2023 整车操作系统发展趋势研究

研究报告 亿欧智库https://www.iyiou.com/researchCopyrightreservedtoEOIntelligence,July2023 2023整车操作系统发展趋势研究 目录 CONTENTS 1 整车操作系统是汽车操作系统未来发展重要趋势 1.1定义：实现整车操作系统的最佳方法论 1.2特点：基于SOA架构的整车OS的最大价值在于可实现“跨域功能的调度和融合” 1.3趋势：EE架构向整车集中进化，整车操作系统成为汽车操作系统下一阶段 1.4路径：OEM软件定义汽车转型路径 2 整车操作系统实现高阶软件定义汽车 2.1现状：主机厂与供应商合作共赢，短期升级E/E架构，长期重点发力SOA架构 2.2主机厂技术路径选择 2.3痛点：主机厂技术路径选择及面临的瓶颈 2.4解决方案：ETAS（易特驰）提供用于软件定义汽车的端到端解决方案和工具生态系统 3 行业标准助力构建开放、开源、多层解耦的立体生态体系 3.1生态定义操作系统 3.2行业标准构建开放繁荣生态 4 未来整车操作系统展望与机会 4.1未来整车操作系统生态趋势展望 4.2未来主机厂革新趋势洞察 名词解释 AUTOSAR联盟：成立于2003年，是一种面向汽车行业内各组织的开发伙伴关系。该联盟为汽车电子控制装置开发开放的、标准化的软件架构。 ASIL汽车安全集成等级：ISO26262标准针对道路车辆的功能安全性定义的风险分类系统，该标准将功能安全定义为“不存在由电气电子系统故障行为相关的危害引起的不合理风险”。ISO26262确定了四种ASIL—A、B、C和D。ASILA代表最低程度的汽车危害，ASILD则代表最高程度的汽车危险。若是识别为QM的风险，不需要有对应的安全需求。 COVESA联盟：前身为GENIVI，成立于2009年，是一个全球数十个联盟成员共同构成并驱动的非营利汽车技术联盟，专注于开放标准与技术的发展，加速互联汽车系统的创新，营造更加多元、可持续且高度整合的交通运输生态系统。 DCU域控制器：根据汽车电子部件功能将整车划分为动力总成、智能座舱和智能驾驶等几个域，集中控制域内原本归属各个ECU的大部分功能，以取代传统的分布式架构。 ECU电子控制单元：是汽车电子控制系统的大脑，它对各个传感器输入的电信号以及部分执行器反馈的电信号进行综合分析与处理，给传感器提供参考电压，然后向执行器发出控制信号，使执行器按照控制目标进行工作。 HPC高性能计算单元：通过聚合计算能力来提供比传统计算机或服务器更强大的计算性能。 OEM原始设备制造商：又称作主机厂、整车厂。 OTA空中下载：通过空中下载的方式对车辆中的软件进行远程升级。 SOA面向服务的架构：是一种高层级的架构设计理念，可通过在网络上使用基于通用通信语言的服务接口，让软件组件可重复使用。 SoC芯片：是单片系统或片上系统，是一个将电脑或其他电子系统集成到单一芯片的集成电路。单片系统可以处理数字信号、模拟信号、混合信号甚至更高频率的信号。 Tier1供应商：即一级供应商，也就是跟OEM签订供应合同的供应商。 车控操作系统：运行于车载智能计算基础平台异构硬件之上，支撑智能网联汽车驾驶自动化功能实现和安全可靠运行的软件集合。 车用操作系统：运行于车内的系统程序集合，以实现管理硬件资源、隐藏内部逻辑提供软件平台、提供用户程序与系统交互接口、为上层应用提供基础服务等功能，包含车控操作系统和车载操作系统。 云原生：根据AWS的定义，云原生是在云计算环境中构建、部署和管理现代应用程序的软件方法。现代企业希望构建高度可扩展、灵活且具有弹性的应用程序，可以快速更新以满足客户需求。 中央计算平台：车身域以及动力域的核心计算单元，集成了中央网关、车身舒适域控制、新能源动力控制、空调热管理等功能。 