汽車操作系統(tǒng)的前世今生
發(fā)布時間：2018-03-10 09:45:12
隨著阿里巴巴Alios和百度Apollo計劃的輪番登臺，“操作系統(tǒng)OperatingSystem” 似乎在一夜間成為了智能網(wǎng)聯(lián)汽車的標配。事實真是如此嗎?本文將簡單的介紹下汽車操作系統(tǒng)的前世今生。
車載系統(tǒng)和電控系統(tǒng)
要談汽車操作系統(tǒng)，首先得了解汽車電子。
傳統(tǒng)汽車電子產(chǎn)品可歸納為兩類：一類是車載電子設(shè)備，如儀表，娛樂音響、導(dǎo)航系統(tǒng)、抬頭顯示、車載通信、無線上網(wǎng)等等，這類系統(tǒng)不直接參與汽車行駛的控制決策，不會對車輛行駛性能和安全產(chǎn)生影響，通常統(tǒng)稱為車載娛樂信息系統(tǒng)(In-Vehicle Infotainment,IVI)。
另一類是汽車電子控制裝置，它們是車輛運動和安全防護的控制“大腦”，通過直接向執(zhí)行機構(gòu)(如電子閥門，繼電器開關(guān)，執(zhí)行馬達等)發(fā)送指令以控制車輛關(guān)鍵部件(如發(fā)動機，變速箱，動力電池等)的協(xié)同工作，這類系統(tǒng)可以統(tǒng)稱為電子控制單元(ElectronicControl Unit, ECU)。
常見的ECU包括EMS發(fā)動機電控系統(tǒng)，ABS制動防抱死控制、變速箱牽引力控制TCU、電子穩(wěn)定控制EPS、電子動力轉(zhuǎn)向EPS，新能源汽車整車控制VCU，電池管理系統(tǒng)BMS等。
為什么需要操作系統(tǒng)?
汽車操作系統(tǒng)是汽車電子軟件的重要組成部分，但不是所有的汽車電子產(chǎn)品都需要操作系統(tǒng)。
從20世紀90年代開始，隨著車載和電控系統(tǒng)功能的日益豐富以及汽車電子產(chǎn)品外部交互/接口標準的種類增加，這類基于微控制芯片的嵌入式電子產(chǎn)品逐漸需要采用類似個人電腦的軟件架構(gòu)以實現(xiàn)分層化，平臺化和模塊化，提高開發(fā)效率的同時降低開發(fā)成本。因此，汽車電子產(chǎn)品才逐步開始采用了嵌入式操作系統(tǒng)(EmbeddedOperating System)。
以車載娛樂信息系統(tǒng)為例，最早的數(shù)字收音機/CD播放器采用專用的音頻解碼芯片就能實現(xiàn)，后來實現(xiàn)數(shù)字化將可觸摸液晶屏代替播放器開關(guān)、調(diào)節(jié)按鈕，后來又增加了藍牙電話功能，接著又集成了地圖導(dǎo)航、倒車雷達影像，相應(yīng)的實現(xiàn)這些功能的IVI嵌入式系統(tǒng)主CPU數(shù)據(jù)處理能力也逐步增強，從最早4位、8位發(fā)展到16位、32位到后來多核，引入嵌入式操作系統(tǒng)，就是有效分配CPU資源，對以上各種任務(wù)功能進行協(xié)同管理，并控制各項任務(wù)優(yōu)先級別。
相比車載電子產(chǎn)品，電控系統(tǒng)通常需要閉環(huán)控制，這樣就意味著需要響應(yīng)更多的輸入輸出信號，任務(wù)調(diào)度更加復(fù)雜;另外，由于電控系統(tǒng)直接參與車輛行駛的管理，系統(tǒng)可靠性要求要更高，因此應(yīng)用于電控單元ECU的嵌入式操作系統(tǒng)比車載電子產(chǎn)品的操作系統(tǒng)有更嚴苛的技術(shù)指標。
車載操作系統(tǒng) IVI-OS
早在2011年，咨詢機構(gòu)StrategyAnalytics對中國當時主流汽車主機廠和車載信息娛樂系統(tǒng)供應(yīng)商進行了調(diào)研，報道了當時車載操作系統(tǒng)的生態(tài)圈，如圖所示。隨著中國汽車市場的持續(xù)增長帶來的變化，該報告在2015年進行了部分更新，目前市場上用于車載系統(tǒng)的OS包括：
