智能汽車盡管已成為不可以轉的發(fā)展趨勢，但是要實現(xiàn)完全無人駕駛仍有很長甚至很困難的途程，必須從輔助駕駛開始，經過部分自動駕駛、有條件自動駕駛、高級自動駕駛，才能最終達到完全自動駕駛。其間，不論是在技術上，還是道路環(huán)境建設，以及人的觀念轉變上，都需要漸進的突破。越是美好的前景，越是不可能一蹴而就!
楊殿閣 國家萬人計劃領軍人才，清華大學汽車工程系主任，教授
本文發(fā)表于《中國工業(yè)和信息化》雜志2018年六月刊總第2期
近來，智能汽車無人駕駛無疑是汽車行業(yè)最熱的一個話題了。2017年12月，北京出臺了中國首個自動駕駛路測新規(guī)，《北京市關于加快推進自動駕駛車輛道路測試有關工作的指導意見(試行)》和《北京市自動駕駛車輛道路測試管理實施細則(試行)》。2018年3月1日，上海頒發(fā)了國內第一張智能汽車道路測試用牌照。讓我們每個人都切實感覺到了，智能汽車無人駕駛似乎即將出現(xiàn)在我們身邊。
那么，智能汽車無人駕駛到底離我們有多遠呢?
智能汽車發(fā)展的漸進路徑
為了更好地理解智能汽車的實現(xiàn)路徑，有必要先弄清楚究竟什么是智能汽車。智能汽車是指搭載先進的車載傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置，并融合現(xiàn)代通信與網絡技術，實現(xiàn)車與X(人、車、路、云等)智能信息交換、共享，具備復雜環(huán)境感知、智能決策、協(xié)同控制等功能，可實現(xiàn)“安全、高效、舒適、節(jié)能”行駛，并最終可實現(xiàn)替代人來操作的新一代未來汽車。
按照中國智能網聯(lián)汽車分級標準及網聯(lián)化等級要求，中國智能網聯(lián)汽車發(fā)展的時間節(jié)點如表1：
由此，智能汽車可分為5級， L1和L2級是駕駛輔助，L3級是人機共駕，而L4—L5高級別自動駕駛則是不需要司機的無人駕駛。據中國智能汽車發(fā)展技術路線圖，可以預測，在中國，2020年之前重點推廣L1-L2級智能駕駛輔助系統(tǒng)，到2020年，新車中將有50%的車輛具備1級或者2級的智能功能。2020—2030年重點推廣的是3級和4級的自動駕駛，到2025年，將有10%的新車具備L3—L4級自動駕駛的能力。2030年之后，5級全自動駕駛會正式進入產業(yè)化，預計有10%的新車會是L4—L5級的無人駕駛。這里有兩個概念要特別注意并區(qū)別開來，無人駕駛并不等同于自動駕駛，但很多人認為自動駕駛就是無人駕駛。自動駕駛跟智能汽車一樣是按照5級來說的，一級、二級是低級別的自動駕駛，俗稱駕駛輔助系統(tǒng)。三級是人機共駕，四級為有條件的自動駕駛，五級是完全的無人駕駛。也就是說到了自動駕駛的高級別階段，才是無人的，前面都是有人在駕駛的。
目前，就世界范圍來說，自動駕駛的發(fā)展情況基本類似。在日本，當前重點推廣也是一級與二級的輔助駕駛技術，即俗稱的駕駛輔助技術。從2021到2030年，日本也才開始推廣高級別自動駕駛技術。日本會在2020年的東京奧運會上展示無人駕駛技術，但重點仍在二級到四級，目標是解決最后一公里的問題。
歐洲在2020年之前重點推廣的也是駕駛輔助系統(tǒng)，從2020年到2030年，才開始推廣高級別自動駕駛。
從中外的情況來看，高級別自動駕駛基本是在2025年之后。
