關(guān)鍵詞：自動(dòng)駕駛技術(shù);避障策略;技術(shù)融合;前景展望

0 引言

自動(dòng)駕駛車輛，即不依賴于駕駛者進(jìn)行人為控制，主要通過傳感器技術(shù)及設(shè)備等來獲取道路環(huán)境信息并以此為依據(jù)采取相應(yīng)舉措，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(yùn)動(dòng)自動(dòng)控制的智能車輛。其所運(yùn)用的自動(dòng)駕駛技術(shù)不僅能保障行駛的穩(wěn)定性、動(dòng)力性，同時(shí)也能控制車輛足夠精確地行駛于期望路徑[1]。

隨著人工智能和車輛技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，路徑控制問題作為自動(dòng)駕駛技術(shù)的關(guān)鍵難點(diǎn)，由于其復(fù)雜性和重要性，成功吸引了學(xué)術(shù)界與工程界人士的廣泛重視[2]。優(yōu)良的避障路徑規(guī)劃能夠引導(dǎo)自動(dòng)駕駛車輛安全平穩(wěn)地避開障礙物、具有較高的體驗(yàn)舒適性 [3]，自動(dòng)駕駛技術(shù)助力于改變?nèi)藗兊某鲂猩罘绞?，使其攜同專業(yè)化、智能化、人性化兼具發(fā)展。

本文主要對(duì)自動(dòng)駕駛技術(shù)的相關(guān)避障策略進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)自動(dòng)駕駛新技術(shù)的融合現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，最后闡述了自動(dòng)駕駛技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)及前景。

2 避障策略分析

2.1 多傳感器的信息融合

多傳感器信息融合是指通過優(yōu)化處理來自各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)信息，從而得到最佳數(shù)據(jù)參考結(jié)果的過程。由于一個(gè)傳感器只能反映有關(guān)車輛某一方面的狀態(tài)信息，所以只利用單個(gè)傳感器所提供的數(shù)據(jù)信息是淺薄片面的，其準(zhǔn)確性與可靠性都不高，而這也可能會(huì)極大地影響自動(dòng)駕駛車輛的控制性能。所以說，多傳感器的傳導(dǎo)作用會(huì)使車輛獲得更為周全可靠的控制信息，進(jìn)而使得整車駕駛系統(tǒng)的控制性能得到強(qiáng)化、升級(jí)。

傳感器包含有3 種層次的信息融合，分別是數(shù)據(jù)級(jí)融合、特征級(jí)融合以及決策級(jí)融合[4]。其中數(shù)據(jù)級(jí)融合旨在對(duì)所采集的原始信息進(jìn)行直接的數(shù)據(jù)融合分析，其處理內(nèi)容最為廣泛具體，能獲得最為詳盡的路面信息，而特征級(jí)融合及決策級(jí)融合則主要基于各類信息的提取、分析操作來實(shí)現(xiàn)信息融合。

2.2 模糊控制系統(tǒng)理論

模糊控制系統(tǒng)主要是由輸入接口、輸出接口、模糊控制器、檢測裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及被控制對(duì)象等組成，其基本思路是利用模糊數(shù)學(xué)相關(guān)知識(shí)對(duì)系列傳感器的綜合反映進(jìn)行判斷和甄別，最后通過獲得的參數(shù)實(shí)現(xiàn)控制并作用于被控制對(duì)象或道路環(huán)境。主要流程首先對(duì)于輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行篩查與提取，以此獲得符合要求的有效輸入量;其次將符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的輸入量進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換，利用完成尺度轉(zhuǎn)換后的輸入量確定其模糊量對(duì)應(yīng)的模糊語言，并由此選出合適的隸屬度函數(shù);最后通過依據(jù)相應(yīng)規(guī)則得到的輸出變量模糊值實(shí)現(xiàn)對(duì)象控制[5]。其模糊控制系統(tǒng)避障原理如圖1所示。

