最全自动驾驶技术汇总 全面解析Waymo自动驾驶安全报告
据外媒报道，Waymo于近日向美国交通部提交了一份43页的安全报告，详细说明了Waymo为自动驾驶车辆所投入的先进技术及操作规程
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据外媒报道，Waymo于近日向美国交通部提交了一份43页的安全报告，详细说明了Waymo为自动驾驶车辆所投入的先进技术及操作规程，旨在确保自动驾驶车辆路测的安全性。 该报告提供了一份总结性概述，其介绍了车辆基本功能的运行情况，包括：在何种条件下正常运作、又在何种情况下因“故障（fail）”而执行安全停靠并将其作为最后的应变手段（final fallback）。此外，这份概述还解释了以下内容：在事故发生后，是否存在数据记录？采用何种方式存储数据？采用何种途径确保Waymo车辆的网络安全？  Waymo还从硬件及软件两方面，详细说明了其测试进程。针对碰撞规避、传感器及其他设备的总体耐用性等问题，文中还提到了其技术原理等内容。Waymo将自动驾驶相关的“安全性”进行了细化，划分为：行为安全性（上路行驶时的驾驶决策）、功能安全性（安全操作，包括备份及冗余）、碰撞安全性（对车内人员的防护能力）、操作安全性（乘客与车辆间安全性与舒适性的交互影响）及非碰撞安全性（与车辆进行交互的人员的安全性）。 最关键的是，该报告还解释了“运行设计域（operational design domain）”，Waymo用其定义了车辆可进行安全操作的地点及时间，其中还牵涉到安全驾驶所涉及的各类因素，如：地理条件、道路类型、车速、时间段、法律法规及气候条件。 Waymo安全报告长达43页，小编编译了核心内容（前32页），详见下文：  Waymo的使命 Waymo旨在将自动驾驶技术推向全球，在提升交通安全性的同时，为人们提供生活便利。公司认为自动驾驶技术将为人们提供便利，并大幅降低交通事故的发生，进而挽救众多道路使用者的生命。 自动驾驶车辆可提升道路安全性，为上百万人提供新的出行方式。完全自动驾驶车辆潜能巨大，无论是上下班通勤、接送孩子上学还是挽救生命，改变人们的生活，提升生活质量。 安全性是Waymo的核心任务，这也是公司在八年前所设定的目标。 每年，全世界有120万人死于交通事故。在美国，交通致死数量还在持续增长中。这类事故都有一个共通点，94%的交通事故都是因为驾驶员的人为失误造成的。Waymo坚信，自动驾驶技术每年可拯救上千个本该在交通事故中丧命的民众。  公司对安全性的承诺及付出体现于该公司所做的每一件事中，从企业文化到如何设计、测试这项技术。在这份安全报告里，Waymo详细阐述了的工作理念：安全性。 该份安全系统概论强调了Waymo自动驾驶车辆在长达350万英里实地路测及在上千万英里的自动驾驶模拟测试中所学到的重要经验和教训。Waymo的安全报告也影响了美国交通部发布的自动驾驶联邦政策框架：《自动驾驶系统2.0： 安全性愿景》（Automated Driving Systems 2.0: A Vision for Safety ）。美国交通部的框架列出了12项安全设计要素，并鼓励各公司开展自动驾驶路测测试并且配置自动驾驶系统，旨在解决相关技术难题。 在该份报告中，公司罗列了与各个安全设计要素相关的流程，并阐述上述要素是如何支撑整动驾驶车辆的研发、测试和部署的。只有在确保安全性这一大前提下，完全自动驾驶车辆才会被民众所接受，这也是Waymo长久以来持续投资安全技术领域并打造相关进程的原因，旨在使民众相信，公司推出的自动驾驶车辆能够满足公众对于安全交通出行及舒适出行设备的需求。   