一文带你入门智能座舱产品设计

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什么是智能座舱

快速了解一个“新事物”，首先是了解这个事物的基础概念，然后从基础概念出发逐步拆解事物的关键要素，并深入研究每一个关键要素的作用原理，进一步深入了解这个事物的运作机制和特点，最后再通过抽象得到事物的全貌。

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什么是座舱

在飞机和船舶中，座舱是指内部用于容纳乘客、货物或设备等的空间。座舱按照功能划分，可以分为驾驶舱、客舱、货舱等。驾驶舱是指飞机或船舶的控制室，用于操纵和控制飞机或船舶的运行。客舱是指乘客乘坐的区域，通常包括座位、娱乐设施和卫生间等。货舱是指用于运输货物的区域，通常包括货物装载区、货物固定设备和货物卸载区等。

在乘用车领域，座舱是指车辆的内部空间，用于容纳驾驶员、乘客和货物，汽车座舱按照功能来划分，可以分为驾驶舱、乘客舱、货舱（如后备箱）。

智能的意义

人工智能，从字面上理解，即被人类设计、创造的智能，它是一种模拟人类智慧的技术，通过计算机程序和算法来模拟人类的思维和行为，实现自主学习、推理、决策和交互等功能。人工智能发展至今，已经广泛应用于各个领域，如制造业、服务业、交通、教育、智能家居等，其本质上是通过将其作为人类智力和行动的延伸，使得人类和机器人之间的协作更加安全和高效，为人类带来了更加便捷、高效、智能的生活和工作方式，提升整个人类社会的效率。

同理，汽车座舱的智能化，本质上是通过硬件+软件的手段，让汽车座舱具备人类“智能”的能力，使人与车之间的协作更加安全和高效，为人类提供智能、便捷、安全、个性化的驾乘体验。

智能化的汽车座舱

功能捡漏的仪表盘、卡顿难用的中控小屏、密密麻麻的物理按键、机械的座椅调节、机械的门窗调节、反应蠢钝的语音交互……。

在传统汽车座舱内，用户需要视线离开道路，去寻找相关控制装置，手动操作，如调节车窗、座椅等；用户需要主动寻找各类诸如油量、水温、电量 等信息；车内的互动和娱乐性较差，无法满足用户在行车途中的诸多需求。用户在这样操作繁杂、信息繁杂不直观、互动性差、功能单一、不够人性化的汽车座舱内，在影响驾驶和乘坐体验的同时，还会增加驾驶安全隐患，也无法满足未来满足用户多样化的需求。

2.智能座舱

为了解决传统汽车座舱的问题，智能汽车座舱应运而生，它通过对汽车电子电气架构的革新，在座舱硬件、外围设备、座舱软件、智能内饰的协同下，从用户角色与用车场景出发，为用户打造智能的驾驶辅助系统、驾驶信息系统、智能娱乐系统、智能监测系统等，实现汽车座舱的智能化，实现对驾驶员和乘客的便捷性、舒适性、安全性、娱乐性等方面的提升和优化，具体体现在以下几个方面：

(1).高效安全驾驶：通过对车内驾驶信息的优化、辅助驾驶系统、监测系统等，为驾驶员提供高效、安全的驾驶体验。例如：用液晶仪表或HUD，代替传统的电子仪表，提供更加清晰、直观、丰富的驾驶信息，包括导航、车速、油耗、车辆状态等，让驾驶员更加便捷、直观地了驾驶信息。

(2).智能交互：通过多模交互，让座舱具备自然、直观、便捷的交互方式，使驾乘人员可以更加方便快捷地控制车辆。

(3).常开常新：通过OTA升级，可以推送新的功能与服务，优化驾乘体验，让用户感觉车是常开常新。

(4).智能监测：通过座舱内的传感器对车辆状态、人、环境等进行监测，例如DMS、OMS，为用户打造安全、舒适的座舱空间。

(5).智能娱乐：基于显示设备、音频设备、外接拓展、互联网等为用户提供功能和内容丰富的娱乐服务，如在线音乐、视频、游戏等，让用户在各种用车场景中可以享受更加丰富、便捷、舒适的娱乐体验。

