背景：
本文節選自《車(chē)載智能計算基礎平臺參考架構2.0》，該參考架構主要內容及觀(guān)點(diǎn)是編寫(xiě)組依據參考架構1.0為基礎藍本，調研當前行業(yè)實(shí)際現狀及結合未來(lái)3-5年產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展趨勢形成的總結及思考研判。車(chē)載智能計算基礎平臺參考架構將隨著(zhù)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展繼續更新。本白皮書(shū)由中國汽車(chē)工程學(xué)會(huì )汽車(chē)基礎軟件分會(huì )公眾號公布全文，歡迎關(guān)注官方微信公眾號：CSAE汽車(chē)基礎軟件分會(huì )
車(chē)控操作系統是車(chē)載智能計算基礎平臺的核心和軟件棧。
按應用領(lǐng)域劃分，車(chē)控操作系統包括智能駕駛操作系統和安全車(chē)控操作系統。其中，智能駕駛操作系統主要面向智能駕駛領(lǐng)域，支撐感知、定位、規劃、決策等功能的實(shí)現，對安全性和可靠性要求較高。安全車(chē)控操作系統主要面向經(jīng)典車(chē)輛控制領(lǐng)域，如動(dòng)力系統、底盤(pán)系統和車(chē)身系統等，對實(shí)時(shí)性和安全性要求極高。為保證車(chē)載智能計算基礎平臺的安全可靠，車(chē)控操作系統一般需要滿(mǎn)足 ASIL-B 以上等級功能安全要求（安全車(chē)控操作系統需滿(mǎn)足 ASIL-D），并根據自動(dòng)駕駛需求進(jìn)行適度擴展。
按邏輯層次劃分，車(chē)控操作系統包括系統軟件和功能軟件。系統軟件創(chuàng )建了復雜嵌入式系統的運行環(huán)境，包含內核以及與 AUTOSAR 軟件架構類(lèi)似并兼容的中間件層，系統軟件運行在通用計算單元與控制單元上。功能軟件利用硬件及系統軟件接口，針對智能駕駛應用提供實(shí)時(shí)、安全框架，算法共性組件及重要服務(wù)等通用模塊，以完整實(shí)現應用與硬件和車(chē)控操作系統的解耦、并定制高效擴展。
一、系統軟件
系統軟件是為智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)應用場(chǎng)景設計的復雜大規模嵌入式系統運行環(huán)境。系統軟件從底向上包括驅動(dòng)層、操作系統內核與中間件層。
1.1 跨內核驅動(dòng)框架層
針對車(chē)控操作系統對硬件及應用的廣泛覆蓋，多種內核架構及方案實(shí)現下，通用跨內核驅動(dòng)框架會(huì )進(jìn)一步完善分層解耦及高效集成?？鐑群蓑寗?dòng)框架主要包含四個(gè)方面。一是架構設計。包括驅動(dòng)模型、硬件抽象、核心接口等， 支持常見(jiàn)的宏內核、微內核、混合內核架構等。二是硬件抽象。實(shí)現對不同硬件的抽象和封裝。三是核心接口。定義跨內核的通用驅動(dòng)接口，例如文件操作接口、中斷處理接口、內存管理接口等。四是驅動(dòng)模型。定義驅動(dòng)程序的基本模型和框架，例如字符設備驅動(dòng)、塊設備驅動(dòng)、總線(xiàn)設備驅動(dòng)等。
車(chē)控操作系統中的跨內核驅動(dòng)框架相比面向單一內核的驅動(dòng)具有可移植性強、開(kāi)發(fā)效率高、維護成本低、兼容性好且升級方便等優(yōu)勢?？鐑群蓑寗?dòng)只需要開(kāi)發(fā)一次，就可以工作在不同的操作系統內核上，大大提高了驅動(dòng)程序的可移植性，降低開(kāi)發(fā)門(mén)檻和維護成本，提升升級效率。
1.2 操作系統內核
