车控操作系统包括哪些？

按逻辑层次划分，车控操作系统包括系统软件和功能软件。

1.系统软件

系统软件是为智能网联汽车应用场景设计的复杂大规模嵌 入式系统运行环境。系统软件从底向上包括跨内核驱动框架、虚 拟化管理、操作系统内核、系统接口与系统中间件。

1.1 跨内核驱动框架

跨内核驱动框架主要包含四个方面。一是架构设计。定义跨 内核驱动框架的整体架构，包括驱动模型、硬件抽象、核心接口 等，支持常见的宏内核、微内核、混合内核架构等。二是硬件抽 象。通过定义通用的硬件访问接口，实现对不同硬件的抽象和封 装，方便上层驱动的移植。三是核心接口。定义跨内核的通用驱 动接口，例如文件操作接口、中断处理接口、内存管理接口等， 使得驱动程序能够通过统一的接口访问不同内核。四是驱动模型。 定义驱动程序的基本模型和框架，例如字符设备驱动、块设备驱 动、总线设备驱动等，规范驱动程序的实现方式。

车控操作系统中的跨内核驱动框架相比面向单一内核的驱 动具有四方面优势。一是可移植性强。跨内核驱动只需要开发一 次，就可以工作在不同的操作系统内核上，大大提高了驱动程序 的可移植性。二是开发效率高。基于通用接口和硬件抽象层，开 发人员不需要了解具体内核实现，就可以更快速地开发驱动。三 是维护成本低。跨内核驱动代码可以重用，不需要针对不同内核 做定制化工作，大大降低了维护成本。四是兼容性好且升级方便。 抽象层使得驱动能够支持多种版本内核，当内核升级时，不需要 重新开发和编译驱动。

1.2 虚拟化管理

虚拟化管理包括 Hypervisor 和虚拟机监视器（VMM）等，利 用硬件辅助虚拟化技术有效地实现系统资源的整合和隔离。虚拟 化管理能够管理并虚拟化 CPU、内存、外接设备等硬件资源，并将它们分配给运行在虚拟化管理系统软件上的多个操作系统内 核。 车控操作系统基于异构分布硬件架构，应用程序可能需要依 赖不同的内核环境和驱动，但在物理层面上要共享 CPU 等硬件资 源。虚拟化管理起到了至关重要的作用，不仅能支撑实现跨平台 应用的运行，而且能显著提高硬件的使用效率。

1.3 操作系统内核

面向复杂驾驶场景的车控操作系统内核层需要实现多内核 设计。操作系统内核主要负责管理汽车的硬件资源，并为上层软 件提供进程、线程、内存、网络和安全等基础支持。这些内核可 兼容 Classic AUTOSAR 和 Adaptive AUTOSAR 所规定的需求。车 载智能计算基础平台异构分布硬件架构中，不同单元加载的内核 应具有不同的功能安全等级：支持 AI 计算单元的操作系统内核 功能安全等级为 QM~ASIL-B；支持通用计算单元的操作系统内核 功能安全等级为 QM~ASIL-B；支持控制单元的操作系统内核功能 安全等级为 ASIL-D。这就需要安全等级不同的多内核设计，或者 单个内核支持不同功能安全等级应用的设计。

目前，应用在汽车中的实时操作系统可选择 QNX、OSEK OS、 VxWorks 等操作系统内核，选择时需考虑功能安全等级和市场成 熟度。由于车载智能计算基础平台的复杂性，操作系统内核必须 对系统软件、功能软件以及应用软件的库进行支持并且具备可扩 展性和可持续演进能力。国内企业已经推出多款自主研发的操作系统内核，部分已开源并探索商用。部分内核基于 Linux，功能 全面、生态丰富，能广泛支持各类芯片、硬件环境及应用程序。 地平线、黑芝麻、芯驰等企业基于自研 SoC 芯片对 Linux 和 RTOS 进行了定制优化，在增加功能的同时注重强化安全性，实现对部 分 CPU 和内存资源的保护，以满足功能安全等级要求。