本报告主要分为五大内容模块： 一、Waymo系统安全计划：设计保证安全 二、Waymo自动驾驶车辆的运行机制及原理 三、测试及验证方法：确保车辆的自动驾驶性能及安全性 四、与公众开展安全的（人机）交互 五、结论 自动驾驶车辆所需回答的四个问题： 1. 我在哪？  在开车前，Waymo团队首先会打造详尽的3D高清地图，突出显示道路剖面图（road profiles）、路缘石（curbs）及人行道、车道标志、斑马线（crosswalks）、停车牌及其他道路情况。Waymo车辆并不完全依赖于GPS功能，车辆将交互参照预先绘制的地图与实时传感器数据，在对两者进行比对后，确定车辆在的位置。 2. 我周边的情况？  Waymo配置的车载传感器及软件将持续扫描车辆周边的目标，包括：行人、骑行者、车辆、道路施工及障碍物。车辆将持续从交通灯的颜色读取交通控制指令。此外，车载系统还将从铁路道口交叉栅门（railroad crossing gates）识别临时性停车的信号。Waymo旗下测试车辆的扫描半径为300米，其探测领域相当于三个足球场大小，可实现全方位覆盖。 3. 接下来将会发生什么？  Waymo的软件可基于道路上各动态目标的当前速度及行动轨迹，预测到其未来的动向，甚至能分清车辆与骑行者或行人间的差别。该软件利用从其他道路使用者处获得的信息，预计可能存在的多种行驶路径。该软件还将道路的变化情况也纳入其考量范围（如车道发生交通拥堵），并预测路面情况将对测试车辆周边的其他目标产生何种影响。 4. 我应该怎么做？  该软件考量这类信息的方方面面，试图寻找一种适合车辆采用的方法与行驶路径。Waymo软件可选定精确的驾驶轨迹、车速、车堵及确保道路安全所需的转向操控。因为这类车辆将持续监控环境，预判车辆周边其他道路使用者的驾驶行为，能够对变道作出快速响应并确保变道期间的安全性。 Waymo系统安全计划：设计保证安全（Safety by Design） 作为第一家在公共道路上实现完全自动驾驶的公司，Waymo唯有靠自己的拼搏。在公司成立之初，公司就建立了自己的系统安全计划（System Safety Program），将这一安全理念根植于技术测试和开发流程中。该项目采用一个综合性、稳健的方法，Waymo将其称之为：设计保证安全。 “设计保证安全”意味着Waymo从最底层的系统级开始考虑安全性，并将安全性纳入各系统层级与各个开发阶段，确保从设计到测试、验证，在整个过程中始终贯彻安全性这一核心理念。该方法还借鉴了从航空航天、汽车及国防等行业中的最佳实践（best practice）。  在遵守这类最佳实践后，Waymo对自动驾驶车辆各个部件进行了大量测试，确保在整合到整套自动驾驶系统后，所有的子系统均能够安全地运行。 该方法还有助于验证全自动驾驶车辆上路行驶时的安全性。同时，Waymo还可以了解系统部件、子系统或其他方面的任何变化或故障会对在整个自动驾驶系统中造成何种影响。 该进程还将影响Waymo的各个安全功能，其中就包括：冗余临界安全系统（redundant critical safety system），使车辆在遇到技术故障时，可采用安全的方式停车。车辆可借助具有功能互补的各传感器的协同配合，使传感器的视场重叠。此外，公司还开展了大量的测试项目，有助于对旗下技术进行快速调整及升级，进而提升车辆的安全性。 Waymo的系统安全计划  Waymo的系统安全计划涉及5个截然不同的安全领域：行为安全性、功能安全性、碰撞安全性、操作安全性和非碰撞安全性。上述各领域都需结合各种测试方法，旨在验证完全自动驾驶车辆的安全性。 行为安全性 指车辆在道路上的行驶决策和行为。自动驾驶车辆也需要遵守交通规则，必须在各种驾驶情境（不论是该情景是预期内还是预期外的）为用户提供导航，确保驾驶安全性。 Waymo运用各类功能性分析、仿真工具和路测，确保充分了解在业务设计领域内出现的各类挑战，并制定安全性要求，采用多管齐下的测试和验证过程。 