近万字解释：智能驾驶系统功能如何定义

本文描述了对已提出装配智能驾驶的样车概念ADS功能的识别。该分析侧重于SAE L3-5级的ADS系统，如谷歌的自动驾驶汽车项目（即Waymo），以及其他类似项目，侧重于下一代自动化。这一步很关键，因为样车概念ADS的功能被用来识别ODD和OEDR，开发初步测试和/或评估方法，并评估FS和FO机制，这为开始考虑ADS的验证和核查方法奠定了基础。

本文主要分为四个部分：识别概念ADS功能的方法，定义概念ADS功能（包括行为）的框架，概念ADS功能的清单和描述，以及一套通用ADS功能类别。

识别ADS概念方法：

为确定ADS的功能，采用了四个阶段的方法:->(1）回顾文献；->（2）确定讨论ADS功能的框架；->（3）定义功能和行为；->（4）对功能进行分类。

为了指导以后的分析，确定了重点关注的ADS功能。 为了支持对ADS功能的识别，在整个项目中建立并实施了一个描述ADS的框架。作为这项工作的一部分，行业利益相关者也参与其中。识别ADS功能所涉及的阶段如下：- 回顾文献，包括大众媒体、新闻稿、技术期刊和会议记录，以确定主要OEMs、技术公司、供应商和城市提出的ADS概念功能。- 定义一个描述ADS功能的框架，包括功能架构、行为、自动化程度、ODD和OEDR。- 定义ADS功能，包括操作概念和行为；对ADS功能的进一步描述可以在以后的文章中找到，欢迎关注本智驾社，一起交流学习。- 将ADS功能归类为一套通用的ADS功能。

联邦公路管理局审查了50多个文献来源，包括OEM网站、正在特定领域测试的车辆的新闻稿、NHTSA碰撞前情景分析（Najm, Smith, & Yanagisawa, 2007）、NHTSA的2017财政年度预算请求（NHTSA, 2016b）、NHTSA L2级和L3级人因概念（Blanco等人。2015年），联邦公路管理局-管理车道使用案例（FHWA，2008年），以及技术和国际出版物，包括2015年和2016年自动驾驶汽车研讨会和联合国欧洲经济委员会世界车辆法规协调论坛关于指令自动转向功能工作组的会议记录。此外，还采用了美国交通部赞助的研究，如避免碰撞度量伙伴关系自动驾驶汽车研究以增强安全（Christensen等人，2015；NHTSA，2016c），该研究详细描述了公路驾驶自动化水平的功能。图1描述了ADS功能识别过程中涉及的阶段。

图 1.ADS功能筛选方法和流程

讨论ADS功能的框架：

讨论ADS功能的框架的开发始于定义术语和参考功能架构。术语ADS "功能(Feature) "被选择用来代替 "功能(Function) "或 "应用"，因为它是原始设备制造商用来推销车辆功能的相同术语。虽然这些术语可以互换使用，但使用 "功能(Feature) "与市场上现有的对车辆功能的描述最为一致。使用 "功能 "可以最大限度地减少在文献审查中审查原始设备制造商提供的专有ADS产品时的混淆，以及未来与原始设备制造商的利益相关者的接触工作。 SAE国际的高速自动驾驶活动被用来开发一个强大的系统来描述每个功能。SAE-J3016将ADS特征定义为 "一个驾驶自动化系统在特定操作设计域内的特定驾驶自动化水平上的特定设计功能"。参照这个定义，每个功能可以用以下方式来描述:- 驾驶自动化水平（使用国际汽车工程师学会的驾驶自动化水平）。- 以DDT为重点的特定设计功能，在SAE-J3016中被定义为。"在高速交通中操作车辆所需的所有实时操作和相应策略功能，不包括战略功能，如行程安排和选择目的地和航向，并包括但不限于以下内容:1.  通过转向进行的车辆横向运动控制（操作性的）2.  通过加速和减速的纵向车辆运动控制（操作性的）3.  通过物体和事件检测、识别、分类和反应准备来监测驾驶环境（操作和策略性）。4.  物体和事件响应的执行（操作和策略性）5.  操纵计划（策略性）6.  通过照明、信号和手势等加强提示性。(策略性)- 其运作的ODD- FS/FO的能力