在异构分布硬件架构中，独立的安全处理单元已成为芯片设 计的重要方向。独立的安全处理单元可支撑运行可信内核、密码 库，提供安全可信的服务功能接口。可信内核增强了对密码访问 的服务支持。密码库基于硬件实现椭圆曲线密码（ECC）、高级加 密标准（AES）、SM2/SM3/SM4 等密码算法，提供可并发的密码服 务调用。

1.4 系统接口与系统中间件

系统接口是操作系统内核对上层软件提供的服务接口，支持 内存分配、调度管理、I/O 处理、同步互斥等功能。系统中间件 向下获取操作系统内核的系统接口服务支持，向上支撑功能软件 层提供系统中间件的服务和接口。 POSIX API 提升跨多种操作系统内核的兼容性。POSIX API 有实时扩展，包括定时器和时间管理、优先级调度互斥量和条件 变量、消息队列、共享内存、异步 I/O 和同步 I/O 等。 SOA 框架通常包含模块化服务、服务注册发现、标准互操作 性接口、服务编排等内容和特征。 AI 框架用于支撑自动驾驶 AI 应用和大模型应用的开发及运行。 管理中间件中包括数据加密、身份验证、健康管理、网络与 系统安全监测等安全措施及服务，对功能软件中的安全框架和安 全服务等提供支撑，提升整体车控系统的稳定性和安全性。 通信中间件（SOME/IP、DDS 等）具备服务发现、远程服务调 用、读写进程信息等典型功能，实现车内单一节点内进程间通信 或多节点间通信传输，由基于 CAN 信号向面向服务的车载以太网 数据包传输过渡。

2.功能软件

功能软件根据自动驾驶共性需求定义和实现通用模块，是支 撑智能驾驶应用生态建设的重要层级。功能软件包括功能中间件、 应用支撑层、应用软件接口及服务。

2.1 功能中间件

功能中间件是功能软件的核心和驱动部分，由数据抽象、数 据流框架、车云协同框架、安全框架组成。一方面，针对智能驾 驶产生的安全和产品化共性需求，通过设计和实现通用框架模块 来满足这些共性需求，是保障智能驾驶系统实时、安全、可扩展 和可定制的基础。另一方面，随着高阶智驾应用的逐步实现，面 对更复杂更多样的场景，可以通过车云计算框架对云端的强大算 力和存储资源进行利用，实现对大规模数据的高效处理和分析， 以及利用云端的算法和模型进行更复杂和高级的决策和规划，提 高智能驾驶系统的感知、决策和控制能力。

数据抽象是针对不同传感器、车辆底盘、外围硬件等的原 始数据进行处理和封装，提供统一的数据格式。通过标准格式 为上层的智能驾驶通用模型提供各种不同的数据源，进而建立 异构硬件数据抽象，达到屏蔽硬件差异、开发平台差异，应用 软件与系统软件分层解耦。 数据流框架是依托中间件技术提供标准数据接口和实时数 据处理框架。数据流框架一是能够屏蔽不同硬件平台及系统软件 的差异，确保功能软件之间的解耦和可靠通信；二是提供智能驾 驶功能的编排、调度及部署，对各个智能驾驶系统组件和任务进 行协调，提供合理的任务分配和调度机制；三是支持对智能驾驶 应用和算法的数据流节点的拓扑关系进行配置，以及进行任务、 计算单元、实时性等多个维度的调度管理配置；四是结合系统性 能及功能安全等需求，将不同的节点配置到特定的 AI 加速单元、 计算域、安全域等处理单元，在系统运行过程中能够实时调整应 用和算法节点的拓扑关系及调度策略。

车云协同框架实现了智能网联车与云计算、边缘计算等关键 车路云协同技术的有机融合。车云协同框架需要提供可靠的数据 传输和同步机制，以确保车辆与云端之间的数据传输和同步的效 率和准确性，以及提供可靠的网络通信和安全机制，同时支持车 辆端和云端之间的协同处理，将计算任务在不同的计算资源之间 进行分布和协作。 安全框架提供了一系列的安全机制和措施，包括对硬件设备、操作系统、应用程序等进行实时监测，在发现相关故障时及时处 理，防止故障蔓延，进而影响整个系统的运行。其中，安全监控 模块包括设备监控、资源监控、应用程序监控等，在检测到异常 状态时，通过安全监控及时上报，由安全监控服务程序根据系统 配置进行决策处理。

