第四章 自動駕駛操作系統(tǒng)

在電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化“新四化”的發(fā)展趨勢下，智能網(wǎng)聯(lián)汽車正快速成為繼個人電腦、智能手機(jī)后的大型智能互聯(lián)移動終端。智能網(wǎng)聯(lián)汽車操作系統(tǒng)是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的內(nèi)核和基石，加快布局操作系統(tǒng)、突破關(guān)鍵共性技術(shù)，不僅對我國的智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)生態(tài)，而且對我國的產(chǎn)業(yè)安全、國家安全而言，都具有深遠(yuǎn)意義。

智能網(wǎng)聯(lián)汽車操作系統(tǒng)是管理和控制汽車硬件與軟件資源的程序系統(tǒng)，其功能是管理系統(tǒng)的硬件、軟件和數(shù)據(jù)資源，控制運(yùn)行程序、網(wǎng)絡(luò)通信和安全機(jī)制及為用戶提供界面交互等。智能網(wǎng)聯(lián)汽車操作系統(tǒng)主要可分為兩大類，即車載操作系統(tǒng)和車控操作系統(tǒng)。車載操作系統(tǒng)正在向智能座艙、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)聯(lián)功能演變；車控操作系統(tǒng)未來主要支撐實(shí)現(xiàn)對車輛的自動駕駛控制。自動駕駛操作系統(tǒng)是車控操作系統(tǒng)面向自動駕駛功能的延伸，是自動駕駛系統(tǒng)中軟件體系的核心組成部分，提供自動駕駛計(jì)算平臺硬件管理，并為各類自動駕駛算法提供運(yùn)行平臺，實(shí)現(xiàn)多傳感器信息采集、車輛行駛環(huán)境感知、智能駕駛決策、底層車輛控制等諸多功能，是自動駕駛技術(shù)的“靈魂”所在。

第一節(jié) 自動駕駛操作系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

自動駕駛操作系統(tǒng)使用并包含了車控操作系統(tǒng)，其基于異構(gòu)分布硬件/芯片組合，是車控操作系統(tǒng)的異構(gòu)分布擴(kuò)展。車控操作系統(tǒng)是指傳統(tǒng)車控ECU中主控芯片MCU裝載運(yùn)行的嵌入式操作系統(tǒng)，如AUTOSAR（OSEK）操作系統(tǒng)，可參考Classic AUTOSAR軟件架構(gòu)，吸收了其模塊化和分層思想。自動駕駛操作系統(tǒng)，既有車控操作系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)，還能夠提供高性能、高可靠的傳感器、分布式通信、自動駕駛通用框架等模塊，以支持自動駕駛感知、規(guī)劃、決策、控制等功能的共性實(shí)現(xiàn)。自動駕駛操作系統(tǒng)將車控操作系統(tǒng)納入整體系統(tǒng)軟件和功能軟件框架。車控操作系統(tǒng)運(yùn)行在MCU上，一般以功能安全ASIL-D等級保障車載智能計(jì)算基礎(chǔ)平臺安全可靠，并根據(jù)自動駕駛需求進(jìn)行一定程度上的擴(kuò)展。

系統(tǒng)軟件和功能軟件是車載智能計(jì)算基礎(chǔ)平臺安全、實(shí)時(shí)、高效的核心和基礎(chǔ)。自動駕駛操作系統(tǒng)包含系統(tǒng)軟件和功能軟件兩部分。系統(tǒng)軟件創(chuàng)建復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，可參考借鑒AUTOSAR軟件架構(gòu)分層思想，可以實(shí)現(xiàn)與Classic和Adaptive兩個平臺的兼容和交互。功能軟件根據(jù)自動駕駛共性需求，進(jìn)行通用模塊定義和實(shí)現(xiàn)，可補(bǔ)充AUTOSAR架構(gòu)在自動駕駛方面的不足和缺失。

一、系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是針對汽車場景定制的復(fù)雜大規(guī)模嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境。系統(tǒng)軟件一般包含異構(gòu)分布系統(tǒng)的多內(nèi)核設(shè)計(jì)及優(yōu)化、Hypervisor、POSIX/ARA（AUTOSAR Runtime for Adaptive Applications）、分布式系統(tǒng)DDS（數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)）等。

