汽車操作系統的前世今生
發布時間：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OperatingSystem” 似乎在一夜間成為了智能網聯汽車的標配。事實真是如此嗎?本文將簡單的介紹下汽車操作系統的前世今生。
車載系統和電控系統
要談汽車操作系統，首先得了解汽車電子。
傳統汽車電子產品可歸納為兩類：一類是車載電子設備，如儀表，娛樂音響、導航系統、抬頭顯示、車載通信、無線上網等等，這類系統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生影響，通常統稱為車載娛樂信息系統(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”，通過直接向執行機構(如電子閥門，繼電器開關，執行馬達等)發送指令以控制車輛關鍵部件(如發動機，變速箱，動力電池等)的協同工作，這類系統可以統稱為電子控制單元(ElectronicControl Unit, ECU)。
常見的ECU包括EMS發動機電控系統，ABS制動防抱死控制、變速箱牽引力控制TCU、電子穩定控制EPS、電子動力轉向EPS，新能源汽車整車控制VCU，電池管理系統BMS等。
為什么需要操作系統?
汽車操作系統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品都需要操作系統。
從20世紀90年代開始，隨著車載和電控系統功能的日益豐富以及汽車電子產品外部交互/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品逐漸需要采用類似個人電腦的軟件架構以實現分層化，平臺化和模塊化，提高開發效率的同時降低開發成本。因此，汽車電子產品才逐步開始采用了嵌入式操作系統(EmbeddedOperating System)。
以車載娛樂信息系統為例，最早的數字收音機/CD播放器采用專用的音頻解碼芯片就能實現，后來實現數字化將可觸摸液晶屏代替播放器開關、調節按鈕，后來又增加了藍牙電話功能，接著又集成了地圖導航、倒車雷達影像，相應的實現這些功能的IVI嵌入式系統主CPU數據處理能力也逐步增強，從最早4位、8位發展到16位、32位到后來多核，引入嵌入式操作系統，就是有效分配CPU資源，對以上各種任務功能進行協同管理，并控制各項任務優先級別。
相比車載電子產品，電控系統通常需要閉環控制，這樣就意味著需要響應更多的輸入輸出信號，任務調度更加復雜;另外，由于電控系統直接參與車輛行駛的管理，系統可靠性要求要更高，因此應用于電控單元ECU的嵌入式操作系統比車載電子產品的操作系統有更嚴苛的技術指標。
車載操作系統 IVI-OS
早在2011年，咨詢機構StrategyAnalytics對中國當時主流汽車主機廠和車載信息娛樂系統供應商進行了調研，報道了當時車載操作系統的生態圈，如圖所示。隨著中國汽車市場的持續增長帶來的變化，該報告在2015年進行了部分更新，目前市場上用于車載系統的OS包括：
1. Android：開源操作系統，無授權費用對很多中低端車載電子產品開發商是有很大的吸引，但是版本升級過于頻繁，開機啟動時間長，系統穩定性不強而飽受詬病。
2. Microsoft：從定位工業應用WinCE到移動通信的Windows Embedded操作系統，由于相對穩定的性能和平(Dao)價(Ban)授權費用,深受眾多從消費電子轉型到后裝導航市場的公司推崇，但市場份額持續下降。
3. QNX：曾經占據接近60%的市場份額，優惠的單機授權費用和良好的開發支持是主流國際汽車電子供應商愿意合作的原因，但隨著其母公司Blackberry的凋落和其他免費競爭對手挑戰，風光已不敵當年。
4. Wind River : 功能強大覆蓋多行業的硬實時操作系統，但授權和開發定制成本非常高，市場份額有限。
5. MicroItron : 日資車型的主流汽車操作系統，但日系供應商也逐漸采用其他OS以滿足不同市場的需要。
6. Linux : 基于開源代碼，穩定和易于裁剪，很多研發能力強的汽車主機廠和供應商在Linux基礎上定制了自有的操作系統。
7. GENIVI : 準確來說是一個標準聯盟。以寶馬為首的知名企業建立的應用于車載系統的開放式軟件平臺和操作系統，基于Linux平臺，形成從研發到應用的閉環生態。
電控實時操作系統 ECU-OS
前面提到過，汽車電控系統屬于復雜測控系統，如果系統任務的響應不及時或有延遲過大，就可能導致嚴重的損失。例如，汽車安全氣囊控制，在車輛發生碰撞的很短時間內(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必須是高穩定性的嵌入式實時性操作系統，實時性的含義是系統保證在一定時間限制內完成特定功能。目前主流的電控操作系統基本都兼容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(OSEK-OS)，通訊系統(OSEK-COM)和網絡管理系統(OSEK-NM)。OSEK操作系統始于20世紀90年代，第一個商業化的OSEK操作系統由德國3Soft公司開發，最早應用于奧迪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架構。發起于2003年，由全球汽車制造商，汽車電子部件供應商，汽車軟件和工具服務商和半導體制造商聯合成立的一個標準聯盟組織，致力于為汽車工業開發一個開放的、標準化的軟件架構。AUTOSAR兼容OSEK/VDX標準，增加了新的系統模塊同時隱含的提出了“軟件定義電控系統”的概念，如圖，完整的AUTOSAR系統架構從下向上分為硬件層HW，硬件抽象層MCAL，基礎軟件層BSW，運行時環境RTE和應用軟件SWC，其中操作系統被包含在BSW層中。