智能座舱发展驱动要素

为什么会有这个"新事物"?哪些因素在背后影响“新事物”的孕育与发展？要回答以上问题，我们就要从新事物的孕育与发展驱动因素去入手。

“汽车强国”战略目标，助推智能座舱

为实现“汽车强国”的战略目标，近年国家相关部门出台多部关于新能源汽车、智联网汽车的扶持、培育和鼓励政策，明确了安全、高效、绿色、文明的智能汽车强国目标，释放出支持加快智能汽车发展步伐的强烈信号。如，“中国制造2025”、“新能源汽车产业发展规划”“智能汽车创新发展战略”等。

这些政策的出台，为智能汽车的发展建立完善的行业标准、法规、补贴政策，促进技术的规范化和标准化，推动资本积极进入，激发消费者购车需求，鼓励相关企业加强研发投入，提高技术水平，推动产业升级和转型，在政策、供需市场、资本、产业生态层面为智能汽车的发展奠定了良好的基础。

例如：谷歌的无人驾驶汽车技术已经处于领先地位，微软推出了用于汽车的人工智能平台，联发科和高通提供了先进的芯片和通信技术，阿里和百度则在智能交通和智能汽车领域展开了布局。这些公司的进入和投资，将加速智能汽车产业的发展和进步。

技术突破，助力智能座舱落地

1.传统分布式架构的束缚

基于传统分布式E/E架构设计的车，车身的每一个功能都是有单独的ECU（电子控制单元）来实现并控制的。随着汽车智能化功能的丰富，每增加一个新的功能就要叠加一套相应的新ECU，导致硬件成本高昂、开发周期长、可靠性和可维护性难以保证，同时也限制了汽车的功能扩展和升级能力。在汽车智能化的进程中，汽车所需的功能的范围和复杂性在持续不断增加，传统的分布式架构，给汽车智能化、智能座舱的发展造成了很大的客观阻碍。

(1).成本高：随着车身功能的增加，ECU 的数量从几十个快速增加到 100 多个，ECU的数量增加不仅会增加整车的重量、内部空间结构的复杂度、线束布线的复杂度，过多的ECU还会让选型、开发、匹配、诊断、研发周期、供应链管理以及其他的管理成本居高不下。

(2).对程序没有主动权：传统分布式架构下，车身每个功能都有其对应的传感器、ECU、控制器，且不同的ECU来自不同供应商，其控制程序在出厂前的就已经被预先嵌入到芯片中，软硬件是紧密耦合，主机厂商无法自主对程序进行迭代升级，在车辆功能越来越复杂的未来，这种模式下无法支撑产品的快速迭代。

(3).算力、通信能力低：随着智能座舱的功能越来越复杂，需要处理、分析的数据和图像也在呈指数级增加，在此趋势下，汽车内部对SOC算力以及数据传输能力的需求也在高速增长。然而，在传统分布式架构中，自为政的ECU，其主控芯片中CPU的算力，是为对应功能专门设计，算力低下且无法协同，另外，传统的 FlexRay、LIN 和 CAN 低速总线数据传输能力低，上述两点均无法满足智能座舱应用场景中高效、准确处理和分析数据的需求。

2.集中式E/E架构与SOA架构强强联合

(2). SOA架构思想，实现软硬解耦

在集中域E/E架构的基础上，主机厂商引入在互联网、PC、智能手机等领域应用成熟的SOA架构模式，按SOA架构的指导思想，将底层硬件、操作系统、上层应用等组成部分抽象为独立的服务层，然后通过标准的接口来与操作系统、底层硬件进行交互，实现汽车功能的控制。

SOA架构的引入，可以让主机厂高效、灵活的管理座舱软件系统，掌握程序上的主动权，加大对上层应用软件的研发和投入，实现对核心技术的掌控，在软件定义汽车时代掌握更多话语权与决策权。

例如：SOA架构下，能够实现更加细粒度的OTA升级，只需更新需要更新的服务即可，而不必对整个座舱软件系统进行升级，提高了OTA升级的效率和精度。SOA架构下，能够实现版本控制和动态部署，使得座舱软件系统的管理和维护更加灵活和可控。