根据SAE J3016，DDT要素3和4可以统称为OEDR，本文并在以后的文章中有所涉及。其余的DDT要素1、2、5和6在本文中讨论，并被宽泛地描述为 "策略和操纵"。这个术语通常包括OEDR的各个方面，但OEDR在以后的文章中有所涉及。应该注意的是，这些术语中的许多术语，如行为、操纵、ODD、OEDR和FS/FO，在ADS背景下的整个文献中的使用可能有所不同。SAE正在努力对这些术语进行澄清和标准化。例如，SAE ORAD委员会行为和动作工作组正在开发一份信息报告，以描述这些术语和支持性分类法中的几个术语。由于没有现有的共同框架，本文尽可能地与SAE的现有工作保持一致，但也考虑了其他文献来源。下面将提供更多关于策略和操纵及行为层面控制的信息。

驾驶自动化的水平：

国际汽车工程师学会、德国联邦公路局、国际汽车制造商组织和联合国欧洲经济委员会已经就驾驶自动化水平的共同定义达成一致，这些定义在SAE-J3016中有所描述。SAE-J3016提供了关键术语的定义，包括MRC和ODD。应该注意的是，J3016在2016年9月进行了修订，现在已经成立了一个SAE-国际标准化组织联合工作组，负责未来的更新。表1显示了SAE-J3016公路车辆的驾驶自动化水平。美国交通部在其政策指导中采用了这些驾驶自动化水平，以建立标准化，帮助提高清晰度和一致性。

表1. 驾驶自动化水平的总结

设计特定的功能：

为了最好地定义确定的功能，建立并实施了一个参考功能系统架构的框架。SAE国际ORAD的J3131工作是关于功能架构的工作为该方法提供了参考。J3131功能架构草案如图2所示。

图2. 国际汽车工程师学会自主模式功能架构流程图

SAE国际的功能架构草案（图3）被改编为描述系统组件（即传感器、环境[ODD]、感知、计划、行动等）及其与本项目技术分析有关的互动。功能架构有助于构建ADS功能的具体体现的定义。该架构描述了车辆软件、电子和硬件的组织，以及与外部环境的关系。

图3.ADS功能的通用功能架构行为可以用来帮助定义每个功能在OEDR行为（在第四章中描述）和其他策略和操作方法（在本文中描述）方面的功能。行为可以根据行为的持续时间分布在一个层次中（如图4所示；注意：显示的持续时间是粗略的数量级估计）。这项工作的重点是1-10秒范围内的策略和操作行为，这是基于策略/任务级行为不属于DDT的逻辑，而且主动安全不属于这项工作的范围，因为它不是ADS特有的。

图4. 按控制系统的时间层次分布的ADS任务分解

ADS的策略和操作行为： 

通过文献回顾和分析，建立了一个与ADS驾驶控制有关的策略和操作动作的工作清单。 

- 停车 - ADS在一个空闲的停车位内完全停止；可以进一步根据平行或垂直的方向，地段类型（封闭/开放），启动条件等来确定。

- 保持速度 - ADS通过纵向控制保持一个安全的速度，有可接受的跟随距离。

- 汽车跟随 - ADS在可接受的跟车距离内识别并跟踪目标车辆，同时通过纵向和横向控制保持在车道内。

- 车道居中 - ADS通过横向控制保持在一个车道内。- 车道转换/超车--ADS根据预测的路径或危险，跨越车道或超越即将到来的车辆。

- 加强显示性--ADS控制车辆的闪烁器、大灯、喇叭或其他用于与其他司机交流的方法。

- 障碍物规避--ADS识别并应对道路上的危险，如行人、碎片、动物等。

- 低速并线--ADS通过识别空闲的车道位置和匹配速度，并入时速低于45英里的车道，例如从一个出口匝道。

- 高速并线--ADS通过识别空闲的车道位置和匹配的速度，并入时速超过45英里的车道，例如从一个出口匝道。

- 在上下匝道上行驶--ADS在上下匝道上行驶，这些匝道通常是单行道、陡峭的弯道和斜坡路段。

- 路权决定--ADS遵守方向限制；例如，单行道和主动选择合适车道。

- 遵守驾驶法规--ADS遵守机动车法规和地方条例；例如，跟随距离、速度限制等。这可能也包括因地区而异的驾驶规范。

- 环岛导航--ADS确定路权，进入、导航和离开环岛，并在必要时与其他道路使用者进行沟通。

- 导航十字路口 - ADS确定路权，进入，导航和离开十字路口，包括信号灯，停止标志，4/3/2-车道，并与其他道路使用者进行必要的沟通；可能包括左转或右转穿越来往车辆。

