自動(dòng)駕駛等級(jí)劃分及技術(shù)路線(xiàn)分析

李德海

（廈門(mén)金龍聯(lián)合汽車(chē)工業(yè)有限公司，福建 廈門(mén) 361023）

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。“監(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L(fǎng)3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?，F(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。

1.3 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。

d）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。

3 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)?0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(chǎng)淪為代工廠(chǎng)，出行公司每次向代工廠(chǎng)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。