自動駕駛路向何方？
2022-05-20
作者
Egil Juliussen，EE Times專欄作者
目前，儘管自動駕駛車(AV)技術取得了不小進展，但人們普遍認為距離商業化還需幾年的時間。促成這種看法的原因是，AV產業過度樂觀並在過去五年中表現不佳...
目前，儘管自動駕駛車(AV)技術取得了不小進展，但人們普遍認為距離商業化還需幾年的時間。促成這種看法的原因是，AV產業過度樂觀並在過去五年中表現不佳，在開始部署之前，許多技術問題仍然有待解決。
本文對AV的進展進行了回顧，並就AV開發的當前狀態提出了自己的觀點，同時考慮未來部署所需的事項，還將介紹許多新湧現的道路AV案例。AV技術安全標準已被導入，新規範對部署時間表至關重要，必須與新一代AV系統一體考慮。
下一步是AV的道路立法，這將是成功部署AV所必需的。隨著新的安全要求的增加，預計合規性方面將帶來重大挑戰。圖1總結了最常見類別中的AV產業、技術和案例的狀態。它涉及三個時間框(過去：2020年之前；當前：2020~2025年；未來：2025~2030年)，並分為四個部分(運輸產業、政府組織、標準機構、平台開發商)。
圖1：最常見類別中的AV產業、技術和案例的狀態。
(來源：Egil Juliussen)
歷史回顧
領先公司的AV開發和測試階段從2015年延長到2020年。有些開始得更早，有些仍在測試中。首先討論AV案例，因為它們會極大地影響其他考慮因素。
AV案例
最初的研究集中在最有前途的應用上。最初，網約車(編按：網路預約出租汽車)在中國、美國和其他地區起飛，使自動駕駛計程車(robotaxi)成為最理想的早期AV部署方案。在歐洲，由於大多數城市的叫車服務成長受到限制，而固定路線AV最受關注，美國和中國是自動駕駛卡車開發和測試的主要市場。
對於技術複雜性的理解、客戶需求和其他案例因素，還需要深入研究。生成用於測試AV軟體的訓練資料至關重要，透過模擬進行的虛擬AV測試變得越來越重要，當然安全性仍然是最關鍵的。
道路立法
迄今為止，幾乎沒有來自政府的監督。大多數情況下都需要測試許可，所有載客的AV都需要安全駕駛。僅限載貨的AV，以及在此期間開始測試的自動駕駛卡車也需要道路許可。在美國，一些州頒發了測試許可證，最大的項目在加州。在這段時間的裡，中國開始了自動駕駛計程車測試；歐洲主要測試固定路線AV和一些人行道送貨AV。
到2019年，超過65家公司獲得了加州測試AV的DMV許可。總共有567台測試車輛獲得了許可證，當年行駛了近290萬英哩。2020年，獲得許可的測試車輛數量增加到668輛，但受疫情影響，行駛里程反而降至199萬英哩。這段時間裡，在加州進行AV測試時，測試車上需要配備一名安全駕駛。
安全標準
技術安全主要關注基於ISO 26262及其四個ASIL階段的功能安全。對於隨後導入的AV，AV技術安全標準方面的工作也開始啟動。SAE定義了六個等級的駕駛，Level 3、Level 4、Level 5代表自動駕駛，這些等級被廣泛使用。SAE還導入了以下多個重要概念：
- ODD：操作設計域，定義了AV可以運作的環境；
- OEDR：物體和事件探測與回應，監控並回應駕駛環境；
- DDT：動態駕駛任務，包括AV駕駛、執行OEDR和避免碰撞；
- ADS：自動駕駛系統，指執行DDT的電腦系統。
AV技術
此期間內，由於多種新技術湧現，技術開發受到了諸多關注。軟體驅動程式是最複雜的部份，因為它需要完成所有DDT功能；感測器和視覺軟體用於完成OEDR功能。
執行所有軟體的電腦硬體所需的性能遠高於此時間段內的可用性能，這是Nvidia和其他處理器設計人員面臨的挑戰。在這段時間裡，人工智慧技術發展迅速，也許發展太快了，以至於目前人工智慧的進步被高估了。
當前狀態
AV當前處於大多數AV案例的部署試用階段。某些試用階段始於2018年，對於某些地區的某些案例，此階段可能會持續到2025年或更長時間。
AV案例