2.3 有關(guān)避障行為的分析

由于遭遇障礙物的類型存在差異，對(duì)應(yīng)采取的避障行為也不盡相同，應(yīng)當(dāng)依據(jù)現(xiàn)實(shí)生活中車輛實(shí)際的避障行為進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其避障行為更具人性化、智能化。在現(xiàn)實(shí)生活中，車輛實(shí)現(xiàn)避障的主要形式有停車避障、跟車避障和超車避障3種[6]。

跟車避障即當(dāng)智能駕駛車輛于道路上行駛時(shí)，如果受到前車阻礙且無法超越時(shí)，則只能跟隨前車行進(jìn)。此時(shí)如果車流量很大，車輛行駛間距較小，自動(dòng)駕駛車輛的速度將受到前車車速的制約，且只能依據(jù)前車所反映的信息進(jìn)行感應(yīng)控制、調(diào)整車速，使自身行駛車速在前車車速附近擺動(dòng)以避免碰撞事故。

此外，為了保證安全駕駛，在一定車速下應(yīng)與前車之間保持相應(yīng)的距離，以防出現(xiàn)突發(fā)事件。若前車突然減速制動(dòng)或道路上突然出現(xiàn)其他障礙物時(shí)，車輛的檢測控制系統(tǒng)則會(huì)及時(shí)做出制動(dòng)停車避障反應(yīng)。

無論是停車避障還是跟車避障，如果假設(shè)前車在t1時(shí)刻有減速行為，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間為t2，那么跟隨車輛將在（t1+t2）的時(shí)間內(nèi)做出相應(yīng)的減速行為，因此兩車之間的縱向距離成為駕駛行為是否安全的重要衡量指標(biāo)的同時(shí)，也是避障設(shè)計(jì)不可或缺的重要參考。

研究表明，同向行駛車輛間的安全距離要求為：當(dāng)車輛在一般公路上行駛時(shí)，車輛的縱向間距應(yīng)當(dāng)不小于30m;當(dāng)車輛在市區(qū)道路上行駛時(shí)，車輛的縱向間距應(yīng)當(dāng)不小于20m;當(dāng)車輛在繁華地帶行駛時(shí)，車輛的縱向間距應(yīng)當(dāng)不小于5m，以此來保證行駛安全。而當(dāng)車輛行駛中，如果前方車輛行駛狀態(tài)良好且速度適宜時(shí)，主車輛可保持跟隨狀態(tài)行駛;如若遇到擁堵排隊(duì)、前方發(fā)生事故或前車速度過小等情況時(shí)將產(chǎn)生超車需求，當(dāng)鄰近車道沒有其他車輛干擾，便可以駛?cè)豚徑嚨劳瓿沙噭?dòng)作。

避障超車過程中，自動(dòng)控制裝置的反應(yīng)時(shí)間、車輛速度、加速時(shí)間、兩車之間的縱向間距（當(dāng)車速大于或等于40km/h時(shí)，縱向車間距應(yīng)大于或等于80m;當(dāng)車速小于或等于30km/h時(shí)，縱向車間距應(yīng)大于或等于35m）及橫向安全距離等，都是影響安全性的重要因素。一般研究中，將車頭時(shí)距作為分析跟隨避障行為的重點(diǎn)，當(dāng)車頭時(shí)距大于4s/輛時(shí)，車輛的速度選擇有很大的自主性;車頭時(shí)距為3s/輛時(shí)，則跟隨狀態(tài)良好;若小于2s/輛時(shí)，后車速度將極大受到限制，開始提高車速，向前車的左側(cè)靠近，進(jìn)行超車以實(shí)現(xiàn)避障目的[7]。其超車避障路線如圖2所示。