1. Android：開源操作系統(tǒng)，無授權(quán)費用對很多中低端車載電子產(chǎn)品開發(fā)商是有很大的吸引，但是版本升級過于頻繁，開機啟動時間長，系統(tǒng)穩(wěn)定性不強而飽受詬病。
2. Microsoft：從定位工業(yè)應(yīng)用WinCE到移動通信的Windows Embedded操作系統(tǒng)，由于相對穩(wěn)定的性能和平(Dao)價(Ban)授權(quán)費用,深受眾多從消費電子轉(zhuǎn)型到后裝導(dǎo)航市場的公司推崇，但市場份額持續(xù)下降。
3. QNX：曾經(jīng)占據(jù)接近60%的市場份額，優(yōu)惠的單機授權(quán)費用和良好的開發(fā)支持是主流國際汽車電子供應(yīng)商愿意合作的原因，但隨著其母公司Blackberry的凋落和其他免費競爭對手挑戰(zhàn)，風(fēng)光已不敵當年。
4. Wind River : 功能強大覆蓋多行業(yè)的硬實時操作系統(tǒng)，但授權(quán)和開發(fā)定制成本非常高，市場份額有限。
5. MicroItron : 日資車型的主流汽車操作系統(tǒng)，但日系供應(yīng)商也逐漸采用其他OS以滿足不同市場的需要。
6. Linux : 基于開源代碼，穩(wěn)定和易于裁剪，很多研發(fā)能力強的汽車主機廠和供應(yīng)商在Linux基礎(chǔ)上定制了自有的操作系統(tǒng)。
7. GENIVI : 準確來說是一個標準聯(lián)盟。以寶馬為首的知名企業(yè)建立的應(yīng)用于車載系統(tǒng)的開放式軟件平臺和操作系統(tǒng)，基于Linux平臺，形成從研發(fā)到應(yīng)用的閉環(huán)生態(tài)。
電控實時操作系統(tǒng) ECU-OS
前面提到過，汽車電控系統(tǒng)屬于復(fù)雜測控系統(tǒng)，如果系統(tǒng)任務(wù)的響應(yīng)不及時或有延遲過大，就可能導(dǎo)致嚴重的損失。例如，汽車安全氣囊控制，在車輛發(fā)生碰撞的很短時間內(nèi)(毫秒級)如不能快速打開，就無法對乘車人員起到保護作用。
可見，汽車電控ECU必須是高穩(wěn)定性的嵌入式實時性操作系統(tǒng)，實時性的含義是系統(tǒng)保證在一定時間限制內(nèi)完成特定功能。目前主流的電控操作系統(tǒng)基本都兼容OSEK/VDX和AUTOSAR這兩類汽車電子軟件標準。
1. OSEK/VDX : 這個標準旨在制定汽車電子標準化接口，主要定義了三個組件：實時操作系統(tǒng)(OSEK-OS)，通訊系統(tǒng)(OSEK-COM)和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)(OSEK-NM)。OSEK操作系統(tǒng)始于20世紀90年代，第一個商業(yè)化的OSEK操作系統(tǒng)由德國3Soft公司開發(fā)，最早應(yīng)用于奧迪A8的儀表控制器。
2. AUTOSAR : AUTOSAR的全稱是Automotive Open System Architecture，直譯為汽車開放式系統(tǒng)架構(gòu)。發(fā)起于2003年，由全球汽車制造商，汽車電子部件供應(yīng)商，汽車軟件和工具服務(wù)商和半導(dǎo)體制造商聯(lián)合成立的一個標準聯(lián)盟組織，致力于為汽車工業(yè)開發(fā)一個開放的、標準化的軟件架構(gòu)。AUTOSAR兼容OSEK/VDX標準，增加了新的系統(tǒng)模塊同時隱含的提出了“軟件定義電控系統(tǒng)”的概念，如圖，完整的AUTOSAR系統(tǒng)架構(gòu)從下向上分為硬件層HW，硬件抽象層MCAL，基礎(chǔ)軟件層BSW，運行時環(huán)境RTE和應(yīng)用軟件SWC，其中操作系統(tǒng)被包含在BSW層中。