案例已經演進，它們的重要性也在一定程度上發生了變化。由於疫情，卡車司機短缺，以及線上訂單和交貨量的大幅增加，增加了自動駕駛卡車的重要性。無人駕駛計程車仍然很重要，在美國和中國開始進行無人駕駛試驗，預計未來幾年還會進行更多試驗。加州已批准七家公司進行無人駕駛測試，其中三個已獲得在特定區域(Cruise、Nuro和Waymo)部署AV的授權。Nuro正在測試載貨AV，而Cruise和Waymo則專注於機器人計程車。
自動駕駛卡車透過在測試模式下(配有安全駕駛)交付貨物來產生收入。此案例主要使用貨運中心對貨運中心的交付方案，其中大部分駕駛都在高速公路上進行，但每次往返都包含從高速公路到倉庫的短距離行程。
在美國、歐洲和中國的一些城市，人行道AV正在為許多校園和雜貨店提供食品。
道路立法
AV立法仍然有限，但許多規劃正在進行中。法國和德國已經邁出了制定AV立法的第一步。其他國家正在透過新的立法，包括中國、英國和美國。更多國家/地區可獲得更多測試許可，最終歐洲在自動駕駛計程車測試方面變得更加活躍，在慕尼黑、巴黎和其他城市進行了路測。以下討論的新ISO標準中，將增加固定道路AV的測試和部署，而歐洲可能處於領先地位。
安全標準
在過去大約一年裡，安全標準有所提高。ISO 22737 LSAD對於某些AV案例尤其重要。LSAD (低速自動駕駛)將用於許多固定路線的AV、貨物的交付，以及類似的場景。
ISO 21448 (預期功能安全性)將功能安全性擴展到AV。該規範涵蓋了在沒有系統故障的情況下出現的功能安全性漏洞(ISO 26262涵蓋系統故障)。UL 4600針對Level 4~5兩個等級的AV，包括自動駕駛開發的所有方面。UL 4600由Underwriters Laboratories和Edge Case Research共同制訂，基於其當前狀態將ISO 26262和21448擴展到AV，並在沒有人工干預的情況下感知其操作環境。
IEEE P2851責任敏感安全(RSS)模型，利用MobileEye的AV駕駛演算法來避免碰撞。RSS是一種形式數學模型，防碰撞用的是技術中立方案。在安全相關AV行為中，該標準被稱為模型的假設。
定義AV等級和概念的術語標準SAE J3016，正受到越來越多的批評，當僅定義AV術語時，其被視為安全標準。SAE可能會將其六個等級從ADAS更新到AV。卡內基梅隆大學(Carnegie Mellon University)的Phil Koopman的一項提案獲得了相當大的支持，該提案基於以下四種Koopman簡化自動化模式：
- 駕駛輔助：支援人類駕駛；
- 監督自動化：人類駕駛監控並補強能力差距；
- 自主操作：沒有人類安全駕駛；
- 車輛檢測：駕駛可降低因潛在的設計缺陷所導致的風險。
AV技術
AV技術不斷進步——某些方面進展相對快一些。軟體驅動程式正在改進，其中一些涵蓋了多個AV案例。而對於之前從未見過的邊緣情況或新的駕駛情況，仍然是一個棘手的問題，需要在安全性可接受程度方面取得更大的進展。
感測器隨著改進技術的出現而不斷發展。而對於光達(LiDAR)來說，ToF和調頻連續波(FMCW)之間的技術之爭仍在繼續。ToF是大多數AV新創公司使用的成熟技術。FMCW具有一些關鍵優勢，比如干擾極小、優異的速度測量和更遠的探測範圍等。然而，成本仍然是一個問題，長遠來看，FMCW似乎是贏家。
新一代雷達技術正在湧現，它將透過4D或成像雷達大大提高感知能力。4D雷達帶來了與光達的重疊功能，將是未來的領導者。在其他地方，遠紅外線(FIR)是另一種有前途的AV感測器技術。FIR可以比其他感測器更好地檢測溫暖的物體，這對行人和動物的探測來說至關重要。
人工智慧技術不斷改進，但進步的速度似乎已經放緩——至少對AV來說是如此。有一個問題是所謂的黑盒問題：即目前仍然很難確定人工智慧模型如何為AV駕駛做出決策。這種模糊性仍然是AV的一個大問題，需要更好的解決方案。
未來展望