综合所述，集中式E/E架构的出现与SOA服务架构的引入，两者强强联手从硬件架构层面和软件架构层面，为汽车智能化的发展提供了更加坚实的技术基础。

差异竞争：自动驾驶难产，智能座舱先行

1.易落地：智能座舱、自动驾驶，是智能汽车的两大核心模块，在当前的汽车智能化进程中，因自动驾驶技术的发展受到了政策、法规和技术成熟度的制约，进展缓慢，而智能座舱则无需遵守像自动驾驶那样的法规限制，产业链生态成熟，在技术研发与产业化方面的成本和风险也更低，因此在现阶段智能座舱系统是汽车智能化过程中的一个重要突破点。

2.易感知：对于大多数普通消费者来说，他们对汽车的刹车里程、发动机、底盘、电气设备、自动驾驶的参数以及专业知识的了解有限。相比之下，在物理空间、显示设备、智能交互、在线导航和在线娱乐等方面全面升级的智能座舱，这些方面不仅可以提高用户的便利性和互动性，还能够极大地提升用户的使用感受和体验，在消费者体验和选购车的过程中，更容易打动消费者。

3.寻求差异化：在不同汽车品牌关键硬件技术、车身设计、宣传等方面愈发同质化的背景下，由于智能座舱具有可自定义、灵活的特性，因此在寻求汽车差异化的路上，智能座舱更容易和品牌特性相结合从而形成具有品牌特征的差异性，成为车企争相竞逐的焦点。另外，传统互联网企进入汽车行业，在传统的硬件开发、整车制造没有优势的情况下，利用互联网产品思维打造的智能座舱可以帮助其在市场上实现弯道超车。

消费者需求是关键因素

政策在资本、供需市场、技术、供应链生态和人才方面的影响对智能汽车和智能座舱的发展起到只是促进作用，用户需求才是行业发展的基础和商量逻辑成立的关键。基于当下和未来，用户在智能座舱方面的需求是当下的痛点和未来随着技术的发展产生的延伸需求。

1.历史痛点：互联网、数字化和智能产品/服务等新技术已经深入到人们的生活中，人们已经逐渐适应了智能产品/服务、数字化和互联网化的生活方式，并且对于这种生活方式已经产生了依赖和习惯。由于传统汽车座舱具有操作频繁、信息繁杂、互动性差、功能单一、缺乏人性化等痛点，消费者需要一个“智能化”的汽车座舱，来解决以上痛点。

2.未来延伸：随着自动驾驶、软件、硬件、材料、通信等技术的突破发展和人们生活方式的变化，汽车已经不再是单纯的交通工具，而是成为了人们生活中不可或缺的一部分，智能汽车将演进为新型的移动智能终端、第三生活空间，消费者在未来将对于汽车座舱的智能、个性、安全、可靠、健康等方面提出更高的期望和需求。例如：随着显示技术的不断发展，未来智能座舱可能会采用全息显示技术，将娱乐信息和互联网内容以更加逼真的方式呈现在车内，提供更加丰富和个性化的驾驶体验；随着自动驾驶技术的发展与普及，未来消费者在座舱内的主要任务将不是驾驶，因此会基于娱乐、休息、办公等场景，对汽车座舱的智能化空间设计提出更多的需求。

智能座舱构成要素

外围设备

“外围设备”的外围是相对于座舱域控制器而言的，指终端设备和各种传感器、控制单元等硬件组件，它们通过有线或无线方式与座舱域控制器进行连接，实现信息采集、数据处理和控制操作等功能，具体包括以下几个方面：

1.显示设备：如中控屏、副驾屏、液晶仪表、流媒体后视镜、HUD等，用于显示车辆和座舱状态、导航信息、娱乐内容等。2.传感器：智能座舱通常配备有多种传感器，如雷达、摄像头、气压/温度/湿度、声纳等。它们的作用分别是监测感知车辆周变环境、车内环境、车辆状态、车内用户行为等。例如，摄像头可以拍摄车内和车外的图像，雷达可以探测周围物体的距离和速度。3.人机交互设备：用于实现车与驾驶员、乘客互动和交流，包括：语音识别、手势控制、触摸屏等。例如：语音识别设备，用于驾驶员与车辆进行语音交互，如控制车辆功能、查询信息。

