近年來(lái),自動(dòng)駕駛成為汽車(chē)行業(yè)熱點(diǎn),但是事故頻發(fā),商業(yè)化落地困難阻礙了自動(dòng)駕駛技術(shù)快速發(fā)展。文章以駕駛安全為核心,提出了新的自動(dòng)駕駛等級(jí)劃分方法并對(duì)不同等級(jí)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)闡述?;诖朔椒?,指出當(dāng)前自動(dòng)駕駛技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)弊端并規(guī)劃了一種在量產(chǎn)車(chē)上逐級(jí)釋放自動(dòng)駕駛功能的技術(shù)路線(xiàn),供行業(yè)參考。
前言
汽車(chē)自發(fā)明以來(lái),經(jīng)歷一百多年的發(fā)展,已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的一部分。2017年,世界范圍內(nèi)銷(xiāo)售汽車(chē)9680 萬(wàn)輛[1],2018 年底,中國(guó)汽車(chē)保有量達(dá)到 2.4 億輛[2]。龐大的汽車(chē)存量造成日益嚴(yán)重的交通擁堵,環(huán)境污染,能源消耗等社會(huì)問(wèn)題。自動(dòng)駕駛技術(shù)被認(rèn)為是解決這些問(wèn)題的有效方法,但近幾年,自動(dòng)駕駛汽車(chē)事故頻發(fā),如:2016 年 5月 7 日,特斯拉一輛開(kāi)啟“自動(dòng)輔助駕駛”的轎車(chē)撞上一輛貨柜車(chē),駕駛員身亡[3];2018 年 3 月 18 日晚,美國(guó)亞利桑那州一名女子被 Uber 自動(dòng)駕駛汽車(chē)撞傷之后,不幸身亡[4]。這引起人們對(duì)自動(dòng)駕駛安全性的擔(dān)憂(yōu),并迫使我們重新審視和思考自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展。
通常,企業(yè)在研發(fā)自動(dòng)駕駛產(chǎn)品時(shí),會(huì)根據(jù)自動(dòng)駕駛技術(shù)等級(jí)進(jìn)行產(chǎn)品定位并制定技術(shù)路線(xiàn)圖,所以合理的自動(dòng)駕駛等級(jí)劃分可有效促進(jìn)產(chǎn)業(yè)政策制定,引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展方向。當(dāng)前,業(yè)界廣泛采用國(guó)際自動(dòng)機(jī)工程師學(xué)會(huì)(SAE)的 6 級(jí)劃分方法(J3016TM)[5],該標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)動(dòng)態(tài)駕駛?cè)蝿?wù)定義自動(dòng)駕駛級(jí)別,但缺少了對(duì)駕駛安全的考量。本文參考 J3016TM, 根據(jù)當(dāng)前自動(dòng)駕駛技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,以駕駛安全為核心,提出一種新的自動(dòng)駕駛等級(jí)劃分方法和技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)。
1自動(dòng)駕駛等級(jí)劃分方法
1.1自動(dòng)駕駛等級(jí)劃分基本原則
1.1.1安全優(yōu)先
