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一、汽車駕駛的內(nèi)涵
汽車駕駛本質(zhì)上是對汽車運動的控制。無論是人工駕駛還是機器駕駛，駕駛的本質(zhì)任務(wù)均未改變，即將汽車從位置A駛向位置B。在操作層面上，駕駛涉及油門、換檔、加速、自動等操作，即對汽車運動方向和驅(qū)動力的控制。對汽車運動進(jìn)行控制需要滿足：以人為中心的安全舒適，其中安全是最重要的；以社會為中心的節(jié)能減排；以企業(yè)為中心的降本增效。顯然，這三個要求是沖突和矛盾的。
人類駕駛員駕駛汽車，首先是依靠視覺和聽覺感知周圍環(huán)境，還有通過身體感知車輛的振動和加速度等車輛運動狀態(tài)。因此，人類駕駛員對環(huán)境的感知并非僅僅依賴于視覺和聽覺，還融合了身體對運動姿態(tài)的感知。接下來，根據(jù)感知、經(jīng)驗、記憶等信息理解環(huán)境，用腦完成轉(zhuǎn)向、加減速、擋位等決策。最后，通過手腳執(zhí)行對方向盤、制動踏板、油門踏板和換擋的操作。
因此，汽車駕駛的自動化是對人類駕駛員感知、決策、執(zhí)行各功能的增強或者替代。這里，對人類駕駛員執(zhí)行功能的增強和替代已經(jīng)在汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如自動變速箱和自適應(yīng)巡航系統(tǒng)。自動變速箱能夠?qū)崿F(xiàn)前向行駛時的檔位操作的自主決策和執(zhí)行，而自適應(yīng)巡航系統(tǒng)能夠在有限范圍內(nèi)自主進(jìn)行加減速決策和執(zhí)行。也就是說，汽車駕駛的自動化一直在進(jìn)行中。
SAE（Society of Automotive Engineers）按照適用場景將自動駕駛技術(shù)分為L0-L5的等級，如圖1所示。實際上，從完全人類駕駛的L0，到解放雙腳的L1，以及解放雙手、解放雙眼、解放大腦，直至完全無人駕駛的L5，這些級別代表著對人類駕駛員感知、決策和執(zhí)行功能增強或替代的程度。
圖1 自動駕駛分級
二、汽車駕駛的特征
汽車駕駛的特征包括以下幾個方面：首先，在運動動力學(xué)方面，汽車表現(xiàn)出高速、剛體、三維運動特性。例如，在轉(zhuǎn)向過程中乘坐者會產(chǎn)生外側(cè)傾斜感，油門踩得過猛會產(chǎn)生后坐感，行駛在不平路面上的垂向顛簸感。這里，一個更為重要的特征是復(fù)雜的輪地關(guān)系。汽車運動中，輪胎是汽車與地面唯一的接觸面，汽車的前進(jìn)依賴于輪胎力的作用。不論是燃油車還是電動車，無論其控制系統(tǒng)如何，輪胎力是汽車運動的終極控制量。輪胎力在x-y-z三維坐標(biāo)系中有6個分量，而所有控制系統(tǒng)最終都通過這6個量來影響汽車的運動。
輪地關(guān)系的復(fù)雜性源于輪胎與路面之間的唯一接觸面以及胎面和路面的多樣性。路面有瀝青、水泥、石子等不同材質(zhì)，還有雨水、冰雪覆蓋等情況；輪胎的材質(zhì)、充氣量和磨損等因素也對輪地關(guān)系有直接影響。此外，輪胎力呈現(xiàn)非線性特性，表現(xiàn)為輪胎力會飽和，即在某種程度上無法進(jìn)一步增加。作為汽車運動的終極控制力，一旦達(dá)到飽和，就無法再產(chǎn)生有效的控制。在三維坐標(biāo)系中，輪胎力飽和可以用一個錐形體來描述，投影在側(cè)縱（y-x）向上為橢圓型狀。
