投研词典 | 车载操作系统:软件定义汽车

文摘   科技   2024-06-25 09:00   北京  


为什么一定要关注车载操作系统:手机行业的前车之鉴
说到汽车的操作系统,很容易联想到手机的操作系统。在功能手机向智能手机转换过程当中,以苹果为代表的公司开创了不开源的、封闭的、不开放的操作系统iOS;看到机会的谷歌则推出了开源的、开放的,而且免费供大家使用的安卓操作系统。
当时的局面是,三星也有智能手机操作系统、诺基亚也有自己的塞班智能手机操作系统,但是在安卓开源、开放、免费的“攻势”下,除了苹果占据10%-20%的市场份额以外,几乎世界上所有的手机厂商都选择了安卓作为操作系统。

开源开放的操作系统似乎是没什么问题,但是华为的案例让我们看到了问题所在。除了芯片停止供应,还有安卓的操作系统也限制使用。不是限制华为使用安卓的操作系统,而是限制华为使用搭载在安卓上面的APP应用软件。这使得华为把鸿蒙从之前工业用的操作系统临时转入全生态,才算是挺过了这一关,保证了对华为老客户的延续升级,否则连中国市场的华为客户都难以维系。但是在国外,华为丢掉的市场是非常可惜的,这方面我们也能看到生态的力量——大家不是为了硬件参数买手机,而是为了生态买手机。

通过手机操作系统的在产业链上缺失这个案例,我们深深地认识到,在功能产品向智能产品的转换过程当中,如果没有操作系统,芯片再强,汽车做得再好,都是在沙滩上起高楼。

现在安卓在智能汽车的发展上已经通过车机系统开始进入车企,目前会向座舱系统进一步渗透,汽车不能重蹈手机的覆辙。

在软件定义汽车趋势下,汽车操作系统是传统汽车实现智能化升级的关键。在智能汽车由“面向信号”软件架构走向分层化、标准化、模块化面向服务软件架构(SOA),任何应用软件、人机交互都需在操作系统支持下才能运转。

SOA架构将重构汽车生态,汽车行业将形成PC和智能手机时代“底层硬件、中间层操作系统、上层应用程序”的软件分工模式。智能设备发展到一定程度后一般都需要专门的操作系统,例如PC端微软Windows系统,智能手机谷歌 Android系统和苹果IOS系统。

一旦这个生态形成,那就是丛林法则、赢者通吃。手机操作系统的案例就表明了,世界上只有第一和第二,没有第三!将来的全球汽车市场,可能也是这个结局。


什么是汽车操作系统?

操作系统在智能汽车生态中发挥着承上启下的作用。操作系统不仅负责智能汽车对内管理、对外交互,同时也负责对上构建繁荣生态环境、对下协调硬件资源。

汽车操作系统包括车控操作系统和车载操作系统两部分。

  • 车控操作系统用于与汽车驾驶有关功能,如车辆底盘控制、动力系统和辅助驾驶,逐渐向自动驾驶操作系统演变。

  • 车载操作系统用于人机交互和车载信息娱乐,逐渐向智能座舱操作系统升级。

不同场景、功能对应用算法、芯片算力等要求均不同,操作系统的任务是在相互竞争程序之间有序控制对处理器、存储器等硬件的分配。



车载操作系统市场空间分析
随着智能网联汽车的高速发展,汽车增加了更多的智能传感器,需要对海量数据进行采集、处理和共享,而作为智能汽车的“大脑”,车载OS系统重要性已愈发凸显。

根据测算,2020年全球汽车广义操作系统(功能软件、狭义操作系统、中间件)的市场规模达到了200亿美元,预计2025年将达到370亿美元,CAGR+13.1%;预计2030年将达到500亿美元,十年CAGR+9%。

不过,截至目前,汽车操作系统仍由QNX、Linux主导,国内尚缺乏能完全替代的操作系统生态和解决方案。


车载操作系统产业链

狭义的操作系统仅包含系统内核 Kernel 部分,是系统软件其中的一部分,而广义的操作系统则包含系统软件和功能软件。

车载智能计算平台自下而上可大致划分为硬件平台、系统软件(硬件抽象层+OS 内核+中间件)、功能软件(库组件+中间件)和应用算法软件等四个部分。

1、硬件平台:基于异构分布式硬件架构包括 AI 单元、计算控制单元,应支持芯片 选型灵活、可配置拓展、算力可堆砌等优点。

2、系统软件:是针对汽车场景定制的复杂大规模嵌入式系统运行环境,主要包含三层:

  • 硬件抽象层:包括 BSP(板卡支持包)、Hypervisor(硬件虚拟化技术,提供虚 拟平台支持多操作系统)等。BSP 包括了 Bootloader(以基础支持代码来加载操作系统 的引导程序)、HAL(硬件抽象层)代码、驱动程序、配置文档等,是内核与硬件之间的 接口层,目的是为操作系统提供虚拟硬件平台,使其具有硬件无关性,可以在多平台上 移植。

  • 操作系统内核(Kernel):即为狭义操作系统,如 OSEK OS、VxWorks、RTLinux 等。内核提供操作系统最基本的功能,负责管理系统的进程、内存、设备驱动程序、文件和网络系统,决定着系统的性能和稳定性。

  • 中间件:处于应用和操作系统之 间的软件,实现异构网络环境下软件互联和互操作等共性问题,提供标准接口、协议, 具有较高的移植性,如 POSIX/ARA(自适应 AutoSAR 运行时环境即中间件 API 接口) 和 DDS(分布式实时通信中间件)等。

3、功能软件:包含自动驾驶的核心共性功能模块,如相关算法的编程框架(如 TensorFlow、Caffe、PaddlePaddle 等)。核心共性功能模块包括自动驾驶通用框架、网联、 云控等,结合系统软件,共同构成完整的自动驾驶操作系统,支撑自动驾驶技术实现。

4、应用算法软件:即为实现具体自动驾驶功能、HMI 交互等算法软件。


车载操作系统应用场景

车载操作系统作为智能汽车的“灵魂”,在汽车智能化、网联化发展中扮演着至关重要的角色。以下是车载操作系统的几个主要应用场景分析:

1. 信息娱乐系统(Infotainment)

- 场景描述:车载操作系统在信息娱乐系统中的应用,为用户提供音乐、视频、导航、广播等多媒体服务。

- 用户交互:通过触摸屏、语音识别、手势控制等方式与用户进行交互。

- 功能集成:集成了蓝牙、Wi-Fi、移动应用连接等功能,实现手机与车辆的无缝连接。

2. 智能驾驶辅助系统(ADAS)

- 场景描述:车载操作系统与传感器、摄像头等硬件结合,提供车道保持、碰撞预警、自动泊车等智能驾驶辅助功能。

- 数据处理:实时处理大量传感器数据,为驾驶辅助系统提供决策支持。

- 安全性能:确保系统稳定性和安全性,以满足ADAS对实时性和可靠性的高要求。

3. 车联网服务(Connected Car Services)

- 场景描述:车载操作系统支持车联网功能,实现车辆与外部网络的连接,提供远程监控、远程控制、在线升级等服务。

- 数据通信:通过4G/5G、Wi-Fi等通信技术,实现车辆与云端服务器的数据交换。

- 服务扩展:利用云计算和大数据技术,为用户提供个性化服务和智能推荐。

4. 车载人工智能(AI)应用

- 场景描述:车载操作系统集成AI技术,提供语音助手、面部识别、情绪识别等智能化服务。

- 智能交互:通过自然语言处理和机器学习技术,提升用户体验和操作便利性。

- 个性化服务:根据用户行为和偏好,提供个性化的内容推荐和服务定制。

5. 车辆控制与诊断

- 场景描述:车载操作系统用于车辆的控制和状态监测,包括发动机管理、电池监控、故障诊断、紧急制动辅助、碰撞后自动求助等。

- 实时监控:实时收集和分析车辆各部件的运行数据,确保车辆性能和安全。

- 远程诊断:通过车联网技术,实现远程故障诊断和维修建议。在事故发生时,系统能够记录关键数据,为事故分析提供支持。


车载操作系统三大发展趋势
1、操作系统正由传统汽车电子向智能领域发展
汽车电子控制装置逐渐向智能驾驶系统演变,车载信息娱乐系统(WI)逐步向智能座舱系统演变,分别产生了智能汽车操作系统的两大雏形:智能驾驶OS和智能座舱OS。
目前,大部分智能汽车OS架构里,两大OS独立运行,OS内核及嵌套软件、中间件、功能软件等都不相同,并且两者在一定程度上都有深度的功能化定制。

2、QNX、Linux、Androt仍是主流内核
QNX、Linux、Android是智能终端难以绕开的底层研发基础考虑到各系统的技术基础、先发优势以及市场格局现状,其他类似系统很难突破其优势,很难在市场上快速进行替代甚至超越。
同时,大多数OEM、供应商及互联网巨头以这三类系统作为系统内核,更加剧了其他系统市场化的难度。
3、车企自研掌握生态资源

自研操作系统有助于简化车辆软件开发流程并增加OTA频率,特斯拉采用开源Linux自研操作系统,掌握堆栈,不再依赖于软件供应商,一旦发现问题即可通过OTA进行快速修正与升级,提升用户体验。