- 穿越人行横道 - ADS确定路权，进入、穿越和离开人行横道，并在必要时与其他道路使用者沟通。

- 导航工作和建筑区 - ADS确定路权和交通模式，进入、导航和离开工作和建筑区，并在必要时与其他道路使用者沟通。

- N点转弯--ADS进行方向调整，包括交替进行前进和后退，并调整转向，使车辆在狭小空间内重新定位。

- 掉头--ADS确定路权，启动并完成掉头，并在必要时与其他道路使用者进行沟通。- 路线规划--ADS使用各种信息来定义（和可能的更新）一个路线网络，包括路段选择、转弯和变道时机等。

作为一个例子，图5显示了L3日产试点驾驶的一些行为。 

图5.日产自动驾驶样车的能力（Inside EVs, 2015） 

ADS功能概念的识别：

确定了24个ADS功能概念。1.  Audi Traffic Jam Pilot2.  Audi Highway Pilot3.  Auro Self-Driving Shuttle4.  Baidu Automated TNC35.  Bosch Valet Parking6.  CityMobil2 Automated Shuttle7.  Bosch Highway Pilot8.  EZ10 Self-Driving Shuttle9.  Ford Automated TNC10. GM Cruise Automation TNC11. Google Car12. Honda Automated Drive13. Mercedes Highway Pilot Truck14. Navya Arma Shuttle15. Nissan Autonomous Drive16. Olli Local Motors Shuttle17. Otto Trucking18. Tesla Self-Drive19. Toyota Chauffeur20. Toyota Guardian21. Uber Automated TNC22. Varden Labs Self-Driving Shuttles23. Volkswagen I.D. Pilot24. Volvo IntelliSafe Auto Pilot 

这24个ADS功能被划分为以下七个通用类别：

1.  L3 Conditional Automated Traffic Jam Drive

2.  L3 Conditional Automated Highway Drive

3.  L4 Highly Automated Low Speed Shuttle

4.  L4 Highly Automated Valet Parking

5.  L4 Highly Automated Emergency Take-Over

6.  L4 Highly Automated Highway Drive

7.  L4 Highly Automated Vehicle/TNC 

表2显示了哪些ADS功能属于七个通用类别：

表2. 按通用ADS类别划分的ADS功能

下文描述了每个概念ADS的功能，并按ADS的通用功能类别组织。每一个通用功能类别都在ConOps和使能技术方面进行了描述，每一个确定的概念ADS功能都在操纵行为、商业可用性和自动化水平方面进行了描述。该分析主要基于文献回顾。由于公开信息的不完整性，在某些情况下使用工程判断来预测某些数据。在这些情况下，在附表中提供了一个"？"，而不是"X"。

第1类，L3有条件交通拥堵自动驾驶功能

L3交通拥堵自动驾驶功能是为走走停停的交通提供自主行驶。如果可以跟踪前面的汽车，它允许车辆在较慢的速度下不需要人类操作员的输入就可以行动。人类操作员是DDT的退路。奥迪交通拥堵试点（奥迪，2015年）使用自适应巡航控制和LKA，允许在交通堵塞中缓慢行驶。2017年的奥迪A4和Q7，包含了这个功能的早期版本（SAE国际L2），跟随前面的车辆，在系统的限制范围内自动操作油门和刹车，使车辆保持在车道上。汽车自动转向、加速和刹车，并允许司机在慢速行驶的交通中双手离开方向盘，每次15秒（Jaynes, 2016），该功能的未来版本有望实现L3级自动驾驶，并在2019年的奥迪A8上投入商业使用。福特已经宣布，该公司正在敲定他们自己的交通拥堵辅助系统；然而，他们没有提供其首次亮相的时间表。交通拥堵辅助系统将是一个结合了ACC和LKA的自动驾驶系统，协助司机进行转向、制动和加速（福特汽车公司，2015）。结合相关行业信息，福特L3量产预计在2022年，其自动驾驶控制器具备L3系统冗余和自动泊车驾驶功能的系统。

