无人驾驶中间件之一：AUTOSAR正在被“边缘化”？

  去年5月份，九章智驾发布的《无人驾驶OS现状及市场格局》在产业内引起了强烈反响，但这篇文章的重点是在说狭义OS即“内核”，对作为广义OS一部分的“中间件”，却着墨不多。那么，中间件到底是什么，它分为哪些类别？每个类别又有何特殊意义？目前市场上有哪些主要玩家？

  带着这样一些问题，《九章智驾》在2021年11月份采访了华玉通软联合创始人毕晓鹏、前中科创达首席架构师汪浩伟（现为均联智行首席架构师）、东软睿驰业务线总监兼欧美全球销售总经理茅海燕、Vector产品专家蔡守群等诸多操作系统领域的专家。

  接下来，我们将结合这一系列采访成果，通过4篇文章对无人驾驶中间做个简单的“科普”，这是第一篇。

  笔者在交流中发现，不同的人对中间件的理解并不一样，甚至可以说，到现在，这个概念还是模糊不清的。比如：

  （1）有的人认为中间件仅指位于OS内核之上、功能软件之下的那部分组件，为上层提供进程管理、升级管理等服务；而有的人则认为中间件还应包括功能软件和应用软件中间的那部分（参见上图）。按茅海燕的说法，前者是“通用中间件”，而后者是“专用中间件”。本文中提到的“中间件”，若不做专门说明，便特指“通用中间件”。

  （2）有一些人提到的无人驾驶中间件，包括了AUTOSAR（又分为AUTOSARCP和AUTOSAR AP），还有一些人口中的中间件，特指ROS2、Cyber RT、DDS等。

  （3）未动科技VP萧猛认为，“中间”一词是相对的，当有多层堆叠的时候，每一层都是其上下两层的中间层，因此，在用“中间件”这个词的时候，我们应该特别指明它究竟位于“哪两层之间”。按萧猛的说法，当我们称 “ROS/ROS2 为中间件”时，其含义与 “AUTOSAR AP为中间件”并不是对等的关系。

  (4)Vector产品专家蔡守群说，他理解的中间件，“是给App开发提供功能支撑的，对外是没有功能表征的；但是站在操作系统内核的角度，中间件跟App并没有本质的区别”。

  汪浩伟说：“专用中间件原本是应用程序的一部分，只是很多公司做无人驾驶都要使用到，就被抽象出来了。”

  毕晓鹏认为，无人驾驶中间件最主要的作用是：对下，它能够去适配不同的OS内核和架构；对上，它可提供一个统一的标准接口，负责各类应用软件模块之间的通信以及对底层系统资源的调度。

  据毕晓鹏解释，前者，使开发者们无需考虑底层的OS内核是什么，也无需考虑硬件环境是什么，即不仅实现了应用软件与OS的解耦，也实现了应用软件与硬件的解耦；而后者则确保了数据能够安全实时地传输、资源做到合理的调度。

  我开发一个应用软件，其中很多内容都是与具体应用逻辑无关的，包括数据通信、通信安全、系统资源调度等，比如，有十个进程需要数据交互，绝对没必要在十个程序的软件代码里各自进行实现和配置。针对这样的一种情况，我们就可以把重复的部分抽象成一种服务，单独封成一层东西（这就是中间件），并提供统一的库、接口和配置方法，供上层去调用。这样的话，有一部分人专门去做中间件的，而做上层应用的人也不需要仔细考虑跟底层交互的事情。

  举例说，如果要做一个自动泊车系统，它有各个模块或业务逻辑独立的不同软件，在进行通信、数据交互，或者调用底层资源时，只需要中间件的一个接口就能轻松实现，其他事情不需要仔细考虑，这样研发人员就能专注于自己的业务逻辑。

  又比如，一个摄像头需要感知前面的车道线、红绿灯等，研发人员就专门做红绿灯和车道线检测算法，与外界的数据交互只需要用中间件的通信服务（例如订阅摄像头信息，发布检测结果），而不必关心数据从哪里来、发给谁。

  “芯片算力大幅度增长，摄像头像素呈翻倍之势，激光雷达出现在更多新车规划上……没有谁能够断言车上的传感器应该有多少，又或者是将来的汽车还会增加哪些硬件，但所有人都知道硬件的变化将会来得更加猛烈。