自動駕駛操作系統(tǒng)要求多內(nèi)核設(shè)計(jì)，內(nèi)核要求與Classic AUTOSAR和Adaptive AUTOSAR對內(nèi)核的要求類似。車載智能計(jì)算基礎(chǔ)平臺支持異構(gòu)芯片，需考慮功能安全、實(shí)時(shí)性能要求。當(dāng)前異構(gòu)分布硬件架構(gòu)各單元所加載的內(nèi)核系統(tǒng)安全等級有所不同，如AI單元內(nèi)核系統(tǒng)QM～ASIL-B、計(jì)算單元內(nèi)核系統(tǒng)QM～ASIL-D、控制單元內(nèi)核系統(tǒng)ASIL-D，因而出現(xiàn)不同安全等級的多內(nèi)核設(shè)計(jì)或單內(nèi)核支持不同安全等級應(yīng)用的設(shè)計(jì)。保證差異化功能安全要求的同時(shí)滿足性能要求，是自動駕駛操作系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

目前應(yīng)用在汽車或嵌入式系統(tǒng)中的RTOS（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)），如OSEK OS，VxWorks，RT-Linux等，可以作為計(jì)算單元內(nèi)核的選擇，但要考慮其汽車功能安全等級及市場成熟度。另外，車載智能計(jì)算基礎(chǔ)平臺的復(fù)雜性也要求內(nèi)核系統(tǒng)對系統(tǒng)軟件、功能軟件及應(yīng)用軟件的庫支持和可編程性。國內(nèi)相關(guān)ICT企業(yè)如華為、中興等也推出了自研實(shí)時(shí)內(nèi)核系統(tǒng)，并開始商用或計(jì)劃通過汽車功能安全評估。Linux內(nèi)核緊湊高效、開源靈活、廣泛支持芯片和硬件環(huán)境及應(yīng)用層程序。目前技術(shù)路線也有對Linux系統(tǒng)進(jìn)行定制優(yōu)化、實(shí)現(xiàn)部分CPU和內(nèi)存資源保護(hù)并高效實(shí)時(shí)的混合系統(tǒng)，達(dá)到功能安全等級要求。QNX是目前廣泛應(yīng)用的汽車嵌入式RTOS內(nèi)核系統(tǒng)，其建立在微內(nèi)核和完全地址空間保護(hù)基礎(chǔ)之上，硬實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、可靠、安全，滿足ASIL-D功能安全等級。

Hypervisor虛擬化技術(shù)有效實(shí)現(xiàn)資源整合和隔離。Hypervisor是一種硬件虛擬化技術(shù)，管理并虛擬化硬件資源（如CPU、內(nèi)存和外圍設(shè)備等），提供給運(yùn)行在Hypervisor之上的多個內(nèi)核系統(tǒng)。自動駕駛操作系統(tǒng)是基于異構(gòu)分布硬件的，應(yīng)用程序如AI計(jì)算和實(shí)時(shí)安全功能可能分別依賴不同的內(nèi)核環(huán)境和驅(qū)動，但在物理層面共享CPU等。Hypervisor是實(shí)現(xiàn)跨平臺應(yīng)用、提高硬件利用率的重要途徑。

系統(tǒng)軟件可借鑒Adaptive AUTOSAR平臺思想，采用POSIX API。POSIX（可移植操作系統(tǒng)應(yīng)用程序接口）能夠很好地適應(yīng)自動駕駛所需要的高性能計(jì)算和高帶寬通信等需求。Adaptive AUTOSAR采用基于POSIX標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核系統(tǒng)，可使用所有標(biāo)準(zhǔn)的POSIX API，旨在滿足未來高級自動駕駛的需求。自動駕駛操作系統(tǒng)軟件基于實(shí)時(shí)嵌入式軟件單元架構(gòu)，可借鑒Adaptive AUTOSAR平臺思想，在不同內(nèi)核系統(tǒng)采用POSIX API與應(yīng)用軟件、功能軟件交互。

DDS滿足多種分布式實(shí)時(shí)通信應(yīng)用需求。DDS屬于通用概念，是一種分布式實(shí)時(shí)通信中間件技術(shù)規(guī)范。自動駕駛操作系統(tǒng)需要建立跨多內(nèi)核、多CPU、多板通用、高速高效的DDS機(jī)制。DDS可采用發(fā)布/訂閱架構(gòu)，強(qiáng)調(diào)以數(shù)據(jù)為中心，提供豐富的QoS（服務(wù)質(zhì)量）策略，能保障數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、高效、靈活地分發(fā)，可滿足各種分布式實(shí)時(shí)通信應(yīng)用需求。

