車載操作系統(tǒng)之軟件定義汽車

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為什么是軟件定義汽車？

從商業(yè)的角度，一個產(chǎn)品歸根結(jié)底是一系列功能的集合，來滿足用戶的各種需求，而用戶最終也是為產(chǎn)品功能買單。當(dāng)產(chǎn)品功能不能滿足用戶需求，企業(yè)就要被迫轉(zhuǎn)型。這是基本的邏輯。

現(xiàn)在整車廠邁開步子做轉(zhuǎn)型，主要是因為車輛目前的功能以及 未來的產(chǎn)品差異化已經(jīng)需要由車載軟件實現(xiàn) 。如果在這個歷史的岔路口整車廠還不努力補足自己的軟件能力，一旦放任競爭對手做出差異化，自己的產(chǎn)品就會毫無還手之力；如果真的在產(chǎn)品技術(shù)上被甩開代際差異，那就真只能賣賣品牌歷史吃老本了。

因此，車載軟件現(xiàn)在就承擔(dān)了汽車產(chǎn)品差異化的重任 ，尤其是未來的車載操作系統(tǒng) 。參照手機(jī)、電腦的發(fā)展，操作系統(tǒng)可能會極大地提升汽車行業(yè)的產(chǎn)業(yè)集中度。眾所周知，作為實體經(jīng)濟(jì)，汽車行業(yè)的品牌集中度相比于互聯(lián)網(wǎng)實際上并不高，因此，“提高市場集中度”就意味著必然有玩家會被淘汰出局。由于這是一個新的領(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，任何有雄心的一線品牌必然要爭奪領(lǐng)導(dǎo)地位；對于二線品牌，這時更是生死存亡之際，必須爭著讓別人墊底。這種行業(yè)大勢造成了品牌們必須打出“軟件定義汽車”的口號。

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車載OS：承上啟下，引領(lǐng)智能汽車發(fā)展

操作系統(tǒng)（Operating System，OS）是指控制和管理整個計算系統(tǒng)的硬件和軟件資源，并合理地組織調(diào)度計算機(jī)的工作和資源，以提供給用戶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門的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時代的霸主地位，Android和iOS，則分別使Google和蘋果在智能手機(jī)時代大放異彩 。在軟件定義汽車的大趨勢下，車載OS是實現(xiàn)傳統(tǒng)汽車向智能汽車升級的關(guān)鍵。

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

1. 汽車電子控制裝置 ：通過直接向執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如電子閥門、繼電器開關(guān)、執(zhí)行馬達(dá)等）發(fā)送指令，以控制車輛關(guān)鍵部件（如發(fā)動機(jī)、變速箱、動力電池等）的協(xié)同工作，一般統(tǒng)稱為ECU（Electronic Control Unit，電子控制單元）。常見的ECU包括發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)EMS（Engine Management System）、自動變速箱控制單元TCU（Telematics Control Unit）、車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)ESP（Electronic Stability Program）、電池管理系統(tǒng)BMS（Battery Management System）等。 該類系統(tǒng)涉及安全、行駛性能 。
2. 車載電子設(shè)備 ：在汽車環(huán)境下能夠獨立使用的電子裝置，和汽車本身的性能并無直接關(guān)系，常見的包括行車電腦、導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車音響、電視娛樂系統(tǒng)、車載通信系統(tǒng)、上網(wǎng)設(shè)備等。這類系統(tǒng)常與用戶體驗相關(guān)，不直接參與汽車行駛的控制決策，對車輛行駛性能和安全影響較小。

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

1. 車控操作系統(tǒng)主要實現(xiàn)車輛底盤控制、動力系統(tǒng)和自動駕駛；
2. 智能座艙操作系統(tǒng)主要為車載信息娛樂服務(wù)以及車內(nèi)人機(jī)交互提供控制平臺，是汽車實現(xiàn)座艙智能化與多源信息融合的運行環(huán)境。

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車載OS在車載智能計算平臺中的位置

車載智能計算平臺自下而上可大致劃分為硬件平臺、系統(tǒng)軟件（硬件抽象層+OS內(nèi)核+中間件）、功能軟件（庫組件+中間件）和應(yīng)用算法軟件等四個部分。

• 硬件平臺 ：基于異構(gòu)分布式硬件架構(gòu)，包括AI單元、計算控制單元，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。
• 系統(tǒng)軟件 ：針對汽車場景定制的復(fù)雜大規(guī)模嵌入式系統(tǒng)運行環(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)，提供虛擬平臺支持多操作系統(tǒng)）等。BSP包括了Bootloader（以基礎(chǔ)支持代碼來加載操作系統(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，使其具有硬件無關(guān)性，可以在多平臺上移植。
• 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運行時環(huán)境，即中間件API接口）和DDS（Data Distribution Service，分布式實時數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)）等。
• 功能軟件 ：包含自動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)成完整的自動駕駛操作系統(tǒng)，支撐自動駕駛技術(shù)實現(xiàn)。
• 應(yīng)用算法軟件 ：實現(xiàn)具體的自動駕駛功能、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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典型的車載OS類型

根據(jù)對底層操作系統(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)需要花費太大的人力、物力，目前基本沒有企業(yè)會全新開發(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)行深度定制化開發(fā)，如修改內(nèi)核、硬件驅(qū)動、運行時環(huán)境、應(yīng)用程序框架等。典型代表如大眾vw.OS、特斯拉Version、Google車載Android、華為鴻蒙OS、AliOS等，它們屬于自主研發(fā)的獨立操作系統(tǒng)。
3. ROM型汽車操作系統(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)廠一般都選擇開發(fā)ROM型操作系統(tǒng)，國外主機(jī)廠多選用Linux作為底層操作系統(tǒng)，由于國內(nèi)Android應(yīng)用生態(tài)更好，國內(nèi)自主品牌和造車新勢力大多基于Android定制汽車操作系統(tǒng)，典型代表如比亞迪DiLink、奇瑞GKUI、蔚來NIOOS、小鵬XmartOS等。

需要注意的是， 超級汽車APP（又稱車機(jī)互聯(lián)或手機(jī)映射系統(tǒng)），不是完整意義的汽車OS ，只是簡單地把手機(jī)屏幕內(nèi)容映射到車載中控，通過整合地圖、音樂、社交等功能來滿足車主需求的APP，如蘋果CarPlay、谷歌AndroidAuto、百度CarLife、華為HiCar等。由于汽車座艙為保證系統(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)于汽車座艙，因此，借助手機(jī)的豐富功能映射到汽車中控，以滿足車主對娛樂的需求。由于容易實現(xiàn)+成本較低，現(xiàn)階段仍是車主的主流選擇。

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車載OS市場空間

2019年7月，麥肯錫發(fā)布《2030年汽車軟件和電子市場報告（Automotive software and electronics 2030）》，報告顯示，2020年，全球汽車廣義操作系統(tǒng)（功能軟件、狹義操作系統(tǒng)、中間件）市場規(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%。