  “所以我们也能够正常的看到，汽车对软硬件架构的要求也慢慢变得高，既要能满足当下的需求，还要具备相当的前瞻性、兼容性和扩展性，能够支持接下来软硬件升级换代、增减模块的需求。而无人驾驶的中间件，就正是这样一个可以按需调整、满足各样需求的现代温室。

  “在早期开发中，中间件可以化整为零，将巨大的软件工程分解成若干小任务，分散解决。在后期应用时，它又可以化零为整，像拼积木一样，依据需求将一个个模块组合成一个整体，严丝合缝。”

  在春节前的一场直播中，东软睿驰产品营销售卖总监安志鹏说，在软硬件解耦、模块化管理后，再遇上问题，就不用总系统都改，只改相对应的部分就行了。这样，软件的可复用程度就极大地提升了，同时，验证的工作量也会减少许多 ，整体开发效率也会因此提升。

  相反，没有中间件的话，应用层就得直接调用操作系统的接口，后期要是换了操作系统，应用层的代码和算法可能就要推倒重来。

  简言之，中间件通过对计算平台、传感器等资源进行抽象，对算法、子系统、功能采取模块化的管理，并提供统一接口，让研发人员能够专注于各自业务层面的开发，无需了解无关细节。

  按东软睿驰产品营销售卖总监安志鹏的说法，搞AUTSOAR这样的中间件，并不是只对OEM有利，“零部件供应商的选择面也大了——应用做好了，下面的软件、芯片可以选好几家供应商的，要比传统的开发模式快很多，因而，零部件供应商也是受益者”。

  用萧猛的话说，中间件最直接的好处就是“为上层屏蔽底层的复杂性”，软件研发人员可以忽略芯片、传感器等硬件的差异，从而高效、灵活地将上层应用及功能算法在不同平台上实现、迭代、移植。萧猛认为，中间件可以看做是无人驾驶应用背景下的一项“新基建”。

  （图片摘自冯占军博士的《AUTOSAR对基础软件开发是喜还是忧？》一文。AUTOSAR只是中间件的一种，但这里写的“AUTOSAR开发优势”基本也适用于其他中间件。）

  不过，站在开发者的角度看，中间件的意义也未必全部是正面的。如冯占军博士在《AUTOSAR对基础软件开发是喜还是忧？》一文中就提到了如下两点：

  底层软件工程师变成了工具人，“只要你去点点鼠标，用工具配合就可以了”，很多原本由自己做的测试也改由供应商来做，进而导致工程师的成就感严重降低；时间久了，工程师从0到1开发的能力也会降低。

  （图片摘自冯占军博士的文章。尽管文章说的是Autosar,但实际上这样一些问题在ROS等其他中间件的使用的过程中也会存在。）

  对软件工程师来说，中间件造成的“能力退化”这一问题几乎是无解的。但冯占军博士认为，“如果这个中间件在开发过程中，有使用公司的工程师深度参与，提出需求并一起实施，会好一些”。

  此外，殷玮在一篇文章提到，使用AUTOSAR这样的中间件，Tier 1们应该是很不情愿的，“因为不到增加了成本，还有可能逐步沦为硬件生产商”。但这个也不能说是中间件的锅，在软件定义汽车大大趋势下，这几乎是必然的。

  严格地说，AUTOSAR并非特指由某一家软件公司开发出来的某款操作系统或中间件产品，而是由全球的主要汽车制造商、零部件供应商、软硬件和电子工业等企业一同制定的汽车开放式系统架构标准。不过，在实践中，各公司基于AUTOSAR标准开发出来的中间件也被被称为“AUTOSAR”。

  简单地说，AUTOSAR CP主要跑在8bit、16bit、32bit的MCU上，对应传统的车身控制、底盘控制、动力系统等功能，如果涉及到无人驾驶的话，AUTOSAR CP可能没办法实现；而AUTOSAR AP主要跑在64bit以上的高性能MPU/SOC上，对应无人驾驶的高性能电子系统。

  严格地说，AUTOSAR CP并不只是个“中间件”，它是相当于“OS内核+中间件”的一套完整的“操作系统”。AUTOSAR CP定义了基本的上层任务调度、优先级调度等。

  在基于分布式架构的ADAS功能中，AUOTSAR CP便是最常见的“操作系统”。在AUTOSAR的生态形成后，很多芯片厂商的MCU上标配的就是AUTOSAR CP，主机厂没什么选择权。

