把握汽车智能化变革机遇
加快发展我国车用操作系统
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软件定义汽车的大趋势下,车用操作系统是汽车平台的基石,直接影响汽车的安全性、软硬件的运行效率和用户的乘用体验,是带动汽车产业智能化变革的关键环节和技术底座。当前,全球车用操作系统格局未定,我国车用操作系统在智能化方面积累了一定基础,市场需求活跃、迭代更新较快,但仍面临自主知识产权少、应用生态不健全、市场进入壁垒高、配套支撑体系不健全等困难,需从以下几个方面统筹推进车用操作系统发展:一是推动企业开放合作,加强产业协同创新;二是统一技术标准规范,加快软硬件适配;三是加快安全测试认证,强化数据安全监管;四是完善政策支持体系,助力国产系统打开市场;五是重视人才培养和激励,持续壮大人才队伍。

关键词:车用操作系统 智能驾驶 应用生态

车用操作系统(Vehicle Operating System)指运行于汽车内的系统软件,直接影响汽车的安全性、软硬件的运行效率和用户的乘用体验,是带动汽车产业智能化变革的关键环节和技术底座。我国车用操作系统在智能化方面率先布局,积累了一定技术基础,市场需求和研发创新活跃,迎来了换道先行的关键机遇期。

一、车用操作系统的发展态势和竞争格局

(一)车用操作系统在汽车产业智能化变革中发挥基础性、关键性作用

车用操作系统是汽车产业变革的关键驱动力。软件定义汽车的大趋势下,越来越多的高科技企业为汽车产品创新带来了新理念、新思维、新技术。汽车正由传统的机械产品转变为移动的智能终端,功能和性能不断迭代,科技含量迅速提升。据麦肯锡预测,未来汽车超过90%的创新来自电子电气架构和软件。车用操作系统作为连接电子电气架构和支撑应用软件运行的底座,是决胜汽车电动化、智能化、网联化变革的关键。

车用操作系统是汽车平台的基石。车用操作系统连接着汽车产业链上下游硬件设备、应用软件、用户、供应商、开发人员和社区资源,构成了典型的多边平台生态系统。在网络效应的驱动下,越多人使用会吸引越多用户和供应商进入,当用户数量突破临界点后,平台生态系统将进入自我强化的正反馈,带动软硬件生态迭代升级、为用户提供更加安全愉悦的服务体验,推动汽车产业向价值链高端环节迈进。

车用操作系统关乎国家安全。汽车不仅是重要交通工具,随着电动化、智能化、网联化的不断渗透,还将成为吸纳能源的强大载体和提供计算能力的关键节点。车用操作系统有望成为连接智能汽车和智能交通、绿色能源、智能电网、智慧城市的重要纽带,其安全性不但直接关乎车辆的行驶安全,还将影响电网、交通的运行安全和国家地理空间信息等数据安全,应重视潜在的安全风险,提升核心技术的自主可控能力。

(二)车用操作系统的发展态势

1.车用操作系统可分为不同类型

车用操作系统一般采用广义操作系统的定义,指涵盖了操作系统软件(包括系统内核及其他组件)、中间件和主要功能软件的系统程序集合,如图1虚线部分所示。

车用操作系统起步较早,正由嵌入式操作系统向通用操作系统演变。早期分布式电子电气架构下,车用操作系统内嵌于单个的电子控制单元(ECU)中,受系统空间限制,只能采用内核小、功能精简的嵌入式操作系统,通过搭配中间件(图1a)来实现不同功能。随着电子电气架构和网络通信的演进,跨ECU调度管理得以实现,能够支撑功能更丰富的通用操作系统、中间件和功能软件(图1b),从而提供更多个性化服务。

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根据全国汽车标准化委员会(简称汽标委)发布的《车用操作系统标准体系》,车用操作系统分为车载和车控两大类(图2)。车载操作系统主要面向信息娱乐和智能座舱等领域,与手机、电脑等传统分时操作系统的功能类似;车控操作系统又分为安全车控和智能驾驶操作系统,分别实现车身局部控制功能和自动驾驶功能,由于需在规定时间内完成资源分配、任务同步等指定任务,普遍采用实时操作系统(Real Time Operating System,RTOS)内核。