目前自動駕駛算法大多在基于Linux內(nèi)核的中間件環(huán)境ROS（機(jī)器人操作系統(tǒng)）中進(jìn)行搭建和驗(yàn)證。ROS主要提供“節(jié)點(diǎn)”間數(shù)據(jù)傳遞服務(wù)。為了增強(qiáng)“節(jié)點(diǎn)”間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、持續(xù)性和可靠性，近期發(fā)布的ROS2通信系統(tǒng)基于分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)設(shè)計(jì)。ROS依托于Linux系統(tǒng)，無法滿足車規(guī)級和嵌入式系統(tǒng)要求，其效率、安全等方面的問題也限制其商業(yè)產(chǎn)品化。

管理平臺和數(shù)據(jù)平臺是自動駕駛操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)基石。管理平臺和數(shù)據(jù)平臺是復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的通用概念。管理平臺包含日志、管理、配置、監(jiān)控等非強(qiáng)實(shí)時(shí)功能，存在于每個硬件單元中。數(shù)據(jù)平臺是實(shí)時(shí)控制平臺，實(shí)現(xiàn)自動駕駛操作系統(tǒng)的主要功能和數(shù)據(jù)處理，運(yùn)行自動駕駛通用數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)收集、失效切換、網(wǎng)聯(lián)、云控、信息安全等功能模塊。

二、功能軟件

功能軟件主要包含自動駕駛的核心共性功能模塊。核心共性功能模塊包括自動駕駛通用框架、網(wǎng)聯(lián)、云控等，結(jié)合系統(tǒng)軟件，共同構(gòu)成完整的自動駕駛操作系統(tǒng)，支撐自動駕駛技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

自動駕駛通用框架模塊是功能軟件的核心和驅(qū)動部分。L3及以上等級自動駕駛系統(tǒng)具備通用、共性的框架模塊，如感知、規(guī)劃、控制等及其子模塊。一方面，自動駕駛會產(chǎn)生安全和產(chǎn)品化共性需求，通過設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)通用框架模塊來滿足這些共性需求，是保障自動駕駛系統(tǒng)實(shí)時(shí)、安全、可擴(kuò)展和可定制的基礎(chǔ)。另一方面，重點(diǎn)算法特別是人工智能算法仍在不斷演進(jìn)，如基于CNN（卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）框架的深度學(xué)習(xí)感知算法、基于高精度地圖等多源信息融合定位算法、基于通用AI和規(guī)則的決策規(guī)劃算法和基于車輛動力學(xué)模型的控制算法等。自動駕駛通用框架模塊定義核心、共性自動駕駛通用框架和數(shù)據(jù)流，包含共性模塊的實(shí)現(xiàn)；提供對外接口API（應(yīng)用程序編程接口）和服務(wù)，以接入非共性或演進(jìn)算法、HMI（人機(jī)接口）等；通用框架模塊也會調(diào)用自動駕駛操作系統(tǒng)內(nèi)的云控、網(wǎng)聯(lián)、信息安全等功能軟件模塊，或使用這些模塊提供的服務(wù)。通用框架模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，可以充分利用市場不斷成熟的、不同領(lǐng)域的算法子模塊，促進(jìn)產(chǎn)品高質(zhì)高效的快速迭代。

網(wǎng)聯(lián)模塊是自動駕駛操作系統(tǒng)功能軟件中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)聯(lián)通信、處理網(wǎng)聯(lián)數(shù)據(jù)的功能子模塊。除滿足常規(guī)網(wǎng)聯(lián)服務(wù)場景要求外，該子模塊通過完善的通用框架模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)聯(lián)協(xié)同感知、網(wǎng)聯(lián)協(xié)同規(guī)劃、網(wǎng)聯(lián)協(xié)同控制等網(wǎng)聯(lián)自動駕駛功能。網(wǎng)聯(lián)數(shù)據(jù)通過V2X獲得，包括路測數(shù)據(jù)、攝像頭、智能信號燈、道路交通提示預(yù)警及其他車輛信息等，與單車傳感器系統(tǒng)的多種探測手段相結(jié)合和融合處理，能夠有效實(shí)現(xiàn)單車感知范圍擴(kuò)展到數(shù)百米，車輛間防碰撞，根據(jù)預(yù)警直接控制車輛啟停等重要感知、規(guī)劃和控制功能。單車智能化與V2X網(wǎng)聯(lián)功能的有機(jī)結(jié)合增強(qiáng)自動駕駛系統(tǒng)整體的感知、決策和控制能力，降低自動駕駛成本，最終實(shí)現(xiàn)無人駕駛。該子模塊是智能網(wǎng)聯(lián)汽車的典型特征，也是自動駕駛操作系統(tǒng)的核心功能之一。

