智能網聯汽車（ICV）催生了整個汽車產業的巨大變革，而當前行業首當其沖的是缺芯少核，不僅是作為硬件的芯片，還有作為汽車靈魂的軟件，特別是操作系統。中國汽車產業如何在這樣的大背景下尋求發展，來看看國汽智控（北京）科技有限公司總經理、首席技術官尚進博士在以“智車智駕 智創未來”為主題的2021中關村智能網聯汽車國際創新論壇上怎么解讀。他也是國家智能網聯汽車創新中心首席技術專家、中國智能網聯汽車產業創新聯盟基礎軟件工作組組長、清華大學車輛與運載學院客座研究員。
芯與核今非昔比，發力點在哪兒？
尚進博士表示，我們的汽車電子發展了幾十年，本來就有芯和核，但在智能網聯時代，芯是加入了AI（人工智能）形成的比較大的SoC（系統級芯片）；核在軟件定義汽車時代有了全新的定義，絕不是計算機的傳統內核，更不是汽車中原來有的一些東西。所以，需要搞清操作系統是什么？核是什么？在智能汽車中有什么樣的作用？
倒退二三十年，從Windows－Intel的互聯網到今天的智能汽車時代，未來五到十年，產業聯盟或核是什么？既有封閉體系，從傳統的微軟、蘋果到今天汽車行業的特斯拉；也有開放體系，如Linux、Google和Android。
今天大家都在講軟件定義、數據驅動，但我們對特斯拉的了解有點像盲人摸象。倒退3到4年，人們認為特斯拉的新能源三電做的不錯，后來又覺得特斯拉的AutoPilot智駕不錯，近一年多在說特斯拉EE架構最好；近大半年，發現特斯拉的真正武器是軟件定義汽車。
很明顯，汽車行業需要新的產業鏈出現，如Tier 1．5的新模式。半年來汽車數據安全、信息安全也成為了熱點。隨著智能網聯汽車發展，數據越來越多，車輛越來越智能，軟件也越來越多。對中國而言，智能網聯汽車的本地化屬性和中國方案標準越來越受到關注。中國標準并不是封閉的，需要基于中國傳統汽車的發展，結合ICT與基礎設施建設，以此推動智能網聯汽車的新功能、新架構在國內的應用，反過來帶動創新，并進一步推向世界。
智能網聯汽車可以理解為四個輪子上的一個數據中心。數據中心當然有硬件及其操作系統或基礎軟件。幾年前，博世就提出了整個車輛EE架構的變化，現在行業都認識到集中域控的重要性。博世說下一步是車內域控和云計算的結合，但直到今天整個行業都沒有回答這個終極架構問題。現在，國內外的主機廠不僅做硬件，也都有自己的軟件公司。
事實上，我們所熟知的芯片硬件企業其核心或發力點是基礎軟件，比如特斯拉最強大的武器是軟件定義OTA（空中下載技術）。其核心是操作系統應用的開發新模式，它更新的是應用，而不是整個軟件棧。否則，從定義一個功能到實現、測試、部署，就不可能在短時間內完成。
所以，行業一定要有一個好操作系統和架構。博世不僅提硬件架構，也提軟件架構。它創造性地分了三層架構，下面是ICT基礎架構、內核和車輛的AUTOSAR中間件；中間是針對應用的可插入模塊；上面是應用開發層。左邊是同樣的架構在云上的映射，然后是數字孿生。
從整個行業發展看，不論是代表硅谷ICT進入汽車行業的特斯拉，還是傳統汽車巨頭，都認為變革不僅僅是芯片硬件，更主要的是定義軟件或汽車操作系統。傳統內核只是一部分，更重要的是連接計算機內核和應用平臺之間的部分。
什么是自動駕駛操作系統？
尚進博士說，兩年前提出的中國自動駕駛操作系統現在看起來還是極具前瞻性的頂層設計，回答了智能汽車操作系統不僅僅是內核，而是包含行業共性東西的問題，如駕駛功能或應用開發需要的基礎軟件。
在開發車輛應用時，主機廠怎么開發自動駕駛功能呢？應該像基于AUTOSAR開發網關那樣進行開發，使用集中域控開發自動駕駛操作系統。自動駕駛的研發包括底盤域、座艙域等，然后還要把動力域集成在一起，這就要使用智能汽車操作系統。它是對中央域控、與云結合的很多ICT的一個抽象共性解析，一定離不開車輛功能的共性。