汽車(chē)駕駛是非常復(fù)雜的過(guò)程,從自動(dòng)駕駛汽車(chē)事故統(tǒng)計(jì)[6]中可以分析出,自動(dòng)駕駛系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)系統(tǒng))在感知和決策方面仍然存在缺陷。雖然系統(tǒng)可以避免人類(lèi)誤操作,并且不知疲倦,但是面對(duì)緊急意外情況,仍然無(wú)法正確處理。在整個(gè)行駛域中,人類(lèi)駕駛事故和自動(dòng)駕駛事故關(guān)系可以用圖 1 表示。我們希望,即使是第三方責(zé)任,自動(dòng)駕駛事故的范圍和數(shù)量都遠(yuǎn)低于人類(lèi)。只有系統(tǒng)成熟到一定程度,能有效避免事故時(shí),人類(lèi)才能放心地把駕駛控制權(quán)交給系統(tǒng)。所以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的首要目標(biāo)是解決安全問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)“0”事故, 次要目標(biāo)才是代替人。
圖 1 人類(lèi)駕駛事故與自動(dòng)駕駛事故關(guān)系圖
1.1.2逐步接管駕駛權(quán)
自動(dòng)駕駛是一項(xiàng)多學(xué)科融合、多技術(shù)集成的新技術(shù),系統(tǒng)控制器多采用人工智能技術(shù),是自動(dòng)駕駛最核心部分。人工智能水平?jīng)Q定了系統(tǒng)的“智力”水平,目前,人工智能只達(dá)到嬰兒階段[7],它不具有根據(jù)邏輯推理掌握新知識(shí)的能力?!氨O(jiān)督學(xué)習(xí)”是迄今為止最成功的機(jī)器學(xué)習(xí)方式[8]。對(duì)于自動(dòng)駕駛系統(tǒng),人類(lèi)駕駛員是最好的老師。系統(tǒng)需要在人類(lèi)駕駛員參與下,進(jìn)行海量的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練,才能不斷完善成熟。也就是說(shuō),系統(tǒng)需要在人類(lèi)的監(jiān)督和幫助下,逐步接管駕駛權(quán)。自動(dòng)駕駛成熟的過(guò)程也是人工智能邁向更高階段的過(guò)程。
1.1.3關(guān)注執(zhí)行層
自動(dòng)駕駛系統(tǒng)分感知層,決策層,執(zhí)行層,分別代替人的眼睛,大腦,手腳。實(shí)際上。對(duì)于自動(dòng)駕駛,不管感知和決策采用何種技術(shù)手段,最終體現(xiàn)自動(dòng)化水平的是執(zhí)行層, 是自動(dòng)駕駛對(duì)車(chē)輛的橫向和縱向控制能力。所以自動(dòng)駕駛可以按照系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛加速,制動(dòng),轉(zhuǎn)向的控制能力進(jìn)行劃分, 并配以使用條件說(shuō)明。
1.2自動(dòng)駕駛等級(jí)劃分設(shè)計(jì)
基于以上原則,自動(dòng)駕駛可以分L1~L5五級(jí),其中L1~L3為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)輔助人類(lèi)駕駛, 稱(chēng)為高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS);L4 為人類(lèi)輔助自動(dòng)駕駛系統(tǒng);L5 為完全的自動(dòng)駕駛,不需要人類(lèi)輔助,稱(chēng)為無(wú)人駕駛。自動(dòng)駕駛等級(jí)劃分設(shè)計(jì)見(jiàn)表 1。
表 1 自動(dòng)駕駛等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)
各個(gè)級(jí)別的含義和解釋如下:
L1 級(jí):車(chē)輛的加速,制動(dòng),轉(zhuǎn)向完全由人類(lèi)操作,系統(tǒng)只提供警示,提示類(lèi)信息,主要目的是提高駕駛安全性和舒適性,如前撞預(yù)警,車(chē)道偏離預(yù)警,盲區(qū)檢測(cè),疲勞駕駛提醒等。對(duì)于自動(dòng)駕駛系統(tǒng),這一級(jí)別主要體現(xiàn)系統(tǒng)感知水平, 考驗(yàn)感知系統(tǒng)的誤報(bào)率,漏報(bào)率,準(zhǔn)確度,算法邏輯合理性等。