汽車駕駛的第二個特征表現(xiàn)在行駛環(huán)境即交通環(huán)境的開放性和異構(gòu)性。交通環(huán)境中有不同的交通參與者，行人、摩托車、自行車和機動車等，這些不同類型的參與者使得交通環(huán)境具有開放性和異構(gòu)性。另外，運行環(huán)境還受到天氣條件的影響，例如雨、雪、霧等不穩(wěn)定天氣，這種多變的天氣狀況也增加了運行環(huán)境的開放性和異構(gòu)性。
汽車駕駛的第三個特征表現(xiàn)在汽車系統(tǒng)層面。首先是以力矩為紐帶的動力產(chǎn)生、傳遞、使用過程中的機-電-液-熱反應(yīng)動力學(xué)強耦合，如圖2所示。不論是燃油車還是新能源汽車，動力系統(tǒng)先將化學(xué)能或電能轉(zhuǎn)換為機械能，產(chǎn)生力矩。然后通過力矩傳遞和速度匹配，將動力傳遞至車輪，最終用于驅(qū)動車輛運動。如果系統(tǒng)還采用了能量回收技術(shù)，運動能將再次轉(zhuǎn)換為電能，進(jìn)而進(jìn)一步加重了動力學(xué)耦合程度。
圖2 汽車動力產(chǎn)生過程
第二個系統(tǒng)特征涉及人在回路中的幾個方面。首先，駕駛員在回路中發(fā)揮著重要作用，他們具有多樣性，通常是非職業(yè)的個體，但又需要處理高速運動的汽車駕駛問題，這是需要考慮的重要特征。其次，乘員也在回路中扮演關(guān)鍵角色。汽車是以人為中心的產(chǎn)品，必須時刻關(guān)注乘員的安全感和舒適感。第三，人機博弈是人在回路的第三個方面。車輛運動只有一個主體，但控制車輛運動卻有兩個主體，一個是人類駕駛員，另一個是機器電腦也就是控制系統(tǒng)。人類駕駛員和控制系統(tǒng)設(shè)計的主觀意圖都想使汽車運動更好、更安全、更舒適。然而，現(xiàn)實可能是駕駛員和控制系統(tǒng)在爭奪駕駛權(quán)。最簡單的例子是電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，如果參數(shù)調(diào)整不當(dāng)，可能會產(chǎn)生方向盤“打手”現(xiàn)象。
另外一個系統(tǒng)特征是系統(tǒng)嵌套。汽車系統(tǒng)包括動力系統(tǒng)和運動系統(tǒng)。動力系統(tǒng)包括發(fā)動機系統(tǒng)和變速箱系統(tǒng)，而發(fā)動機系統(tǒng)又包含氣路、油路、點火系統(tǒng)和后處理系統(tǒng)等；運動系統(tǒng)中ABS，ESC、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)也有類似的嵌套結(jié)構(gòu)。在構(gòu)建自動駕駛系統(tǒng)時，動力控制和運動控制又都成為了執(zhí)行控制系統(tǒng)。這看似簡單，實際上是一個層層嵌套的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。最外層是自動駕駛系統(tǒng)，通過相機、雷達(dá)等多模態(tài)感知信息構(gòu)成反饋。
三、智能時代新技術(shù)
智能時代的技術(shù)特征：泛在感知、數(shù)據(jù)極大豐富，使得預(yù)測更準(zhǔn)確；泛在計算、算力顯著提升，使得計算更快速，如圖3所示。比如，車載感知技術(shù)的不斷進(jìn)步使得數(shù)據(jù)量大幅增加，從而提升了車輛軌跡預(yù)測的準(zhǔn)確性。
圖3 智能感知