3 自動(dòng)駕駛新技術(shù)的融合現(xiàn)狀

3.1 自動(dòng)駕駛技術(shù)與城市數(shù)據(jù)大腦融合

城市數(shù)據(jù)大腦被定義為一個(gè)服務(wù)于政府和大型企業(yè)之間、進(jìn)行智慧城市治理的大型信息共享平臺(tái)。就城市交通方面而言，城市數(shù)據(jù)大腦可以融合一個(gè)城市的數(shù)十萬條交通信息，包括實(shí)時(shí)交通狀態(tài)、行人出行信息以及公交車運(yùn)營信息等?；诖髷?shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，城市數(shù)據(jù)大腦有能力預(yù)測未來1小時(shí)的交通情況變化，甚至有能力掌握城市交通運(yùn)行規(guī)律[8]。

2016年城市數(shù)據(jù)大腦在蕭山進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)，道路車輛平均通行效率提升3%～5%，試點(diǎn)路段更是提高11%[9]。隨著現(xiàn)代化信息技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，城市交通擁堵治理的策略將得到進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)。這對(duì)于自動(dòng)駕駛技術(shù)而言，無疑是極其重要的協(xié)同助力。

3.2 自動(dòng)駕駛技術(shù)與5G網(wǎng)絡(luò)融合

通訊技術(shù)和智能車輛的融合隨著國內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)的成熟而走上了快車道。通過在實(shí)驗(yàn)室的模擬數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論來看，5G相比于以前的DSRC其可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)步是驚人的，對(duì)于汽車行業(yè)而言，5G將會(huì)使得聯(lián)網(wǎng)車輛實(shí)現(xiàn)從0到1的質(zhì)變。其在自動(dòng)駕駛車輛的安全性能方面表現(xiàn)得尤為突出，此時(shí)車輛、行人和道路并不再是獨(dú)立的個(gè)體，他們?cè)诟鞣N傳感器和交通基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)助下收集信息，再利用高效的5G網(wǎng)絡(luò)傳輸信息，這使得曾經(jīng)的零散個(gè)體變成了城市運(yùn)行的集聚細(xì)胞（圖3）。

他們的互相作用、互相配合對(duì)于城市中行駛的自動(dòng)駕駛車輛而言，綜合反映信息能提前了解危險(xiǎn)的存在，從根本上阻遏了相當(dāng)一部分行車緊急情況。雖然車輛的使用環(huán)境將要面臨更多的困難和風(fēng)險(xiǎn)，如互聯(lián)網(wǎng)車輛需要更高標(biāo)準(zhǔn)的配套設(shè)施、合理設(shè)計(jì)的城市交通線路以及區(qū)域覆蓋完備的5G基站等，但5G時(shí)代的到來使車輛持續(xù)穩(wěn)定地連接網(wǎng)絡(luò)成為可能，并獲得逐步發(fā)展。

3.3 自動(dòng)駕駛車輛的實(shí)體應(yīng)用

目前車輛企業(yè)將自動(dòng)駕駛發(fā)展思路定位在一個(gè)固定場景的問題解決之中。從最簡單的單個(gè)動(dòng)作，如高速下制動(dòng)場景的控制、高速公路或地面標(biāo)線清晰路面的車道控制，到擁堵路段自動(dòng)駕駛，再到上海洋山港無人碼頭實(shí)現(xiàn)小區(qū)域內(nèi)的全部自動(dòng)駕駛，表明運(yùn)用信息互聯(lián)互通的自動(dòng)駕駛技術(shù)已然初具雛形。

近些年來，我國汽車行業(yè)面向革新，智能化發(fā)展趨勢明顯，行業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)日新月異。如2018年7月，圖森未來（TuSimple）無人集裝卡車隊(duì)經(jīng)過超百天的試運(yùn)營實(shí)驗(yàn)最終證明，其具備了在白天、夜晚以及雨天等特殊天氣下的完全商用能力。

2020年4月，京東物流集團(tuán)自動(dòng)駕駛首席科學(xué)家孔旗在疫情防控新聞發(fā)布會(huì)上宣布，在當(dāng)前疫情的影響下，京東物流將采用L4級(jí)別的自動(dòng)駕駛快遞車進(jìn)行快遞的配送工作。其基本流程是快遞員將自動(dòng)駕駛車輛進(jìn)行清理消毒、放置快件、線路選取并點(diǎn)擊出發(fā)后，車輛將按照預(yù)定路線行駛，在到達(dá)目標(biāo)地點(diǎn)時(shí)會(huì)通過短信、電話的形式通知并等待客戶取件。

