东南大学物联网交通应用研究中心
东南大学物联网交通应用研究中心
北京时间:
最新自动驾驶分级标准SAE J3016详解
2018-09-10 16:28   作者:龙飞非   来源:模拟世界 推荐人:冒培培   浏览:118   我要评论
     今年最新修订版SAE J3016(TM)《标准道路机动车驾驶自动化系统分类与定义》进一步细化了每个分级的描述,并强调了防撞功能。SAE最新版本的标准中,提到了动态驾驶任务,并依据动态驾驶任务的执行者和具体内容来定义自动驾驶处于的级别,并认为驾驶中有三个主要的参与者:用户、驾驶自动化系统以及其他车辆系统和组件。
     谈到自动驾驶就绕不开SAE(SAE International,Society of Automotive Engineers国际自动机工程师学会,原译为美国汽车工程师学会)的自动驾驶分级,该分级将自动驾驶分为了可明显区分的六个级别。SAE是当今汽车以及航空行业的顶级标准制定组织。随着汽车行业自动化系统技术的不断提升,为了更加正确的引导自动驾驶汽车行业的发展,SAE对参照标准进行了多次更新。
     每一项技术都有着相应的规范和标准。2013年,美国交通部下辖的美国国家公路交通安全管理局(NHTSA),率先发布了自动驾驶汽车的分级标准,其对自动化的描述共有4个级别。2014年1月,SAE International国际自动机工程师学会制定了J3016自动驾驶分级标准,对自动化的描述分为6个等级:L0-L5,用以明确不同级别自动驾驶技术之间的差异性。
     两个分级标准拥有一个共同之处,即自动驾驶汽车和非自动驾驶汽车之间存在一个临界点,即汽车本身是否能控制一些关键的驾驶功能,比如转向、加速和制动。
     在对自动驾驶汽车的描述上,虽然两个标准中所使用的语言略有差别,但NHTSA和SAE均采用了相同的分级体系。NHTSA的标准与SAE在某种程度上比较相似,但用语更加简单,没有进行过多的详细说明。相比之下,SAE的说明更加具体,同时也参考了不同公司在自动驾驶研究上的发展趋势。
     SAE对分级的说明更加详细、描述更为严谨,且更好地预见到了自动驾驶汽车的发展趋势。所以最终SAE的分级成为了大多数政府和企业使用的标准。2016年9月,美国交通运输部发布了关于自动化车辆的测试与部署政策指引,明确将SAE International J3016标准确立为定义自动化/自动驾驶车辆的全球行业参照标准,用以评定自动驾驶技术。此后,全球诸多汽车行业相关的企业也采用了SAE J3016对自身相关的产品进行技术定义。
     按照SAE的分级,SAE International国际自动机工程师学会制定了J3016自动驾驶分级标准,将自动驾驶技术分为L0-L5共六个等级。L0代表没有自动驾驶加入的传统人类驾驶,L1-L5则随自动驾驶的技术配置和成熟程度进行了分级。L1-L5分别为辅助驾驶、部分自动驾驶、条件自动驾驶、高度自动驾驶、完全自动驾驶。
 

     如此多的分级就是为了让人们更好的认识到自己所使用的是那种自动驾驶设备,如果出现了认识不清,就会引发危险。例如此前某电动车品牌一直宣称自己的产品具有“自动驾驶”功能,但实际是他们的设备只具有L1级别的自动驾驶,在连续多个使用者因错误理解而产生事故之后,最终也在自己的产品说明中注明了“辅助自动驾驶”的字样。在L1-L3的阶段,人类驾驶员的作用逐渐从驾驶操作转向周边监控和支援,到了L4、L5阶段才真正不需要人类进行任何操作。
     时隔两年,SAE再次对机动车驾驶自动化系统分类与定义重新修订。SAE最新版本的标准中,提到了动态驾驶任务,并依据动态驾驶任务的执行者和具体内容来定义自动驾驶处于的级别,并认为驾驶中有三个主要的参与者:用户、驾驶自动化系统以及其他车辆系统和组件。每个参与者的定义并不基于实际情况,也就是说,即使司机在辅助驾驶期间走神,他仍然是属于用户的级别;系统在条件自动驾驶期间出现故障不能正常行驶,它也仍然属于L3驾驶自动化系统。
     SAE官方表示:SAE对部分或全部动态驾驶任务((Dynamic Driving Task DDT)的机动车驾驶自动化系统进行了多次描述,为汽车行业(以下也称为“车辆”或“汽车”)提供了一个分类标准,其中包含六个级别的驾驶自动化的详细定义,从无驱动自动化(0级)到全驱动自动化(5级)及其在道路上的操作。
     这些级别定义以及此处提供的附加支持条款等可用于以功能的一致或者一致的方式来描述汽车上配备的自动化功能。该等级适用于在装配车辆任何给定路况的操作情况下进行的自动驾驶。因此,虽然给定的车辆可以配备或能够提供,在不同级别下执行的驾驶自动化系统,但在任何给定情况下展现出来的自动驾驶化的水平由(一个或多个)相应的技术状态和参数特征来决定。
     该文件涉及驾驶中的三个主要参与者:(人)用户,驾驶自动化系统以及其他车辆系统和组件。尽管实际上驾驶自动化系统可能与其他车辆系统共享硬件和软件的组件,但这些车辆系统和组件等不包括该模型中的驾驶自动化系统(例如处理模块或操作代码)。
该文件中的驾驶自动化水平通过参考以上三个主要角色,并通过执行DDT(Dynamic Driving Task 动态驾驶任务)或撤回DDT来定义。这种情况是基于驾驶自动化系统的设计,而不一定是给特定主要参与者的实际表现。例如,在接触一级自适应巡航控制(ACC)系统期间,如果司机没有监控道路、或即使在他/她忽视驾驶的情况下,司机仍然充当着驾驶员的角色。
     值得注意的是,在本次SAE版本中,诸如电子稳定控制和自动化紧急制动等主动安全系统,以及其他某些类型的驾驶员辅助系统(如车道保持辅助系统等),这些不在此次驾驶自动化分类标准的范围之内。原因是它们并不是部分或全部动态驾驶任务(DDT)的持久基础,它们仅在特殊情况下针对潜在的危险情况提供暂时性的短暂干预。正是由于这种暂时性,由于主动安全系统动作的瞬时特性,其干预措施不会改变或消除驾驶员或自动驾驶程序在执行部分或全部的动态驾驶任务(DDT),因此不被视为自动化驾驶。
    另外,SAE还提到了另一个值得注意的观点:干预型主动安全系统在内的防撞功能可以包含在配备有任何级别的行驶自动化系统的车辆中。对于执行完整DDT的自动驾驶系统(ADS)功能(即级别L3-L5),防撞功能是自动驾驶系统(ADS)功能的一部分。

