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一、汽車駕駛的內(nèi)涵
汽車駕駛本質(zhì)上是對(duì)汽車運(yùn)動(dòng)的控制。無(wú)論是人工駕駛還是機(jī)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(dòng)等操作，即對(duì)汽車運(yùn)動(dòng)方向和驅(qū)動(dòng)力的控制。對(duì)汽車運(yùn)動(dòng)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(huì)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(gè)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(jué)和聽(tīng)覺(jué)感知周圍環(huán)境，還有通過(guò)身體感知車輛的振動(dòng)和加速度等車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此，人類駕駛員對(duì)環(huán)境的感知并非僅僅依賴于視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)，還融合了身體對(duì)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的感知。接下來(lái)，根據(jù)感知、經(jīng)驗(yàn)、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(guò)手腳執(zhí)行對(duì)方向盤、制動(dòng)踏板、油門踏板和換擋的操作。
因此，汽車駕駛的自動(dòng)化是對(duì)人類駕駛員感知、決策、執(zhí)行各功能的增強(qiáng)或者替代。這里，對(duì)人類駕駛員執(zhí)行功能的增強(qiáng)和替代已經(jīng)在汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如自動(dòng)變速箱和自適應(yīng)巡航系統(tǒng)。自動(dòng)變速箱能夠?qū)崿F(xiàn)前向行駛時(shí)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?zèng)Q策和執(zhí)行。也就是說(shuō)，汽車駕駛的自動(dòng)化一直在進(jìn)行中。
SAE（Society of Automotive Engineers）按照適用場(chǎng)景將自動(dòng)駕駛技術(shù)分為L(zhǎng)0-L5的等級(jí)，如圖1所示。實(shí)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(wú)人駕駛的L5，這些級(jí)別代表著對(duì)人類駕駛員感知、決策和執(zhí)行功能增強(qiáng)或替代的程度。
圖1 自動(dòng)駕駛分級(jí)
二、汽車駕駛的特征
汽車駕駛的特征包括以下幾個(gè)方面：首先，在運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方面，汽車表現(xiàn)出高速、剛體、三維運(yùn)動(dòng)特性。例如，在轉(zhuǎn)向過(guò)程中乘坐者會(huì)產(chǎn)生外側(cè)傾斜感，油門踩得過(guò)猛會(huì)產(chǎn)生后坐感，行駛在不平路面上的垂向顛簸感。這里，一個(gè)更為重要的特征是復(fù)雜的輪地關(guān)系。汽車運(yùn)動(dòng)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(dòng)車，無(wú)論其控制系統(tǒng)如何，輪胎力是汽車運(yùn)動(dòng)的終極控制量。輪胎力在x-y-z三維坐標(biāo)系中有6個(gè)分量，而所有控制系統(tǒng)最終都通過(guò)這6個(gè)量來(lái)影響汽車的運(yùn)動(dòng)。
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(duì)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(huì)飽和，即在某種程度上無(wú)法進(jìn)一步增加。作為汽車運(yùn)動(dòng)的終極控制力，一旦達(dá)到飽和，就無(wú)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(gè)錐形體來(lái)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(gè)特征表現(xiàn)在行駛環(huán)境即交通環(huán)境的開(kāi)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(jī)動(dòng)車等，這些不同類型的參與者使得交通環(huán)境具有開(kāi)放性和異構(gòu)性。另外，運(yùn)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(yùn)行環(huán)境的開(kāi)放性和異構(gòu)性。
汽車駕駛的第三個(gè)特征表現(xiàn)在汽車系統(tǒng)層面。首先是以力矩為紐帶的動(dòng)力產(chǎn)生、傳遞、使用過(guò)程中的機(jī)-電-液-熱反應(yīng)動(dòng)力學(xué)強(qiáng)耦合，如圖2所示。不論是燃油車還是新能源汽車，動(dòng)力系統(tǒng)先將化學(xué)能或電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，產(chǎn)生力矩。然后通過(guò)力矩傳遞和速度匹配，將動(dòng)力傳遞至車輪，最終用于驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)動(dòng)。如果系統(tǒng)還采用了能量回收技術(shù)，運(yùn)動(dòng)能將再次轉(zhuǎn)換為電能，進(jìn)而進(jìn)一步加重了動(dòng)力學(xué)耦合程度。
圖2 汽車動(dòng)力產(chǎn)生過(guò)程
第二個(gè)系統(tǒng)特征涉及人在回路中的幾個(gè)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(gè)體，但又需要處理高速運(yùn)動(dòng)的汽車駕駛問(wèn)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(shí)刻關(guān)注乘員的安全感和舒適感。第三，人機(jī)博弈是人在回路的第三個(gè)方面。車輛運(yùn)動(dòng)只有一個(gè)主體，但控制車輛運(yùn)動(dòng)卻有兩個(gè)主體，一個(gè)是人類駕駛員，另一個(gè)是機(jī)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(jì)的主觀意圖都想使汽車運(yùn)動(dòng)更好、更安全、更舒適。然而，現(xiàn)實(shí)可能是駕駛員和控制系統(tǒng)在爭(zhēng)奪駕駛權(quán)。最簡(jiǎn)單的例子是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，如果參數(shù)調(diào)整不當(dāng)，可能會(huì)產(chǎn)生方向盤“打手”現(xiàn)象。