面向復雜駕駛場(chǎng)景的車(chē)控操作系統內核層需要實(shí)現多內核設計。操作系統內核主要負責管理汽車(chē)的硬件資源，并為上層軟件提供進(jìn)程、線(xiàn)程、內存、網(wǎng)絡(luò )和安全等基礎支持。車(chē)載智能計算基礎平臺異構分布硬件架構中，不同單元加載的內核應具有不同的功能安全等級：支持 AI 計算單元的操作系統內核功能安全等級為 QM~ASIL-B；支持通用計算單元的操作系統內核功能安全等級為 QM~ASIL-B；支持控制單元的操作系統內核功能安全等級為 ASIL-D。這就需要安全等級不同的多內核設計，或者單個(gè)內核支持不同功能安全等級應用的設計。
應用在汽車(chē)中的實(shí)時(shí)操作系統選擇時(shí)需考慮功能安全等級和市場(chǎng)成熟度。由于車(chē)載智能計算基礎平臺的復雜性，操作系統內核必須對系統軟件、功能軟件以及應用軟件的庫進(jìn)行支持并且具備可擴展性和可持續演進(jìn)能力。國內企業(yè)已經(jīng)推出多款自主研發(fā)的操作系統內核，部分已開(kāi)源并探索商用。
在異構分布硬件架構中，獨立的安全處理單元已成為芯片設計的重要方向。獨立的安全處理單元可支撐運行可信內核、密碼庫，提供安全可信的服務(wù)功能接口?？尚艃群嗽鰪娏藢γ艽a訪(fǎng)問(wèn)的服務(wù)支持。
虛擬化管理包括 Hypervisor 和虛擬機監視器（VMM）等，利用硬件輔助虛擬化技術(shù)有效地實(shí)現系統資源的整合和隔離。車(chē)控操作系統基于異構分布硬件架構，不同安全和實(shí)時(shí)性要求下，應用程序可能需要依賴(lài)不同的內核環(huán)境和驅動(dòng)，但在物理層面上要共享 CPU 等硬件資源。虛擬化管理起到了至關(guān)重要的作用，不僅能支撐實(shí)現跨平臺應用的運行，而且能顯著(zhù)提高硬件的使用效率。
POSIX API 提升跨多種操作系統內核的兼容性。POSIX API 有實(shí)時(shí)擴展，包括定時(shí)器和時(shí)間管理、優(yōu)先級調度互斥量和條件變量、消息隊列、共享內存、異步 I/O 和同步 I/O 等。
1.3 中間件層
內核接口是操作系統內核對上層軟件提供的服務(wù)接口，支持內存分配、調度管理、I/O 處理、同步互斥等功能。中間件向下獲取操作系統內核的系統接口服務(wù)支持，向上支撐功能軟件層提供系統中間件的服務(wù)和接口。
SOA 框架通常包含模塊化服務(wù)、服務(wù)注冊發(fā)現等，與通信中間件共同完整跨域面向服務(wù)開(kāi)發(fā)架構。
AI 模型接口及開(kāi)發(fā)庫（SDK）,不同芯片廠(chǎng)商提供各自的 AI SDK，用于模型轉換和初始化、加載、推理等，通過(guò) AI 模型接口抽象不同芯片 SDK 為統一接口，支撐自動(dòng)駕駛 AI 大模型模型和應用跨芯片移植和運行。
管理中間件中包括數據加密、身份驗證、健康管理、網(wǎng)絡(luò )與系統安全監測、OTA 升級等安全措施及服務(wù)，對功能軟件中的安全框架和安全服務(wù)等提供支撐，以及保障系統軟件的安全可靠及信息安全等，提升整體車(chē)控系統的穩定性和安全性。
通信中間件具備服務(wù)發(fā)現、遠程服務(wù)調用、讀寫(xiě)進(jìn)程信息等典型功能，實(shí)現車(chē)內進(jìn)程內、跨進(jìn)程、跨內核、跨 CPU 及板間，甚至跨車(chē)云統一通信機制。
ARA提供管理中間件和通信中間件等的向上接口。
二、功能軟件
功能軟件根據自動(dòng)駕駛共性需求定義和實(shí)現通用模塊，是支撐智能駕駛應用生態(tài)建設的重要層級。功能軟件包括功能框架層、功能服務(wù)層、應用軟件接口及服務(wù)。
2.1 功能框架層
功能框架層是功能軟件的核心和驅動(dòng)部分，由數據抽象、數據流框架、車(chē)云協(xié)同框架、安全框架組成。一方面，針對智能駕駛產(chǎn)生的安全和產(chǎn)品化共性需求，通過(guò)設計和實(shí)現通用框架模塊來(lái)滿(mǎn)足這些共性需求，是保障智能駕駛系統實(shí)時(shí)、安全、可擴展和可定制的基礎。另一方面，隨著(zhù)高階智駕應用的逐步實(shí)現，以及大模型在智駕的廣泛應用，面對更復雜更多樣的場(chǎng)景，可以通過(guò)車(chē)云計算框架對云端（邊緣）的強大算力和存儲資源進(jìn)行利用，在實(shí)時(shí)和安全基礎上，實(shí)現對大規模計算需求的協(xié)同分配和實(shí)時(shí)處理，云端的算法和模型在車(chē)規下也可以進(jìn)一步提升到更復雜和高級的決策和規劃。
