tǒng)軟件其中的一部分，而廣義的操作系統(tǒng)則包含系統(tǒng)軟件和功能軟件。

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典型的車(chē)載OS類(lèi)型

根據(jù)對(duì)底層操作系統(tǒng)改造程度的不同，主要分為：

1. 基礎(chǔ)型操作系統(tǒng) ：打造全新底層操作系統(tǒng)和所有系統(tǒng)組件，如系統(tǒng)內(nèi)核、底層驅(qū)動(dòng)等，有的還包括虛擬機(jī)，如QNX、Linux（含Android）、WinCE等。因打造全新操作系統(tǒng)需要花費(fèi)太大的人力、物力，目前基本沒(méi)有企業(yè)會(huì)全新開(kāi)發(fā)底層操作系統(tǒng)。
2. 定制型操作系統(tǒng) ：在基礎(chǔ)型操作系統(tǒng)之上進(jìn)行深度定制化開(kāi)發(fā)，如修改內(nèi)核、硬件驅(qū)動(dòng)、運(yùn)行時(shí)環(huán)境、應(yīng)用程序框架等。典型代表如大眾vw.OS、特斯拉Version、Google車(chē)載Android、華為鴻蒙OS、AliOS等，它們屬于自主研發(fā)的獨(dú)立操作系統(tǒng)。
3. ROM型汽車(chē)操作系統(tǒng) ：基于Linux或Android等基礎(chǔ)型操作系統(tǒng)進(jìn)行有限的定制化開(kāi)發(fā)，不涉及系統(tǒng)內(nèi)核更改，一般只修改更新操作系統(tǒng)自帶的應(yīng)用程序等。大部分的主機(jī)廠(chǎng)一般都選擇開(kāi)發(fā)ROM型操作系統(tǒng)，國(guó)外主機(jī)廠(chǎng)多選用Linux作為底層操作系統(tǒng)，由于國(guó)內(nèi)Android應(yīng)用生態(tài)更好，國(guó)內(nèi)自主品牌和造車(chē)新勢(shì)力大多基于A(yíng)ndroid定制汽車(chē)操作系統(tǒng)，典型代表如比亞迪DiLink、奇瑞GKUI、蔚來(lái)NIOOS、小鵬XmartOS等。

需要注意的是， 超級(jí)汽車(chē)APP（又稱(chēng)車(chē)機(jī)互聯(lián)或手機(jī)映射系統(tǒng)），不是完整意義的汽車(chē)OS ，只是簡(jiǎn)單地把手機(jī)屏幕內(nèi)容映射到車(chē)載中控，通過(guò)整合地圖、音樂(lè)、社交等功能來(lái)滿(mǎn)足車(chē)主需求的APP，如蘋(píng)果CarPlay、谷歌AndroidAuto、百度CarLife、華為HiCar等。由于汽車(chē)座艙為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、高安全性，不得不放棄性能，導(dǎo)致手機(jī)不論是芯片還是操作系統(tǒng)處理能力都優(yōu)于汽車(chē)座艙，因此，借助手機(jī)的豐富功能映射到汽車(chē)中控，以滿(mǎn)足車(chē)主對(duì)娛樂(lè)的需求。由于容易實(shí)現(xiàn)+成本較低，現(xiàn)階段仍是車(chē)主的主流選擇。

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車(chē)載OS市場(chǎng)空間

2019年7月，麥肯錫發(fā)布《2030年汽車(chē)軟件和電子市場(chǎng)報(bào)告（Automotive software and electronics 2030）》，報(bào)告顯示，2020年，全球汽車(chē)廣義操作系統(tǒng)（功能軟件、狹義操作系統(tǒng)、中間件）市場(chǎng)規(guī)模達(dá) 238億美元 ，到2025年接近 370億美元 ， CAGR+13.1% ；到2030年達(dá) 469億美元 ，10年CAGR+9%。