云控模塊是與云控基礎(chǔ)平臺交互的功能子模塊。云控基礎(chǔ)平臺為智能網(wǎng)聯(lián)汽車及其用戶、管理和服務(wù)機(jī)構(gòu)等提供車輛運(yùn)行、基礎(chǔ)設(shè)施、交通環(huán)境等動態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。云控基礎(chǔ)平臺具有高性能信息共享、高實(shí)時(shí)性云計(jì)算、多行業(yè)應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析等基礎(chǔ)服務(wù)機(jī)制。云控模塊通過自動駕駛通用框架模塊的支持，提供云控基礎(chǔ)平臺所需的數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)通過高速通信與中心云/邊緣云進(jìn)行云端感知、規(guī)劃和控制等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步，實(shí)現(xiàn)云—端分工協(xié)同，如基于廣泛多車感知的云端感知、云端多車感知融合和云端最終裁決等。

功能軟件需要支持深度學(xué)習(xí)嵌入式推理框架，便于成熟算法的移植和適配。自動駕駛是深度學(xué)習(xí)算法的重要應(yīng)用場景，尤其在視覺、激光雷達(dá)及決策規(guī)劃方面，算法企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了長期且富有成效的研究和產(chǎn)品化工作。自動駕駛操作系統(tǒng)功能軟件中需要支持深度學(xué)習(xí)嵌入式推理框架（如TensorRT），并兼容TensorFlow和Caffe等主流訓(xùn)練開發(fā)框架的深度學(xué)習(xí)模型，便于已有成熟算法和開發(fā)生態(tài)的移植和適配。

傳感器模塊規(guī)范和模塊化各類自動駕駛傳感器，為傳感數(shù)據(jù)融合提供基礎(chǔ)L3及以上等級自動駕駛技術(shù)方案多依賴激光雷達(dá)、攝像頭、毫米波雷達(dá)等不同類型、不同安裝位置的傳感器，這些傳感器的硬件接口、數(shù)據(jù)格式、時(shí)空比例標(biāo)定方法不同。針對傳感器的多樣性、差異性和共性需求，自動駕駛操作系統(tǒng)功能軟件用預(yù)置傳感器模塊來規(guī)范和模塊化自動駕駛各類傳感器，為異構(gòu)傳感器信息融合處理提供基礎(chǔ)。

第二節(jié) 技術(shù)研究熱點(diǎn)

一、微內(nèi)核

內(nèi)核是一個操作系統(tǒng)的核心，操作系統(tǒng)的內(nèi)核一般分為微內(nèi)核和宏內(nèi)核兩種結(jié)構(gòu)。內(nèi)核負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的進(jìn)程、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動程序、文件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等，連接硬件和應(yīng)用程序，決定著系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。內(nèi)核為應(yīng)用程序提供對計(jì)算機(jī)硬件安全訪問的一部分軟件。內(nèi)核通常提供硬件抽象的方法來進(jìn)行硬件操作，為應(yīng)用軟件和硬件提供簡潔、統(tǒng)一的接口，從而屏蔽復(fù)雜性，使程序設(shè)計(jì)更為簡單。

宏內(nèi)核架構(gòu)操作系統(tǒng)中的所有系統(tǒng)功能包括調(diào)度、內(nèi)存管理、進(jìn)程間通信、文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動等都共享同一個地址空間，并且在特權(quán)模式下執(zhí)行。微內(nèi)核并非是一個完整的操作系統(tǒng)，而只是操作系統(tǒng)中最基本的核心部分，通常用于實(shí)現(xiàn)與硬件緊密相關(guān)的處理。完整的操作系統(tǒng)由特權(quán)模式的微內(nèi)核（含基本服務(wù)）和非特權(quán)模式的系統(tǒng)服務(wù)、設(shè)備驅(qū)動這三個部分組成，共同為用戶程序提供服務(wù)，操作系統(tǒng)和用戶程序一起構(gòu)成業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)。

宏內(nèi)核系統(tǒng)相關(guān)的服務(wù)基本都是放于內(nèi)核態(tài)的內(nèi)核中，例如文件系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動、虛擬內(nèi)存管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等；而微內(nèi)核則把更多的系統(tǒng)服務(wù)（例如文件系統(tǒng)、POSIX服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧及外設(shè)驅(qū)動）放到用戶態(tài)應(yīng)用，形成一個個服務(wù)，等待其他應(yīng)用的請求。為了在宏內(nèi)核與微內(nèi)核之間揚(yáng)長避短，也發(fā)展出了中間的混合內(nèi)核形態(tài)，有部分服務(wù)也會放置于內(nèi)核中。