整车操作系统是汽车操作系统未来发展重要趋势 1996年，Gartner提出SOA，其核心思想在于“通过将庞大的计算系统按照实际业务拆分为独立部署的大小合适的功能模块，提高功能单元的复用性，降低产品开发的复杂度和成本”。 如今，软件定义汽车领域引入SOA，旨在向用户提供全生命周期的跨域软件服务。 基于SOA架构的整车操作系统的最大价值在于可实现 “跨域功能的调度和融合”，基于标准化接口快速响应新功能需求。未来，随着汽车E/E架构向中央集中进化， 消费者对智能汽车体验感的期待逐渐增加，基于SOA的整车操作系统将成为汽车操作系统下一阶段。 头部主机厂纷纷加入这一领域的竞争。对比不同发展路径的优劣势后，亿欧智库认为对于绝大多数OEM而言，综合性价比和可行性最高的路径是与软件供应商合作共创，保障开发效率，降低时间和金钱成本，快速拓展开发者生态圈。 1.1定义：实现整车操作系统的最佳方法论——面向服务的软件架构（SOA） 自从汽车电子电气化以来，汽车软件的主要开发模式是在电子控制器之内的嵌入式软件开发，整个汽车 的EE架构是分布式的。然而未来将出现一类新类型的智能汽车软件：跨域融合软件。 根据博世的定义，整车可分为五大功能域，分别为Energy,Motion,Body&Comfort,Infotainment,ADAS，即动力总成域、底盘域、车身域、智能座舱域和自动驾驶域。五大功能域由三大操作系统所控制，这些操作系统统称为车用操作系统。而整车操作系统则可以实现驾舱的跨域融合，将车内各域的功能全部挂载到一套操作系统或同一套编程接口之上，基于标准化接口快速响应新功能需求。因此，软件工程师在修改或新增某一软件功能时，只需对上层应用所对应的服务组件进行代码编写，无需修改底层电子控制器，极大地减少了软件开发的复杂度和成本。 亿欧智库：汽车操作系统分类 整车操作系统 跨域融合 芯片算力需求 集成全液晶仪表盘、抬头显示仪、中控 屏幕及后座娱乐系统等功能 智能座舱域 车载操作系统 车用操作系统 安全车控操作系统 车控操作系统 智能驾驶操作系统 动力总成域 底盘域 车身域 集成汽车传统功能 控制指令和通信的计算需求 自动驾驶域负责自动驾驶过程中大量传感器融合数据的处理任务安全性和实时性 为实现跨域融合等中央计算平台的发展，高性能SoC产品和中央集中式E/E架构是实现跨域融合的硬件基础，而面向服务的软件架构（SOA）则是实现跨域融合的软件基础。1996年，SOA概念由Gartner提出，并率先在IT行业被应用推广。目前，SOA的架构设计理念已经广泛应用于IT和互联网行业。SOA并非一类特定的软件产品，而是一种软件架构设计的理念，其核心思想在于“通过将庞大的计算系统按照实际业务拆分为独立部署的大小合适的功能模块，提高功能单元的复用性，降低产品开发的复杂度和成本”。如今，软件定义汽车领域引入SOA，打造“底层硬件、中间层操作系统、上层应用程序”的软件分工模式，实现上层应用软件和底层基础软件的解耦，最终“向用户提供全生命周期的跨域软件服务”。因此，SOA已经成为实现整车操作系统的最佳方法论。 适合基于SOA架构开发的软件 适合基于模型仿真开发动力总成域、底盘域和车身域中的安全车控系统，这些软件对实时性和功能安全性 的传统汽车软件具有非常高的要求。 需要实现跨域功能的软件。 场景1—电动车电池预加热：电动卡车在行车途中，根据导航地图计算出下一个补能点，并提前让电池进入最佳的充电温度。 场景2—舒适进入：用户在进入座舱前，蓝牙已经连上手机并且识别出驾驶人，根据之前的配置信息，调整座椅后视镜，方向盘高度，打开氛围灯和空调。 值得注意的是，传统汽车软件开发的中间性工具链并不会被取代，刹车、转向、防抱死、车身稳定控制等传统车控软件是由单一ECU控制，并不适用于SOA架构，未来仍会通过基于模型仿真和嵌入式的传统汽车软件开发方式进行开发。但是由于未来新型的车用软件需具备跨域能力，因此无法按照传统单一ECU的开发方式去开发，必须采用SOA架构。 