另外一個(gè)系統(tǒng)特征是系統(tǒng)嵌套。汽車系統(tǒng)包括動(dòng)力系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。動(dòng)力系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和變速箱系統(tǒng)，而發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)又包含氣路、油路、點(diǎn)火系統(tǒng)和后處理系統(tǒng)等；運(yùn)動(dòng)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(dòng)駕駛系統(tǒng)時(shí)，動(dòng)力控制和運(yùn)動(dòng)控制又都成為了執(zhí)行控制系統(tǒng)。這看似簡(jiǎn)單，實(shí)際上是一個(gè)層層嵌套的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。最外層是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，通過(guò)相機(jī)、雷達(dá)等多模態(tài)感知信息構(gòu)成反饋。
三、智能時(shí)代新技術(shù)
智能時(shí)代的技術(shù)特征：泛在感知、數(shù)據(jù)極大豐富，使得預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確；泛在計(jì)算、算力顯著提升，使得計(jì)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(cè)的準(zhǔn)確性。
圖3 智能感知
預(yù)測(cè)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(cè)安全、預(yù)測(cè)節(jié)能、預(yù)測(cè)減排等領(lǐng)域。預(yù)測(cè)安全的動(dòng)因來(lái)源于2015年一次特大交通事故，由于車輛速度過(guò)快，在上坡道時(shí)無(wú)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(yùn)用預(yù)測(cè)優(yōu)化技術(shù)，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)車輛的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而及時(shí)對(duì)車輛進(jìn)行主動(dòng)轉(zhuǎn)向或制動(dòng)，慘劇或可以避免。
在國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)重大項(xiàng)目等支持下，圍繞極限工況下汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)的建模、側(cè)縱垂運(yùn)動(dòng)一體化協(xié)同控制與測(cè)試評(píng)價(jià)展開(kāi)研究。在這項(xiàng)工作中，我們考慮了不同車型不同驅(qū)動(dòng)構(gòu)型的應(yīng)用場(chǎng)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(dòng)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(guó)家授牌測(cè)試場(chǎng)進(jìn)行實(shí)車極限工況驗(yàn)證，對(duì)控制系統(tǒng)及其算法完成了超過(guò)六輪次的迭代優(yōu)化，通過(guò)釋放白盒代碼，支撐多家自主品牌車企實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)技術(shù)的自主與超越。
我們團(tuán)隊(duì)在汽車智能技術(shù)方面的工作涵蓋多個(gè)方面，如圖4所示。首先是人機(jī)智能增強(qiáng)，包括機(jī)器對(duì)人類駕駛員的增強(qiáng)以及人對(duì)機(jī)器的增強(qiáng)，以期提升自動(dòng)駕駛汽車的智能水平，實(shí)現(xiàn)機(jī)器駕駛與人類偏好“對(duì)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(píng)價(jià)不同等級(jí)自動(dòng)駕駛汽車的駕駛智能度。最后，針對(duì)自動(dòng)駕駛測(cè)評(píng)難題，創(chuàng)新了耦合多要素極限特性的實(shí)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(shí)車在環(huán)”全鏈測(cè)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(duì)自動(dòng)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(fèi)者和使用者的不信任。在解釋機(jī)器學(xué)習(xí)模型時(shí)，使用線性模型是最簡(jiǎn)單的方法，因?yàn)槠渚哂锌山忉屝裕渲凶罾щy的部分是設(shè)計(jì)歸因函數(shù)。經(jīng)濟(jì)學(xué)中，Shapley值可以用來(lái)衡量個(gè)體的貢獻(xiàn)，但將其應(yīng)用于解釋機(jī)器學(xué)習(xí)算法時(shí)面臨一個(gè)基值問(wèn)題，即如何確定基準(zhǔn)值。為此，我們提出了一個(gè)TP基值的方案，計(jì)算個(gè)體Shapley值，保證獲勝團(tuán)隊(duì)貢獻(xiàn)始終得到正面評(píng)價(jià)。最后，我們以DQN跟車決策模型為例，驗(yàn)證所提出的可解釋性方法的有效性。
四、要點(diǎn)回顧與展望
汽車駕駛的本質(zhì)是對(duì)汽車多自由度運(yùn)動(dòng)的控制，需要平衡以人為中心的安全舒適、以社會(huì)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(gè)相互沖突的要求。駕駛的自動(dòng)化是對(duì)人類駕駛員感知、決策和執(zhí)行等各項(xiàng)功能的增強(qiáng)或者替代。汽車駕駛系統(tǒng)的特征包括高速、三維運(yùn)動(dòng)、復(fù)雜輪地關(guān)系，開(kāi)放、異構(gòu)、多變運(yùn)行環(huán)境，機(jī)、電、液、熱、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)強(qiáng)耦合，人在回路，以及系統(tǒng)嵌套結(jié)構(gòu)等。
數(shù)智時(shí)代，更多信息更快計(jì)算推動(dòng)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(huì)更安全、更節(jié)能、更環(huán)保、更舒適。