數據抽象是針對不同傳感器、車(chē)輛底盤(pán)、外圍硬件等的原始數據進(jìn)行處理和封裝，提供統一的數據格式。通過(guò)標準格式為上層的智能駕駛通用模型提供各種不同的數據源，進(jìn)而建立異構硬件數據抽象，達到屏蔽硬件差異、開(kāi)發(fā)平臺差異，應用軟件與系統軟件分層解耦。
數據流框架是依托通信中間件，提供可定制數據接口和實(shí)時(shí)數據處理框架。數據流框架一是能夠屏蔽應用與硬件平臺和系統軟件，確保算法應用之間的解耦和可靠通信；二是支持對智能駕駛應用和算法的數據流節點(diǎn)的拓撲關(guān)系進(jìn)行編排；三是結合系統性能及功能安全等需求，將不同的節點(diǎn)部署到特定的 AI 加速單元、計算域、安全域等處理單元；四是可以根據任務(wù)的優(yōu)先級、實(shí)時(shí)性要求和資源可用性等因素，對任務(wù)進(jìn)行合理的調度和分配，確保各功能模塊按照其優(yōu)先級和時(shí)序進(jìn)行合理調度和執行。數據流框架可滿(mǎn)足自動(dòng)駕駛系統能夠在實(shí)時(shí)性要求下運行，以保證在復雜的交通環(huán)境中能夠安全和穩定的運行。
車(chē)云協(xié)同框架實(shí)現了智能網(wǎng)聯(lián)車(chē)與云計算、邊緣計算等關(guān)鍵車(chē)路云協(xié)同技術(shù)的有機融合。車(chē)云協(xié)同框架需要提供可靠的數據傳輸和同步機制，以確保車(chē)輛與云端之間的數據傳輸和同步的效率和準確性，以及提供可靠的網(wǎng)絡(luò )通信和安全機制，同時(shí)支持車(chē)輛端和云端之間的協(xié)同處理，將計算任務(wù)在不同的計算資源之間進(jìn)行分布和協(xié)作。
安全框架提供了一系列的功能安全機制和措施，包括對硬件設備、操作系統、應用程序等進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，在發(fā)現相關(guān)故障時(shí)及時(shí)處理，防止故障蔓延，進(jìn)而影響整個(gè)系統的運行。其中，安全監控模塊包括設備監控、資源監控、應用程序監控等，在檢測到異常狀態(tài)時(shí)，通過(guò)安全監控及時(shí)上報，由安全監控服務(wù)程序根據系統配置進(jìn)行決策處理。完整的安全框架也包括控制單元的安全保底功能，為系統提供失效降級、失效運行等機制，同時(shí)滿(mǎn)足控制單元 ASIL-D 的功能安全要求。AI 大模型的不確定性特質(zhì)也需要安全框架提供對應的安全檢測機制及接口，可以增加 AI 大模型的異構冗余算法，與 AI 接口結合，實(shí)現 AI 大模型的安全監測，及復用控制單元的安全保底功能。
2.2 功能服務(wù)層
功能服務(wù)層為智能駕駛功能提供支持，主要包含算法組件/ 模型庫和基礎服務(wù)。算法/模型庫提供智能駕駛應用的可拆解重組的算法模塊和原子組件庫，隨著(zhù)深度學(xué)習和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、多模態(tài)感知、強化學(xué)習等技術(shù)發(fā)展，算法組件/模型庫提供的算法模塊需要不斷豐富擴展，借助新技術(shù)，以適應更復雜、更廣泛的智駕應用場(chǎng)景?；A服務(wù)為智能駕駛系統提供必要的功能和支持，隨著(zhù)智能駕駛技術(shù)的發(fā)展，AI 大模型、數據安全和網(wǎng)絡(luò )安全將成為更加關(guān)鍵的問(wèn)題，全面要求（信息）安全服務(wù)和數據閉環(huán)服務(wù)等，基礎服務(wù)同時(shí)需要具備可擴展性，不斷演進(jìn)和創(chuàng )新，以應對智能駕駛技術(shù)的挑戰和需求。