车辆平台 1.2特点：基于SOA架构的整车操作系统的最大价值在于可实现“跨域功能的调度和融合” 智能汽车SOA软件架构的特点在于分层化、模块化。其中，下层基础软件具备接口标准化、相互独立、松耦合的特点。 •汽车软件架构分层化：智能汽车SOA按层级自下而上大致可分为硬件平台、系统软件（虚拟机、系统内核、中间件）、功能软件以及应用软件。广义操作系统由系统软件和功能软件组成，处于上层应用软件和底层硬件之间，一般采用分层的方法和结构由底层向上构建，以此来实现软硬件解耦，从而将软件功能的更新与车型的更新分离开来。 •汽车软件架构模块化：按照业务功能，智能汽车SOA把软件系统拆分为多个独立的功能模块（即服务），模块之间通过标准化的接口和数据格式相互调用。在汽车生产中，模块化带来的优势是实现应用层功能在不同车型、硬件平台、操作系统上复用，通过减少重复设计实现了更低的开发成本，提高开发效率，还可基于标准的接口对应用功能进行快速迭代升级。 基于SOA架构的整车操作系统的最大价值在于可实现“跨域功能的调度和融合”。由于API已经提前预埋好，在SOA架构下开发和升级软件无需改变原有ECU内的控制模型。上层应用软件在中央计算平台上，可通过SOA调用直接控制跨域的ECU事件。因此，软件开发时间可从半年被压缩到2周，再经历2周验证后，车企即可对用户进行OTA推送。例如，通过身份识别判定车内不同座位上的人员，自动调整车内的座椅和靠背的位置、分区空调、后视镜角度。由于这种功能体验集成涉及到4至5个不同的ECU，在传统的开发模式下，需要每个ECU的供应商修改其嵌入式软件，再进行功能安全验证，耗时非常长。 SOA架构 安全体系 工具链 ｜ ｜开发&仿真&调试&测试等 广义操作系统 Hypervisior/BSP/Drivers 狭义操作系统：内核（Linux/VxWorks/OSEKOS等RTOS） 中间件组件（AUTOSARRTE/分布式通信/管理平面和数据平面等） 控制单元MCU AI单元/计算单元（ASIC/GPU/CPU/FPGA） 控制执行 决策规划 感知融合 HMI 数据地图 应用软件 亿欧智库：整车操作系统架构图 应用软件 功能软件 动力系统 底盘系统 车身系统 自动驾驶 信息娱乐 网联/云控 整车控制执行 自动驾驶 智能座舱 系统软件 硬件平台 外围硬件 摄像头、雷达、GPS惯导等传感器 V2X（云控/地图） 动力、底盘控制等 自动驾驶车辆/功能需求/平台技术/整车集成 1.3趋势：E/E架构向中央集中进化，消费者对智能汽车体验感的期待增加，基于SOA的整车操作系统成为汽车操作系统下一阶段 技术层面：整车电子电气架构由传统分布式向域集中式，进一步向中央集中式演进，给整车操作系统发展带来必要的硬件基础。目前市面上大部分主流量产车（尤其是燃油车）都是传统分布式E/E架构，各项功能由上百个ECU来控制，且采用“面向信号”的软件结构，ECU之间通过CAN/LIN,总线进行点对点通信。由于这种架构下的软硬件深度绑定，软件升级成本较高，时间周期较长，无法满足车辆功能的增长速度和车载计算能力日益增长的需求。而引入以太网且基于五大域的域集中式架构，一方面能够减少ECU数量，从系统上降低成本、重量和功耗；另一方面基于SOA软件架构，实现软件快速创新与迭代。 未来，ECU的功能进一步集成到中央计算单元，智能汽车从域集中式架构将演变成为一个开放的超级计算机（中央集中式平台），其形态是中央计算单元+区域控制器。平台上运行着标准化的硬件系统和多核、分布、异构的操作系统及中间件服务，其上运行着各类丰富的应用(部分属于云应用软件)，横跨五大域。一方面，可以满足对更强大的算力部署、更高的信号传输效率需求，另一方面，可以搭建车内操作系统应用级生态。 亿欧智库：整车操作系统E/E架构演进 域控制器1 域控制器2 域控制器3