不管是OSEK還是AUTOSAR操作系統，它們僅僅作為標準定義了操作系統的技術規范，各家軟件和工具服務商開發了各自的符合標準的操作系統產品，然后提供給Tier1供應商廣泛應用于各類電控系統。
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包括Vector，KPIT，ETAS，DS以及被收購的EB(Continental)和MentorGraphics(Siemens)。在國內，依托國家“核高基”課題，i-Soft公司也開發了符合AUTOSAR標準的操作系統和基礎軟件，并成功應用于自主品牌和新能源量產車型。
智能網聯對操作系統的新要求
智能網聯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)，并且需要對海量數據進行采集，處理和共享。
要實現智能網聯，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(EEA)。
雖然這樣的設計簡化了汽車電子網絡拓撲結構，但由于各種數據的相互融合也帶來了安全隱患。例如，智能座艙系統ECU將原有的車載信息娛樂系統與V2X,HMI，儀表等數據融合在一起處理，但根據功能安全ISO26262標準定義,儀表的某些關鍵數據和代碼與HMI的代碼屬于不同等級要求(ASIL)，從安全角度應該進行物理上的隔絕。因而這樣的設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系統和其他非安全件的融合在智能網聯汽車上是必然趨勢，汽車電子專家引入了航電設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聯和自動駕駛汽車的應用。
引入虛擬機管理的關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的環境，比如在智能座艙ECU中同時運行Android(車載功能)和QNX(電控功能)，為智能網聯的應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的爭論其實已經不重要，不管怎樣，至少是典型的中國式創新。智能手機市場，阿里為擴大YunOS在手機設備上的市場占有率，阿里巴巴采取的策略是與三線自主品牌手機進行合作，對預裝YunOS的手機進行高額補貼;后轉向汽車市場，阿里從與上汽自主品牌的合作中嘗到了甜頭，開始發力把Alios打造成車聯網操作系統。
但是，Alios對于汽車來說，暫且僅能稱之為車載操作系統，它能驅動汽車智能嘛?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，其優勢在于Alios添加了云服務相關的模塊以接入阿里巴巴的生態環境，重點包括電子商務(淘寶)，網絡支付(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，隨著智能網聯系統的升級，盡管Alios并沒有主動涉及電控ECU操作系統的動力，但由于技術發展的趨勢(如域控制器)會迫使阿里巴巴不得不面臨技術融合的挑戰，積極配合主機廠和一級供應商開發能將非安全相關的車載和安全相關的電控集成于一體的虛擬機，并分享有價值的數據。
第三，Alios總裁胡曉明接受采訪時預期“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企業，畢竟智能網聯汽車行業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“驅動”汽車關鍵部件的操作系統，作為新生代車載操作系統，它只是一個包含云端服務的可支撐人機交互和車聯網數據交換的平臺，如何在這個平臺OS之上實現以支付寶生態系統為核心的服務應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，實質是2C。
2. 百度Apollo系統采用的是開源操作系統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+底層軟件+通用算法模塊)，關鍵在于吸引全球的開發者合作改進自動駕駛所需的各類模塊算法，然后聯合汽車主機廠和零部件供應商將其商業化后共同收集車輛移動中的實時數據(車輛工況，路況，乘客信息等)，結合其高清地圖，不斷優化智能駕駛的核心技術--人工智能算法。
另外，DuerOS作為百度語音智能系統，高度融合在Apollo系統之中是必然選擇，在車載方面與阿里Alios會直接競爭。總之，大數據和人工智能算法是百度Apollo和DuerOS日后2B2C變現的基礎。
3. 智能網聯汽車和域控制理念的發展，有可能進一步推動全球零部件供應商收購汽車操作系統和汽車軟件相關標的;而目前，中國大型的汽車電子企業少有如此的戰略眼光進行這樣布局，仍然以功能型電子產品作為潛在并購標的，缺乏整合垂直技術的能力。相比之下，原本封閉的日資汽車企業都開始邁出垂直整合的步伐，值得國內企業思考。
4. 作為汽車電子行業創業者，如果沒有汽車操作系統的基本概念，他們開發出來的產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融資計劃。