中國正在定義車輛操作系統的國標，包括車控和車載。車控分成兩個階段，第一個現在已經有了，叫做安全車控，包括傳統的AUTOSAR CP；而在自動駕駛場景，需要基于域控的行業融合支撐的公共軟件，進一步開發整車操作系統及云操作系統。
智能網聯汽車OS開發實踐
今年3月，工信部發布了《車載智能計算基礎平臺參考架構1．0》（簡稱“車載計算基礎平臺白皮書”），作為其編撰者之一，尚進博士表示，不論是汽車操作系統，還是手機操作系統，操作系統首先要向下跟硬件解耦，一是跟芯片解耦，二是跟硬件架構解耦。
自動駕駛域控基于的硬件架構有幾種。一種是Mobileye，用智能傳感器來做；另一種是一個大的SoC；還有一種是AI和計算分離的硬件。不同的硬件架構應該使用同一套操作系統，要能夠跟架構或芯片解耦。
從自主角度看，這樣的操作系統不僅支持華為，也支持地平線、黑芝麻，以及一些國外廠商。另一點是優化，做車用產品，特別是車控自駕，包括底盤、車身等，必須具有實時性和安全性，又離不開深度耦合。
在內部實現方面，傳統計算機內核、AUTOSAR或傳統車輛操作系統，還有功能軟件起什么作用呢？主要是銜接ICT和應用開發，具體包括保證整個域控器的實時性、可靠性和平臺化，還有數據安全。
操作系統包括數據安全、網聯云控功能，不僅有傳統計算機定義的CPU調度、內存分配，還包含網絡棧，甚至包含防火墻功能。所以，任何一個定義的操作系統不僅包含行業本身的應用開發，也包含很多應用中需要的共性東西。這個操作系統向上要提供應用開發接口，能夠讓主機廠、Tier 1高效地開發自動駕駛應用。
在軟件定義汽車時代，需要開發更多的擴展功能，比如各種HMI（人機接口）、面向SOA（面向服務的架構）的各種接口。一個好的操作系統平臺要向下跟硬件解耦，同時具有控制性。隨著芯片功能的提升，操作系統性能也要提升。支持L1、L2、L4功能的應該是同一套操作系統，也包括算法。主機廠需要找到自己的發力點，有自己的開發習慣，而操作系統也要跟主機廠共建，能夠將一些主機廠定制化的算法無縫插入，最后形成主機廠的定制OS。
主機廠有所為，有所不為
尚進博士認為，產業鏈不同部分的廠商應該有所為，有所不為。汽車最終一定是硬件和軟件集成在一起的產品，離不開整體系統架構。智能汽車操作系統要求分布式架構設計，包括硬件和軟件的協同，所以包含一些硬件和軟件設計平臺。操作系統是頂層設計，我國也在同步推進和建設汽車國家標準團標。
今年7月，汽車操作系統架構已準備國標立項，團標也在推進中，應該在下個月正式發布，整個行業有四、五十家企業參與。
未來的操作系統將向下跟硬件解耦，向上支持全生態鏈的所有主機廠。目前這樣的操作系統向上提供七類接口，總共有60多個API（應用程序接口），有多達150多項數據類型和消息。這些不是傳統車的信號，而是基于集中域控為自動駕駛開發和新增的內容，不久將推動團標做進一步的補充，希望有全行業的積極參與。
應用開發到底怎么做？
關于應用開發，尚進博士以自動駕駛中人們最熟悉的多源融合ACC功能為例解釋說，基于單雷達的ACC可以通過增加攝像頭等多源傳感器來增加車道線識別功能，實現橫向控制能力的快速開發。
其五個步驟包括：通過默認狀態機加載一個ACC應用，以單毫米波達為感知源；通過車輛系統適配SKD新傳感器；用狀態機配置SKD功能狀態和參數；用插擴算法SDK配置新的融合算法；通過規劃控制SDK選擇合適的規控算法和組件。在這個過程中，環境型數據不需要通過環境模型SDK重構，傳感和算法適配好后數據自動按新配置輸出，即可獲取使用。
整個開發過程是一個完整的SDK環境，從開發編譯到仿真測試都集中在一起。現在主機廠跟以前不一樣，一定要下沉，這也是為什么利用所提供的操作系統，由主機廠做應用開發的原因。主機廠可以自定義ACC狀態機，針對別規控算法，主機廠可以使用一個無縫API接口來保證整個系統的實時性、可靠和功能安全。