4.控制单元：用于控制各种座舱设备的工作，如空调、车窗、车门、座椅调节等 5.车联网设备：指内置于汽车内部的信息和通信设备，如车载通信模块、GPS定位模块、传感器等，这些设备通过连接到车辆信号总线和无线网络等通信手段，实现车辆与云端、其他车辆、交通设施等之间的连接、信息交换和数据共享。6.电源系统：智能座舱还需要配备专门的电源系统，以保证各个硬件设备正常运行。

座舱域控制器

“域”和“域控制器（DCU）”是整车电子电气架构从分布式架构向集中式架构转变下的产物，“域”可以理解为关联的功能的集合域边界，包括车辆内的各种电子设备、传感器、控制模块等，而“域控制器”则作为域内的“控制中心”，负责连接域内的相关设备，并通过其内部的高算力芯片和软件，处理和转发域内的数据、指令和信息，协调域内功能之间的通信，为对应域功能的实现提供核心支持。

座舱域控制器的是实现汽车座舱智能化的重要组成部分，起着承上启下的作用。从上面的座舱域控制器拆解图，可知，座舱域控制器主要由接口和芯片两部分组成，接口部分包括GPS、USB、网络、摄像头、雷达、显示设备、音频设备、车身部件等接口，实现外围设备与控制器的连接。芯片部分则包括处理器、存储器、通信芯片、传感器芯片、各种专用芯片等，它们在座舱域控制器中负责计算、控制、存储数据等重要工作。

智能座舱软件

有了先进的外围设备和座舱域控制器，只是让汽车座舱有了类似人类四肢、感知、大脑的能力。然而，如果想让汽车座舱真正变得智能化，还需要“软件”来协同工作，通过这些软件的相互协作实现智能座舱的各种功能和服务。从智能座舱软件架构来看，智能座舱的软件部分主要包括系统层、服务层、应用层。

1.系统层

在我们日常使用的PC、手机、平板等智能设备中，操作系统扮演了重要的角色，比如Windows、macOS在PC电脑上的应用，iOS、Android等在智能手机、平板等设备上的应用。操作系统是由内核、管理器、应用程序框架、运行时环境等组成一套基础软件，其主要作用是向下负责管理智能设备的硬件资源（如CPU、内存、硬盘、显示器、输入设备等），向上为各种应用程序提供接口和支持，通过进程/线程管理、内存管理、文件管理、输入/输出管理、网络管理、用户管理、安全保护等功能，协调和管理这些硬件资源的使用，在程序与硬件之间，起到了乘上启下的作用，在用户与智能设备起到了“桥梁”的作用。

 (1).车用操作系统

车用操作系统，是智能汽车的“大脑”，对上它能够支撑应用程序的开发、人机交互的设计、数据的传输，对下能够调动不同架构的硬件和底层软件，以最优的效率管理和调度包括主控芯片、传感器、执行器等在内的硬件资源，合理安排任务的优先级，确保多项智能化任务的协调、安全高效进行。

在汽车中，车用操作系统是运行于车内的系统程序集合，它涵盖了车控操作系统和车载操作系统两个。

①.车控操作系统：指面向动力域、底盘域、自动驾驶域的操作系统，这类操作系统对实时性、安全性、性能、运算能力的要求比较高，目前主机厂商主要基于实时性和安全等级较高的QNX系统进行开发。

②.车载操作系统：指面向信息娱乐系统和智能座舱的操作系统，这类操作系统，对安全性和可靠性的要求相对较低。

③.基础操作系统：基础型操作系统是指车载操作系统的底层操作系统，它承担了操作系统最基本的功能，与硬件直接交互，管理系统的进程、内存、设备、驱动程序、文件和网络等，是完整操作系统层软件的核心组成部分。在汽车行业，目前应用较广泛的基础操作系统主要包括QNX、Linux和Android等。

④.定制操作系统：基于目前国内自主操作系统发展现状的限制，目前国内主机厂商的车载操作系统都是基于Linux、Android定制的操作系统，根军对基系统改造的程度不同，车载操作系统分为定制型、ROM型和超级APP三类。

定制型OS：在基础型操作系统之上进行深度定制化开发,如修改内核、硬件驱动、运行时环境、应用程序框架等。例如：、特斯拉Version,Google车载Android、为鸿蒙OS, AlioS等,它们属于基于Linux自主研发的独立操作作系统。