功能安全性 其旨在确保Waymo车辆在系统存故障或失效时的安全操控，这意味着要建立备份系统和冗余机制来应对车辆的意外状况。 例如，Waymo旗下的所有自动驾驶车辆均配备了辅助计算机（secondary computer），可在主计算机出现故障时代替其接管车辆的操控，实现车辆的安全停车（即：最小风险条件）。旗下各车辆均配备了备用转向及制动系统，整个系统还有其他多层冗余。 碰撞安全性 即耐撞性，是指车辆通过各种措施保护车内乘客的能力，借助结构性设计来保护车内人员，提供座椅约束装置（seat restraints）及安全气囊，减轻车内人员的伤亡程度。 在美国，碰撞安全性被纳入到美国联邦机动车安全标准（Federal Motor Vehicle Safety Standards，FMVSS）中，该标准由美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）发布。为此，各大车企务必要证明其基础车型符合FMVSS的相关要求。 操作安全性 指车辆和乘客之间的交互（人机交互）。当确保操作安全性后，Waymo才能确保为消费者带来自动驾驶车辆所提供的安全而舒适的体验。公司旨在打造安全的自动驾驶车辆，借助危险分析、现有安全标准、大量的自动驾驶测试及从各行业借鉴而来的最佳实践来实现。公司还将采取各项举措，如公司提供的前期试驾乘坐体验项目（在第4节中将进一步介绍）。此外，公司已研发了一款用户界面，使乘客能清楚地了解其目的地，指挥车辆靠边停车，并联系Waymo获取技术辅助。 非碰撞安全性 针对可能与车辆相互作用的人群，Waymo旨在提供身体上的安全防护。例如，电子系统或传感器所带来的危害，上述设备或将对乘客、汽车技工、驾驶员、急救人员或旁观者造成身体伤害。 安全进程  Waymo在系统安全计划内设定了安全进程，确保车辆的安全性。需要制定所需的安全要求，旨在从企业内部减少潜在的风险，务必在设计时再度强调安全性，然后进行验证及确认，证明安全风险已降低至所确定的水平。 首先，从识别危险场景入手，然后再确定潜在风险的相关规避措施。这些措施可以采取多种形式，如软件或硬件的要求、软硬件的设计建议、程序控制（procedural controls）或其他的分析建议。 公司还采用了各种风险评估方法，如：预先危险性分析（preliminary hazard analysis）、故障树，设计失效模式及后果分析（DFMEA）。该持续性过程与现行的工程及测试活动、安全工程分析密切相关。 危险分析过程有助于识别自动驾驶系统架构、子系统和组件的相关要求，这类安全性要求通过一系列子系统及系统分析技术、各种系统工程设计进程及美国联邦及各州法律法规的要求来制定而成。这类分析还对Waymo的行为安全性测试要求以及系统如何检测和处理故障提供支持。 基于Waymo的系统架构及要求，公司在公共道路、闭合环境及模拟驾驶情景内进行了大量的测试。借助从上述测试、国家碰撞事故数据及从驾驶研究中采集到的信息，Waymo为潜在危险提供更多的分析。 Waymo多管齐下，获得了大量的专业技术知识，在理解Waymo的系统中起到了重要作用。基于这一认识，公司能够全面分析并评估系统的安全性，然后才可以在公共道路上进行完全自动驾驶车辆的操作。 二、Waymo自动驾驶车辆的运行机制及原理  自动驾驶系统 完全自动驾驶系统与当前在售车辆车载系统不同，其车辆的驾驶操控无需驾驶员的介入，与当前车辆所车采用的自适应巡航控制或者车道保持系统也有不同，因为后者需要驾驶员持续监控。Waymo的系统涉及软件及硬件，当其被整合到车辆后，可执行所有的驾驶功能。 用自动驾驶的行话来说，在特定地理区域和特定条件下，Waymo的自动驾驶系统可完成整套动态驾驶任务，无需人类驾驶员介入操作。 