操作系统工程视角下的AIoT

2008年是一个不太普通的年份，前一年，iPhone上市，后一年，Android发布。在两大移动操作系统诞生中间的2008年，几位对操作系统非常热衷的工程师创立了中科创达（ThunderSoft，以下简称“创达”），其为新兴的智能移动设备提供高效、易用、安全、美观的操作系统。

在2015年创达在深圳创业板上市的时候，有人说创达的成功是因为赶上了移动互联网的风口，有人说是因为一开始的国际化布局，有人说是因为有一群团结、肯干且能干的人，有人说是得益于中国的移动设备供应链基础。但只有极少数人能够理解，这实际上是“操作系统工程”理念的成功。在上市前和券商的交流中，我们发现即使是解释清楚“操作系统”是个什么东西都是一件非常艰难的事情。所以，在很长一段时间里，我们只是埋头服务客户，完成项目，开发产品，不再试图解释这个理念。但我们内心清楚，这一理念才是我们前进的动力。

图表 1 - 创达发展历程

在AIoT方兴未艾的今天，当我们面对着比创业当年更多的设备，更先进的技术，更复杂的系统，遍布全球的子公司和五花八门的需求的时候，觉得有必要再次试着解释一下“操作系统工程”这一理念。

操作系统工程技术和理念

操作系统处于硬件芯片和应用程序中间，为开发者提供虚拟机和编程接口。这是传统教科书中的经典定义，今天也是如此。2008年，iOS和Android等移动操作系统的发布，为众多的设备厂商和应用开发者打开了一个美丽新世界。在功能机时代，芯片功能单一，应用场景简单，操作系统的作用并不突出。在移动互联网时代，伴随着交互技术和连接技术的发展，芯片和应用都更为复杂，进入这个复杂而美好的移动互联网新世界的入口就是操作系统。

乔布斯曾经说过：“简单比复杂更难”。如何把复杂的技术通过简单的方式展示，不止是苹果面对的课题，也是操作系统和创达面对的课题。在功能机时代，联发科首创了“交钥匙”模式，为手机厂商提供简单易用的功能机方案，其可以在一两个月内就定制好一款手机。当时深圳华强北的手机盛市就是这一模式的成功体现。在移动互联网刚刚兴起的时候，手机厂商研发一款智能机需要6到8个月左右。而创达把功能机的“交钥匙”模式应用到智能机，开发出了高通平台参考设计（QRD），从而把智能机的开发时间缩短到2到3个月，加速了功能机向智能机过渡进程。一只小小的智能手机，由上千个零件组成，涉及芯片、射频、设备、操作系统、GPS、WiFi、散热、功耗、应用、摄像头、音频、视频、安全、UI等等几十个技术领域，复杂程度不亚于50年代的火箭系统。通过应用当年促进火箭系统飞速发展的系统工程技术，创达将智能移动操作系统中复杂的各个模块进行解耦和重构，通过清晰和灵活的接口定义，为手机厂商和移动互联应用的开发者提供了一个复杂而有序的操作系统平台。

图表 2 - 典型的AIoT系统团队

在十几年的发展过程中，操作系统工程技术和理念一直贯穿者创达所做的每一个项目和产品中。随着人工智能、物联网和网联汽车的发展，我们又一次看到了和十年前类似的情况出现：新的技术发展（人工智能、5G、物联网）打开了新的应用场景（网联车、智能制造，智慧城市...），在面对有上万种模块构成的网联汽车的时候，在面对有成千上万种物联网设备的时候，在面对更为复杂的技术领域的时候，我们相信在智能物联网时代，和十年前开始的移动互联网时代一样，操作系统工程技术和理念才是把复杂系统变简单的终极解决之道。事实上，创达15年发布的TurboX移动物联网模块，就是这一理念在智能物联网时代的应用体现。

TurboX智能模块和网联汽车

在十年前智能手机开始兴起的时候，大约有百余家智能机厂商。而在几年前物联网兴起的时候，几乎是一夜之间，世界上出现了成千上万五花八门的物联网设备：无人机，机器人、智能摄像头、温度控制器、智能网关、AR/VR、可穿戴设备等等。智能物联网厂商往往有着比智能手机厂商更疯狂的想法、更短的上市时间要求和更少的投入预算，而且物联网设备的系统更为复杂，要求更为苛刻，一个参考设计无法满足所有这些物联网设备的需求，解决之道还是我们创业之初秉承的操作系统工程技术和理念。通过操作系统与传统的连接模组技术产品相结合，创达15年推出了全新的TurboX智能大脑模块。该模块既保持了传统连接模组的方便性和模块化，又提供了智能操作系统平台。智能物联网的厂商和开发者基TurboX智能大脑模块，可以快速开发和部署各类物联网应用和智能算法。