預(yù)測優(yōu)化技術(shù)在提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性后，可以應(yīng)用于預(yù)測安全、預(yù)測節(jié)能、預(yù)測減排等領(lǐng)域。預(yù)測安全的動因來源于2015年一次特大交通事故，由于車輛速度過快，在上坡道時無法完成需要的轉(zhuǎn)向，造成了重大人員傷亡的交通事故。基于道路的坡度、曲率數(shù)據(jù)，運用預(yù)測優(yōu)化技術(shù)，能夠準(zhǔn)確預(yù)測車輛的運動軌跡，從而及時對車輛進(jìn)行主動轉(zhuǎn)向或制動，慘劇或可以避免。
在國家自然科學(xué)基金委員會重大項目等支持下，圍繞極限工況下汽車主動安全系統(tǒng)的建模、側(cè)縱垂運動一體化協(xié)同控制與測試評價展開研究。在這項工作中，我們考慮了不同車型不同驅(qū)動構(gòu)型的應(yīng)用場景，使得系統(tǒng)技術(shù)的拓展應(yīng)用更加方便靈活。從控制架構(gòu)優(yōu)化、零動態(tài)失穩(wěn)分析、穩(wěn)定邊界描述，到一體化協(xié)同控制算法，全部技術(shù)自主可控。最后，在國家授牌測試場進(jìn)行實車極限工況驗證，對控制系統(tǒng)及其算法完成了超過六輪次的迭代優(yōu)化，通過釋放白盒代碼，支撐多家自主品牌車企實現(xiàn)了先進(jìn)技術(shù)的自主與超越。
我們團(tuán)隊在汽車智能技術(shù)方面的工作涵蓋多個方面，如圖4所示。首先是人機智能增強，包括機器對人類駕駛員的增強以及人對機器的增強，以期提升自動駕駛汽車的智能水平，實現(xiàn)機器駕駛與人類偏好“對齊”。其次，探索深度學(xué)習(xí)智能駕駛算法的可解釋性，確保駕駛決策的可靠性和安全性，以及評價不同等級自動駕駛汽車的駕駛智能度。最后，針對自動駕駛測評難題，創(chuàng)新了耦合多要素極限特性的實物在環(huán)高可信推演技術(shù)，自主研制了“軟件在環(huán)-硬件在環(huán)-單車在環(huán)-多車在環(huán)-實車在環(huán)”全鏈測試工具。這些研究旨在推進(jìn)智能駕駛技術(shù)的發(fā)展和安全應(yīng)用。
圖4 汽車智能技術(shù)
對自動駕駛而言，缺乏可解釋性導(dǎo)致決策難以理解，進(jìn)而引發(fā)消費者和使用者的不信任。在解釋機器學(xué)習(xí)模型時，使用線性模型是最簡單的方法，因為其具有可解釋性，但其中最困難的部分是設(shè)計歸因函數(shù)。經(jīng)濟(jì)學(xué)中，Shapley值可以用來衡量個體的貢獻(xiàn)，但將其應(yīng)用于解釋機器學(xué)習(xí)算法時面臨一個基值問題，即如何確定基準(zhǔn)值。為此，我們提出了一個TP基值的方案，計算個體Shapley值，保證獲勝團(tuán)隊貢獻(xiàn)始終得到正面評價。最后，我們以DQN跟車決策模型為例，驗證所提出的可解釋性方法的有效性。
四、要點回顧與展望
汽車駕駛的本質(zhì)是對汽車多自由度運動的控制，需要平衡以人為中心的安全舒適、以社會為中心的節(jié)能減排，以及以企業(yè)為中心的降本增效等三個相互沖突的要求。駕駛的自動化是對人類駕駛員感知、決策和執(zhí)行等各項功能的增強或者替代。汽車駕駛系統(tǒng)的特征包括高速、三維運動、復(fù)雜輪地關(guān)系，開放、異構(gòu)、多變運行環(huán)境，機、電、液、熱、反應(yīng)動力學(xué)強耦合，人在回路，以及系統(tǒng)嵌套結(jié)構(gòu)等。
數(shù)智時代，更多信息更快計算推動先進(jìn)算法的車載應(yīng)用，創(chuàng)造更多的新系統(tǒng)和新功能，賦能汽車社會更安全、更節(jié)能、更環(huán)保、更舒適。