这种技术可被归类到国际汽车工程师学会（SAE International）定义的4级自动驾驶系统中，若遇到任何系统故障，Waymo的技术可实现车辆的安全停靠，将安全风险降至最低。 与1-3级自动驾驶分级不同，4级自动驾驶可在系统发生任何故障时实现车辆的安全停靠，而无需人类驾驶员接管车辆的操控。 全自动驾驶：让人类一直保持“乘客”身份 先进驾驶辅助技术是Waymo团队开发的首批技术。2012年，公司开发并测试了3级自动驾驶系统，该系统可让车辆在单车道的高速公路上实现自动驾驶，但测试期间，仍需要驾驶员挤介入操作。在内部测试中，公司还发现人类过于依赖这项技术，并未仔细地监控路况。 当驾驶辅助技术变得越发先进时，通常要求驾驶员在数秒内完成从乘客到驾驶员的角色转换，但通常是在更具挑战性或更复杂的情况下，这类场景很少。车辆承担的任务越多，这一过渡阶段就越来越复杂。 为使驾驶员双手得以脱离方向盘，不必再介入车辆操作，Waymo正在开发完全自动驾驶车辆。公司技术将关注驾驶的全过程，使用户在车内成为纯粹的乘客。 目标和事件探查响应：车载传感器  为满足自动驾驶的复杂需求，Waymo开发传感器矩阵，可实现360度全景探查及监控，不论白天或黑夜，且视野面积可达3个足球场那么大。 这类多层级传感器套件可以无缝协同工作，绘制出清晰的3D全景图像，显示行人、自行车、来往车辆、交通指示灯、建筑物和其他道路特征等动态及静态目标。 LiDAR（激光雷达）系统 LiDAR（光检测和测距）可全天候工作，每秒可发射数百万个360°全景激光脉冲，测量反射到表面并返回车辆所需的时间。 Waymo的系统包括内部开发的三种类型激光雷达：1. 短程激光雷达，可使车辆持续不断地获得车辆周边环境；2. 高分辨率的中程激光雷达；3. 新一代功能强大的长距离激光雷达，视线面积可达三个足球场。 视觉（摄像头）系统 Waymo视觉系统包括，用于观察世界的摄像头，同时具有360°全景视野，相较之下，但人类的视野却只有120°。由于Waymo视觉系统分辨率高，可探查不同的颜色，因而能帮助系统识别交通指示灯、施工区、校车和应急车辆的闪光灯。Waymo的视觉系统由多套高分辨率摄像头组成，以便在长距离、日光和低亮度等多种情境下完成协作。 雷达系统 雷达利用波长来感知物体及其运动，这类波长穿透雨滴等目标物，从而使得雷达在雨、雾、雪等天气中都发挥效果。Waymo的雷达系统具有连续的360°视野，可追踪前后方和两侧过路车辆的行驶速度。 辅助传感器（Supplemental Sensors） Waymo还提供了部分辅助传感器，包括：音频检测系统，该系统可以听到数百英尺远的警车和急救车辆所发出的警报声；而GPS可以补充为车辆对其自身的地理定位提供辅助。 Waymo自动驾驶软件 自动驾驶软件就是车辆的“大脑”，使得传感器采集的信息变得有意义，这个“大脑”还能利用这些信息帮助车辆做出最佳驾驶决策。 Waymo已经花了八年的时间来打造并完成这类软件，并运用了机器学习及其他先进的工程技术。经过多年的精心设计和测试，Waymo的模拟驾驶里程数已高达数十亿英里，自动驾驶路测里程数也超过了350万英里。 Waymo的系统可实现对这个世界深度情境理解，这也是区分Level 4自动驾驶技术的关键部分。 Waymo的自动驾驶软件，不只是检测其他物体的存在，还能真正理解这个物体本身，可能会做出的举止以及对车辆上路驾驶行为所造成的影响，此即为Waymo车辆在全自动模式下实现安全驾驶的方式与原理。 鉴于Waymo软件由不同部分组成，在这里Waymo将细介绍三个重要组成部分：感知、行为预测和规划软件。 感知 感知是Waymo软件的功能组成之一，可用于检测道路对象并对其分类，同时还可用于估算速度、航向和加速度。