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2.嵌入式车用操作系统发展成熟

嵌入式车载操作系统起步较早。QNX诞生于1980年,2010年被黑莓(BlackBerry)母公司加拿大移动研究公司(RIM)收购,是一种嵌入式实时操作系统,广泛应用于汽车、国防军事、铁路、医疗等行业。在汽车领域,QNX主要作为车载操作系统,提供信息娱乐和座舱服务,其内核还可用于车控操作系统,支撑辅助驾驶功能。QNX与奥迪、福特、宝马、奔驰、丰田、通用别克等外资汽车品牌长期合作,占据市场优势地位。截至2022年2月,QNX的汽车装机量已突破1.95亿台。但授权使用费用高、兼容性低以及开放性不足,导致QNX应用生态缺乏。WindowsCE是微软1996年发布的嵌入式操作系统,可用于车载主机,目前市场份额较小,正逐步退出汽车市场。

嵌入式安全车控操作系统发展成熟,市场格局稳定。安全车控操作系统主要实现动力、底盘、车身等控制功能,对实时性、可靠性和安全性要求极高。由于系统内核很小,主要依靠中间件实现专用功能。易特驰(ETAS,博世集团子公司)、伊莱比特(EB,大陆集团子公司)和维克多(VECTOR)等厂商具备长期技术积累,占据垄断地位。

3.电子电气架构的演进激发车用操作系统智能化新需求

电子电气架构和网络拓扑的演进使汽车智能化变革成为可能,车用操作系统逐步由嵌入式向通用式转变。以往的分布式电子电气

架构下,不同功能的汽车子系统由单独的ECU分别控制,存在各子系统协同性低、软硬件耦合关系强、人机交互不足、无法统一进行空中下载(OTA)升级等问题。随着总线技术的革新和车载网络拓扑的优化,大量功能相同的ECU整合、由域控制器统一调度管理,汽车电子电气架构逐步向域集中式转变(图3),能够支撑更先进的通用操作系统。通过通用操作系统满足汽车复杂计算需求、提供更多智能化服务成为新的发展方向。

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近年来,通用的Linux操作系统逐渐应用于汽车。2014年,Linux基金会发布了开源的AGL(Automotive Grade Linux,汽车级Linux)规范1.0版本,2018年丰田首次使用了基于AGL的车载信息娱乐系统,大众、戴姆勒、现代、马自达、本田、日产、上汽等主机厂也纷纷支持AGL。用于手机等移动终端的安卓(Android)操作系统是Linux最成功的发行版,由于其生态丰富、可实现用户习惯的无缝衔接,近两年广泛应用于国产自主品牌的车载信息娱乐系统,例如蔚来(NIOOS)、小鹏(XmartOS)等都是基于Android系统的定制化改造。

智能驾驶操作系统方兴未艾。智能驾驶操作系统由通用操作系统(搭配实时内核)、中间件和功能软件(高精地图、人工智能视觉、感知、云控等)组成,完成实时感知、决策和整车控制等功能。智能驾驶操作系统普遍采用成熟且高度自由的开源Linux内核。例如,特斯拉Autopilot和百度Apollo采用开源方案对Linux内核进行了实时性改造,分别实现了L2+级(组合驾驶辅助)和L4级(高度自动驾驶)自动驾驶。

4.统一融合、开放解耦有望成为车用操作系统的大趋势

未来车载和车控操作系统有望逐步融合。一方面,随着域控制器逐步融合为车载计算机,需要统一的操作系统来控制原本独立的车载域、车舱域和车控域;另一方面,具有相同内核的车用操作系统具备融合的基础和能力,能够借助虚拟机监视器(Hypervisor)实现融合。例如,特斯拉Model 3的安全车控、智能驾驶和车载信息娱乐功能已通过同一个操作系统实现。