  由于分布式架构下的芯片主要是MCU，因此，便有了“AUTOSAR CP主要跑在MCU上”的说法。

  在分布式架构下，不同的功能对应着不同的MCU，而每一个MCU上都需要跑一套AUTOSAR CP，若传感器的类型比较多，则仅ADAS相关功能就需要很多套AUTOSAR CP，那怎么收取费用呢？

  常规的做法是：根据MCU的类型来收费——如果MCU是两个异构的MCU，那AUTOSAR CP就按两套来收费；如果MCU是同构的，那AUTOSAR CP就按一套来收费。

  随着EE架构从分布式向集中式演进、芯片由MCU向SOC演进，计算量及通信量成数量级地上升，另外，多核处理器、GPU、FPGA以及专用加速器的需求，还有OTA等，都超出了AUTOSAR CP的支持范围。

  2017年，为更好地满足集中式架构+SOC时代的高等级无人驾驶对中间件的需求，AUTOSAR联盟推出了通信能力更强、软件可配置性更灵活、安全机制要求更高的AUTOSAR AP平台。

  需要强调的是，不同于AUTOSAR CP自身已经包含了基于OSEK标准的OS，AUTOSAR AP只是一个跑在Lunix、QNX等基于POSIX标准的OS上面的中间件——它自身并不包含OS。

  结合aFakeProgramer于2020年发表在CSDN上的《为何需要用AP？Adaptive AutoSAR到底给公司可以提供了一些什么？》一文及东软睿驰安志鹏在2022年春节前的一场直播中讲的内容，AUTOSAR CP与AUTOSAR AP最主要的区别有如下几点：

  3）.通信方法不一样——AUTOAR CP采用的是基于信号的静态配置通信方式（LINCAN...通信矩阵），而AUTOSAR AP采用的是基于服务的SOA动态通信方式（SOME/IP）；

  4）.连接关系不同——在AUTOSAR CP中，硬件资源的连接关系受限于线束的连接，而在AUTOSAR AP中，硬件资源间的连接关系虚拟化，不局限于通信线）.调度方法不一样——AUTOSAR CP采用固定的任务调度配置，模块和配置在发布前进行静态编译、链接，按既定规则顺序执行，而AUTOSAR CP则支持多种动态调度策略，服务可根据应用需求动态加载，并可进行单独更新。

  6）.代码执行和地址空间不同——AUTOSAR CP中，大部分代码静态运行在ROM，所有application共用一个地址空间，而在AUTOSAR AP中，应用加载到RAM运行，每个application独享（虚拟）一个地址空间。

  1）.ECU更加智能：基于SOA通信使得AP中ECU可以动态的同其他ECU同其他ECU进行连接，提供或获取服务；

  2）.更强大的计算能力：基于SOA架构使得AP可以更加好地支持多核、多ECU、多SoCs并行处理，从而提供更强大的计算能力；

  3).更安全：基于SOA架构使得AP中各个服务模块独立，可独立加载，IAM管理访问权限；

  4).敏捷开发：Adaptive AUTOSAR服务不局限于部署在ECU本地可分布于车载网络中，使得系统模块可灵活部署，后期也能灵活独立更新（FOTA）；

  5).高通信带宽：可实现基于Ethernet等高通信带宽的总线).更易物联：基于以太网的SOA通信，更易实现无线、远程、云连接，方便部署V-2-X应用。

  当然了，在某些方面，AUTOSAR AP与AUTOSAR CP相比是有一些“劣势”的。比如，AUTOSAR CP的时延可低至微秒级、功能安全等级达到了ASIL-D，硬实时；而AUTOSAR AP的时延则在毫秒级，功能安全等级则为ASIL-B，软实时。

  上述区别也导致了两者应用领域的不同：AUTOSAR CP一般应用在对实时性和功能安全要求比较高、对算力要求较低的场景中，如引擎控制、制动等传统ECU；而AUTOSAR则应用在对实时性和功能安全有一定要求，但对算力要求更高的场景中，如ADAS、无人驾驶，以及在动态部署方面追求较高自由度的信息娱乐场景。

  尽管AUTOSAR AP有种种优点，但总的来说，它目前还不够成熟——主要是信息安全及UCM等模块不成熟。量产车上装AUTOSAR AP的不少，但主要用在娱乐场景，真正用在无人驾驶场景的还很少。