隨后如此往復(fù)可實(shí)現(xiàn)整條線路取件點(diǎn)的遞送服務(wù)，在工作任務(wù)完成后快遞車將自行返回始發(fā)配送站點(diǎn)（圖4）。在此過程中，將大大減少人員接觸情況，能更為便捷、安全地完成業(yè)務(wù)活動(dòng)。值得注意的是，京東智能快遞車是全球行業(yè)內(nèi)首次L4級(jí)別自動(dòng)駕駛技術(shù)的落地應(yīng)用，這表明技術(shù)發(fā)展源于生活同樣也服務(wù)于生活。

4 自動(dòng)駕駛技術(shù)的挑戰(zhàn)及前景

就目前而言，雖然自動(dòng)駕駛技術(shù)在多個(gè)方向皆有探索發(fā)展，但是其普及應(yīng)用仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。

首先是法律責(zé)任的歸屬問題。如果自動(dòng)駕駛車輛發(fā)生事故，駕駛員和乘客會(huì)認(rèn)為，所有行駛的判斷都是車輛做出的，那事故責(zé)任也應(yīng)該由車輛廠商承擔(dān)，而站在車輛廠商的角度則并非如此。雖然很多國家對(duì)于自動(dòng)駕駛相關(guān)法律法規(guī)的制定有所準(zhǔn)備與推進(jìn)，但是時(shí)至今日都沒有真正意義上的行業(yè)法規(guī)頒布實(shí)施。

其次是自動(dòng)舉措的倫理道德觀問題。2018年，麻省理工學(xué)院媒體研究人員經(jīng)過2年名為“道德機(jī)器”實(shí)驗(yàn)的研究，他們得出的結(jié)論是，自動(dòng)駕駛車輛采取措施的選擇判斷標(biāo)準(zhǔn)是由使用地的政治、文化環(huán)境所共同決定的。在不同環(huán)境的影響下，其行為選擇將大相徑庭。對(duì)于車輛在遭遇緊急情況時(shí)，優(yōu)先保護(hù)駕駛員側(cè)或副駕駛側(cè)、優(yōu)先保護(hù)車內(nèi)人員或道路行人等問題，自動(dòng)駕駛相關(guān)技術(shù)發(fā)展仍有待商榷與探索。

第三是安全隱患問題。電子信息產(chǎn)品并非絕對(duì)的安全，隨著自動(dòng)駕駛車輛的普及使用，如若車輛控制系統(tǒng)被黑客入侵致使大范圍自動(dòng)駕駛車輛無法行駛或行為失控，在這種情況下所造成的后果無疑是十分嚴(yán)重的。本該服務(wù)于人類的智能助手成為了不法分子的犯罪新工具，由此衍生新的安全問題將在極大程度上不利于自動(dòng)駕駛行業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。

即便自動(dòng)駕駛車輛面臨諸多瓶頸，但其發(fā)展與普及形勢不可逆轉(zhuǎn)。據(jù)美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）預(yù)測，本世紀(jì)中葉前，自動(dòng)無人駕駛車輛將占據(jù)全球車輛保有量的75%[10]。此直觀數(shù)據(jù)的實(shí)質(zhì)暗示著，車輛交通系統(tǒng)概念將迎來前所未有的新的變革，交通規(guī)則、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)甚至社會(huì)生產(chǎn)環(huán)境等，都將或多或少的隨著無人駕駛車輛的不斷進(jìn)化而產(chǎn)生質(zhì)變。高級(jí)別自動(dòng)化駕駛是人類追求智能出行的技術(shù)基石，它將成為網(wǎng)絡(luò)化、信息化和智能化時(shí)代發(fā)展成果的智慧結(jié)晶。