不管是OSEK還是AUTOSAR操作系統(tǒng)，它們僅僅作為標準定義了操作系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范，各家軟件和工具服務(wù)商開發(fā)了各自的符合標準的操作系統(tǒng)產(chǎn)品，然后提供給Tier1供應(yīng)商廣泛應(yīng)用于各類電控系統(tǒng)。
目前AUTOSAR已逐步成為了主流，市場上知名的擁有完整解決方案的企業(yè)包括Vector，KPIT，ETAS，DS以及被收購的EB(Continental)和MentorGraphics(Siemens)。在國內(nèi)，依托國家“核高基”課題，i-Soft公司也開發(fā)了符合AUTOSAR標準的操作系統(tǒng)和基礎(chǔ)軟件，并成功應(yīng)用于自主品牌和新能源量產(chǎn)車型。
智能網(wǎng)聯(lián)對操作系統(tǒng)的新要求
智能網(wǎng)聯(lián)汽車的特點是增加更多的智能傳感器(高清攝像頭，激光雷達，毫米波雷達等)，并且需要對海量數(shù)據(jù)進行采集，處理和共享。
要實現(xiàn)智能網(wǎng)聯(lián)，兩個基本問題需要解決：一是控制器芯片處理能力，二是信息安全。為此，以博世，大陸，德爾福為首的Tier1提出了域控制器(DCU，Domain Control Unit)的概念，根據(jù)汽車電子部件功能將整車劃分為動力總成，車輛安全，車身電子，智能座艙和智能駕駛等幾個域，利用處理能力更強的多核CPU/GPU芯片相對集中的去控制每個域，以取代目前的分布式汽車電子電氣架構(gòu)(EEA)。
雖然這樣的設(shè)計簡化了汽車電子網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，但由于各種數(shù)據(jù)的相互融合也帶來了安全隱患。例如，智能座艙系統(tǒng)ECU將原有的車載信息娛樂系統(tǒng)與V2X,HMI，儀表等數(shù)據(jù)融合在一起處理，但根據(jù)功能安全ISO26262標準定義,儀表的某些關(guān)鍵數(shù)據(jù)和代碼與HMI的代碼屬于不同等級要求(ASIL)，從安全角度應(yīng)該進行物理上的隔絕。因而這樣的設(shè)計又與汽車電子功能安全標準背道而馳。
如何解決呢?隨著汽車電子安全件如IVI系統(tǒng)和其他非安全件的融合在智能網(wǎng)聯(lián)汽車上是必然趨勢，汽車電子專家引入了航電設(shè)備中虛擬機管理的概念，基于AUTOSAR標準之上提出了AUTOSAR Hypervior虛擬機，新的AUTOSAR Adaptive Platform版本也拓展到了智能網(wǎng)聯(lián)和自動駕駛汽車的應(yīng)用。
引入虛擬機管理的關(guān)鍵意義在于虛擬機可以提供一個同時運行兩個獨立操作系統(tǒng)的環(huán)境，比如在智能座艙ECU中同時運行Android(車載功能)和QNX(電控功能)，為智能網(wǎng)聯(lián)的應(yīng)用提供高性價比且符合安全要求的平臺。
目前面向汽車的虛擬機管理程序已商用的產(chǎn)品包括Blackberry QNX Hypervisor，Wind River VxWorks，Green Hills INTEGRITY Muitivisor，Mentor Graphics Embedded Hypervisor以及去年被松下汽車電子收購的OpenSynergy。
阿里巴巴的Alios能驅(qū)動汽車智能嗎?