2.2 应用支撑层

应用支撑层使用 SOA 服务等方式为智能驾驶功能提供支持， 主要包含算法/模型库和基础服务。算法/模型库提供智能驾驶应 用的可拆解重组的算法模块和原子组件库，随着深度学习和神经 网络、多模态感知、强化学习等技术发展，算法/模型库提供的 算法模块需要不断丰富扩展，借助新技术，以适应更复杂、更广 泛的智驾应用场景。基础服务为智能驾驶系统提供必要的功能和 支持，随着智能驾驶技术的发展，数据安全和网络安全将成为更 加关键的问题，功能要求更加全面和智能化，基础服务需要具备 可扩展性，不断演进和创新，以应对智能驾驶技术的挑战和需求。

1）算法/模型库

算法/模型库是多个独立的算法模块及模型组成，用户可通 过对这些模块的直接或组合使用，形成智能驾驶系统中不同的功 能。智能驾驶算法库主要为支撑智能驾驶算法进行高效开发，提 供智能驾驶应用的可拆解重组的算法模块和原子组件库，支持组 件式开发，并可自由扩展和引入第三方单元可插扩算法模块，快 速实现环境感知、融合定位、决策规划、运动控制、车用大模型等算法开发。 环境感知是对车辆周围的环境和道路条件进行感知和理解， 帮助智能驾驶系统决策规划。感知算法模型库提供预置的可拆解 重组的感知算法原子组件，包含基于 Transformer+BEV 技术下的 多模态多种传感器下的端到端感知模型组件化和配置化开发。支 持使用各种传感器（如摄像头、毫米波雷达、激光雷达等）获取 车辆周围环境的信息，通过 V2X 通信接收来自其他车辆、交通信 号灯以及交通管理中心的实时信息，将来自不同传感器的数据与 V2X 实时交互信息进行融合，使智能驾驶系统获得更加准确和完 整的环境感知结果。

融合定位是指利用多种传感器技术对车辆位置和环境信息 进行综合处理，以实现精确的定位和导航功能。融合定位模型库 提供预置的可拆解重组的融合定位算法原子组件。通过将不同传 感器的数据进行融合，可以提高定位的准确性和鲁棒性，从而更 好地支持智能驾驶系统对车辆的控制和决策。融合定位技术在智 能驾驶领域具有重要的应用价值，可以提高车辆的定位精度、抗 干扰能力和安全性，为实现可靠的智能驾驶提供基础支持。 决策规划是基于感知和预测结果进行路线与轨迹的决策规 划。决策规划模型库提供预置的可拆解重组的规划算法原子组件， 包括通用 AI 和规则的决策规划算法组件化和配置化开发，实现 对道路环境进行全面、精细的建模和理解，对交通参与者的行为 和意图进行准确的预测和分析，制定出最优的行动策略。

运动控制是根据决策规划的输出结果，对车辆的横纵向进行 控制。运动控制模型库提供预置的可拆解重组的控制算法原子组 件，包括主流的横纵向控制算法组件化和配置化开发，实现根据 决策规划结果，对车辆进行精确的操控和控制策略的实施。 车用大模型是指在智能驾驶系统中应用大型的深度学习模 型来处理感知数据、做出决策以及规划行车路径等任务。利用车 用大模型，将环境信息输入到神经网络中进行特征提取和识别， 决策阶段将感知结果作为输入，经过神经网络的推理和判断，输 出对车辆行为的预测和路径规划，控制阶段将决策结果转化为车 辆的具体控制指令，如转向、加速、制动等。使用车用大模型可 以显著提升智能驾驶系统的感知、理解和决策能力，使得车辆能 够更加准确地识别和适应各种复杂的交通环境。