产业的创新发展对软硬件开放解耦提出新的需求。汽车产业链上下游参与方众多,智能汽车更是涉及计算平台、传感器、执行器、应用算法等,为实现更高效的机器间通信和人机通信、充分激发产业的创新活力,需要操作系统和软硬件解耦分离,在统一的接口标准下进行模块化开发。

二、国产车用操作系统已打下一定基础

(一)国产车用操作系统具备技术基础和市场需求

软件供应商在嵌入式操作系统领域具备一定积累,通过个性化服务逐步开拓市场。例如,普华基础软件自2008年开始研发车用基础软件,包括安全车控操作系统(灵智ORIENTAIS)以及设计、开发、配置、集成、测试等工具链,在量产车型中已累计使用超1000万套。华为自主研发的嵌入式智能车控操作系统(VOS)已通过安全等级认证,配套的工具链较为成熟。

以智能座舱为中心的车载操作系统市场竞争活跃。智能座舱的功能直接决定了汽车的智能化体验,是当前车载操作系统竞争的焦点。2021年我国新车智能座舱渗透率超50%,预计到2025年智能座舱渗透率将超过75%,领跑全球。整车企业、一级供应商(Tier 1)、软件供应商纷纷投入智能座舱市场,开发出的车载操作系统已量产上市,例如比亚迪的DiLink、百度的小度车载OS、斑马智行的AliOS、华为的鸿蒙HOS等。

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科技型企业争相在智能驾驶操作系统领域布局探索。例如,百度2013年布局智能驾驶,自动驾驶领域专利数量居全球第一,研发并开源的Apollo智能驾驶操作系统已实现L4级自动驾驶。华为2020年发布了自研的鸿蒙智能驾驶操作系统(AOS),配备自研鲲鹏CPU和昇腾AI处理芯片,能够实现L2+级―L5级自动驾驶。此外,初创科技企业小马智行、文远知行、Momenta等均在智能驾驶领域积累了一定技术基础。

智能驾驶的商业化场景试点应用已逐步展开。我国2021年乘用车新车L2级自动驾驶渗透率提高到20%、新能源汽车新车渗透率超过30%,全国开放智能驾驶测试区域5000平方公里、测试总里程超过1000万公里,发放道路测试牌照800多张。出租车、高速干线物流车、末端物流车、小巴、环卫车和矿区、港口等商业化试点应用相继落地,积累了较为丰富的场景和数据。

(二)产业格局未定,我国迎来换道先行的关键机遇

全球智能车用操作系统格局未定,国产厂商在激烈竞争中有胜出的机会。通过车用操作系统的匹配和连接,厂商和用户之间从传统的买卖关系,转变为全寿命周期的服务合作关系,形成了用户提供数据、厂商基于数据不断优化服务的良性循环,这使得越了解用户的厂商越有可能在此轮竞争中赢得优势。Tier 1囿于传统技术优势,车用操作系统智能化转型步伐相对较慢。相比之下,国产厂商不受传统技术路线的禁锢,以新能源汽车为载体和契机,在智能座舱、智能驾驶等通用操作系统为代表的车用操作系统新赛道中提前布局,不断优化服务、提高国产汽车附加值,赢得了一定先机。

三、国产车用操作系统发展仍面临多方面困难

(一)缺乏自主知识产权,应用生态有待完善

具有自主知识产权的车载操作系统较少,应用生态缺乏。目前国内主流车载操作系统大多基于Android操作系统,对Android技术路线高度依赖,存在技术和服务授权被断供的风险。国内虽有自主开发的车载操作系统(如华为鸿蒙座舱操作系统HOS),但生态尚未健全,目前需借助手机的投屏功能来满足消费者个性化的娱乐影音需求。

智能驾驶操作系统处于开发测试阶段,国产硬件生态薄弱。智能驾驶需实时处理大量的数据并完成模拟、计算、决策和控制,一般采用7纳米以下先进制程工艺芯片提供算力支持。然而,由于国产车规级高算力芯片和人工智能(AI)芯片的自主知识产权匮乏、生产能力不足,国产智能驾驶操作系统普遍基于英伟达GPU、英特尔CPU进行设计、开发和测试,这使国产芯片陷入缺乏市场、能力难以提升的恶性循环。一旦国外芯片厂商进行技术封锁和断供,国产智能驾驶操作系统将面临无芯可用、难以适配的风险。