公司的自动驾驶软件可从Waymo的传感器获取无数详细信息，并将其转化为实时视图。 感知有助于车辆区分行人、骑行者、摩托车手、车辆等，还能区分诸如交通信号等静态物体的颜色。对于这些物体，感知使Waymo系统能从语义方面了解车辆周边的情况，如：交通灯是否为绿色，车辆是否启动并行进，车道是否堵塞，上述一切尽在掌握。 行为预测 通过行为预测，软件可对道路的各对象的意图进行建模、预测及理解。由于Waymo已拥有数百万英里的驾驶里程经验，在面对不同的道路对象可能做出的行为时，Waymo旗下的车辆已构建了高精准度的建模。 从软件了解到，行人、骑自行车者、摩托车手可能看起来相似，但在行为上则有很大差异。行人可能比骑自行车者、摩托车手速度都要慢，但其都有可能突然转向。 规划软件 Waymo的规划软件会考量从感知和行为预测两个程序中所采集集到的所有信息，并为车辆绘制好路径。依据经验，最好的司机往往是具有防范意识的司机，这也是Waymo会训练防御型驾驶行为的原因。例如：远离其他司机的盲点区域，给骑行车者和行人留出额外的空间。 Waymo的规划软件会优先考虑这几步。例如，如果自动驾驶软件认为前面的车道因施工而关闭，并预测到车道上的自行车会移动，那么规划软件可以做出决定，以便提前给骑自行车者减速或腾出空间。 依据道路经验，Waymo还完善了驾驶体验，以确保车辆中的乘客在路上是平稳而舒适的。对于其他道路使用者来说，也是自然和可预测的。 运行设计域：确保车辆在特定条件下可安全行驶  运行设计域（operational design domain，简称ODD）是指自动驾驶系统可安全运行的条件。Waymo的范围包括：地理位置、道路类型、速度范围、天气、时间、国家及当地交通法律法规。 事实上，自动驾驶的ODD可能是非常有限的。例如，在白天的温度气候条件下，在一条低速公路道路或私人场地（如商业园区）划出一条固定的单程路线。然而，Waymo旨在提供更为广阔的设计域，可为日常驾驶任务提供支持。为此，公司研发新的自动驾驶技术，可在更广泛的地理区域内为车辆提供全天候的城市道路导航服务。Waymo车辆设计使其能在恶劣天气下驾驶，如：中雨、白天和夜间都能正常工作。 Waymo的车载系统设计使其无法在未经批准的运行设计域外行驶。例如，乘客无法选择除认可的地理位置外的地方作为其目的地，车载软件不会在“地理围栏”区域以外地方创建驾驶路线。 同样，Waymod 车辆设计使其能自动检测到其运行设计域内可能会影响安全驾驶的突发情况（如：暴风雪天气），以便使车辆及时安全制停直至行驶条件得以改善。 Waymo的车辆还需遵守其地理区域内的联邦、州政府和当地的法律。法律要求及要求中的任何变化都被视为系统中的安全要求，其涉及相关的速度限制、交通指示和信号。 在车辆驶入新区域之前，Waymo团队会逐一了解任何独特的道路规则或驾驶习惯，及时更新软件，并让车辆能够采取安全的应对方式。例如，加利福尼亚和德克萨斯州，自行车道上进行右转弯的规则存在不同。 与此同时，Waymo的ODD还将不断发展，最终目标是开发完全自动驾驶技术，从而可以让人类在任何时间、任何地点，任何情况下都能自由的从A地到往B地。 随着系统功能的不断提升及验证通过，Waymo还将不断扩大设计运行域，将Waymo的技术带给更多的人。 最小风险状况（回退，fallback）：确保车辆能够过渡到安全停靠状态 自动驾驶级数较低车辆依赖于驾驶员重新接管车辆的操作，当驾驶情景的复杂程度较高，将超出车载系统的应对能力。当自动驾驶技术遇到故障时，驾驶控制权也将重新回到驾驶员手中。 作为全自动驾驶汽车，Waymo的技术必须足够强大，才能独自处理这类复杂的驾驶情景。若自动驾驶车辆无法继续完成计划中的行程，其务必拥有安全停车的能力，即被称作“最小风险状态”或“回退”。 