0 前言

随着智能网联汽车行业的快速发展，智能座舱系统已成为提升驾驶体验和车辆智能化水平的重要组成部分。智能座舱不再是简单的信息显示平台，而是一个集成多功能模块和交互方式的复杂系统，能够为驾驶员和乘客提供更加安全、舒适和个性化的驾乘体验。作为智能座舱的核心支撑，智能座舱操作系统是一种专为汽车座舱环境设计的软件平台，负责管理和控制硬件设备、应用程序及服务。其核心组件通常包括操作系统内核、中间件、应用程序框架和用户界面，旨在全面支持和优化智能座舱功能。

传统智能座舱操作系统主要基于分布式ECU的电子电气架构，常采用面向信号的架构设计，如QNX、Linux和Android操作系统等。QNX操作系统以其高效的运行性能和强大的可靠性在车载系统中得到广泛应用，但其闭源特性、较高的开发成本和较弱的生态支持限制了其发展潜力。Linux操作系统因其开源特性和优良的扩展性，在智能座舱中的应用逐渐增加，但在实时性、安全性及维护成本方面仍存在挑战。Android操作系统凭借丰富的应用生态和出色的用户体验，已成为许多车载信息娱乐系统的首选，但其安全性相对较低、漏洞风险较高，技术维护成本较高。这些操作系统在早期智能座舱发展中发挥了重要作用，但随着智能座舱功能的日益复杂，它们逐渐暴露出通信效率低、扩展性差等问题。

为了应对这些挑战，现代智能座舱操作系统架构正向中央计算和域控制器方向演进，逐步采用面向服务的架构，即SOA。SOA的核心思想是将系统功能划分为独立的服务模块，通过标准化接口实现模块间的高效通信和协作，这种设计不仅提高了系统的灵活性和扩展性，还显著提升了开发、测试和维护效率。本文提出了一种基于SOA架构的分层设计智能座舱操作系统，旨在提供高效的多传感器多任务信息融合，支持组件模块化、平台化、标准化和服务化设计。该系统具备跨场景应用能力，能够满足智能座舱领域对一体化解决方案的迫切需求。

1 智能座舱域控架构设计

智能座舱架构是基于智能化、万物互联的背景下的车内应用场景，通过整合驾驶信息和车载应用，利用车载系统的强大信息数据处理能力，为驾驶员提供高效且科技感的驾驶体验。智能座舱主要由硬件（包括座舱芯片、HUD和电子后视镜等）、软件和交互（涉及语音识别、人脸识别、触摸识别及生物识别等技术）三大部分组成，如图1所示。

图1 智能座舱组成示意

从物理范围来看，智能座舱包括了操控系统、娱乐系统、空调系统、通信系统、座椅系统、交互系统和感知系统等，以提供驾驶员和乘客更为安全、舒适及智能的驾乘体验。例如，操控系统可能包括方向盘，娱乐系统可能包括中控台屏幕和后排多媒体，通信系统则涵盖蓝牙、WIFI和NFC等。感知系统则可能包括雷达、摄像头、驾驶员健康监控系统和空气质量传感器等，如图2所示。

图2 智能座舱物理范围

座舱域控制器以集中化的形式，满足汽车轻量化、智能化的需求，支撑汽车座舱的丰富功能与强交互性。从硬件层面来看，座舱域控制器一般由一颗主控座舱芯片（System on Chip，SoC）以及外围电路构成，外围电路包括存储芯片（如LPDDR、NOR Flash）、通信芯片（如以太网交换芯片）、音视频数据接口以及相关处理芯片（如ISP、DSP、解串行芯片）构成。经操作系统与应用生态赋能后，座舱域控制器便能融合座舱内仪表显示、信息娱乐、导航、HUD和DOMS等各项功能，连接显示屏、摄像头、传声器及收音机等多个外设，其也是座舱空间体现科技感的直接载体。

为克服分布式电子电气架构的不足，近年来出现了域控中心化架构，其将整车分成几个域控中心（未来，随着芯片算力的增加，也可能整合成一个域控中心），并以中心化架构替代分布式架构，将原本孤立的ECU融合为区域控制器。智能座舱域控制器在整车域控中心的地位如图3所示，智能座舱域作为整车四大域控之一，其将智能座舱的硬件功能、系统功能和软件功能以服务的形式对外提供，让智能座舱从多个软件独立体整合成一套统一的软硬件体系，为车辆的自动化、智能化发展奠定一定的基础。