(二)市场壁垒高,国产车用操作系统难以导入市场

车用操作系统的进入壁垒较高。一是认证标准高。出于高安全性和技术要求,汽车软硬件须通过《道路车辆功能安全》(ISO26262)的ASIL-D(最高程度的汽车危险)认证才能装车。二是转换风险高。即使软硬件通过了ASIL-D认证,未经量产验证的软硬件也会带来一定安全风险,一旦发生故障,主机厂需承担相应的转换成本。

高企的市场壁垒下,汽车软硬件的生产组织模式较为封闭,国产厂商导入市场的难度较大。一方面,国外芯片企业和操作系统企业深度合作,在产品研发过程中就相互适配对接,例如英伟达与QNX,英飞凌、恩智浦与VECTOR。另一方面,车用操作系统的研发离不开工具链,具有主导权的工具链企业和Tier 1密不可分,例如掌握成熟工具链的ETAS、EB分别隶属于博世集团和大陆集团。国产厂商市场份额小、工具链尚不成熟,很难切入现有的产业链供应链,这不利于国产车用操作系统的规模化普及和迭代创新。

(三)研发投入成本高,配套支撑体系有待健全

缺乏全国性的基础共性技术研发平台,基础、前沿领域的研发力量分散。在底层操作系统、智能驾驶、车载计算平台等基础前沿技术领域,国家级基础研发平台、产业共性技术联盟较少,企业各自为营开展研发,造成共性技术重复投入,且研发力量分散。面对博世、大陆等传统Tier 1以及谷歌、特斯拉等万亿美元级科技巨头,国内企业需要更好地组织起来。

对高风险、长周期项目的金融支持手段较少。据调研企业反映,目前国内车载操作系统企业每年的平均研发成本约为7亿元,智能驾驶每年的研发成本高达200亿元,能够实现盈利的企业较少,运营风险较大。除了高额的研发成本外,覆盖全生命周期的维护、升级成本需持续的资金和人才配套,智能驾驶企业还需承担高昂的申请测试费用。由于相应的资金、税收等支持手段较少,且科技型研发尚未转化为收益,大型平台企业需将其他业务营收贴补操作系统研发,业务规模较小的初创科技企业则依赖于加速融资,运行压力较大。

四、政策措施建议

车用操作系统的自主可控关乎发展和安全,是驱动汽车产业智能化变革的决定性力量,应吸取手机、桌面操作系统发展的经验教训,以高水平的自主研发抢占先机,以统一的技术标准和完善的配套体系加快发展,开辟汽车智能化新赛道。

(一)推动企业开放合作,加强产业协同创新

建设车用操作系统全国性技术平台,推动产业协同创新。操作系统具有典型的网络效应,只有用户数量达到临界规模才能最终形成生态、赢得市场。受用户总数限制,同一细分市场能够容纳的操作系统有限,桌面、手机领域仅有Windows/MacOS和Android/iOS最终构建了稳定的生态。建议联合企业、科研机构、学会等力量,搭建车用操作系统全国关键和基础共性技术平台。对基础性、通用性的底层技术以及开发仿真工具链、算法库进行统一攻关,避免企业对基础共性技术重复性投资,防止市场过于分散。

构建创新联合体,通过国家科技重大专项、重点专项引领车企、零部件供应商与软件厂商合作研发。引导厂商探索一体式和合作式两种开发模式,即同时具备软硬件能力的厂商进行一体式开发(类似苹果模式)、仅具备软件或硬件能力的厂商联合起来进行合作式开发(类似Android模式),降低单一模式下“少数企业受制裁、全产业链被迫中断”的风险。