1）算法組件/模型庫
算法組件/模型庫是多個(gè)獨立的算法組件模塊及模型組成，用戶(hù)可通過(guò)對這些模塊的直接或組合使用，形成智能駕駛系統中不同的功能。智能駕駛算法組件和模型庫主要為支撐智能駕駛算法進(jìn)行高效開(kāi)發(fā)，提供智能駕駛應用的可拆解重組的算法模塊和原子組件庫，支持組件式開(kāi)發(fā)，并可自由擴展和引入第三方單元可插擴算法模塊，快速實(shí)現環(huán)境感知、融合定位、決策規劃、運動(dòng)控制、以及”數據驅動(dòng)”的大模型等算法開(kāi)發(fā)。
環(huán)境感知是對車(chē)輛周?chē)沫h(huán)境和道路條件進(jìn)行感知和理解，幫助智能駕駛系統決策規劃。感知算法模型庫提供預置的可拆解重組的感知算法原子組件，包含基于 Transformer+BEV 技術(shù)下的多模態(tài)多種傳感器（如攝像頭、毫米波雷達、激光雷達等）下的端到端感知模型組件化和配置化開(kāi)發(fā)。
融合定位是指利用多種傳感器技術(shù)對車(chē)輛位置和環(huán)境信息進(jìn)行綜合處理，以實(shí)現精確的定位和導航功能。融合定位模型庫提供預置的可拆解重組的融合定位算法原子組件。
決策規劃是基于感知和預測結果進(jìn)行路線(xiàn)與軌跡的決策規劃。決策規劃模型庫提供預置的可拆解重組的規劃算法原子組件，包括通用 AI 和基于規則的決策規劃算法組件化和配置化開(kāi)發(fā)，實(shí)現對道路環(huán)境進(jìn)行全面、精細的建模和理解，對交通參與者的行為和意圖進(jìn)行準確的預測和分析，制定出最優(yōu)的行動(dòng)策略。
運動(dòng)控制是根據決策規劃的輸出結果，對車(chē)輛的橫縱向進(jìn)行控制。運動(dòng)控制模型庫提供預置的可拆解重組的控制算法原子組件。
大模型庫是指隨大模型的迅猛發(fā)展，不僅自動(dòng)駕駛感知，融 合、決策規劃甚至控制也采用了 AI 及大模型，“數據驅動(dòng)”成為自動(dòng)駕駛算法的主要技術(shù)路線(xiàn)。應用在自動(dòng)駕駛上的大模型框架以及共性模型也將是新型的算法組件及模型庫。端到端、輕量化優(yōu)化、多模態(tài)整合、通用 AI 等多種 AI 大模型前端技術(shù)需要在功能軟件中建立相應的共性支撐和實(shí)時(shí)計算框架。使用大模型可以顯著(zhù)提升智能駕駛系統的感知、決策能力，使得車(chē)輛能夠更加準確地識別和適應各種復雜的交通環(huán)境。
2）基礎服務(wù)
基礎服務(wù)支持智能駕駛系統的安全、可靠和高效運行，包括數據服務(wù)、配置服務(wù)、地圖服務(wù)、網(wǎng)聯(lián)服務(wù)、安全服務(wù)等。這些基礎服務(wù)在智能駕駛操作系統中起著(zhù)關(guān)鍵的作用，支持智能駕駛系統的安全、可靠和高效運行。它們相互協(xié)作，為智能駕駛系統提供必要的功能和支持。
數據服務(wù)為智能駕駛車(chē)輛提供數據采集和處理的服務(wù)。需要支持數據的采集、觸發(fā)、預處理、存儲、回傳等能力，特別是大模型下的數據閉環(huán)支撐。采集服務(wù)負責采集任務(wù)的生命周期管理，包括任務(wù)建立，收集數據、放入緩存。采集對象為結構化數據和非結構化數據，數據服務(wù)需要提供用戶(hù)可配、場(chǎng)景及不同負載下可調的采集和預處理配置，對采集的數據、頻率、策略以及存儲策略等進(jìn)行定制化管理和限制。
配置服務(wù)對外提供統一的配置接口，支持進(jìn)行外部鏈接，獲取用戶(hù)配置設定，以及返回配置后的結果?？梢砸罁枨笸ㄟ^(guò)動(dòng)態(tài)庫和配置來(lái)進(jìn)行加載和使用。在與各種用戶(hù)界面（UI）進(jìn)行交互時(shí)，配置服務(wù)應提供統一的數據獲取與數據發(fā)送的方式，便于各種 UI 進(jìn)行相關(guān)的適配。配置服務(wù)還應負責處理和緩存所有的數據，保證數據的一致性，并統籌處理命令沖突的決策。