安全部署階段將因AV案例而異，時間為2024~2030年，甚至可能更晚——具體取決於領先企業的計畫，以下將對前述的圖1進行回顧。
AV案例
包括低速行駛相對簡單的交通模式案例中將會首先進行安全部署，包括在許多公共交通部署中的固定和可變路線的AV。純載貨AV也將會提早部署人行道AV，作為以步行速度運行的最簡單版本。Nuro等基於道路的純載貨AV也會提早部署。Nuro的第三代AV採用了一個外部安全氣囊，以提高行人的安全性。
自動駕駛計程車正在部署中，但僅限於部分城市的選定區域。進一步擴張將取決於道路立法。未來自動駕駛計程車的營運安全性也將對未來的擴張產生重大影響。一些致命的撞車事故，即便是只有少量撞車事故導致人員受傷或死亡，但都可能會像滾雪球一樣，這將是所有自動駕駛計程車營運商面臨的重大問題。
消費級AV將利用自動駕駛計程車的開發和部署，但至少會滯後五年。消費類AV的ODD可能有限，其模式類似於自動駕駛計程車，且決定消費者AV部署的最大因素將是未來的道路立法。
一些自動駕駛卡車應用將在2025年之前部署，其中貨運中心到貨運中心模式將處於領先地位。自動駕駛卡車承諾即使在有安全駕駛的情況下也能提升效率，特別是考慮到當前的駕駛短缺和更好地利用法定休息日之間的行駛時間。行駛效率可以縮短新鮮農產品等商品的行程時間，因而具有顯著的成本優勢。
道路立法
到2025年，許多國家可能會發佈重要的道路立法。這些法律將對所有AV案例產生深遠影響，這可能會導致AV部署的延遲。作為這些考慮的一部分，必須做出幾個艱難的決定，因為新的AV立法條款的制訂所參考的資料很少，其中包括如何與人工駕駛車輛相比，來確定AV安全的基點，以及如何衡量這種關係的演變。AV將會透過提高安全性的軟體更新而得到改進。如何參照一組特定的人類駕駛來衡量AV的安全改進，仍然是一個懸而未決的問題。
英國透過AV立法的努力對解決爭論做出了很大貢獻。例如英國研究人員得出結論，AV安全性判定是一項最好留給議會的政治決定。
到目前為止，很少有人討論未來的AV市場對公司和政府的巨大收入潛力，無疑這種收入潛力將被納入AV道路立法。AV的提早部署還將帶來技術和使用經驗方面的領先地位，隨著AV部署的推進，這些技術和使用經驗可以在其他國家推廣。
安全標準
AV技術標準進展狀況良好：ISO 21448和UL 4600已獲得批准，IEEE P2851正在制訂中。這些標準必須內建到下一代AV系統中，以極大地增加安全性。
可能會有新的技術標準出來，或者至少是現有標準的更新。但有個問題是，是否會有針對自動駕駛卡車、純載貨AV或其他車輛類別的特定技術標準？未來的立法也可能要求在2025年的時間表內制定新的或更新標準。這可能會對未來的AV技術標準產生最大的影響。
AV技術
需要持續改進AV技術。軟體驅動程式將依賴於人工智慧技術的進步和來自擴展機器學習的改進，以及來自測試和操作的資料。
FMCW光達、4D雷達和FIR等感測器硬體和軟體技術正在進入量產階段。對於所有的感測器，都將看到其成本的下降和可靠性的提高，光達將變得更加實惠。隨著成本的下降，運算效能也會提高。具備人工智慧加速器的晶片將有助於提高重要性，且一些AV公司將會開發自己的晶片。
挑戰底線
AV必須在批量部署之前克服多重挑戰。技術複雜性仍然令人生畏：如何開發和證明軟體駕駛可以勝過人類駕駛，將仍是一個主要障礙。AV案例越來越清晰，有些更容易掌握，流量模式簡單且速度較低區域的部署將會成為早期的批量部署。
AV技術標準正在進行。現在，AV公司需要迅速將這些標準整合到他們的平台中。也許最艱難、可能也是最具爭議的決定，將由制定AV道路立法的機構做出。他們必須在AV的安全性和人類駕駛的能力之間進行權衡。他們還必須具體說明新法律的實施辦法，如何授權AV供公眾使用，以及如何在其生命週期內保持授權。
(參考原文：Road AVs: Quo Vadis?，by Egil Juliussen)
本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年5月號