图3 智能座舱域控制器在整车域控中心的地位

2 基于SOA架构的操作系统分层设计

2.1 SOA设计SOA

是一种软件架构模式，如图4所示，其将应用程序的功能划分为独立的服务，这些服务通过标准化的接口（ESB）进行交互。每个服务都是一个独立的功能单元，能够完成特定的业务任务，并且可以被其他服务调用。SOA的主要特点包括模块化、松耦合、可调用性和可扩展性。模块化意味着功能被分解为多个独立的服务，每个服务可独立开发和部署；松耦合则是指服务之间通过标准接口通信，减少了服务之间的依赖性；可调用性体现为服务可以在不同的应用中被调用，从而提高了开发效率和资源利用率；可扩展性是指系统能够通过增加新服务或扩展现有服务来方便地扩展更多服务。

图4 SOA模型示例

2.2 基于SOA软件的操作系统分层设计

操作系统采用组件模块化、平台化、标准化和服务化的架构，可达到多场景多屏高效开发的效果，本文基于SOA架构的智能座舱操作系统层级设计，如图5所示。根据图5，模型有5层构成，其中底层是硬件层，包含摄像头、传声器、车载音响、触摸显示屏和按键等多模态人机交互硬件，并由具有高算力的智能座舱域控制器ICC负责提供算力平台支撑。硬件层之上是操作系统内核以及硬件抽象层。操作系统的底层采用Type1类型的虚拟化模式，Hypervisor直接运行在硬件上；同时硬件抽象层内核适配多种操作系统，包括Linux、Android和QNX等，植入匹配驱动库，可对接不同芯片和硬件环境，形成标准化的软件接口，从而可以支持不同厂商的硬件设备。再向上是服务总框架层，其基于SOA的设计理念，提供面向服务的通信（SOC），面向服务的调用共享（SORS），面向服务的软件架构（SOSA）。有了这套框架，可以方便地实现跨域融合服务调用。服务总框架层之上则是分解后的原子化服务程序库，可以将需要向智能座舱提供的众多功能，分解为各项原子化服务，形成可调用的程序库。最上层则是智能化服务层，相当于人机操作界面，提供各种智能化业务，如智能迎宾服务，它需要调用原子化服务层的各种服务，例如人脸识别服务、位置距离服务、车灯迎宾服务、智能车门服务和座椅调节服务等各种原子化服务，以营造一个温馨的迎宾场景。

图5 基于SOA架构的智能座舱操作系统分层设计

硬件驱动层利用软件对硬件的驱动控制，完成对芯片寄存器配置等功能，其为基于国产自主MCU开发的匹配各硬件资源的完整驱动库。硬件抽象层负责抽象各种操作系统（OS）和硬件驱动库，为服务总框架层软件提供开发环境；同时硬件抽象层通过Posix标准接口适配多种操作系统，包括Linux、QNX、RTOS和Andriod等，植入匹配驱动库，可对接不同芯片和硬件环境，形成标准化的软件接口。服务总框架层软件在OS抽象层架构上进行软件开发，独立于操作系统和硬件环境，即不考虑硬件驱动和寄存器配置等硬件环境，芯片和外设的升级对整个软件的影响可控，有利于支撑车辆硬件升级服务；服务总框架层软件同时负责实现基础的、国内国际标准化和通用化的服务功能，不随项目需求变更而变更，例如UDS协议、CAN通信协议、TCP/IP协议及CCP/XCP协议等标准化服务的基础通用化部分；同时向原子化服务层提供应用层开发所需的资源和接口。原子化服务层提供服务层的开发环境和通用标准化接口，并对各服务做接口和调度匹配；通用标准化接口可用于控制器内部服务之间的通信，也可用于不同控制器服务之间的通信。服务总架构层由系统控制、通信管理和内存管理等模块化的功能块组成。该分层结构设计向上兼容不同服务类型和应用软件，向下兼容不同硬件环境和操作系统。各层级、各模块及各服务之间运行高效、稳定、通用性强，开发效率高，能支持智能网联化趋势下对软硬件迅速升级的需求。