Alios由YunOS更名而來，YunOS是不是Android的爭論其實已經(jīng)不重要，不管怎樣，至少是典型的中國式創(chuàng)新。智能手機市場，阿里為擴大YunOS在手機設(shè)備上的市場占有率，阿里巴巴采取的策略是與三線自主品牌手機進行合作，對預(yù)裝YunOS的手機進行高額補貼;后轉(zhuǎn)向汽車市場，阿里從與上汽自主品牌的合作中嘗到了甜頭，開始發(fā)力把Alios打造成車聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。
但是，Alios對于汽車來說，暫且僅能稱之為車載操作系統(tǒng)，它能驅(qū)動汽車智能嘛?個人認為：
第一，Alios目前的競爭對手仍是谷歌Android，蘋果IOS及百度DuerOS此類的車載操作系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于Alios添加了云服務(wù)相關(guān)的模塊以接入阿里巴巴的生態(tài)環(huán)境，重點包括電子商務(wù)(淘寶)，網(wǎng)絡(luò)支付(支付寶)和高清地圖(高德)，以此打造除手機之外的第二移動支付終端。
第二，隨著智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)的升級，盡管Alios并沒有主動涉及電控ECU操作系統(tǒng)的動力，但由于技術(shù)發(fā)展的趨勢(如域控制器)會迫使阿里巴巴不得不面臨技術(shù)融合的挑戰(zhàn)，積極配合主機廠和一級供應(yīng)商開發(fā)能將非安全相關(guān)的車載和安全相關(guān)的電控集成于一體的虛擬機，并分享有價值的數(shù)據(jù)。
第三，Alios總裁胡曉明接受采訪時預(yù)期“Alios未來市場份額將超過50%”是過于樂觀的，因為主要合作伙伴是自主品牌和銷量欠佳的合資品牌，而競爭對手方面，內(nèi)有BATJ中的其他家加上華為中興，外有上面提到的知名汽車操作系統(tǒng)企業(yè)，畢竟智能網(wǎng)聯(lián)汽車行業(yè)帶來的市場紅利誰都希望分到一杯羹。
Takeaways
1. 阿里巴巴斑馬的Alios目前并不是直接“驅(qū)動”汽車關(guān)鍵部件的操作系統(tǒng)，作為新生代車載操作系統(tǒng)，它只是一個包含云端服務(wù)的可支撐人機交互和車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)交換的平臺，如何在這個平臺OS之上實現(xiàn)以支付寶生態(tài)系統(tǒng)為核心的服務(wù)應(yīng)用去吸引汽車用戶為其買單，重新定義汽車作為移動支付的新載體才是阿里的主要目的，實質(zhì)是2C。
2. 百度Apollo系統(tǒng)采用的是開源操作系統(tǒng)ROS(編者：后來改為QNX)，Apollo目標則是打造開放式智能駕駛平臺(架構(gòu)+底層軟件+通用算法模塊)，關(guān)鍵在于吸引全球的開發(fā)者合作改進自動駕駛所需的各類模塊算法，然后聯(lián)合汽車主機廠和零部件供應(yīng)商將其商業(yè)化后共同收集車輛移動中的實時數(shù)據(jù)(車輛工況，路況，乘客信息等)，結(jié)合其高清地圖，不斷優(yōu)化智能駕駛的核心技術(shù)--人工智能算法。
另外，DuerOS作為百度語音智能系統(tǒng)，高度融合在Apollo系統(tǒng)之中是必然選擇，在車載方面與阿里Alios會直接競爭?？傊?，大數(shù)據(jù)和人工智能算法是百度Apollo和DuerOS日后2B2C變現(xiàn)的基礎(chǔ)。
3. 智能網(wǎng)聯(lián)汽車和域控制理念的發(fā)展，有可能進一步推動全球零部件供應(yīng)商收購汽車操作系統(tǒng)和汽車軟件相關(guān)標的;而目前，中國大型的汽車電子企業(yè)少有如此的戰(zhàn)略眼光進行這樣布局，仍然以功能型電子產(chǎn)品作為潛在并購標的，缺乏整合垂直技術(shù)的能力。相比之下，原本封閉的日資汽車企業(yè)都開始邁出垂直整合的步伐，值得國內(nèi)企業(yè)思考。
4. 作為汽車電子行業(yè)創(chuàng)業(yè)者，如果沒有汽車操作系統(tǒng)的基本概念，他們開發(fā)出來的產(chǎn)品未來或許很難進入前裝市場，投資人請謹慎考慮他們的商業(yè)融資計劃。