新一代智能座艙國產化交互式系統研究

王忠文，郭 倩

（1.廣州番禺職業技術學院，廣州 511483；2.培黎職業學院，甘肅山丹 734100）

智能座艙是汽車新一代的交互方式，車內的中控大屏、多屏聯動、觸摸操作、語音交互和AR HUD 等功能，都是智能座艙交互體驗的一部分。人和汽車之間的互動也變成了人和智能座艙系統的交互體驗，向著多屏互聯、萬物互聯的方向從智能化走向大眾化，并致力于場景化和安全化的和諧統一[1]。

汽車的新四化：電動化、網聯化、智能化和共享化對新一代的汽車技術產生了更高的要求，其中智能化主要包含2 個方面：一方面是自動駕駛，另一方面則是智能座艙，把汽車變成一個移動的生活空間。當前應用的數字科技、人工智能、5G 通信、增強現實、大數據、云計算和物聯網等新一代信息技術，使傳統汽車加速從交通代步工具向移動智能終端發展。智能座艙是人與汽車對話、溝通、交互的立體式空間，隨著各種智能化功能的研發，體驗感不斷增強，將商務出行、工作學習、休閑娛樂和移動生活等功能融為一體，給用戶創造出了第三移動生活空間[2]。隨著人們對智能汽車的要求越來越高，智能座艙已經成為了汽車體驗感最強的一個發展方向，同時也體現了人與汽車智慧融合的價值，從而加速了國產化研發的步伐。

現階段國內車企在應用軟件及座艙電子領域具備較強的自主配套能力，但外資企業在座艙芯片及操作系統等底層架構中仍然占據主導地位。需要建立自主研發體系，掌握核心技術，才能更好服務于我國的智能汽車發展。所以，自主研究開發國產化智能座艙系統迫在眉睫。

1 面臨的問題

1.1 國產智能座艙芯片應用率低

越來越多的芯片公司在研發智能座艙的芯片，NXP、TI、瑞薩是傳統三大巨頭；高通、intel、芯馳、全志等廠家也加入座艙芯片行列，單芯片多系統為代表的域控制器已經成為智能汽車的必選項目之一。高端智能座艙芯片以高通、聯發科、瑞薩為主，高通領先（表1）。

布局智能座艙和智能駕駛的自主零部件供應商也迎來國產替代機遇，以華為、芯馳科技、芯擎科技為代表的芯片廠商的座艙SoC 芯片2022—2023 年進入量產周期，憑借配套成本、就近服務、本地生態等優勢逐漸進入國內車企配套體系，將為汽車芯片國產替代打開突破口，迎來窗口機會。

1.2 國外車機操作系統復雜，國產系統自主率不足

車載操作系統的內核，對系統實時性和安全性要求極高，如果在內核層出現故障，汽車在駕駛域或者座艙域等就會出現失控狀態，這需要操作系統廠商擁有深厚的技術積累，少量國內企業已經以不同技術路線切入市場。當前，斑馬智行AliOS和華為HarmonyOS是我國兩大主要車用操作系統。就2022年的數據來看，目前車載操作系統（含智能座艙系統）自主率不足5%，而車控操作系統（含自動駕駛系統）均在研發合作當中。

1.3 智能座艙多場景融合，缺乏系統性的解決方案

隨著自動駕駛水平的提高，駕駛員將有更多的時間和選擇來做除駕駛之外的各種任務，為智能汽車人機交互開辟了新的途徑，智能座艙引入了主動交互式概念。因此，更多的高精度傳感器被應用到車上，以采集駕駛員和乘客的行為、情緒和個人選擇，從而提供精確的功能和服務[3]。這需要多重傳感及交互模式，如手勢、語音和眼膜識別。智能駕駛座艙類似于一個擬人化的車輛內部管家，從技術上，智能駕駛座艙具有環境感知和交互反饋2 個方面。

環境感知是感知環境、感知駕乘人員，通過雷達和生物傳感器來感知人類的行為、情緒等。例如當前穿戴設備上應用廣泛的AI 視覺。

交互反饋是從視覺、聲覺、觸覺、甚至是嗅覺全方面與你的感官交互，形成智能座艙的控制信息指令，目前還缺少整體的解決方案。汽車整車公司也向各自的各級零部件供應商提出了更高的需求，要求產業鏈下面的服務商提供一套完整的解決方案，包括車機系統、云服務、前端技術等。