L2 級(jí):車(chē)輛的加速,制動(dòng),轉(zhuǎn)向由人類(lèi)操作。當(dāng)系統(tǒng)感知到危險(xiǎn)狀況并判斷駕駛員未采取安全操作或者操作不足以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)時(shí),系統(tǒng)進(jìn)行短暫的干預(yù),直到危險(xiǎn)解除后,系統(tǒng)退出干預(yù)。汽車(chē)行駛安全問(wèn)題主要來(lái)自碰撞(前撞,后撞, 側(cè)撞等),人類(lèi)駕駛的避撞操作除了單一的加速,轉(zhuǎn)向,制動(dòng), 更多的是復(fù)合操作,如轉(zhuǎn)向+加速,轉(zhuǎn)向+制動(dòng),以及轉(zhuǎn)向時(shí), 加速和制動(dòng)不同頻率的切換,汽車(chē)駕駛避撞操作見(jiàn)圖 2。目前市場(chǎng)化應(yīng)用的駕駛干預(yù)功能只涉及制動(dòng)系統(tǒng),如 AEB,ABS,ESC。單純的制動(dòng)干預(yù)無(wú)法完全起到避撞作用,特別在高速行駛時(shí),緊急制動(dòng)可能導(dǎo)致連環(huán)撞車(chē)。ECE R131[9]要求進(jìn)行靜態(tài)目標(biāo)試驗(yàn)時(shí),測(cè)試車(chē)輛應(yīng)降低車(chē)速減少碰撞損失, 而非避免和前車(chē)相撞,目的是為了避免后車(chē)追尾。在行駛中, 當(dāng)駕駛員面對(duì)前方緊急情況時(shí),除了制動(dòng),一般會(huì)采取轉(zhuǎn)向+制動(dòng),以避免事故。所以現(xiàn)階段應(yīng)大力發(fā)展 L2 級(jí)干預(yù)駕駛技術(shù),如自動(dòng)緊急加速(AEA),自動(dòng)緊急轉(zhuǎn)向(AES),以及 AEB,AEA,AES 相互之間的協(xié)作。越過(guò) L2 級(jí)的自動(dòng)駕駛技術(shù)想要提高行車(chē)安全,需設(shè)置較高的安全閥值,降低行駛效率,這樣會(huì)造成交通擁堵,違背了研發(fā)自動(dòng)駕駛的初衷。
L2 級(jí)干預(yù)駕駛成熟后,可真正起到避撞作用,為最終無(wú)人駕駛打下安全基礎(chǔ)。
圖2 汽車(chē)駕駛避撞操作模型
L3 級(jí):車(chē)輛的加速,制動(dòng),轉(zhuǎn)向中的 1 項(xiàng)或者 2 項(xiàng)由系統(tǒng)操作,其余駕駛動(dòng)作由人類(lèi)操作,也就是“人機(jī)共駕”。正如上文所說(shuō),駕駛是加速,轉(zhuǎn)向,制動(dòng)相互協(xié)作的過(guò)程,“人機(jī)共駕”相當(dāng)于兩個(gè)司機(jī)開(kāi)車(chē),“人”和“機(jī)”駕駛能力和決策能力不同,而且人類(lèi)駕駛風(fēng)格也會(huì)隨著心情和時(shí)間急迫度發(fā)生變化,相互之間很難默契配合。這會(huì)給駕駛員造成很大心理負(fù)擔(dān),使駕駛員產(chǎn)生恐懼。所以 L3 級(jí)別并未實(shí)質(zhì)提高駕駛效率,只是自動(dòng)駕駛過(guò)渡階段。現(xiàn)階段 L3 級(jí)應(yīng)用主要是簡(jiǎn)單場(chǎng)景的泊車(chē)輔助,高速公路自適應(yīng)巡航(ACC) 等。