ROM型OS：基于Linux或Android等基础型操作系统进行有限的定制化开发，不涉及系统内核更改,一般只修改更新操作系统自带的应用程序、云服务、应用程序框架等，由于Android应用生态更好，目前国内主机厂的方案大多是基于Android定制车载操作系统，例如：比亚迪DiLink、蔚来NIOOS、小鹏XmartoS等。

超级APP：超级APP的典型代表为苹果CarPlay、百度Carlife 、华为hicar 等。此类操作系统，在严格意义上不算是操作系统，本质是一个通过有线或无线的方式将手机与车机进行连接，将手机手机屏幕内容映射到车载中控，为用户提供地图、娱乐、通讯、社交等功能的APP。

 (2).虚拟机

智能座舱按功能划分，座舱系统可以分为驾驶信息系统和娱乐信息系统两个部分，娱乐信息系统注重生态体验和多样化的应用，对实时性的要求较低，通常会采用类似Android这样的开放系统。驾驶信息系统模块与驾驶安全息息相关，在数据传输和处理的过程中要及时且不能出现任何错误（例如，在行驶时，驾驶员需要时刻监测车速、转速、油量、温度等车辆状态，如果驾驶信息系统出现故障或响应速度过慢，驾驶员可能无法及时发现车辆异常状态，导致事故），所以对操作系统实时性、可靠性、安全性有较高的要求，而android由于其系统调度和进程管理机制，导致安卓系统在实时性能方面较差，因此针对驾驶信息系统模块，主机厂商一般采用实时性能更强、更稳定的的QNX操作系统。

因此，与消费级智能设备的操作系统不同的是，在智能座舱和整车中，每个域都具备独特的功能属性和稳定性、可靠性、安全等级要求，因而需要不同的操作系统来满足这些需求，为了满足智能座舱不同模块对系统的不同需求，就需要在同一硬件平台（智能座舱域控制器）上同时运行多套操作系统。

那么，如何实现在同一硬件平台上运行多套操作系统呢？

回答上面的问题之前，需要先了解在统一硬件平台运行多套不同操作系统会有什么问题？

不同的操作系统由于其在设计目的不同，在架构、编程语言、内核、库、API、应用程序接口、驱动程序、通信协议等方面的存在许多差异，因此在没有任何隔离措施的情况下，将两套不同的系统运行同一个硬件平台上，会引发灾难性的问题，例如：

兼容性问题：不同的操作系统，由于其”基因“差异，导致它们之间会存在兼容性问题。例如：QNX和Android都是嵌入式操作系统，但由于它们使用不同的内核、驱动程序、通信协议……等，因此如果在同一硬件平台上同时运行这两个操作系统，可能会导致系统崩溃或无法正常工作。

安全问题：在同一硬件平台同时运行两套不同的操作系统，由于他们之间共享相同的硬件资源，如存储设备，在这样的情况如其中一个系统出现安全隐患，则会牵连另外一个系统。

性能问题：不同的操作系统在运行时，他们对硬件的需求是不同的，当两个操作系统共享相同硬件资源的，可能会导致性能问题。例如，一个操作系统可能会占用大量的CPU资源，导致另一个操作系统无法正常工作。

如何在同一个硬件平台上运行多套系统？

为了解决以上矛盾点，虚拟机Hypervisor 技术就引入到汽车领域，虚拟机运行在硬件平台之上，通过在一台硬件平台上进行虚拟化的软件配置创建多个虚拟机，并根据业务需求为每个虚拟机分配虚拟硬件资源（CPU、内存、网络等），每个虚拟机都可以独立运行操作系统和应用程序，就像是一台独立的计算机一样，互不干扰。虚拟机通过软件层面的隔离机制，以此实现在同一硬件平台上运行不同的操作系统。

日常生活中的例子：VMware 是一款常见的虚拟机软件,它可以在一台计算机上创建多个虚拟机，每个虚拟机可以运行不同的操作系统,如Windows、 Linux、macOS等。在每个虚拟机中,用户可以安装不同的应用程序和驱动程序,这些应用程序和驱动程序都只能在虚拟机中运行,不会影响其他虚拟机的运行。