1.4 交互方式較為傳統，多屏之間難以協同

當前汽車座艙的人機交互呈現封閉化和碎片化的特點，多屏之間互聯不暢通，協同效率低，各個子系統之間缺乏高效的互聯互通和信息共享能力，不能滿足年輕用戶對新一代智能汽車座艙的體驗要求。人與智能汽車的交互中心是智能座艙，在各種先進技術高速發展的今天，新一代國產化的智能座艙引入了更多的創新技術，同時也進行各個功能，各種交互方式之間的融合創新。

早期汽車的人機交互是以機械聯動和電子按鍵手動實體操作為主，隨著觸摸屏的應用，人們喜歡更大的屏幕，簡潔的儀表和中控臺，促使智能汽車人機交互進入到觸摸交互的階段，目前逐漸向多模態交互、全場景化、定制個性化和沉浸式交互體驗的趨勢演變，未來會持續與不同領域的產品實現跨界融合和技術創新[4]。當前的汽車人機交互還是主要以語音和手勢識別的技術來實現，未來的發展趨勢是個性化設計和沉浸式商業模式相結合，車內多模交互與車外感知延伸相匹配，虛擬現實、增強現實與車載場景的融合，從而智能座艙會演變為虛擬世界和現實世界的融合。

2 國產芯片進程

杰發科技（AutoChips）的智能座艙芯片AC8015 也已于2021 年3 月實現前裝量產，其一體化輕座艙解決方案也在自主品牌車型成功實現量產和上市。

華為麒麟990A 采用7 nm 工藝，8 核旗艦CPU、16核雙4 K 圖像處理GPU、雙大核+微核NPU 技術，具有3.5 TOPS 算力，并支持5G 網絡連接。配置了達芬奇架構的算力芯片，分別是2 個D110+1 個D100 大小核。

芯馳科技在2020 年發布智能座艙芯片X9，并于2023 年4 月發布了升級版芯X9SP。X9U 智能座艙芯片，集成CPU（中央處理器）、GPU（圖形處理器）、NPU（神經網絡單元）等多個處理單元，能夠支持高性能計算、圖形計算、AI 計算和音頻處理等多項功能，具備強大的計算性能，也是座艙域控制器實現多硬件融合控制的關鍵核心。

芯擎科技旗下新一代7nm 智能座艙芯片“龍鷹一號”在2023 年實現量產出貨。“龍鷹一號”開辟了國產高算力車規級SoC 的先河，在產品設計、工藝和性能方面對標目前國際市場最先進的產品。“龍鷹一號”采用7 nm 制程工藝，集成了87 層電路，擁有88 億顆晶體管，配備了8 核CPU（整數計算力可達90 K），其中大核是Cortex-A76，14 核GPU（浮點計算能力可達900G），集成了可編程的NPU 內核，INT8 算力可達8 TOPS，見表2。

3 國產操作系統方案

隨著汽車智能化的不斷演進，越來越多的車廠在車型宣傳中提到“系統”“OS”字樣，問界M5 的HarmonyOS、智己L7 的IMOS、吉利星越L 的銀河OS、長城的咖啡智能座艙系統及比亞迪的DiLink 智能網聯系統等，從而印證了車廠對于操作系統的重視程度越來越高。按照全國汽車標準化技術委員會《車用操作系統標準體系》分類，車用操作系統分為車載操作系統和車控操作系統兩大類別。車載操作系統主要面向信息娛樂和智能座艙，應用于車機中控、儀表、副駕及后排娛樂。對于安全性和可靠性的要求處于中等水平，該類操作系統發展迅速，依托于該類操作系統的生態也處于迅速發展時期[5]。

狹義上的車載操作系統OS 即為操作系統的內核（Kernel），也是最小系統，提供給OS 最簡單的基本功能，內核主要任務是負責系統的進程管理、內存管理、文件管理、設備驅動程序管理及網絡管理，內核系統的參數指標和性能，直接決定了系統的性能和穩定性。

廣義的車機系統OS 主要是在底層操作系統的基礎上進行改進，根據各個廠商定制修改的程度不同，主要可以分為以下4 種。

基礎型的汽車OS：包括虛擬機、系統內核和底層驅動程序，采用原生框架，全場景分布，多設備互聯。定制型的汽車OS：按照公司需求深度定制開發。ROM 型汽車OS：定制開發，一般只改進自帶的應用程序。