表3. L3有条件的自动交通拥堵驾驶功能

第2类，L3有条件的高速公路自动驾驶功能

L3高速公路驾驶功能允许车辆在高速公路上不需要人类操作员的输入就能采取行动（例如，ACC和近距离排队）。该功能使车辆能够以理想的速度行驶，并根据周围的交通情况调整速度。该系统还能超越较慢的车辆或在高速公路路口并线。

表4. L3有条件的高速公路自动驾驶功能 

第3类，L4高度自动化低速自动驾驶功能

L4高度自动化低速自动驾驶车是一种沿着预定路线行驶的自动驾驶车辆。该系统不需要车载驾驶员控制界面，而且速度限制在25英里/小时以下。例如，Olli（Local Motors，2017）是一种自动驾驶电动车，已经在美国的几个地方进行了测试，目前正在德国部署。Olli可以成为车队管理系统的一部分，该系统有一个中央操作中心，旨在解决大型校园和市政当局的交通需求。一个智能手机应用程序可供用户查找现有的路线，分享乘坐，并输入接送地点，以实现门到门服务。CityMobil2（CityMobil2，2017）试验了一个自动道路运输系统的平台，在欧洲的几个城市环境中实施。2015年冬季，在希腊城市特里卡拉完成了大规模的示范。一个由六辆Robosoft车辆组成的车队以大约12.5英里/小时的速度沿着1.5英里的路线行驶，该路线被整合到城市主要道路网络中。在最后一次大规模演示中，自动驾驶班车在接近正常交通条件下运行，与其他道路使用者一起运行，包括汽车、行人和自行车。在示范期间，记录了近1490次出行。在此期间，这些车辆行驶了3500多公里，在市中心运送了超过12000名乘客。法国制造商Navya Technologies SAS的Arma（Navya，2017年）是一款100%的电动、智能和低速自动驾驶，用于交通通勤服务，于2015年10月推出。法国专家花了10年的时间研究，以实现L4级驾驶自动化。Navya Arma不需要任何司机或特定的基础设施，可以避开静态和动态的障碍物，可以运送多达15名乘客，安全行驶到28英里/小时。在功能安全方面，L4高度自动化班车功能可以解决一些与驾驶15名乘客的车辆有关的安全问题（即人为错误和情景意识）。如果不定期检查，这种规模的车辆的其他安全问题（如轮胎压力）仍可能造成安全隐患。它的电池可以通过感应充电，根据配置和交通状况，可以持续5至13小时。另一家法国制造商Easymile SAS（EasyMile,2017）是一家初创公司，专门提供为自动驾驶车辆提供动力的软件和最后一英里的智能移动解决方案。它的EZ10是一种专门用于智能交通的电动穿梭车，旨在覆盖短距离和多用环境中的预定路线。EZ10可以在三种模式下运行，只需要轻型基础设施就可以运行，符合智能交通要求，其运行速度和最高速度分别为12英里/小时和25英里/小时。通勤服务在虚拟轨道上运行，可以轻松配置，以适应需求的突然转变。服务运营商可以设置新的时间表，创建新的虚拟站点，以促进交通的流动。利用受航空学启发的冗余嵌入式系统，EZ10确保乘客和道路使用者的安全，使其免受道路危险和技术故障的影响。他们的混合传感方法结合了通过视觉、激光和差分GPS数据进行的穿梭定位。这种方法确保顺利运行，不受基础设施限制、能见度和/或天气条件的影响。对静态或移动物体和人的检测依赖于冗余的感知系统。在探测到物体后，EZ10会调整其轨迹和速度，从而实现避开障碍物。作为独立的避免碰撞功能的 "安全链 "增加了车辆和用户的安全。此外，车队管理软件能够对EZ10班车的车队进行远程和实时监测和控制。

表5. L4高度自动化低速自动驾驶

第4类, L4高度自动代客泊车功能

L4高度自动化代客泊车涉及一辆可能无人驾驶的汽车，它可以找到一个停车位并自行停车。博世的代客泊车功能是一个未来的概念（发布日期不详），提供一种新的激光技术，在没有GPS信号的帮助下运行。司机将车辆放在停车场入口附近的指定区域，然后在指定区域取车（博世，2017）。这一功能结合了博世正在开发的各种不同的连接和自动停车解决方案。 