地圖服務(wù)提供高精度、實(shí)時(shí)的地圖數據，以支持智能駕駛系統的定位、路徑規劃和決策制定。實(shí)現系統與不同廠(chǎng)商的高精地圖數據接入，支持高級駕駛輔助系統（ADAS）功能獲取地圖相關(guān)的感知數據，支持基于高精地圖的定位服務(wù)。地圖服務(wù)提供了包含 EHP（電子地平線(xiàn)提供者）、EHR（電子地平線(xiàn)解析者） 在內的一系列模塊，并對外提供統一的接口獲取數據。
網(wǎng)聯(lián)服務(wù)是指智能駕駛技術(shù)和網(wǎng)絡(luò ) V2X 技術(shù)相結合，使車(chē)輛通過(guò)網(wǎng)聯(lián)實(shí)現數據交換和通信、車(chē)輛間交通信息共享和云端控制等，如信號燈和其他車(chē)實(shí)時(shí)感知或決策信息，可以通過(guò)網(wǎng)聯(lián)服務(wù)及數據流框架與感知和決策規劃相融合。網(wǎng)聯(lián)服務(wù)為智能駕駛系統提供遠程監控、數據上傳和指令下發(fā)等功能， 云端獲取實(shí)時(shí)交通信息、車(chē)輛狀態(tài)、位置、傳感器數據等信息，通過(guò)數據分析下發(fā)指令給車(chē)輛，實(shí)現遠程控制和協(xié)同操作、全局管理等。
安全服務(wù)包括數據安全、網(wǎng)絡(luò )安全、AI 安全等，為智駕系統提供應用信息安全服務(wù)，為車(chē)輛數據和個(gè)人隱私提供了全生命周期的安全防護機制，并保護智能駕駛系統免受未經(jīng)授權的訪(fǎng)問(wèn)、篡改和破壞。采用不同的防護手段，以數據安全分級為基礎，按照一定的規則和策略實(shí)現對數據進(jìn)行全生命周期的管控，包括對數據建立分類(lèi)分級處理機制、對敏感個(gè)人信息進(jìn)行加密、提供安全的數據傳輸通道、對車(chē)外個(gè)人信息進(jìn)行脫敏等。對車(chē)載計算平臺的系統完整性保護、機密性保護、身份和訪(fǎng)問(wèn)權限控制；對智能駕駛應用及通信的安全管理和安全隔離、邊界和通信安全、應用層安全等，如智能駕駛域與車(chē)內網(wǎng)其他節點(diǎn)以及 V2X 節點(diǎn)和云端的傳輸安全，車(chē)載智能計算基礎平臺內部多域之間以及與執行器之間的訪(fǎng)問(wèn)控制、加密保護和監控等；提供 AI 模型加密、模型完整性驗證等方式確保模型的安全性，避免遭受對抗性樣本攻擊，模型篡改等問(wèn)題；建立基于 AI 及大模型的攻擊檢測引擎以及對應的檢測簽名庫，并實(shí)時(shí)安全應用到 AI 接口或大模型庫中。
2.3 應用軟件接口及服務(wù)
應用軟件接口及服務(wù)是車(chē)控操作系統為應用軟件開(kāi)發(fā)所提供的跨平臺統一接口，降低技術(shù)門(mén)檻，提升開(kāi)發(fā)效率。應用軟件接口主要包括配置接口、開(kāi)發(fā)接口和數據交換接口。配置接口主要為傳感器和執行器的適配和標定提供相應接口；開(kāi)發(fā)接口主要為數據流框架的應用模板定義、定制化擴展、節點(diǎn)定義、節點(diǎn)的編排、部署和調度等，也包括基于算法組件和模型庫開(kāi)發(fā)所需要的接口算法；數據交換接口實(shí)現應用軟件與功能軟件之間、功能軟件內部之間的數據交換格式定義和自定義擴展，包括傳感器接口、執行器接口、自車(chē)狀態(tài)接口、地圖接口、感知融合接口、定位接口等，用戶(hù)可基于接口開(kāi)發(fā)和集成應用軟件。同時(shí)，可通過(guò)服務(wù)配置接口，進(jìn)行基礎服務(wù)的差異化配置和擴展性開(kāi)發(fā)，支撐軟件靈活迭代，實(shí)現軟件定義和 SOA 開(kāi)發(fā)，為用戶(hù)提供千人千面的用戶(hù)體驗。這些接口和服務(wù)共同為智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)系統的開(kāi)發(fā)和應用提供了支持和便利。
轉自汽車(chē)電子與軟件