超級APP：通過整合各個模塊來滿足不同車主需求，也被稱為手機互聯。當前，國內企業已經以不同技術路線切入市場。

4 交互方式演進

目前國內智能座艙的研究雖然多數采用國外芯片，但是使用場景，功能優化和市場需求則是走在世界前列，使得智能座艙正向多元化交互的方向演進，包含多屏互動、虛擬按鍵、語音助手、多模交互和多人交互。智能座艙將覆蓋儀表、中控、電子后視鏡、娛樂、DMS、360 環視+APA 及語音系統等功能[6]。

座艙的智能化，核心是交互。語言對話能力是這類智能AI 與人類交互的首要方式。由于現階段語音技術依然是有限的，除了語音交互，車內還研發視覺交互、觸控交互、手勢交互等。未來的智能座艙，需要配備裸眼3D 儀表屏，搭載感知攝像頭等先進技術，人機交互應該盡可能地減少對于駕駛員注意力的影響，在此前提下適配各種應用場景。

5 融合趨勢

5G 通信技術應用、AI 人工智能、智慧交通等新一代信息技術正在飛速發展，也都逐步應用并融入了人們的生活。通過不同種類的先進技術融合，智能座艙將被打造成集齊商務出行、工作學習、休閑娛樂和移動生活為一體的第三移動空間。未來智能座艙的主要技術發展體現在四大方面。

計算平臺：傳統的汽車座艙是由多個ECU 電子控制單元組成，包含了導航單元，儀表單元、抬頭顯示、空調控制單元和信息娛樂系統等，其都是獨立存在于座艙內。各個廠家研發的控制系統無法高效地進行通信交流，阻礙了多屏主動交互實現的進度。因此，未來的發展趨勢是設計一款集中式跨域融合的計算平臺，將座艙內部的所有控制功能整合起來，在一個計算平臺實現。

交互模式：智能座艙的交互也需要體現智能化，只有智能化的交互方式才能滿足各種場景下的用戶需求，通常針對不同的應用場景可以采取不同的控制方式進行互動。這里的控制方式包含了如上文所說的觸摸控制、手勢控制、語音控制和腦電控制[7]。但是單一的控制方式都存在一定的誤判情況，容易發生駕駛安全隱患。未來的人機交互模式必然是采用多“感官”融合的方式，綜合視覺、觸覺、語音、手勢及腦機接口等傳感器智能技術，整套的提供人機交互解決方案，實現精確控制。

智能助手：智能座艙需要更完善的智能化人機交互方案，打造稱為車對人的主動式交互系統。結合車內外環境感知、生物識別技術、語音識別與聲區定位技術、AI 技術和網絡信息技術等多種手段，將車輛打造成為人工智能助手，采用深度學習和神經網絡等技術，采集不同用戶的日常習慣，預測他們的需求，智能決策，精準實施。這樣的車載智能助手才能全方位提升用戶用車體驗，輔助用戶解決實際的問題。

多屏互動：未來的智能座艙包含了大量的顯示屏，包括中控顯示屏、液晶儀表盤、HUD、溫度控制屏，副駕娛樂屏、左右電子后視鏡，后座娛樂顯示屏、電子倒車鏡等[8]。由于這些顯示屏按照功能規劃，布置在座艙里的各種不同位置，座艙信息顯示凌亂，讓用戶看得眼花繚亂，導致用戶獲取信息的效率極大降低，不利于行車安全。在未來智能座艙的信息顯示會采用一芯多屏的方案和各種先進的顯示技術，如1 個GPU 系統性的處理10 個屏幕的信息，能夠更加合理地提供信息分類，會開發透明顯示玻璃、全息影像、智能表面等更多的智能顯示技術，讓信息顯示與座艙環境融為一體，讓座艙信息更加簡潔直觀，提升用戶的視覺體驗。

6 總結與展望

智能座艙的服務通過大量的環境感知與數據采集，由計算平臺的中央處理單元，進行計算分析與深度學習，形成自己的AI 模型，然后在進行快速的行為規劃與智能決策之后，為用戶提供實時的全場景化服務。

未來的趨勢既要滿足用戶的個性化定制設計，也要滿足沉浸式體驗的商務模式，車內外智能交互和諧統一，同步發展。隨著虛擬現實與增強現實技術的應用，智能座艙會實現虛擬場景和現實場景的融合。所以下一代智能座艙在軟硬件平臺化、功能智能化、交互方式擬人化這3 方面是非常重要的發展方向，加大自主研發的AI 技術革新，自主的芯片核心、自主的操作系統和自主的一體化交互解決方案是未來必須要解決的問題。