2）基础服务

基础服务支持智能驾驶系统的安全、可靠和高效运行，包括 数据服务、配置服务、地图服务、网联服务、安全服务、等。这 些基础服务在智能驾驶操作系统中起着关键的作用，支持智能驾 驶系统的安全、可靠和高效运行。它们相互协作，为智能驾驶系 统提供必要的功能和支持。 数据服务为智能驾驶车辆提供数据采集和处理的服务。需要 支持数据的采集、触发、回传等能力。采集服务负责采集任务的 生命周期管理，包括任务建立，收集数据、放入缓存。需要在资 源有限的情况下做数据采集，采集对象为结构化数据和非结构化数据。可以通过相关的配置，对采集的数据、频率、策略以及存 储策略等进行定制化管理和限制。 配置服务对外提供统一的配置接口，支持进行外部链接，获 取用户配置设定，以及返回配置后的结果。可以依据需求通过动 态库和配置来进行加载和使用。在与各种用户界面（UI）进行交 互时，配置服务应提供统一的数据获取与数据发送的方式，便于 各种 UI 进行相关的适配。配置服务还应负责处理和缓存所有的 数据，保证数据的一致性，并统筹处理命令冲突的决策。

地图服务提供高精度、实时的地图数据，以支持智能驾驶系 统的定位、路径规划和决策制定。实现系统与不同厂商的高精地 图数据接入，支持高级驾驶辅助系统（ADAS）功能获取地图相关 的感知数据，支持基于高精地图的定位服务。地图服务提供了包 含 EHP（电子地平线提供者）、EHR（电子地平线解析者）在内的 一系列模块，并对外提供统一的接口获取数据。 网联服务是指智能驾驶技术和网络技术相结合，使车辆通过 互联网实现数据交换和通信。可通过网联服务实现车辆间交通信 息共享和云端控制等。为智能驾驶系统提供远程监控、数据上传 和指令下发等功能，可以实时获取实时交通信息、车辆的状态、 位置、传感器数据等信息，进行数据分析和处理，并根据需要下 发指令给车辆，以实现远程控制和协同操作。同时，可实现对智 能驾驶车辆的协同管理和智能决策。

安全服务包括数据安全、网络安全、AI 安全等，为智驾系统提供基础安全服务。为车辆数据和个人隐私提供了全生命周期的 安全防护机制，并保护智能驾驶系统免受未经授权的访问、篡改 和破坏。采用不同的防护手段，以数据安全分级为基础，按照一 定的规则和策略实现对数据进行全生命周期的管控，包括对数据 建立分类分级处理机制、对敏感个人信息进行加密、提供安全的 数据传输通道、对车外个人信息进行脱敏等。对车载计算平台的 系统完整性保护、机密性保护、身份和访问权限控制、安全管理 和安全隔离，边界和通信安全，智能驾驶应用安全等。提供模型 加密、模型完整性验证等方式确保模型的安全性，避免遭受对抗 性样本攻击，模型篡改等问题。

2.3 应用软件接口及服务

应用软件接口及服务是车控操作系统为应用软件开发所提 供的封装程序，降低技术门槛，提升开发效率。应用软件接口主 要包括配置接口、加载接口和数据交换接口。配置接口主要为传 感器和执行器的适配和标定提供相应接口；加载接口主要为开发 模板及组件的加载提供相应接口，可实现自定义组件的定制化开 发，以及数据流框架的节点编排、部署和调度；数据交换接口实 现应用软件与功能软件之间、功能软件内部算法之间的数据交换， 应包括传感器接口、执行器接口、自车状态接口、地图接口、感 知融合接口、定位接口等。用户可基于接口开发应用软件，依靠 拆解可重组算法库的开发方式，使运行时调度和函数级服务更加 自主灵活，不同应用之间的功能软件组件可高度复用；同时，可通过服务配置和接口，进行功能服务差异化配置和扩展性开发， 支撑软件灵活迭代，为用户提供千人千面的用户体验。这些接口 和服务共同为智能网联汽车系统的开发和应用提供了支持和便 利。