比較熱門的NGP（自動導航輔助駕駛）功能也是這樣，主機廠可以利用七類不同SDK定義自己的NGP屬性，根據需要自定義算法。算法、狀態機或控制邏輯都可以自動加入。操作系統與硬件集成在一起提供了幾大數字底座功能，保證整個系統的實時性、可靠性和不同硬件平臺的優化。
另一個很有意思的是HMI，軟件定義并不只是自動駕駛，還有更多擴展功能，自動駕駛操作系統可以由主機廠來定義和定制，HMI可以是座艙，也可以是云端，由第三方以SOA的形式提供不同的消息和數據，并通過接口來定義開發。
數據安全和信息安全不可或缺
尚進博士指出，數據安全和信息安全是智能汽車的必需，也是操作系統的一個重要組成部分。車輛需要車規級的實時性和可靠性，所以一定要跟自動駕駛數據和核心操作系統耦合在一起。
行業所面臨的一個創新性挑戰是自動駕駛安全和車輛數據安全，因為車輛數據量巨大，而且車輛智能化的處理能力都不是傳統信息安全溯源所能夠處理的。
傳統信息安全架構包括防火墻和認證，仍然會存在，它是行業發展的引路或借鑒。但是我們所面臨的新挑戰是自動駕駛安全和數據安全。
在自動駕駛的感知規劃決策、感知規劃控制之間需要做一定程度的隔離，以保證數據安全。從攝像頭收到數據、處理、存儲，最后傳輸的整個過程中，需要做更好的數據分類和分級，實現監控和保護。很明顯，這與自動駕駛操作系統是強耦合的。同樣，用操作系統也可以做自動駕駛、數據安全核心應用的開發。
這里的主要工作是配置，可以提供給主機廠，也可以提供給終端用戶，更可以實現國家監管。利用SDK接口可以為ACC配置不同的策略來實現數據防護，通過自動駕駛架構SDK配置數據安全。
針對ICVOS，根據國家相關法律、法規開發的電子圍欄功能包括：數據分類、數據分級、策略執行和數據脫敏。在缺省情況下，可以將四類分級數據都上傳到云端。此外，如果車開到敏感區域，比如市政府，只有低等級的一級、二級數據可以上傳，三級、四級數據不能上傳；如果開到軍事區，不僅是上傳數據，對周邊攝像頭也會進行限制，如打上馬賽克，只能識別做巡航的車道線。再往前開，不僅不能上傳數據，不能巡航，車也要停下來。數據安全分類大局已定，但是真正要做數據安全防護，一定要跟自動駕駛強耦合。
在車云計算協同中，我們可以將一個物理單車數字化，或者叫智能網聯化的數字抽象，用硬件加上操作系統完成所有應用的開發。今天的車就像一個四個輪子上的數據中心，但現實情況是，ICT必須是云計算，必須融合在一起，有實時的安全架構。
從車控角度看，傳統的幾大域：行駛智駕域、動力車身域、底盤域，都需要實現計算自然延伸到邊緣，即5G MEC，只有利用操作系統才能擴充應用，將物理單車計算與邊緣融合在一起，實現真正的延伸。
在實踐中，通過與各主機廠的合作，在試驗場實現了車邊計算架構，融合了車、路、云、網、圖。基于一個邏輯上統一的OS，從單車到云端，通過不同配置實現車云協同，車和邊緣都運行OS，實現了計算、協同感知、決策規劃。
生態鏈協作剛剛開始
在推動頂層設計和行業工程產品過程中，整個體系架構不是一家所有，需要團結整個生態鏈推進、支撐實現中國標準，幫助中國主機廠實現騰飛。操作系統向下支撐幾乎所有的中國自主技術，也包括國外的芯片硬件平臺；向上服務全部主機廠，分兩層融入成熟的產業鏈和算法；另一方面，主機廠也會開發很多模塊，最后在定制操作系統上做應用開發。
展望未來，智能網聯汽車正在走向硬件趨同、軟件定義和數據驅動。未來將是彈性異構分布硬件平臺＋可移植開放架構、車云協同的操作系統＋廣泛應用開發，還必須有信息安全和數據安全。
尚進博士最后表示，我們的事業剛剛開始，智能網聯是汽車行業變革的下半場。今后將繼續基于行業平臺持續進行前瞻研究、標準研制、測評、示范，共同推進整個行業的發展。