微內(nèi)核、宏內(nèi)核、混合內(nèi)核操作系統(tǒng)架構(gòu)如圖4-1所示。

微內(nèi)核操作系統(tǒng)建立在模塊化、層次化的結(jié)構(gòu)之上，且采用C/S模式和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)。優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性、可移植性，提供了對分布式系統(tǒng)的支持，融入了面向?qū)ο蠹夹g(shù)。由于服務(wù)都運(yùn)行在用戶態(tài)，服務(wù)與服務(wù)之間采用消息傳遞通信機(jī)制，當(dāng)某個服務(wù)出現(xiàn)錯誤時(shí)，不會影響內(nèi)核和其他服務(wù)。此外，微內(nèi)核可以將任務(wù)劃分成多種安全級別，從而采用相應(yīng)的訪問控制策略來實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的隔離。

另外，微內(nèi)核操作系統(tǒng)的運(yùn)行效率較低。在微內(nèi)核中，由于服務(wù)器之間、客戶和服務(wù)器之間的通信都需要經(jīng)過微內(nèi)核，同樣的服務(wù)請求至少需要進(jìn)行4次上下文切換。

二、虛擬化

虛擬化是一種資源管理技術(shù)，通過對計(jì)算機(jī)資源的抽象和模擬，提供一個隔離執(zhí)行環(huán)境，即虛擬機(jī)。虛擬化可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)資源的動態(tài)分配、靈活調(diào)度、有效共享，提高計(jì)算機(jī)的資源利用率。

智能化、網(wǎng)聯(lián)化的需求持續(xù)推動汽車電子電氣架構(gòu)變革。隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展，汽車電子底層硬件不再是由實(shí)現(xiàn)單一功能的單一芯片提供簡單的邏輯計(jì)算，而是需要提供更為強(qiáng)大的算力支持；軟件也不再是基于某一固定硬件開發(fā)，而是要具備可移植、可迭代和可拓展等特性。智能化與網(wǎng)聯(lián)化共同推動了汽車電子電氣架構(gòu)的變革，一方面是車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)化和高速網(wǎng)絡(luò)的啟用，另一方面是ECU（電子控制單元）的功能進(jìn)一步集成到域控制器甚至車載計(jì)算平臺。

另外，集中化的電子電氣架構(gòu)與汽車電子功能安全標(biāo)準(zhǔn)并不相符。根據(jù)功能安全I(xiàn)SO 26262標(biāo)準(zhǔn)，自動駕駛系統(tǒng)、儀表與HMI（人機(jī)接口）需要滿足不同等級的功能安全要求，從安全角度應(yīng)該進(jìn)行物理上的隔絕。虛擬機(jī)管理的概念被引入汽車電子系統(tǒng)，允許在虛擬機(jī)之上運(yùn)行不同安全等級的操作系統(tǒng)，從而保障不同功能域的功能和信息安全。

虛擬機(jī)技術(shù)一般可以分為全虛擬化、半虛擬化及硬件輔助的虛擬機(jī)。全虛擬化的典型代表是早期的VMWare，虛擬化管理程序在運(yùn)行的時(shí)候捕獲虛擬機(jī)操作系統(tǒng)的特權(quán)指令，并進(jìn)行二進(jìn)制翻譯，使得虛擬機(jī)操作系統(tǒng)以為自己運(yùn)行在物理機(jī)上。全虛擬化的優(yōu)點(diǎn)在于無須修改虛擬機(jī)操作系統(tǒng)，缺點(diǎn)在于性能較差。半虛擬化的典型代表是早期的Xen，它在虛擬化管理程序中添加了一些接口函數(shù)，然后修改虛擬機(jī)操作系統(tǒng)，在特權(quán)指令等需要修改的地方修改虛擬機(jī)操作系統(tǒng)的代碼以便支持虛擬化。半虛擬化的優(yōu)點(diǎn)在于性能明顯提升，缺點(diǎn)在于需要給虛擬機(jī)操作系統(tǒng)打補(bǔ)丁。硬件輔助的虛擬化指的是在處理器中直接加入虛擬化指令支持，處理器引入了新的虛擬化模式。

虛擬化的優(yōu)勢在于隔離性、獨(dú)立性、兼容性。虛擬機(jī)獨(dú)立運(yùn)行在隔離的環(huán)境中，不會被其他虛擬機(jī)干擾和破壞，而且虛擬化屏蔽了底層硬件的差異，對上層操作系統(tǒng)及應(yīng)用提供統(tǒng)一的硬件接口，易于實(shí)現(xiàn)軟件的平臺化。

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