  此外，由于SOC+MCU组合的现象会长期存在，因而，在今后相当长一段时间内，AUTOSAR AP都不可能彻底取代AUTOSAR CP——最常见的分工会是，需要高算力的工作交给AUTOSAR AP,而需要高实时性的工作则交给AUTOSAR CP。

  ROS是机器人操作系统（Robot Operating System）的英文缩写，原生的ROS本是机器人OS，并不能直接满足无人驾驶的所有需求，用作无人驾驶中间件的是ROS 2。

  （1）.ROS 1主要构建于Linux系统之上，主要支持Ubuntu；ROS 2采用全新的架构，底层基于DDS(Data Distribution Service)通信机制，支持实时性、嵌入式、分布式、多操作系统，ROS 2支持的系统包括Linux、windows、Mac、RTOS，甚至是单片机等没有操作系统的裸机。

  （2）.ROS 1的通讯系统基于TCPROS/UDPROS，强依赖于master节点的处理；ROS 2的通讯系统是基于DDS，取消了master，同时在内部提供了DDS的抽象层实现，有了这个抽象层，用户就可以不去关注底层的DDS使用了哪个商家的API。

  （3）.ROS运行时要依赖roscore，一旦roscore出现一些明显的异常问题就会造成较大的系统灾难，同时由于安装与运行体积较大，对很多低资源系统会造成负担；ROS2基于DDS进行数据传输，而DDS基于RTPS的去中心化的通信框架，这就去除了对roscore的依赖，系统的稳定性强，对资源的消耗也得到了降低。

  (4).由于ROS 缺少Qos机制，topic的稳定性与质量很难保证；ROS2则提供了Qos机制，对通信的实时性、完整性、历史追溯等功能有了支持，这便大幅加强了框架功能，避免了高速系统难以适用等问题。

  不过，ROS2的QoQ配置较为复杂，目前主要是国外一些专业的大学或实验室在使用,国内仅有极少数公司在尝试;此外，ROS 2的生态成熟度远不如ROS,这也给推广应用带来了不便。

  跟AUTOSAR AP一样，ROS 2也是跑在soc芯片上、用于满足高等级无人驾驶的需求的。不过，萧猛在去年的一批文章中却特别强调：当我们称 “ROS/ROS2 为中间件”时，其含义与 “AUTOSAR AP为 中间件”并不是对等的关系。

  当我们说 AutoSar是中间件时，这个中间件是很明确的 L.BSW层语义，即处于计算机OS与车载ECU特定功能实现之间，为 ECU功能实现层屏蔽掉特定处理器和计算机OS相关的细节，并提供与车辆网络、电源等系统交互所需的基础服务；

  ROS/ROS2 是作为机器人开发的应用框架，在机器人应用和计算机OS之间提供了通用的中间层框架和常用软件模块(ROS Package)，而且， ROS团队认为这个框架做得足够好，可以称作操作系统（OS）了。

  ROS 2尽管在功能上跟AUTOSAR AP有不少重叠之处，但两者的思路是不一样的：

  （1）.从表现形式上看，AUTOSAR AP首先是一套标准，这个标准定义了一系列基础平台组件，每个平台组件定义了对应用的标准接口，但没有定义实现细节，和平台组件之间的交互接口（这些部分留给 AUTOSAR AP供应商实现）；ROS2则从一开始就是代码优先，每个版本都有完整的代码实现，也定义有面向应用标准API接口。

  （2）AUTOSAR AP从一开始就面向ASIL-B应用；ROS 2不是根据ASIL的标准设计的，ROS 2实现功能安全的解决方案是，把底层换为满足ASIL要求的RTOS和商用工具链(编译器）。

  ROS 2“过不了车规”似乎已成为一个很广泛的行业共识。但在萧猛看来，ROS2本来就不是为实时域设计的，如果一定要把实时性要求高的车辆控制算法运行在 ROS2中，“那是软件设计的错误，而不是ROS2的问题”。

  萧猛认为，只要能补齐 L.BSW层所需要完成的所有功能、补齐 A 轴所有切面要求的特性，ROS 2就能用于无人驾驶量产车。如前段时间刚拿到采埃孚等多家巨头投资的Apex.AI公司基于ROS 2定制开发的Apex.OS就已经通过了最高等级的ASIL D认证。

  萧猛说：“这其实就是基于 ROS2的架构去实现一套 AUTOSAR AP规范。这能成为一个单独的产品，投入时间+人+钱可以开发出来，只是看有没有必要，值不值得”。

