从辅助到自主：汽车进入3级及以上自动驾驶

发布于2024-06-12

按照美国国家公路交通安全管理局 (NHTSA) 的规定，几乎所有在美国销售的新车都至少配备了某种形式的高级驾驶辅助系统 (ADAS)。据《消费者报告》(Consumer Reports) 称，美国90%以上的新车都配备了自适应巡航控制系统，半数新车可以同时控制转向和车速。^[1] 然而，美国只有一家汽车制造商提供的系统达到了SAE驾驶自动化等级™的第3级，即允许驾驶员在ADAS功能激活时将视线从道路上移开。

在本文中，我们将进一步了解首个符合3级自动化标准的系统、SAE等级以及实现完全自动驾驶汽车所需的技术和考量因素。

加速前进

梅赛德斯-奔驰通过在2024款S级和EQS轿车上配备DRIVE PILOT选购系统，为美国消费者提供了首批SAE 3级自动驾驶系统。虽然目前美国道路上已有4级自动驾驶车辆，但它们都是商用网约车，并不供购买。继本田2021年在日本推出配备3级自动驾驶功能的Legend轿车之后，梅赛德斯-奔驰也推出了3级自动驾驶功能，并将承担车辆在启用3级功能时引发的任何事故责任。这些车辆不仅处于汽车技术的前沿，而且还扩展了监管框架的界限，前所未有地将责任从驾驶员转移到车辆。随着ADAS技术的不断成熟，相应的法律和监管也必须与时俱进。

SAE自动驾驶等级

首先，我们来看一下什么是3级自动驾驶汽车。国际汽车工程师学会 (SAE International) 根据所需的用户干预程度确定了六个级别的自动驾驶（图1）。下图展示了从2级到3级的显著跃升。2级自动驾驶汽车可以自行保持车速和车道，但要求驾驶员手握方向盘并一直保持注意力。也就是说，依然是由人来驾驶。但在启用3级自动驾驶功能时，就不是由人驾驶了。这意味着驾驶员的双手可以脱离方向盘，也可以不看路面。

图1：SAE自动驾驶等级。（图源：SAE International）

2级和3级之间的差距既涉及到法律，也涉及技术。2级和3级自动驾驶车辆都可以在跟车时保持车速，并保持在自己的车道上。区别在于，如果你在驾驶2级车辆时发生事故，你需要承担责任。如果在3级自动驾驶功能激活时发生事故，则由汽车制造商承担责任。这一重要区别意味着，从法律角度来看，驾驶员并没有实际 “驾驶 ”3级车辆。

这就是从2级到3级最困难的挑战 - 人为因素。如果2级车辆的驾驶员在自动驾驶功能工作时一直关注着路况，那么他们就很容易切换到手动控制模式。人类在任务切换方面的效率是出了名的低，因此，如果驾驶员特别专注于看书或玩手机游戏，就需要更多的时间来重新进入驾驶 “状态”。

德国保险公司事故研究中心 (German Insurers Accident Research) 的一项研究让驾驶员坐在驾驶模拟器中，模拟3级车辆在自动驾驶功能激活时要求驾驶员接管的情况。^[2] 研究结果表明，专注于非驾驶任务（在车载信息娱乐控制台上玩俄罗斯方块）的驾驶员比专注于驾驶任务的驾驶员多花五秒钟时间将脚放在踏板上、手放在方向盘上、眼睛盯着路面、车速表和后视镜。

5秒钟看似不长，但以每小时120公里高速行驶的车辆在这段时间内将能够行驶165米。汽车制造商必须权衡3级自动驾驶的风险和回报：依靠分心的人来快速切换任务，会造成重大的系统漏洞。例如，在福特自动驾驶汽车的早期测试中，测试驾驶员居然在方向盘上睡着了。^[3] 梅赛德斯-奔驰的DRIVE PILOT系统通过限制驾驶员在自动驾驶功能启动时的行为来减少人为因素的影响。驾驶员上方的摄像头可确保他们保持清醒并面向道路，传感器可检测座椅是否倾斜。梅赛德斯-奔驰显然从福特睡着的测试驾驶员身上吸取了教训。按照美国法律规定，驾驶员开车时不能用手机上网，但车载的信息娱乐系统提供网页浏览、应用程序和游戏。