 (3).中间件

中间件概念在传统IT行业的架构设计中就已经被广泛应用，其核心思想是通过将应用程序与底层系统之间的交互逻辑抽象出来，形成一个中间层，从而实现系统的解耦和灵活性。例如：我们在日常工作中常听开发提到的消息队列中间件有ActiveMQ、RabbitMQ等，用于实现应用程序之间的异步通信；数据访问中间件如Redis用于缓存数据，提高数据访问效率；业务流程管理中间件如JBoss JBPM等，用于管理业务流程的执行整个生命周期等。

举个例子：假设一个电商平台，其订单系统需要与物流系统进行交互。传统的做法是将订单系统直接与物流系统耦合在一起，导致系统的扩展性较差，难以应对业务变化。而通过引入一个消息队列中间件，如ActiveMQ，订单系统可以将物流信息推送到消息队列中间件中，物流系统可以从消息队列中间件中获取订单信息，实现了订单系统和物流系统之间的解耦和灵活性，可以很方便地扩展和修改业务流程。

汽车软件架构为什么需要中间件？

在传统分布式架构中，车身某个功能的控制程序在出厂前就已经被嵌入到对应的ECU芯片中，如此主机厂商对程序是没有主动权的，也就无法实现“软件定义汽车”。随着汽车电子架构向域集中式及中央计算的模式转变，域与域控制器的出现，实现了硬件层面模块化管理。但在软件层面，传统汽车软件架构中程序不可移植、不可快速迭代的问题还需被解决。

为了解决以上问题，中间件解决方案被引入到汽车软件架构的中，工程师基于中间件的标准，对硬件功能剥离-抽象并封装于间件中，然后通过标准化的接口提供给上层软件开发工程师，上层软件开发工程师，在实现具体的功能的时，就不用再面对复杂的底层硬件、系统细节，通过中间件的标准接口即可实现相应功能的开发。中间件的应用，在真正实现软硬解耦的同时，使得软件可以在不同车型、硬件平台、操作系统上复用，推动跨平台开发、减少设计的复杂性，从而消除多次重新开发相同软件的问题。

举个例子：如果开发人员想要实现一个智能导航功能，传统做法是需要直接调用座舱系统的各种硬件设备接口，如GPS、传感器、调节等等，而利用中间件，则开发人员只需调用中间件提供的通用服务和接口即可，中间件会自动处理相关的细节和协议转换等问题，而不必开发人员自行解决各种硬件设备及通讯接口问题的复杂工作，从而大大降低了开发难度和成本，允许开发人员更加专注于应用程序的功能实现和优化。

2.服务层与应用层

硬件和系统层软件只是为汽车座舱的智能化完成了基础框架的搭建，在这个基础框架上面，要是实现汽车座舱的智能化，还需要服务层、应用层的软件配合。

(1).服务层：服务层是指运行在系统层之上的软件层级，通过提取智能座舱的核心共性需求，形成智能座舱共性服务功能模块，实现对智能座舱共性功能的平台化支持，并为智能座舱应用层软件提供支持。其中包括联网服务平台、云服务、OTA更新、各种算法服务以及车辆数据采集处理服务等。

(2).应用层:指智能座舱软件架构中最顶层直接面向用户的软件层级，通过与系统层软件、服务层软件的协同，为用户提供各种具体的智能服务和功能，例如导航、社交、影音娱乐、语音识别、车辆状态监控等。

写在最后

1.智能座舱是一个复杂系统：随着学习和研究的深入，发现智能座舱架构里面每一个要素都是一个复杂的分支，涉及到众多的技术应用，是一个相当复杂的系统。建议计划从事相关方面工作的同学，做深入的学习。

2.未来想象空间大：随着自动驾驶技术、显示技术、硬件技术、材料技术等技术的不断发展和人类生活方式的改变，未来汽车座舱的空间设计和“智能”会有很大的想象空间。例如：未来智能座舱将逐渐向语音、手势识别、虚拟和增强现实等更加智能和直观的人机交互方式发展；未来智能座舱的空间设计也将随之而变化，例如可扩展式、可变形式的座舱布局，为用户提供更加灵活且符合个性需求的座舱使用环境。建议从业者，需要不断更新学习，跟上技术的发展趋势，设计出更优秀的座舱产品。

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