    自动驾驶分级标准SAE J3016详解SAE International关于自动化层级的定义已经成为定义自动化/自动驾驶车辆的全球行业参照标准,用以评定自动驾驶技术为准,其具体定义如下


 
•L0驶员完全掌控车辆;
•L1 :自动系统有时能够辅助驾驶员完成某些驾驶任务;
•L2 :自动系统能够完成某些驾驶任务,但驾驶员需要监控驾驶环境,完成剩余部分,同时保证出现问题,随时进行接管。在这个层级,自动系统的错误感知和判断有驾驶员随时纠正,大多数车企都能提供这个系统。L2可以通过速度和环境分割成不同的使用场景,如环路低速堵车、高速路上的快速行车和驾驶员在车内的自动泊车;
•L3 :自动系统既能完成某些驾驶任务,也能在某些情况下监控驾驶环境,但驾驶员必须准备好重新取得驾驶控制权(自动系统发出请求时)。所以在该层级下,驾驶者仍无法进行睡觉或者深度的休息。在L2完成以后,车企的研究领域是从这里延伸的。由于L3的特殊性,目前看到比较有意义的部署是在高速L2上面做升级;
•L4 :自动系统在某些环境和特定条件下,能够完成驾驶任务并监控驾驶环境;L4的部署,目前来看多数是基于城市的使用,可以是全自动的代客泊车,也可以是直接结合打车服务来做。这个阶段下,在自动驾驶可以运行的范围内,驾驶相关的所有任务和驾乘人已经没关系了,感知外界责任全在自动驾驶系统,这里就存在着不同的设计和部署思路了;

•L5 :自动系统在所有条件下都能完成的所有驾驶任务。



 

     我们所说的自动驾驶系统(ADS),通常是在3~5层级,随着层级的提高,对系统的要求也随之提高。由于目前自动驾驶的分级,特别是L3和L4处在还没有大规模应用在实际生活之中,我们对待这个需求就存在着一些认知上的争议。
     分类方法:以动态驾驶任务(DDT)、DDT的任务支援和设计运行范围来区分;
DDT(Dynamic driving task):动态驾驶任务,指汽车在道路上行驶所需的所有实时操作和策略上的功能(决策类的行为),不包括行程安排、目的地和途径地的选择等战略上的功能。
     车辆执行:包括通过方向盘来对车辆进行横向运动操作、通过加速和减速来控制车辆;
     感知和判断(OEDR,Object and event detection and response,也称为周边监控):对车辆纵向运动方向操作、通过对物体和事件检测、认知归类和后续响应,达到对车辆周围环境的监测和执行对应操作、车辆运动的计划还有对外信息的传递。
     动态驾驶任务支援(DDTFallback):自动驾驶在设计时候,需要考虑系统性的失效(导致系统不工作的故障)发生或者出现超过系统原有的运行设计范围之外的情况,当这两者发生的时候,需给出最小化风险的解决路径。
     设计运行域(OperationalDesign Domain,ODD,也有称为设计适用域 或者设计运行范围)就是一组参数,指自动驾驶系统被设计的起作用的条件及适用范围,把我们知道的天气环境、道路情况(直路、弯路的半径)、车速、车流量等信息作出测定,以确保系统的能力在安全的环境之内。
     综合上面的定义和分析,自动驾驶系统(ADS),通常3~5层级的定义可以参考下面内容。
     LV3,有条件的自动化,要求在限定的ODD内能够完成所有的DDT,但是要求驾驶人员时刻准备着应对,无人驾驶系统在系统失效或者超出ODD范围时发出的需求驾驶员介入的请求。但是标准中也要求系统能够在发出驾驶员介入请求后驾驶员介入前能够继续控制汽车几秒的时间。
     LV4,高度自动化,要求系统在ODD内不止能完成DDT还要能够应对系统失效,无需驾驶员介入。
     LV5,完全自动化,全工况无人驾驶,无需定义ODD,能够完成所有的DDT以及处理DDT fallback