用于实现3级自动驾驶的技术

自动驾驶车辆主要使用三种技术来观察周围环境：雷达、激光雷达和摄像头。

雷达

雷达在汽车领域有着悠久的历史，基于雷达的盲点监视器在2005年左右就已问世。雷达系统通过发射无线电脉冲和测量反射脉冲来测量物体的距离和速度。如今，汽车雷达的工作频段为77GHz，与传统的24GHz汽车雷达相比，分辨率更高，所需的天线更小。汽车雷达可用于碰撞检测、自适应巡航控制和接近监测。雷达的优势在于可以在雨雾等人类驾驶员很难看清的条件下工作。

激光雷达

激光雷达的工作原理与雷达类似，只不过它使用的是近红外光谱中的光脉冲。汽车激光雷达系统发射的波长为905nm或1550nm，与毫米波的77GHz雷达相比，具有更高的分辨率。激光雷达的宽视场和高分辨率使自动驾驶汽车能够对周围环境创建三维地图，以跟踪其他车辆、车道标记、行人以及道路上或道路附近的物体。激光雷达的缺点是比普通雷达和摄像系统昂贵。例如，早期自动驾驶汽车原型使用的大型旋转式激光雷达装置每台价值数万美元。目前针对汽车行业需求专门制造的激光雷达系统更加小巧、经济，与早期的汽车激光雷达系统相比，单位成本只有原来的十分之一，甚至更低。

摄像头

第一个倒车摄像头于1956年在别克Centurion概念车上首次亮相。^[4] 近年来，移动应用领域数码相机的进步为汽车制造商提供了丰富选择，使摄像头能够以小巧的体积提供卓越的性能。自2018年开始，美国国家公路交通安全管理局便强制要求在美国销售的汽车上安装倒车摄像头，从此以后辅助驾驶摄像头便成为了标配。随后，加拿大和欧盟也出台了类似的规定。如今的汽车都配备了盲点摄像头和360度视角摄像头，驾驶员和车辆可以利用它们来观察车辆周围的情况。摄像头的分辨率甚至高于激光雷达，配合实时图像处理，可以快速识别各种物体。

雷达、激光雷达和摄像头各有千秋。汽车制造商必须分析每种系统的优缺点，找到符合其要求和预算的解决方案。表1总结了每种传感器的主要优缺点。

表1：各种汽车视觉传感器对比

 许多汽车制造商依靠多个互补传感器来创建可在各种条件下运行的强大汽车视觉系统。梅赛德斯的DRIVE PILOT系统使用摄像头、激光雷达、雷达和超声波传感器来对车辆周围环境进行全面成像。

道路做好准备了吗？

我们曾撰文介绍过不可预测的路况给自动驾驶汽车带来的挑战 。最先进的自动驾驶系统也无法跟踪磨损过度和褪色的车道标记（图2）。作为驾驶员，我们有时会在车道标记磨损或天气条件影响能见度的情况下，判断在哪里行驶以及如何行驶。另外，施工区可能会使用临时车道线来建立新的交通模式，应急人员有时会使用手势指挥交通，而不考虑路标和交通信号灯。甚至有时，我们可能需要进入相邻的车道来避开路面上的坑洞或碎石。

图2：糟糕的路况给自动驾驶汽车带来的挑战甚至比给我们带来的挑战更大（图源：Steven/stock.adobe.com）

所有这些情况都要求驾驶员快速评估具体状况，并有可能 “违反”既定的车道标记规则。2级和3级自动驾驶系统的优势在于，如果车辆不了解情况，驾驶员可以接管。但4级自动驾驶车辆在自主模式下运行时，将没有驾驶员可以依靠。目前的4级无人驾驶出租车理想情况下，在其地理围栏区域内表现良好；但是，施工区有时会让它们判断错误，正如空车自驾进入建筑工地的新闻报道中所看到的那样。