  在具体的实践中，ROS 2跟AUTOSAR AP存在直接竞争关系——尽管对用户来说，并不存在严格意义上的“二选一”问题，但通常来说，若选了ROS 2，就不会选AUTOSAR AP了；若选了AUTOSAR AP，就不会选ROS 2了。

  Cyber RT是百度Apollo开发出来的中间件，在Apollo 3.5中正式对外发布。Cyber RT和ROS2是比较像的， 其底层也是使用了一个开源版本的DDS。

  百度最早用的是ROS 1,但在使用的过程中逐渐发现了ROS 1存在“若ROS Master出故障了，则任何两个节点之间的通信便受一定的影响”的问题，所以就希望使用一个“没有中间节点”的通信中间件来代替ROS 1，那时还没有ROS2，所以自己去做了一个Cyber RT。

  为了解决 ROS 遇到的问题，Cyber RT删除了master机制，用自动发现机制代替，这个通信组网机制和汽车网络CAN完全一致。此外，Cyber RT的核心设计将调度、任务从内核空间搬到了用户空间。

  其相对其他系统，Cyber RT的一大优势是，专为无人架驶设计。百度已将Cyber RT开源，某互联网巨头的无人驾驶团队使用的中间件便是百度开源出来的Cyber RT。

  “不需要很机械地去分类，你可以把AUTOSAR AP, ROS和Cyber RT都想象成一个提供一组中间件的超市，用户都能够按需从不同的超市购买，并不是说从一个超市买过一个中间件，就不能从其他超市买了。

  在自动驾驶领域，中间件的功能涉及到通信、模块升级、任务调度、执行管理，但其最主要的功能就是通信。当前市场上，无论是Cyber RT还是 ROS，基本上90%的功能就是通信，狭义上说就是通信中间件。

  DDS可以在一定程度上完成低延迟、高可靠、高实时性的数据融合服务，能够从根本上降低软件的耦合性、复杂性，提高软件的模块化特性。高等级无人驾驶现在大多数都在探索依靠DDS来解决异构通信、低时延等CP解决不了的挑战。

  融合了DDS的汽车软件能够更好地运行在下一代汽车的体系架构中，更能降低开发的成本、缩短研发的时间，更快地将产品推向市场。

  ROS 2和Cyber RT的底层都使用了开源的DDS，将DDS作为最重要的通信机制。但也有无人驾驶公司的工程师认为，DDS能够更好的起到替代ROS 2的作用，站在用户的角度看，两者之间其实存在“二选一”的关系。

  AUTOSAR CP里始终没包含跟DDS有关的东西，但AUTOSAR AP在2018年3月的最新版（版本18-10）里开始支持DDS标准。将DDS与AUTOSAR AP结合使用，不但可以保证和扩展AUTOSAR AP系统内部互操作性的功能，而且还可以将其开放给来自不同的生态系统（即ROS 2）。

  从工程角度来看，将AUTOSAR和DDS结合起来的最大优势是，功能域和网络拓扑不再是对手，而是车辆中的盟友。网络拓扑结构能够更好地适应车辆的物理约束，功能域在物理车辆的顶部提供了一个灵活的覆盖层，这是所谓的分区体系结构。

  当然，DDS仅是通信中间件的一种。关于各类通信中间件之间的异同，我们将在本系列的第二篇做更详细的阐释。

  尽管AUTOSAR是当下最有名的无人驾驶中间件，但《九章智驾》在对诸多中间件厂商们的调研中得出一个结论：AUTOSAR在产业链中的地位可能正在弱化。当然了，那些专注于AUTOSAR系统的厂商们并不认同这一观点。我们在上文已经提到，随着EE架构从分布式向集中式演进、MCU被SOC取代，CP AUTSAR被AUTOSAR AP、ROS 2和Cyber RT等取代已是大势所趋，在下文，我们主要谈的是“AUTOSAR AP的地位会不会弱化”。

  2021年12月中旬，两家AUTOSAR发起公司大陆集团、丰田联合采埃孚、捷豹路虎、沃尔沃、海拉等多家汽车行业有突出贡献的公司宣布投资车载操作系统初创公司Apex.AI，而Apex.AI的主力产品Apex.OS则是基于ROS 2发展起来的。

  编辑：鲁迪 引用地址：无人驾驶中间件之一：AUTOSAR正在被“边缘化”？

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