2.3 主要场景设计

以AI语音引擎、多模交互引擎和云服务引擎为基础构建应用框架，并模块化开发车身数据与控制、导航地图、语音、音乐、在线媒体、小程序、图像识别及账号管理等多个原子应用组件，统一用户管理。本文针对智能座舱，主要包括但不限于如图6所示的应用场景，可以进一步延展。

图6 主要应用场景设计

为了支持上述主要应用场景，可以识别和划分出各种原子化服务能力，如图7～图9所示。

图7 人机交互微服务/组件库设计

图8 车内外通信微服务/组件库设计

图9 车身控制微服务/组件库设计

3 智能座舱设计效果评估

基于SOA架构的智能座舱操作系统分层设计的效果展示如图10所示，本智能座舱系统最多支持6屏显示，支持外置视觉处理器，支持5G通信、车载以太网、AI语音，在线导航及智能场景推荐系统，效果显著。

图10 智能座舱设计效果

（1）驾驶体验感提升：通过集成多种功能，本智能座舱架构可以提供更加直观、便捷和高效的驾驶信息和控制方式；无论是通过中控屏幕的多屏互动，还是通过语音识别、人脸识别等交互技术，驾驶员都可以轻松获取所需信息，并进行精准的操作，提升驾驶的便利性和乐趣。

（2）行车安全性增强：智能座舱架构采用了多种安全技术和设备，如高精度导航、360。环视和泊车影像等，这些技术可以有效提高行车安全性和驾驶员的安全感受。例如，高精度导航可以准确引导驾驶员到达目的地，避免走错路或发生意外；360^。环视、泊车影像则可以帮助驾驶员轻松完成泊车操作，减少因操作不当而引发的刮擦或碰撞。

（3）车内环境优化：智能座舱架构通过智能空气净化器、智能温控系统等设备，优化了车内环境和舒适性，提高了驾驶员的舒适感受和健康水平。这些设备可以根据车内空气质量、温度等参数自动调节，为驾驶员和乘客创造一个舒适、健康的驾乘环境。

（4）智能互联便捷：智能座舱架构通过互联网和智能手机等设备，可以实现与外部世界的实时互动和数据传输，从而实现更高的智能互联性和车联网服务。这使得驾驶员可以随时了解交通状况、路况信息，同时也可以享受在线音乐、导航等服务，提升驾驶的便捷性和娱乐性。

（5）驾驶效率提高：通过语音识别、手势识别等智能化功能和设备，智能座舱架构可以实现更加便捷和高效的驾驶操作和信息处理，从而提高驾驶效率。驾驶员无须分心去操作各种设备或查找信息，只需通过简单的语音或手势指令，即可完成各种操作，提高了驾驶的专注度和安全性。

（6）服务同步开发：基于SOA的操作系统分层设计开发平台DS（Domain System），提供了域控制器SoC与MCU上的整套底层软件系统、虚拟化支持，涵盖了整套开发流程所需的软件栈、工具链及针对典型芯片的工程适配，实现了整车视角的SOA设计与开发，各开发者在一套工具链中完成整个开发过程，各服务层软件可同步开发，使上下游的开发过程配合更加紧密、同步。

（7）开发流程简化：通过软件平台的标准化、模块化和可调用，可显著缩短软件开发周期，简化开发流程，同时应用软件与服务可根据不同需求定制，为用户提供差异化的功能及体验。

4 结语

基于SOA架构分层设计的智能座舱操作系统，可提供丰富的多屏（主屏/副屏/后枕屏/空调屏等）同显/异显交互场景、导航、多媒体、车载游戏、车载连接和车控等信息个性化融合，打造了具有企业特色的一体化座舱；内置高精度导航地图，基于地图，可提供丰富的、差异化的导航，具有购物、饮食及停车等生活信息推荐；内置了基于账户的车辆维护信息、车辆使用习惯及车辆氛围灯等各项个性化服务。

软件应用框架支持跨平台功能，能同时满足Linux和Android系统的应用支撑，提供了多平台的基础组件；采用的组件模块化、平台化、标准化和服务化的架构，可以达到多场景多屏高效开发的目的；安全方面，具备面向生态系统的端到端网络安全防护体系和系统性安全防护技术。

基金项目：安徽省芜湖市“赤铸之光”重大科技专项“智能网联汽车操作系统研究及产业化”，项目编号：2023zd01。

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