L4 級(jí):加速,制動(dòng),轉(zhuǎn)向全部由系統(tǒng)操作,駕駛員需根據(jù)系統(tǒng)請(qǐng)求接管車(chē)輛。車(chē)輛在大部分時(shí)間自動(dòng)駕駛,但車(chē)上仍然需要配備駕駛員,駕駛員手腳可以離開(kāi)方向盤(pán)和踏板做其它事情。當(dāng)系統(tǒng)感知環(huán)境變化無(wú)法執(zhí)行駕駛動(dòng)作,或者系統(tǒng)出現(xiàn)未知錯(cuò)誤無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行自動(dòng)駕駛時(shí),系統(tǒng)及時(shí)提醒駕駛員在一定時(shí)間內(nèi)(時(shí)間足夠長(zhǎng),比如 10S 以上)內(nèi)接管車(chē)輛,即使駕駛員未及時(shí)接管,車(chē)輛可自行減速行駛到安全地帶。需要注意的是,L4 級(jí)別的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)已經(jīng)具備 L2 級(jí)應(yīng)急處理能力,不應(yīng)因事故風(fēng)險(xiǎn),要求駕駛員隨時(shí)立即接管車(chē)輛,那樣駕駛員需始終保持注意力集中,如果分心或者睡著,就會(huì)釀成事故,行駛安全無(wú)法保障。
L5 級(jí):無(wú)人駕駛階段,從出發(fā)地到目的地,加速,制動(dòng), 轉(zhuǎn)向全部由系統(tǒng)操作,車(chē)輛可以不配備駕駛員,系統(tǒng)感知和決策能力,冗余技術(shù)完全可以保障車(chē)輛高效、安全地到達(dá)目的地。人類(lèi)駕駛員徹底解放。
1.1自動(dòng)駕駛適用條件說(shuō)明
我們期望全天候,全路況使用自動(dòng)駕駛汽車(chē),這要求系統(tǒng)使用環(huán)境不低于人類(lèi)駕駛,但自動(dòng)駕駛發(fā)展過(guò)程中,技術(shù)從無(wú)到有,再到成熟,是一個(gè)不斷探索與循序漸進(jìn)的過(guò)程[10]。系統(tǒng)在滿(mǎn)足車(chē)規(guī)級(jí)同時(shí),需要不斷完善并擴(kuò)大使用場(chǎng)景和適用范圍。當(dāng)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)適用條件低于人類(lèi)駕駛時(shí),應(yīng)在系統(tǒng)名稱(chēng)上做明顯的標(biāo)志,以提醒消費(fèi)者防止誤用。建議在系統(tǒng)名稱(chēng)的右上角增加“R”(R 表示 Restrict),如 AEBR,L3R,并對(duì)限制使用條件做詳細(xì)說(shuō)明。以家用轎車(chē)為例,自動(dòng)駕駛系統(tǒng)適用環(huán)境和場(chǎng)景如表 2 所示,不滿(mǎn)足這些使用條件的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)應(yīng)增加限制使用說(shuō)明。
表 2 自動(dòng)駕駛系統(tǒng)適用條件
2自動(dòng)駕駛技術(shù)路線(xiàn)分析與規(guī)劃
2.1目前主流自動(dòng)駕駛技術(shù)路線(xiàn)
“漸進(jìn)演化”路線(xiàn):從 ADAS 開(kāi)始應(yīng)用,對(duì)自動(dòng)駕駛持謹(jǐn)慎態(tài)度,注重投入與回報(bào)的平衡,傾向于研發(fā)現(xiàn)階段可量產(chǎn)的 ADAS 產(chǎn)品,并逐步研發(fā)到無(wú)人駕駛階段。這種路線(xiàn)安全穩(wěn)定,但對(duì)自動(dòng)駕駛技術(shù)投入的不足,會(huì)導(dǎo)致其在未來(lái)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。大部分傳統(tǒng)車(chē)企和零部件企業(yè)走這種相對(duì)保守的路線(xiàn)。
“革命性”路線(xiàn):一開(kāi)始就研發(fā) L4 或者 L5 級(jí)自動(dòng)駕駛汽車(chē),追求無(wú)人駕駛的快速落地,但現(xiàn)有技術(shù)瓶頸難以快速突破,即使實(shí)現(xiàn)“無(wú)人駕駛”,也嚴(yán)重依賴(lài)高精度地圖和循跡技術(shù)。對(duì)道路環(huán)境要求高,只能在特定的區(qū)域和環(huán)境下使用。一般科技公司走這種技術(shù)路線(xiàn),如谷歌。近幾年,越來(lái)越多的傳統(tǒng)車(chē)企也加入到這個(gè)陣營(yíng),如福特,通用。
