哪吒汽车：下一代座舱系统的六大特性

下一代座舱系统需要具备哪些特性？

对此，2024年3月13日，在2024第五届软件定义汽车论坛暨AUTOSAR中国日上，哪吒汽车智能研究院-座舱软件部高级总监缪国栋谈到，下一代座舱系统首先应具备高度的集成化特性，并有效减少域间及域内的冗余服务。其次，安全性是不可或缺的要素，特别是对于ASIL等级要求较高的功能，必须提供完备的冗余和备份服务。此外，实时性也是关键，系统需要能够实时处理车辆数据、算法等算力需求。

同时，配置化的操作系统，能够兼容低、中、高不同级别的芯片，以满足多样化的市场需求。开放性同样重要，以便更轻松地引入众多第三方生态应用。最后，定制化服务也不可忽视，为不同车型、配置和品牌提供定制化的驾驶、娱乐、车辆显示和控制体验。这些特性的融合，将共同塑造下一代座舱系统的全新面貌。

缪国栋 | 哪吒汽车智能研究院-座舱软件部高级总监

以下为演讲内容整理：

智能座舱操作系统的发展历程和方向

座舱操作系统的发展可追溯至2014年，随着Base Radio时代的结束，我们开始推出IVI 1.0系统。该系统主要基于四个维度：系统类型、整车功能、娱乐功能以及网络。

早期，Base Radio系统以音频功能为主，如AM、FM播放和蓝牙电话等，ECU零件相对独立。2014年左右，汽车行业开始引入IVI系统，它不仅是车载娱乐系统，更是一个智能互联系统，提供网络服务和智能娱乐功能。然而，基于Linux或QNX的IVI 1.0系统设计虽简单，但存在迭代周期长、稳定性差及GUI框架不成熟等问题。

随后，2016年左右的第二代IVI系统旨在集成更多功能并提升用户体验。这包括ADAS、混动技术、车辆设置等，同时引入自定义应用和ECU交互。系统框架也发生变革，如引入成熟的安卓系统，提升体验并减少开发工作量。但安卓系统对稳定性和实时性要求较高，需引入虚拟化技术。此外，早期安卓对车机支持有限，需定制开发，未来升级面临挑战。

经过前代的发展，我们针对存在的问题和新一代座舱的需求，提出了诸多改进方案，从而构建了一套集成化的座舱系统。该系统最大的亮点在于其集成性，相较于IVI 2.0，它更侧重于车内各控制器间的整合，如AI Hard、仪表及AVM等ECU的集成。现在，AVM控制器在多数情况下已难觅踪影。

在娱乐方面，尽管安卓系统的引入在第二代时解决了诸多问题，但新一代座舱系统仍面临挑战，如提升3D渲染效果，实现前后排及副驾等多屏多音区功能。同时，我们采用服务化设计，便利了ECU间的数据交互。

这一典型座舱系统的设计核心在于集成化。在集成过程中，我们发现许多零件已被整合，实质上形成了一个中度集成的操作系统。它借助安卓的automotive进行持续迭代，大幅减少了IVI 2.0所需的定制工作，为开发人员带来了便利。跨域的SOA通信则增强了域间交互，促进了数据融合，创造出更多酷炫和融合功能。

其缺点同样存在。首先，生态问题是一大挑战。我们原本以为引入安卓和开放生态后能轻易集成各类服务，如互联网大厂的服务，但实际操作中并非如此顺利。其次，虚拟化带来的服务冗余也是一大问题，双系统间缺乏明确的服务分配原则，导致工作冗余。最后，GuestOS和HostOS等操作系统间的界限模糊，若无安全性要求，虚拟化反而显得多余。

在探讨下一代座舱操作系统的设计时，我们首先要审视芯片发展对系统设计的深远影响。自2014年AD Max系列芯片开启智能座舱时代，芯片算力从最初的10k逐渐跃升至数十k，再到如今SA 8155等高性能芯片的问世，未来更将有如SA 8775、Thor等国内外芯片涌现，其算力差异显著，D-maps和GPU性能各不相同。

图源：演讲嘉宾素材

在此背景下，我们面临两大核心挑战：一是如何在算力持续增长的同时，确保座舱操作系统的平滑迭代，避免像前几代系统那样推倒重来；二是如何使操作系统适配不同算力的芯片，实现跨平台的兼容性。

中央集成是座舱操作系统的发展趋势。然而，是否能够实现完全的中央集成，还需视芯片算力的发展而定。在逐步迈向中央集成的过程中，我们应以终为始，将最终集成作为目标，通过持续集成的方式，逐步融合智驾、网关、T-BOX等系统，实现功能的逐步增强。

此外，系统的开放性也是必须考虑的关键因素。当前座舱系统集成生态的困难，部分源于设计理念上的缺陷。因此，需要构建一个开放的系统架构，以便轻松集成各类生态服务，降低集成成本。