图表 3 - 创达TurboX智能模块及开发套件

智能网联汽车是一类特别的智能物联网设备。有人说智能网联汽车就是一台装了四个轮子的智能手机。事实上，智能网联汽车的复杂程度和对智能、性能、实时性、可靠性和安全的要求，要远远超过智能手机。面对有着几万个零件的汽车，如何让它变得更加智能，解决之道还是操作系统工程技术和理念。针对智能网联汽车特别的复杂性和可靠性要求，我们进一步把整体系统分解为交互系统、安全系统、连接系统、智能系统、应用系统、传感器系统等六大子系统。复杂问题可以通过将其分解成几个相对简单的问题加以解决，Divide & Conquer, 这是一个朴素且华丽，简单又复杂的方法。一开始，这似乎只是个复杂一点的技术问题，把一个大系统分解成几个子系统，子系统再进一步分解为几个子模块，再各个击破即可。这个听上去很美的方法，为何在实际项目和产品中很少得到有效应用，厂商和开发者和几十年前一样还是在一次一次地进行项目“死亡征途"？根本原因是，没有有效技术、设计和组织支撑的系统分解，会导致更多的无序系统接口出现，反而增加了系统的复杂性。真正的解决之道不是进行“系统分解”，而是进行“有序的系统分解”。举例而言，将展示和实现分离，一直是软件工程所面对的课题。对于智能网联汽车而言，这个问题就是，如何把设计部门提出的复杂交互设计，交由工程部门进行完整的实现。事实上，很多系统平台都提供了将展示和实现分离的机制，比如Qt的Signal/Slot机制。然而，这样的实现却始终没有真正被车厂有效应用，交互设计团队和工程实现团队都在抱怨，这是为什么？这是因为，之前的很多展示和实现分离机制往往是由工程师完成的，目标是把代码无缝地嵌入到交互设计当中，这种方式在简单的互联网应用中是有效的，而面对智能网联汽车的多屏，多交互方式，复杂UI设计的场景，就体现了工程思维的局限性，限制了交互效果的实现。而类似Unity3D这样的游戏引擎又走到了另一个极端，更多关注效果的设计，而对工程实现有所忽视，导致复杂的技术（安全，连接，智能等）无法得到有效应用。面对这个问题，创达提供的Kanzi 3D UI引擎，让交互设计团队和工程技术团队协同设计研发，通过Kanzi Studio的工具，有效地将两类不同思维的团队有机结合在一起。所以，操作系统平台技术的开发和实施，其最终面对的不是技术问题，而是组织问题。

图表 4 – 创达智能车载操作系统架构

基于同样的理念，2018年创达推出了AI Kit和Robot Kit开发套件，用以满足更为复杂的人工智能应用需求，其通过统一的模块架构，丰富的硬件接口，统一的应用接口，云端一体的连接方式，在智慧农业，智能制造，智慧城市等领域得到了广泛应用。如同当年把开发一个智能机的时间从8个月缩短到2个月一样， AI Kit和Robot Kit开发套件，也可让开发者开发一个智能方案和机器人也可以缩短到2到3个月以内。在基于这些智能套件在各个行业的应用过程中，我们再一次体会到操作系统工程理念的作用和意义。事实上，通过我们的具体时间表明，这才是AIoT的终极解决之道。

AI落地问题的答案在AI之外

AI是一个热的不能再热的领域，AI落地也是一个难得不能再难的问题。如同喜马拉雅山，面对这个美丽诱人而且充满危险的第一高峰，不同的人试图走不同的路线登顶。有的人走AI技术之路，强调AI算法和模型的重要性，汇聚了大量且昂贵的AI算法人才；有的人走数据之路，强调数据的重要性，准备把多年积累的大数据一朝变现；还有人走服务之路，认为服务是最关键的问题，认为系统集成的方法在AI应用领域同样适用。而我们认为，这个复杂的AI落地问题，和我们十年前面对的智能机系统问题，以及我们四年前面对的物联网系统问题，没有太多本质的区别，事实上，都是智能技术在不同领域的不同形式的应用。AI只不过为这个本来就比较复杂的系统，增加了更为复杂的技术模块（AI，数据管理），打开了更为广阔的应用领域而已。因此，操作系统工程技术和理念同样适用。我们走的正是这一条“操作系统工程”之路。

我们最近刚走着这条“操作系统工程”之路登顶了一次，为一家大型显示屏厂商开发部署了智能质检系统。通过这套系统，屏幕瑕疵的检出率达到92%以上，远远超过了人工水平；而效率，更是从人工质检的5分钟极大地缩短到几秒钟以内。在项目结束的复盘过程中，我们在整个项目的投入当中，AI算法研发部分只占整体投入的10%左右，而剩下的90%的工作，包括了整体系统搭建，前端设备部署，性能优化，数据管理等多个领域。如果只会AI算法开发，无疑是无法完成这样规模的项目的。但如果只有集成团队，同样无法提供所需的AI核心技术基础。如何把AI算法团队，云端大数据团队，智能终端系统团队，系统应用团队，摄像头和传感器调校团队，系统优化团队等多个团队组织在一起，定义好团队之间的接口，正是“操作系统工程”所解决的问题。这次登顶的经历，进一步证明了“操作系统工程”这一理念面对AIoT这样的复杂系统的有效性。

图表 5 - AIoT操作系统平台框架

AIoT操作系统平台的建设也不只是狭义的人工智能引擎构建，而应是包括基本系统、基础模块、系统框架、端云接口等在内的系统工程。

总结

作为复杂性问题的解决之道——操作系统工程，它既是一门科学，也是一门艺术。50年代，伴随着火箭系统日趋复杂的需求，系统工程的理念伴随着美国国防部的Atlas洲际导弹项目诞生。该项目将火箭设计从以单一机身系统设计为中心转变为整体设计为中心的系统工程，通过组织计算机专家，机械专家，动力专家等多领域专家组成的"茶壶委员会"(Teapot Committee，计算机体系结构的创始人冯纽曼就是其成员之一)，完成了对火箭复杂系统的设计和管理，彻底改变了火箭项目的组织方式，极大地促进了火箭技术的发展。今天，一台智能网联汽车的零件数目已经超过了50年代的火箭，新领域新技术应用同样需要系统工程技术来解决。通过创达十多年的实践表明，操作系统工程的理念和技术才是物联网，人工智能，网联车乃至智慧城市、智慧工业等复杂领域的终极解决之道。正如系统工程中国学派的创始人钱学森所言：“系统工程才是我一生追求的”。操作系统工程，这也是创达人一直追求和实践的技术和理念，其必将在崭新的智能时代再次大放异彩。