     L2 组合驾驶驾驶员和汽车来分享控制权,系统同时具有纵向和侧向的自动控制,且具备两项以上。在整个开启的过程中,驾驶员可以不操作方向盘、油门和刹车(放弃主要控制权),但需要观察周围情况,并提供安全操作。

  • 驾驶员必须随时待命,在系统退出和系统出错的情况下随时接上。
  • 自动驾驶系统:我们从控制和感知进行分解
  • 对执行器的要求可以看出来,是需要对纵向的动力总成和刹车系统,横向的转向系统进行融合控制。

上图是 L2的工作方式解析L2的感知需求,是需要把整个场景考虑清楚:
  • 低速自动泊车场景:感知车位、行人、车辆
  • 低速环路堵车辅助场景:识别车辆、摩托车、车道线
  • 高速封闭道路场景:识别车辆、车道线

     我们在现实中看到的L2系统,既有单个摄像头实现的,也有很多差异化设计。这里由于有着驾驶员随时监控环境这条要求区分,车企可以选择做得少也可以选择做的多一些,因为不管是感知还是驾驶决策,完全依照车企对L2自动驾驶的需求不同来调整。

  • 既有拿一个LRR(远程雷达)、5个SRR(短程雷达)、2个Camera(摄像头)来做的,也有拿单摄像头来进行处理的低成本方案。
  • 既可以仅靠车道识别来进行车辆居中保持,也可以依靠高精度定位和高速道路地图来实现车道的匹配和居中,提高横向控制特性。

这里的核心区别,就是对以下的内容进行限制:

  • 对不同的道路、基础设施的可容忍性
  • 车速的运行范围
  • 对感知错误(误识别率)的容忍性
  • 对自动驾驶系统在不同流量环境下的改进可行性,往L3进化可能性
  • 对车主的使用的判研以评估综合风险性

     L3 有条件的自动驾驶在某些环境允许的条件下,驾驶员可以完全放弃操控,交给自动化系统进行操控。如果系统出现问题,是不能完全自主进入安全状态的,需要驾驶人员来接管,但这个时间一般较短。虽然这个看上去不大实用,但是确实是德国三家豪车企业目前在自身系统演进过程中比较看重的点。这些发表的研究性的配置,都是基于L2的演进来考虑的。
     没了驾驶员的确认,整个感知的要求高了很多:

  1. 准确度要求高了,不能出错,这里一定有融合对比;
  2. 感知范围距离要求高了,需要给自动驾驶决策时间;
  3. 对环境耐受性要求高,突然下冰雹和暴雨也需要时间来切换;
  4. 即使系统发生错误的时候,整个转换的退出还需要时间;
  5. 感知系统要有冗余性要求,既有融合情况,也有单个感知单元失效诊断之后fail-operational的要求,也要独立能运行。

 
     上图是 L3的系统情况可以看出,L3阶段是之前L2顶级配置性能上面再进行演化。由于在运行中失去了驾驶员的监控,任何运行中的感知错误都是不能接受的(没看到车就会产生错误决策,就会出现问题)。
     L4 高度自动化驾驶一旦启动L4,已经对驾驶者没有要求。在之前看到的更多的,还是基于机场小型低速摆渡车、市区低速巴士之类的有限制的运行。

  • 系统100%负责感知的准确性
  • 系统100%要在设定的范围内完成所有驾驶员要做的事情,没有后备
  • 系统在自身出问题和外界环境变化的时候,要考虑冗余的策略,保证车内和车外安全
  • 自身感知、处理和执行段的所有故障诊断
  • 自身感知、处理和执行段的Fail-Operational

 
     上图是 L4的运行情况现阶段,L4的设计考虑还配置个安全驾驶员,这里的情况比较微妙,先做性能,再做冗余,下个阶段就完全考虑实现L4。
 


     L4的车型和部署与打车服务是很难分离的
     对LV5来说,已经实现完全自动化,全工况无人驾驶,无需定义ODD,能够完成所有的DDT以及处理DDT fallback。










相关阅读
发表评论
姓名:
联系方式:
评论专区
东南大学 东南大学交通学院 清华大学 同济大学 西南交通大学 北京航空航天大学 上海交通大学 浙江大学
University of Wisconsin - Madison University of Michigan Rensselaer Polytechnic Institute Santa Clara University Rutgers University
交通运输部路网监测与应急处置中心 江苏省交通运输厅 南京智库联盟 江苏交通控股有限公司 江苏高速公路联网营运管理有限公司
中心概况研究动态新闻中心合作交流加入我们
Copyright © 2015 东南大学物联网交通应用研究中心 All Rights Reserved.