这可能包括以下情境：自动驾驶系统出现故障、车辆发生碰撞、环境条件的改变，进而导致在设定的运行设计域内或将对车辆的驾驶安全性产生影响。 Waymo的系统设计旨在自动检测各个上述场景。此外，系统的检查频率可达上千次/秒，旨在发现系统故障。同时，Waymo系统专为关键系统（如：传感器系统、运算系统及制动系统）提供了一系列冗余设计。 Waymo车辆可根据驾驶情境中的道路类型、当前的交通状况及不同程度的技术故障作出不同的应对，视具体因素而定，系统作出适当的应对，确保车辆及乘客的安全，包括：靠边停车或安全停靠。 车辆冗余——关键性安全系统（Safety-Critical Systems）  备用运算系统 车载备用运算系统始终在后台运行着，当检测到主计算系统发生故障时，该系统将负责接管车辆的控制操作，以便实现安全停靠。 备用制动系统 如果主制动系统出现故障，Waymo提供的整套备用制动系统将立即生效。当故障发生时，主制动系统、备用制动系统均可实现车辆的安全停靠。 备用转向系统 备用转向系统拥有一套冗余驱动电机系统，并配置了独立的控制器及电源。若转向系统或备用转向系统中，另一系统均能够执行车辆的转向操作。 备用电源系统 可为各个关键驱动系统提供两个独立的电源，后者可确保Waymo车辆的关键驱动组件在发生单电源故障或电路中断时仍然可用。 备用碰撞检测及碰撞规避系统 含碰撞检测及碰撞规避系统在内的多个备用系统可持续扫描车辆前后的物体，包括：行人、骑行者及其它车辆。若主系统未探查到行驶路径中的目标物（极少数情况），这类备用系统可控制车辆，逐步减速直至安全停靠。 冗余惯性测量系统：对进行车辆定位 冗余惯性测量系统（redundant inertial measurement system）可帮助车辆准确地追踪其道路行驶轨迹。主惯性测量系统、冗余惯性测量系统可交互核对，若探查到其中某个系统存在故障，则由另一个系统执行车辆定位。 数据记录及碰撞后行为 Waymo自动驾驶技术将持续改进，永不停步。Waymo系统功能强大，可采集当先上路行驶车辆所产生的数据并加以分析。公司可吸取从某辆车上获得的经验教训，加以改进后可运用于整个自动驾驶测试车队。 Waymo系统可检测到碰撞的发生，并自动向Waymo后台运营中心发送通知。随后，训练有素的Waymo专家们可启动碰撞后响应程序，包括：与执法人员和急救人员进行沟通，并派人员到现场。Waymo运营中心还配有乘客支持专家，他们可以过车载音响系统与乘客直接沟通。 在碰撞发生后，公司将分析所有可用的数据，包括：视频数据及其他传感器采集到的数据，评估后确认可能的事故原因。同时，团队还将软件进行适当的调整，对整个车辆的车载系统进行必要的升级。凡是影响车辆安全的隐患都会被修复，在车载系统升级前，还会进行必要的安全测试。 自动驾驶车辆的网络安全 Waymo已研发一套健全的应对流程，旨在对网络安全威胁加以识别、划分优先级及规避。Waymo的安全实践是建立在谷歌安全流程基础之上，遵循NHTSA及Auto-ISAC发布的指导策略。 为进一步提升未来的网络安全最佳实践，Waymo还加入了Auto-ISAC，这是一项旨在加强全球汽车行业网络安全意识和协作的行业性举措。 如何为自动驾驶车辆打造一套适用的地图   在自动驾驶车辆上路前，Waymo的地图团队首先利用测试车辆的传感器来创建高清3D地图，这类地图与基础级卫星图像或在线地图截然不同。相反，Waymo的地图使车载系统能够深刻理解相关的物理环境：道路类型、道路的距离、尺寸和其他地形地貌特征。 [文章纠错] 文章网友提供，仅供学习参考，版权为原作者所有，如侵犯到 你的权益请联系542334618@126.com，我们会及时处理。
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