自动驾驶汽车在工程设计上面临的挑战并不在于让它们在道路上以平稳的速度行驶；按照目前的标准，编程让机器人沿着一条线行驶毫无难度。真正的挑战在于如何让自动驾驶汽车在未明确训练过的特殊场景下行驶，而这正是机器学习的用武之地。已经在道路上行驶的车辆所记录的场景为汽车制造商提供了大量的素材来完善其算法。然后，汽车制造商可以通过向其车辆推送无线更新来完成反馈循环，这样车辆就可以从彼此的经验中互相学习。车辆遇到的非传统驾驶情况（如工地和紧急车辆）越多，它们就越有丰富的经验来应对未来的特殊情况。

计算机视觉使汽车摄像头能够识别其他车辆、行人、路标、树木、动物以及汽车经过的无数其他物体。训练有素的计算机视觉算法可在车辆有限的处理能力与实时推断需求之间取得平衡。在这一领域，目前行驶在道路上的车辆可以反馈真实世界的数据来完善算法。

技术奇迹，法律难题

3级自动驾驶车辆在法律上面临的问题和技术一样复杂。梅赛德斯-奔驰遵循SAE标准规定的惯例，在DRIVE PILOT系统工作时承担事故责任：在3级及以上级别中，坐在驾驶座上的人不被视为驾驶员。在美国，驾驶员和车辆之间来回交接责任是史无前例的。美国国家公路交通安全管理局等监管机构会密切关注自动驾驶技术的发展，及时调整相关法规。汽车工程师也应了解其工作所遵循的法规和标准。

自动驾驶汽车创造了有趣的法律边缘案例。例如，特斯拉提供了一种名为“智能召唤”(Smart Summon) 的选项，汽车可以自己从停车位开到用户身边。从法律上来说，尽管用户实际上并不在车内，但仍要对汽车造成的损害负责。

美国国家公路交通安全管理局在2021年发布了一项常规命令，要求所有涉及启用了主动式二级ADAS功能的车辆的碰撞事故，如果气囊弹开、有人受伤或涉及行人或骑车人，都必须上报接受调查。虽然涉及自动驾驶汽车的碰撞事故只占所有碰撞事故的一小部分，但这些事故却成为了讨论自动驾驶功能的导火索。事故发生后，围绕自动驾驶功能的安全性和责任的辩论反映了公众对汽车制造商和驾驶员之间需要明确角色和责任的关注。

了解驾驶员和车辆的责任对于启用2级自动驾驶功能的车辆也很重要，因为驾驶员可能会过于自信，就好像他们驾驶的是3级或4级车辆一样。最近的病毒视频显示，有的驾驶员在高速公路上驾驶2级汽车时，会阅读、睡觉、吃东西等等。汽车制造商必须向驾驶员清楚地说明其自动驾驶功能的局限性，驾驶员也必须明白，在大部分时间里，他们仍然是最终的控制者。DRIVE PILOT用户在使用该功能之前必须观看一段教学视频。随着越来越多的汽车制造商为其3级和最终的4级自动驾驶功能承担责任，类似的强制性学习可能会越来越普遍。

下一步该怎么走？

3级自动驾驶汽车是实现道路更安全、更高效的重要里程碑。虽然这种尖端技术目前只服务于有限的领域，但1级和2级ADAS功能在全球范围内正变得越来越普遍。在道路上发挥更积极作用的更智能车辆将推动技术和法律的发展。在通往4级消费类自动驾驶汽车的道路上，我们将不断完善从3级和4级商用自动驾驶车辆中学到的知识，并制定健全的监管框架。

参考资料

[1]

Jeff S. Bartlett，“How Much Automation Does Your Car Really Have?”，《消费者报告》，2021年11月4日，https://www.consumerreports.org/cars/automotive-technology/how-much-automation-does-your-car-really-have-level-2-a3543419955/。