而從無人駕駛實現(xiàn)可能性的大小上來說，專業(yè)化越強的車輛實現(xiàn)無人駕駛的可能性越大。原因是它們的應用場景相對簡單，主要是駕駛行為中的突發(fā)因素較少，實現(xiàn)起來相對容易。從需求上來說，專業(yè)化越強的車輛無人駕駛的需求越高。因此說，無人駕駛會首先在特殊的商用車輛如港口礦山的貨車、城市的環(huán)衛(wèi)作業(yè)車、專用出租車以及公共汽車上實現(xiàn)。到2040年左右，5級全自動駕駛車輛在普通家用乘用車中的比例會到一個比較可觀的規(guī)模，智能汽車無人駕駛會形成一定的市場規(guī)模。說起來，在我國還有一個比較特殊的現(xiàn)象，我們通常所說的智能汽車、智能網聯(lián)汽車、自動駕駛，所指基本相同。從字面上看，智能網聯(lián)汽車是在智能汽車基礎上加車聯(lián)網，實際所指都是智能汽車。只是國家發(fā)改委發(fā)的文件經常會用“智能汽車”，科技部發(fā)文經常會直接用“自動駕駛”，工信部發(fā)文經常會用“智能網聯(lián)汽車”。本文以下所使用的“智能汽車”與“智能網聯(lián)汽車”，所指是相同的。
對于人類的出行便利化而言，智能汽車無人駕駛非常美好，無人駕駛未來一定會實現(xiàn)，但實現(xiàn)的路徑不會平坦，要實現(xiàn)高級別的無人自動駕駛，智能汽車還有很多新的關鍵技術需要突破，其中涉及整車架構、車聯(lián)網、信息安全及自動駕駛地圖等基礎關鍵支撐技術的突破。
智能汽車將需要一種全新的架構
隨著車載電子設備越來越多，車上總線技術逐漸得到了普及，LIN、CAN、FLexRay總線等多種總線技術在車上開始應用，部分電器和控制系統(tǒng)實現(xiàn)了通過車載總線聯(lián)網。但這仍無法滿足未來高級別智能網聯(lián)汽車的需求。汽車如果真的想實現(xiàn)無人自動駕駛，車上所有電子電器都需要聯(lián)網，網絡節(jié)點數(shù)量將大幅度增加，同時考慮激光雷達、攝像頭等新型大數(shù)據量傳感器的聯(lián)網，對網絡帶寬的需求急劇增加，需要將現(xiàn)在的十兆左右增加到百兆，所以車載以太網等新技術需要在車上普及。未來智能汽車整車架構將是一種多總線并存的分層多域控制車載網絡，整車網絡中的電器控制將實現(xiàn)控電分離，電器本身將實現(xiàn)智能化和網聯(lián)化，以更好地實現(xiàn)智能汽車對電器狀態(tài)實時可靠的監(jiān)控。同時考慮到未來智能汽車駕駛大腦的發(fā)展需求，架構系統(tǒng)軟件也需要發(fā)生變化，通過系統(tǒng)管理層和超級中間件，實現(xiàn)對硬件資源的封裝，支持軟硬件分離，從而讓智能汽車駕駛大腦快速發(fā)展并擺脫汽車硬件的強耦合和硬約束，支持汽車像手機和電腦一樣實現(xiàn)軟硬件的分離，可以實現(xiàn)駕駛大腦的快速迭代更新。
智能汽車需要自動駕駛地圖作為數(shù)據基礎
HD MAP或者HAD MAP在國內大家習慣稱為高精度地圖，如果從英文直譯過來，就是高清晰度或者高分辨率地圖，歐洲習慣稱之為自動駕駛地圖。在智能網聯(lián)汽車發(fā)展初期，比如輔助駕駛的發(fā)展過程中，高精度的地圖數(shù)據不是必須的，但隨著智能網聯(lián)汽車智能化級別的提高，特別是到了L4和L5階段，HD MAP則是智能網聯(lián)汽車實現(xiàn)自動駕駛的必要數(shù)據基礎，也是將各種傳感信息有效融合在一起的高精度傳感器超級容器。有關高精度的自動駕駛地圖，歐洲多家整車廠商與零部件廠商及地圖廠商合作建立了兼容HD MAP的NDS和Open Drive地圖數(shù)據物理存儲格式規(guī)范，NDS與ADASIS聯(lián)合成立OADF，制定歐洲的自動駕駛地圖標準。日本也在建立相應的聯(lián)盟，成立DMP公司制定自動駕駛地圖重要的標準和接口，以對接歐洲OADF、國際組織ISO的標準。目前，中國國內尚未出臺統(tǒng)一的自動駕駛地圖標準，在2018年5月寧波舉行的CICV年會(國際智能網聯(lián)汽車技術年會)上，清華大學牽頭成立了中國的自動駕駛地圖工作組，將通過工作組推動中國統(tǒng)一標準的自動駕駛地圖數(shù)據格式規(guī)范，制定面向自動駕駛所能提供的統(tǒng)一的接口及數(shù)據內容服務行業(yè)和團體標準，為中國整車廠商、零部件供應商、車聯(lián)網服務商及地圖廠商的有效聯(lián)手提供技術和標準支撐。