发挥开源创新的组织力量,促进开放交流。一是优化国内开源社区建设。进一步完善开源社区的管理运营机制,提升开发者活跃度,通过开源社区和优质开源项目降低企业的开发、使用成本,为其让出更多利润空间,从而激励更多企业参与开源创新。二是加强国际开源合作。鼓励龙头车用操作系统企业积极参与国际开源社区,促进车用开源技术的开放交流,同时积极建立海外社区,广泛吸引国际专业技术人员加入。

(二)统一技术标准规范,加快软硬件适配

统一操作系统标准。2019年汽标委发布了《车用操作系统标准体系》,明确了车用操作系统定义和分类。建议在此基础上,进一步推动车用操作系统标准体系取得行业共识,鼓励车企、操作系统开发商在统一的标准下开发车用操作系统,防止因技术路线分散而导致用户规模不足、生态难以建立。

推动软硬件解耦,统一通信接口和技术标准。软硬解耦分离、统一并开放接口是构建汽车生态的关键,这其中包括软件与软件之间、硬件与硬件之间和软件与硬件之间的解耦。鼓励由创新联合体牵头,研究制定统一的软硬件接口和技术标准,借鉴英特尔“开放但不免费”的模式,以互惠许可等方式推动产业链上下游共享知识产权,继续推动产业分层解耦和分离开放。

(三)加快安全测试认证,强化数据安全监管

完善测试评价体系。满足功能安全和网络安全是车用操作系统最核心的要求,也是国产车用操作系统切入市场的先决条件。加快制定车用操作系统安全标准、技术要求和评价方法,引导行业对国产车用操作系统信息安全、功能安全、通信时延、调度时延等进行测试、认证,支持出口厂商严格对标国际功能安全、信息安全和预期功能安全标准进行测试认证,确保操作系统满足车规级安全。

强化车用操作系统信息安全管理。提升监管部门对车用操作系统、数据存储、通信网络、应用软件等信息安全的监管能力,督促第三方测试机构和整车厂完善网络安全、数据安全管理体系,深入落实智能驾驶过程中空间坐标、影像、点云等测绘数据的收集、处理、使用、存储和流动的相关要求。

(四)完善政策支持体系,助力国产系统打开市场

进一步完善财税支撑体系。引导整车厂以“一主一备”的方式引入国产车用操作系统,保障供应链安全。以财政补贴、税收优惠等方式推动国产车用操作系统广泛上车、测试、应用,以真实场景和丰富数据的训练提升操作系统安全性、可靠性,形成正向的商业闭环。对同时引入国产一体式和合作式车用操作系统的整车厂给予额外优惠,加速不同模式的国产车用操作系统迭代升级。

优化高风险、长周期的金融支持手段。一是加大银行信贷和资本市场支持。继续推动商业银行加大对车用操作系统和基础软件等科技型企业的信贷支持力度,发挥科创板、创业板等多层次资本市场作用,支持优质企业上市融资。二是引导风险资本注入。设立操作系统领域的基金池,并优化基金管理,政府投入作为劣后级投入,有效引导早期天使、风险投资、私募股权等机构长期投资进入。

(五)重视人才培养和激励,持续壮大人才队伍

加快车用操作系统人才培养。车用操作系统涉及汽车和操作系统等多领域交叉,技术难度大、复杂度高、发展快。建议将车用操作系统作为基础教育和高等教育授课案例,围绕车用操作系统底层、核心技术和产业化,加快创新型人才培养,鼓励校企通过项目合作等方式加强人才共享,形成有效、完善的合作培养机制。

吸引并留住车用操作系统高端人才。一是精准引进海外操作系统尖端人才。鼓励企业对标国际车用操作系统厂商的薪资待遇,加大对操作系统行业拔尖技术人才和成熟的技术团队的引入,夯实底层内核技术能力和生态构建能力。二是留住高端操作系统人才。通过推动税收减免和住房、落户、子女教育等定向优惠政策,提高车用、基础软件操作系统企业高端人才的幸福感获得感,防止人才流失。

产业经济研究部 路 倩
办公厅(人事局) 任师攀
如需获得全文,请致电:010-65232727,或 E-mail:drcreport@drc.gov.cn 。
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