“特斯拉”路線(xiàn):在搭載自動(dòng)駕駛系統(tǒng)硬件的汽車(chē)上, 首先應(yīng)用輔助自動(dòng)駕駛功能,讓用戶(hù)體驗(yàn)自動(dòng)駕駛便利的同時(shí),幫助其不斷積累測(cè)試數(shù)據(jù),通過(guò)軟件升級(jí)完善自動(dòng)駕駛系統(tǒng),最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛。因?yàn)樵撀肪€(xiàn)越過(guò) L2 階段,對(duì)道路風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和控制能力不足,所以要求駕駛員雙手不能離開(kāi)方向盤(pán),如果駕駛員分心,容易導(dǎo)致安全事故。實(shí)質(zhì)上,該路線(xiàn)并未真正降低駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度。
2.2自動(dòng)駕駛技術(shù)路線(xiàn)規(guī)劃
自動(dòng)駕駛離不開(kāi)大量測(cè)試,測(cè)試一般經(jīng)過(guò)軟件在環(huán),硬件在環(huán),車(chē)輛在環(huán),封閉場(chǎng)地測(cè)試和公開(kāi)道路測(cè)試 5 個(gè)環(huán)節(jié)。通過(guò)設(shè)定虛擬場(chǎng)景對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真訓(xùn)練,可大大縮短了測(cè)試時(shí)間和成本,但虛擬場(chǎng)景所能覆蓋的真實(shí)復(fù)雜的交通環(huán)境非常有限,而且仿真的效果受限于技術(shù)人員駕駛經(jīng)驗(yàn)和水平。公開(kāi)道路測(cè)試是自動(dòng)駕駛最有效測(cè)試方法,根據(jù)美國(guó)蘭德公司報(bào)告[11]:在 95%置信水平下,要證明自動(dòng)駕駛汽車(chē)事故死亡率低于人類(lèi)(人類(lèi)駕駛汽車(chē)每 1 億英里死亡 1.09 人),需要進(jìn)行 2.75 億英里以上的安全行駛測(cè)試,采用 100 輛車(chē)組成的車(chē)隊(duì),每年 365 天,每天 24 小時(shí)不間歇地以 25 英里每小時(shí)的速度進(jìn)行測(cè)試,大概需要 12.5 年。這種通過(guò)配備駕駛員的測(cè)試車(chē)輛進(jìn)行公共道路測(cè)試的方法,成本過(guò)高,而且積累到目標(biāo)里程數(shù)要數(shù)年。
本文推薦的技術(shù)路線(xiàn)參考“特斯拉” 路線(xiàn),利用安裝自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的量產(chǎn)汽車(chē),通過(guò)市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)累積測(cè)試?yán)锍?,不同的是,自?dòng)駕駛功能要從 L1 到 L5 逐級(jí)釋放。具體技術(shù)路線(xiàn)規(guī)劃如下:
a) 裝備自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的汽車(chē)大量投放市場(chǎng),首先開(kāi)放預(yù)警功能,訓(xùn)練 L1 級(jí)感知能力,識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)能力,并向駕駛員學(xué)習(xí)避險(xiǎn)操作。