車聯(lián)網基礎設施需要建設
智能網聯(lián)汽車要求實現(xiàn)車與X (車、路、人、云等)(V2X)之間的信息交換與共享，通過車聯(lián)網可以更好地輔助車輛實現(xiàn)行駛環(huán)境的感知和認知，并可以協(xié)助車輛進行決策。中國智能網聯(lián)汽車技術發(fā)展路線圖將車聯(lián)網分為3級。第一級是聯(lián)網的信息交互，第二級是聯(lián)網的協(xié)同感知，第三級是聯(lián)網的協(xié)同決策和控制。目前，車聯(lián)網通信技術有多種技術方案：Dedicated Short Range Communications(DSRC)， Long Term Evolution -Vehicle (LTE-V)，以及未來的5G技術。5G技術是第五代移動通信技術，具備高帶寬以及低延時的特點，大家寄希望于未來隨著5G的普及，高級別自動駕駛所需要的車聯(lián)網基礎設施建設能夠完成。
信息安全是智能汽車的生命線
傳統(tǒng)汽車上，總線上所運行的數(shù)據都是非加密的數(shù)據，只要掌握了協(xié)議，隨時可以通過車載總線讀取車上的數(shù)據并發(fā)送命令。隨著車輛的聯(lián)網發(fā)展，這種沒有防護的數(shù)據傳輸方式受到的威脅越來越大，智能車由于實時聯(lián)網及云控特征，網絡攻擊帶來的威脅巨大，整車網絡安全更加重要，車輛隨時面臨著黑客的攻擊，不僅涉及單車行駛安全，甚至影響整個交通系統(tǒng)乃至國家安全，如果汽車的信息安全防護被突破，自動駕駛的車輛將被黑客控制，整個交通系統(tǒng)將陷入混亂，車輛會發(fā)生大量的碰撞，甚至出現(xiàn)大量的傷亡。針對未來的無人駕駛智能汽車，我們需要研究一套全新的車輛信息安全理論和體系，研究基于多域分層入侵檢測和主動防護的信息安全模型，研究車內通信的分層加密認證、入侵檢測和安全等級保護體系，構建智能電動汽車網絡異常狀態(tài)監(jiān)控和安全網關主動防護機制，形成從架構層、節(jié)點層、傳輸層，多層次縱深防御的信息安全體系，保護智能汽車的行駛安全。
在關鍵支撐技術突破的基礎上，智能車的環(huán)境感知、決策和控制技術也需要突破。
智能汽車環(huán)境感知能力需要突破
車輛想實現(xiàn)無人駕駛，首先要準確感知行駛環(huán)境信息。智能車的環(huán)境感知分為自主式環(huán)境感知和協(xié)同式環(huán)境感知，自主式環(huán)境感知主要依賴安裝于車上的傳感器如視覺傳感器、激光雷達、毫米波雷達、超聲波傳感器和慣導定位設備等實現(xiàn)對行駛環(huán)境的感知。車輛提升感知能力一方面是提升各類傳感器的感知性能，另外一方面就是改進感知算法，通過信息融合充分發(fā)揮每種傳感器的能力，形成能力互補。但僅僅依靠單車的傳感器進行環(huán)境感知還是不夠的，對未來L5級無人自動駕駛汽車而言，智能汽車必須形成超過人的感知能力的視距和視野，能提前看到人所看不到的危險和障礙，從而彌補智能汽車決策系統(tǒng)的不足和局限，這就需要通過V2X車聯(lián)網實現(xiàn)車輛協(xié)同式的環(huán)境感知。
智能汽車決策需要更加智能化
