3.  架構(gòu)下的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

(1) 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件是針對(duì)汽車場(chǎng)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。

① 內(nèi)核系統(tǒng)

自動(dòng)駕駛操作系統(tǒng)要求多內(nèi)核設(shè)計(jì)，內(nèi)核要求與  AUTOSAR  對(duì)內(nèi)核的要求類似。車載智能計(jì)算基礎(chǔ)平臺(tái)支持異構(gòu)芯片，需考慮功能安全、實(shí)時(shí)性能等要求。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(jí)有所不同，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(jí)的多內(nèi)核設(shè)計(jì)或單內(nèi)核支持不同安全等級(jí)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(dòng)駕駛操作系統(tǒng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

② 虛擬化

虛擬化技術(shù)有效實(shí)現(xiàn)了資源整合和隔離。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），并將虛擬化的硬件資源提供給運(yùn)行在 Hypervisor 之上的多個(gè)內(nèi)核系統(tǒng)。自動(dòng)駕駛操作系統(tǒng)是基于異構(gòu)分布硬件，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(dòng)，但在物理層面共享 CPU 等。Hypervisor 是實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)應(yīng)用、提高硬件利用率的重要途徑。

③ POSIX/ARA

當(dāng)前，系統(tǒng)軟件在行業(yè)中依然借鑒 Adaptive AUTOSAR 平臺(tái)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(dòng)駕駛所需要的高性能計(jì)算和高帶寬通信等需求。Adap- tive 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(jí)別自動(dòng)駕駛的需求。自動(dòng)駕駛操作系統(tǒng)系統(tǒng)軟件基于實(shí)時(shí)嵌入式軟件單元架構(gòu)，是在不同內(nèi)核系統(tǒng)中通過POSIX API 與應(yīng)用軟件、功能軟件交互。

④ DDS

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(dòng)駕駛操作系統(tǒng)需要建立跨多內(nèi)核、多 CPU、多板的通用、高速、高效的 DDS 機(jī)制。DDS 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)，滿足各種分布式實(shí)時(shí)通信應(yīng)用需求。

⑤ 管理平面和數(shù)據(jù)平面

管理平面和數(shù)據(jù)平面是自動(dòng)駕駛操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基石。管理平面和數(shù)據(jù)平面是復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的通 用概念。管理平面包含日志、管理、配置、監(jiān)控等非強(qiáng)實(shí)時(shí)功能，存在于每個(gè)硬件單元。數(shù)據(jù)平面是實(shí)時(shí)控制平面，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛操作系統(tǒng)的主要功能和數(shù)據(jù)處理，用于運(yùn)行自動(dòng)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。

(2) 功能軟件

功能軟件主要包含自動(dòng)駕駛的核心共性功能模塊。核心共性功能模塊包括自動(dòng)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(dòng)駕駛操作系統(tǒng)，支撐自動(dòng)駕駛技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

① 自動(dòng)駕駛通用框架模塊

自動(dòng)駕駛通用框架模塊是功能軟件的核心和驅(qū)動(dòng)部分。L3 及以上等級(jí)自動(dòng)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(dòng)駕駛會(huì)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(dòng)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(dòng)力學(xué)模型的控制算法等。自動(dòng)駕駛通用框架模塊定義核心、共性自動(dòng)駕駛通用框架和數(shù)據(jù)流，并包含共性模塊的實(shí)現(xiàn)；提供對(duì)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(huì)調(diào)用自動(dòng)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(chǎng)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。

② 網(wǎng)聯(lián)模塊

網(wǎng)聯(lián)模塊是自動(dòng)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(chǎng)景要求外，該子模塊通過完善通用框架模塊設(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(dòng)駕駛功能。網(wǎng)聯(lián)數(shù)據(jù)通過 V2X（車用無線通信技術(shù)）獲得，包括路側(cè)數(shù)據(jù)、攝像頭、智能信號(hào)燈、道路交通提示預(yù)警等信息及其他車輛信息等，與單車傳感器系統(tǒng)的多種探測(cè)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(dòng)駕駛系統(tǒng)整體的感知、決策和控制能力， 降低自動(dòng)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(dòng)駕駛操作系統(tǒng) 的核心功能之一。

③ 云控模塊

云控模塊是與云控基礎(chǔ)平臺(tái)交互的功能子模塊。云控基礎(chǔ)平臺(tái)為智能網(wǎng)聯(lián)汽車及其用戶、管理及服務(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(dòng)態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。云控基礎(chǔ)平臺(tái)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(dòng)駕駛通用框架模塊的支持，提供云控基礎(chǔ)平臺(tái)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。

④ 深度學(xué)習(xí)和視覺模塊

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移植和適配。自動(dòng)駕駛是深度學(xué)習(xí)算法的重要應(yīng)用場(chǎng)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(zhǎng)期且富有成效的研究和產(chǎn)品化工作。在自動(dòng)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。

⑤ 傳感器模塊

傳感器模塊規(guī)范和模塊化各類自動(dòng)駕駛傳感器，為傳感器數(shù)據(jù)融合提供基礎(chǔ)。L3   及以上等級(jí)自動(dòng)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，這些傳感器硬件接口、數(shù)據(jù)格式、時(shí)空比例、標(biāo)定方法不同。針對(duì)傳感器的多樣性、差異性和共性需求，自動(dòng)駕駛操作系統(tǒng)功能軟件中預(yù)置傳感器模塊來規(guī)范和模塊化自動(dòng)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)。

3.1.2  基于 ASF 的生態(tài)框架

2022 年，由 AUTOSEMO 執(zhí)行辦公室發(fā)起、A20 成員單位參與，結(jié)合當(dāng)下車用操作系統(tǒng)主要技術(shù)形態(tài)及 AUTOSEMO 技術(shù)生態(tài)，提出了  “AUTOSEMO（2022）智能汽車軟件生態(tài)框架（圖 3.1-4 所示）” ，包含了車端軟件、云端軟件及相關(guān)技術(shù)，同時(shí)也客觀表達(dá)出 AUTOSEMO 各工作組的工作成果在汽車軟件生態(tài)中的體現(xiàn)。

圖3.1-4 AUTOSEMO（2022）智能汽車軟件生態(tài)框架

ASF 是AUTOSEMO Service framework 的縮寫，是AUTOSEMO 攜手行業(yè)內(nèi)主流車企和零部件企業(yè)， 針對(duì)整車通用基礎(chǔ)服務(wù)研制的整車服務(wù)框架規(guī)范。通過該規(guī)范統(tǒng)一服務(wù)和接口，實(shí)現(xiàn)高效的整車控制器 設(shè)計(jì)、開發(fā)，讓跨廠商集成更便捷、可靠。