表6. L4高度自动化的城市代客泊车功能

第5类，L4高度自动化具备紧急接管功能的自动驾驶车辆

在司机即将面临危险的情况下，紧急接管系统会对车辆进行控制并引导其安全停车。车内的摄像头跟踪驾驶员的头部运动，而内部的算法则使用传感器数据来估计一个人何时需要帮助发现或避开潜在的危险情况。丰田的Guardian系统有别于其他ADS功能，与人并行而非串联运行（Goreham，2017）。该系统旨在减少汽车和人类驾驶员之间交接的复杂情况，因为驾驶员要一直保持控制。

表7. L4高度自动化的紧急接管功能

第6类，L4高度自动化的高速公路驾驶功能

L4高速公路驾驶系统在高速公路路线上处理整个DDT出行，使乘客可以从事其他工作；该系统负责DDT出行接管性能。 博世已经公开介绍了其高速公路驾驶系统的概念，该系统可以在开放的高速公路上承担所有的驾驶任务，从入匝道口到出匝道口。据博世称，新兴技术将得到车对车和车对基础设施通信的帮助。博世曾预计，到2020年，将出现完全自动驾驶的高速公路试点，目前是否实现，欢迎博世的同行留言哈。奥托公司在2016年与科罗拉多州交通局协调，展示了一辆高度自动化的卡车，该卡车打算作为SAE国际L4系统在高速公路上运行。

表8. L4高度自动化的高速公路驾驶功能

第7类，L4高度自动化车辆/TNC特征

L4高度自动化车辆/TNC使车辆能够接载乘客或货物并开往目的地，而不需要车上的司机。这一功能可能在广义的ODD中运行，后续文章小明师兄会对此进行了进一步的详细探讨。然而，尚未确认这些功能将在所有ODD中运行，因此，它们被归类为L4级，而不是完全驾驶自动化（L5）。例如，这些车队最初可能只限于测试的城市。开发这种技术的原始设备制造商已经表示，他们打算追求完全自动驾驶。这一功能最快可在2020年实现商业化。这种功能的例子包括谷歌汽车（Waymo，2017a）、特斯拉Self-Drive（特斯拉，2017）、大众I.D. Pilot模式（Nishimoto，2016）、沃尔沃IntelliSafe自动驾驶（沃尔沃，2017）和日产自动驾驶（日产，2017）。 

表9. L4高度自动化的车辆/TNC的特点

市场通用ADS功能的总结:

表10比较了市场上通用的ADS功能。每个功能所表现出的操纵行为因其运作地点和方式的不同而不同。拥有更多的操纵行为并不一定表示复杂。例如，低速自动驾驶可能表现出大部分操纵行为，但其ODD受到速度的限制，降低了技术问题的复杂性，从而能够在短期内部署。 

表10. 通用的ADS功能总结 

总结

本文确定了ADS的功能概念，并说明了ADS功能-是如何出现的。具体来说，它描述了不同SAE国际驾驶自动化水平的功能和商业部署的拟议时间表。驾驶自动化水平和商业部署的时间表之间没有明确的关联。有条件的自动交通拥堵驾驶在2018年已经实现，目前国内很多车上已经装配此系统，甚至目前已经做的更好的小鹏汽车，可以在无车道线的时候通过交通路口。但是目前这些系统只能称为L2.5，因为无论从智能驾驶系统，还是从整车转向、制动及电源等执行相关的系统，并没有一套冗余的系统，因此在整个行驶过程中，需要驾驶员时刻手握方向盘，时刻做好车辆接管。不过在日本，L3已经上路了，而且可以实现无需驾驶员手握方向盘，本田在2020年已经实现了量产。对于L4系统，高度自动化的低速通勤车在一些厂区已经有小规模量产，并且行业中已经出现了具体低速自动驾驶车辆测试法规，但是目前能有多少满足此法规，还未可知。图6转载了SAE J3016中显示ADS部署时间表的图。从目前来看，当年定的时间已经被拖延了。

图6.按驾驶自动化程度划分的ADS特征时间表（国际汽车工程师学会，2016年） 

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