b) L1 級(jí)成熟后,車(chē)輛釋放 L2 功能。在危機(jī)時(shí)刻干預(yù)油門(mén),制動(dòng),轉(zhuǎn)向,避免碰撞,人類(lèi)駕駛員可以隨時(shí)中斷干預(yù)駕駛,接管車(chē)輛,直到“安全防撞系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)“0”事故。在這一過(guò)程中。系統(tǒng)模擬 L4 級(jí)自動(dòng)駕駛,下達(dá)指令給線(xiàn)控系統(tǒng),但是線(xiàn)控系統(tǒng)并不執(zhí)行命令(L2 級(jí)指令除外),系統(tǒng)會(huì)對(duì)比下達(dá)的指令和司機(jī)操作的吻合度,并向駕駛員學(xué)習(xí), 完善控制算法。
c) L2 級(jí)別成熟以后,自動(dòng)駕駛汽車(chē)具有行駛安全保障能力,系統(tǒng)釋放 L4 級(jí)功能,這時(shí)僅需要駕駛員監(jiān)督車(chē)輛運(yùn)行,在必要的時(shí)候接管車(chē)輛,即使人類(lèi)不接管,車(chē)輛會(huì)自行開(kāi)到安全地帶。
a) 隨著 L4 級(jí)別技術(shù)成熟,人接管車(chē)輛的概率越來(lái)越低,直到不需要接管,實(shí)現(xiàn) L5 級(jí)無(wú)人駕駛。車(chē)上不需要駕駛員,乘客可自由選擇自動(dòng)駕駛模式,如舒適模式、效率模式、緊急模式。
L2 和 L4 是自動(dòng)駕駛發(fā)展的最關(guān)鍵階段,也是最漫長(zhǎng)的階段,但是借助產(chǎn)品市場(chǎng)化大大縮短技術(shù)研發(fā)周期和成本。如果全球每年有 1 百萬(wàn)臺(tái)汽車(chē)安裝自動(dòng)駕駛系統(tǒng),每臺(tái)車(chē)行駛 1 萬(wàn)公里,每年可以累積行駛里程 1 百億公里。
結(jié)束語(yǔ)
在自動(dòng)駕駛輔助技術(shù)(如 V2X,電子導(dǎo)航地圖)幫助下, 無(wú)人駕駛終將實(shí)現(xiàn),并改變我們的生活方式??梢糟裤降奈磥?lái)可能是這樣的:世界上,私家車(chē)數(shù)量將減少 4/5,人們不用考駕照,也不需要購(gòu)買(mǎi)汽車(chē),而是向出行服務(wù)公司租賃無(wú)人駕駛汽車(chē),因?yàn)?10 年租賃費(fèi)用遠(yuǎn)低于汽車(chē)貶值,租賃汽車(chē)更劃算,而且用戶(hù)不需要支付加油,充電,保養(yǎng)維修等費(fèi)用, 這些全部由公司負(fù)責(zé),但是需要用戶(hù)把車(chē)輛 90%的閑置時(shí)間交由公司管理,作為共享汽車(chē)接客,收益雙方共享。無(wú)人駕駛汽車(chē)將改變汽車(chē)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),汽車(chē)制造廠淪為代工廠,出行公司每次向代工廠下達(dá) 10 萬(wàn)臺(tái)甚至百萬(wàn)臺(tái)訂單。此外,充電站,加油站,洗車(chē)店,超市,全部集中在同一區(qū)域?yàn)樽詣?dòng)駕駛汽車(chē)服務(wù)。這時(shí)誕生一個(gè)新職業(yè),自動(dòng)駕駛社區(qū)管理員, 負(fù)責(zé)管理附近的無(wú)人駕駛汽車(chē)。當(dāng)無(wú)人駕駛汽車(chē)進(jìn)站充電的同時(shí),管理員組織人員對(duì)車(chē)輛進(jìn)行清潔,檢修維護(hù),充滿(mǎn)電后,超市人員將客戶(hù)網(wǎng)絡(luò)下單的貨物放進(jìn)后備箱,無(wú)人駕駛汽車(chē)載貨回家。
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自動(dòng)駕駛
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原文標(biāo)題:自動(dòng)駕駛等級(jí)劃分及技術(shù)路線(xiàn)分析
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