自研操作系统可以掌握开发者生态资源,形成一定垄断优势,德国大众自研VW.OS,依托自身近千万辆汽车年销量,迫使Tier1以及软件供应商甚至其他OEM在VW.OS的基础上进行开发,使之成为智能手机领域的 IOS


连界启辰投资企业:国科础石
国科础石(重庆)软件有限公司成立于2022年,是一家由中科院发起,致力于在汽车软件基础设施层面赋能客户,加速汽车智能化落地的科技公司。面向高速发展的汽车智能化趋势,国科础石发挥平台技术优势,为产业打造汽车高可信实时智能操作系统、汽车高性能计算软件平台及工具链、自动驾驶可信赖安全验证体系等领域的产品及服务,在“车软件定义汽车时代,提供更安全、更高效、更领先的“软件基础设施”,帮助车企持续创新。
“国科础石秉承‘技术创新驱动+生态开源开放’的理念,一方面,通过开源开放,对开源社区提供成熟验证的底层技术,成为产业技术基础;另一方面,通过开源推动产业共建,在成熟基础版本上快速迭代,广泛兼容,形成更新的成熟技术。
何为“础石”?
基础软件之于汽车产业,犹如础石之于宏伟建筑,希望依托创新产品赋能客户并推动产业发展,筑造智能汽车行业、乃至人工智能领域的柱础石。
核心技术:下一代智能汽车混合内核计算的中国解决方案

面向下一代智能汽车的混合内核计算趋势,解决目前这一领域基本由国外公司占据的卡脖子”问题,突破快速可分离内核架构高可信分级实时智能计算、持续安全验证等核心技术,构建汽车软件高可靠、高智能、高价值的下一代基础软件底座,形成下一代智能汽车混合内核计算的中国解决方案。

在操作系统领域,国科础石提供面向智能汽车全域的操作系统内核解决方案,通过突破快速可分离内核架构、高可信实时智能计算、持续安全验证等核心技术,为上层应用层提供基本的底层系统功能,也为功能安全、预期功能安全、信息安全提供底层运行支撑保障。

产品包括础光Linux、础光智能操作系统、础光实时操作系统(Photon RTOS)、中央计算架构下的虚拟化解决方案——础光虚拟机管理器(Photon Hypervisor),以及础光调优及诊断工具(Photon D&E Tools)。

在未来的产品布局上,国科础石将结合SOA架构下的中间件及工具链产品,形成下一代智能汽车整车操作系统解决方案,帮助汽车领域生态企业提升开发效率。

产业场景:础石软件平台与工具链端云一体汽车软件开发平台
基于数字孪生汽车、云仿真、嵌入式容器高性能车载软件中间件等核心技术,础石软件平台与工具链,致力于打造模块化、基于云原生的汽车软件开发平台,同时提供大规模开发、测试和交付软件功能的能力,改变汽车行业软件开发模式,推动汽车产品向软件定义的智能汽车转型。
  • 面向智能汽车座舱域、自动驾驶域,国科础石推出础光Linux,以应对行业3~5年的现实需求;
  • 为应对高级别自动驾驶的需求,国科础石正在研发大型操作系统——础光智能操作系统,该系统可以通过ASIL-D认证,并且兼容Linux生态;
  • 面向车控域,国科础石研发的础光实时操作系统可直接运行在MCU上,兼容AUTOSAR CP R20-11标准,通过对内核的实时性强化,并针对在满足实时性的同时对内存和时钟的保护进行了优化;
  • 此外,础光虚拟机管理器可支持同时运行Linux和Android操作系统,分别运行智能仪表和中控娱乐业务。

础光通信中间件则基于以数据为中心的连接中间件协议和API标准规范(DDS™),针对汽车行业进行了全面的适配,支持实时系统的数据通信和共享,具有快速、可靠地传输数据的特点,能自动将数据分发到多个节点,确保数据在节点之间的同步和一致性。

础光软件工程工具可帮助企业解决在研发过程中的效率问题,帮助降低软件研发复杂度,促进汽车领域生态企业在构建安全技术底座的基础上提升开发效率,进一步促进技术创新及应用。

础石系统及应用诊断调优工具,可用于实时常态化的对操作系统和应用程序的性能、稳定性、业务异常抖动等问题进行根因诊断,可提前发现系统中的Corner-Case,也可帮助用户提前发现操作系统和应用程序异常。

础石自动驾驶安全验证平台可信赖人工智能标准/技术/平台/服务基于自动驾驶核心算法安全性验证、故障模式分析、可信赖评估等前沿创新技术,建设自动驾驶安全验证平台,实现自动驾驶安全性测试和可靠性验证,并支持风险管控、审计定责等方面的标准化度量和评估。


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