最后，实现域间通信的实时处理也是重要诉求。在SOA服务化的基础上，需要进一步探索如何提升域间信号处理的实时性，确保信息的及时传递和有效处理。

基于现状和趋势的设计思路

基于前述的诉求点，我们进一步探讨下一代座舱系统的设计思想。首先，集成化无疑是核心特性，从座舱的发展历程看，集成趋势明显且持续。其次，针对ADAS等级要求高的功能，如报警和数据处理，安全性至关重要。同时，实时性亦不可或缺，与安全性相辅相成，确保数据和算法的高效处理。

图源：演讲嘉宾素材

配置化则解决了中低高端芯片差异及车型配置多样性带来的座舱操作系统复杂性问题。此外，开放性和定制化相互促进，开放性的中间件、应用和桌面能吸引更多合作伙伴，进而实现更多定制化服务。

然而，安全性、实时性、开放性和定制化之间存在一定矛盾。为此，我们设想将系统分为两部分：实时性与安全性部分负责数据和算法处理，而开放性与定制化部分则负责设置和娱乐功能。这样，数据转发、图像处理、报警消息等可从实时性处理核心进行，而显示、娱乐、配置管理及控制设置等功能则在开放系统中实现。

在应用层面，ADAS和物理检测等安全性相关的功能位于一侧，而娱乐相关功能则位于另一侧。两者通过服务进行连接，实现功能的互补与协同。

图源：演讲嘉宾素材

这种设计思想借鉴了网络设备中的异构操作系统理念。Control plane负责控制流处理，而Data plane则专注于实时性要求高的数据转发和处理。两者间的调度确保系统的高效稳定运行。通过这一设计，我们期望在保障安全性和实时性的同时，实现系统的开放性和定制化，为下一代座舱系统的发展奠定坚实基础。

基于异构设计的理念，我们下一代系统有望实现显著改进。具体而言，我们将SOC资源划分为控制系统与数据系统两部分。控制系统专注于人工配置、功能状态管理以及显示渲染等任务，而数据系统则负责处理雷达信号、摄像头数据、网络数据以及算法执行等高安全性要求的工作。为确保数据交互的顺畅，两系统间通过核间通信实现数据的高效传递。

在电源管理方面，我们考虑了三种形态：数据系统与控制系统并行运行、仅数据系统运行以及仅控制系统运行。为加强两异构系统间的通信能力，我们借鉴安卓设计模式，通过代理方式在控制系统上提供统一的服务调度，从而奠定底层架构的基础。

值得注意的是，当前大多数厂商的座舱系统并未采用AUTOSAR设计，而其他域的系统则多基于AUTOSAR。为实现中央集成，我们需将座舱系统的中间件能力与AUTOSAR进行整合。在对比过程中，我们发现诊断、持有化及健康管理等服务存在冗余，需进行优化以避免不必要的重复。

整合过程中，我们面临的挑战在于如何基于AUTOSAR整合现有服务，同时确保满足统一标准的开放生态。为此，我们保留必要业务，并扩展与控制系统相关的服务。系统设计思路为：基于AUTOSAR的系统提供实时、安全、高性能的数据处理应用，而控制系统则提供开放的桌面应用，这些应用可基于AOSP或其他已广泛使用的操作系统，从而构建异构系统架构。

至此，我们已充分讨论了系统的开放性、中间件开放性、实时性、安全性及集成化等方面。然而，生态引入仍是桌面设计面临的重要问题，需进一步探讨和解决。

当前，整个行业都在致力于优化车载系统，合众新能源也不例外。在早期的系统工程中，我们主机场在桌面上实现了大量定制化功能，如快速触达空调按键和SR呈现。然而，这些定制元素增加了页面的复杂性，导致逻辑处理上的冲突。尤其当引入第三方生态时，需要适配工作，这对第三方而言并不理想。

因此，众多厂商开始将车载桌面设计回归手机、平板或办公设备的开放形式，这种逻辑更为简洁。目前市场上已有主流厂商推出相关产品，合众汽车也在积极迭代中，期待很快与大家见面。

这种设计形式使我们的系统能够像手机一样打开多个应用，实现画中画和分屏功能。当然，这也带来了性能挑战。为解决此问题，我们有两种方法：一是当CPU算力足够时，增加系统，但难点在于算力不足时的处理；二是采用配置化方法，通过调优和调度策略来确保性能，同时不影响系统整体运行。

图源：演讲嘉宾素材

配置化不仅是一种开发和管理方法，还是软件设计的重要方式。它针对不同品牌、车型、配置和功能逻辑，在产品开发各阶段形成一级、二级、三级配置，并导入系统。这样，系统能根据配置情况自动调度内核、分配资源，并管理应用的开启与关闭。通过不断优化配置，我们能够解决引入第三方应用时遇到的新问题。

（以上内容来自哪吒汽车智能研究院-座舱软件部高级总监缪国栋于2024年3月13日在2024第五届软件定义汽车论坛暨AUTOSAR中国日发表的《座舱操作系统发展和设计的想法》主题演讲。）