智能車的決策能力是實現(xiàn)自動駕駛的關鍵。基于控制邏輯的自動駕駛是主要技術路線之一，即通過準確感知認知環(huán)境，利用自動駕駛導航實現(xiàn)智能網聯(lián)汽車宏觀道路任務規(guī)劃，地圖將成為一種超級傳感器，融合各種傳感信息，在環(huán)境感知數(shù)據基礎上建立車輛行駛的虛擬空間環(huán)境，在底層規(guī)劃行車軌跡并將其轉化為智能網聯(lián)汽車車輛動力學控制參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據驅動汽車。基于控制邏輯的自動駕駛決策的關鍵是能夠準確感知環(huán)境并建立基于各種駕駛場景的駕駛模式，要求設計者完全掌握各種駕駛場景、駕駛模式及對應的車輛控制算法，但在現(xiàn)實的情況中，沒有一種算法能達到完美覆蓋每個場景，因而就可能存在各種針對未知場景的決策隱患。因此，隨著人工智能的發(fā)展，特別是隨著深度學習的快速進展，很多學者采用基于人工智能的學習機制研究端到端的自動駕駛，即直接根據傳感信息的輸入，利用深度學習或增強學習等直接輸出車輛的方向及油門和剎車控制參數(shù)，這種方式具有自學習的特征，可以隨著車輛的使用，車輛的決策能力會不斷得到優(yōu)化提升，越來越具備智能。但這種方式的決策也存在隱患，就是決策過程是一個黑箱，在出現(xiàn)事故和問題時，往往難以發(fā)現(xiàn)事故的原因，難以有效控制隱患和事故的發(fā)生。
智能汽車底盤電子控制需要線控化
智能汽車控制系統(tǒng)需要將駕駛大腦給出的車輛控制參數(shù)轉化為車輛的轉向動作和驅動制動。所有的智能車駕駛大腦的控制命令都是數(shù)字信號，這就要求車輛的執(zhí)行機構必須是數(shù)字控制的，同時要求具有較高的控制精度和穩(wěn)定性，線控X-By-Wire系統(tǒng)將是實現(xiàn)這種控制的最好的技術途徑。對智能車的控制而言，不單單是能夠讓車跟隨一條設計好的軌跡行駛，同時要在保證安全的基礎上，兼容考慮乘坐的舒適性以及車輛的行駛經濟性。所以控制系統(tǒng)的實現(xiàn)需要專業(yè)零部件廠商的積極配合，由于我國在傳統(tǒng)汽車底盤電子系統(tǒng)上的工作經驗積累偏弱，目前在國內智能汽車發(fā)展過程中，主要底盤線控系統(tǒng)還是依賴進口或者由國外廠商配套，我國汽車行業(yè)還需要在智能汽車執(zhí)行器線控化方面加大工作投入。針對智能車的控制，未來高級別的無人自動駕駛，除考慮單車的控制外，還需要綜合考慮緩解交通擁堵、提高交通安全與效率、節(jié)約能源并減少環(huán)境污染。這就要求車輛具備協(xié)同控制，不僅要滿足自車性能及行駛的需要，還要考慮周圍交通狀態(tài)，考慮周圍的車隊穩(wěn)定性、交通流穩(wěn)定性、交通安全及交通效率等，在車與車之間、車與隊列之間進行綜合協(xié)調，實現(xiàn)多車乃至整個交通系統(tǒng)的綜合優(yōu)化。
總之，智能汽車的發(fā)展給我國在傳統(tǒng)汽車發(fā)展的基礎上開辟了一條新的跑道。在這條新跑道上，中國的很多技術還不成熟，同樣國際上在這方面也不成熟。以上諸方面的所有問題，不僅是中國汽車行業(yè)所面臨的問題，而且是全世界汽車行業(yè)共同面臨的問題。困難并存的局面，就是大家都在同一個起跑線上，這樣我國才有了新的競爭機會。在競爭面前，就要看我們的努力，看我們是否能有所作為。從這個角度說，我一直不太贊成中國汽車產業(yè)會實現(xiàn)彎道超車這樣的說法。因為汽車產業(yè)的發(fā)展同樣沒有捷徑可走，彎道超車的說法并不成立。
從智能汽車需要建設、突破的諸多方面來看，真正要實現(xiàn)高級別的無人駕駛，汽車產業(yè)還有很長的一段路要走，有很多關鍵技術瓶頸需要突破。但我們也看到，雖然存在很多的困難，智能汽車的發(fā)展是不可阻擋的，汽車新四化(電動化、智能化、網聯(lián)化及共享化)正在為當今社會帶來一場技術變革，汽車的使用方式，交通法規(guī)、交通管理和交通基礎建設都在發(fā)生改變，不僅僅是汽車產業(yè)將發(fā)生巨變，整個未來交通出行體系也正在被重構，社會形態(tài)將發(fā)生新的變化。
(來源：中國工業(yè)和信息化)
（轉載）
