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本文选自中国工程院院刊《Engineering》2023年第7期 作者：Chris Palmer 来源：全自动驾驶技术仍面临诸多挑战[J].Engineering,2023,26(07):6-8. 在科技与交通领域交汇的前沿，汽车领域的全自动驾驶(FSD)技术引领着一场革命性的出行变革。2020年10月，特斯拉推出了一套扩展的Autopilot自动辅助驾驶功能，即全自动驾驶测试版，可以在城市和居民区街道上行驶、在停车标志和交通信号灯前停车，以及在从一点到另一点的导航过程中进行转弯操作。 中国工程院院刊《Engineering》2023年第7期刊发《全自动驾驶技术仍面临诸多挑战》一文。文章概括介绍了全自动驾驶系统的发展进展，分析了全自动驾驶技术发展面临的技术和经济挑战，并展望了全自动驾驶技术未来的发展前景。 
2021年，疫情期间供应链延误，导致本就昂贵的雷达和超声波传感器成本上升，汽车制造商特斯拉（美国加利福尼亚州帕洛阿尔托）便将该技术从其品牌汽车中移除，转而采用仅使用摄像头的方式为其自动驾驶系统提供距离和图像信号输入。这一转换导致撞车事故急剧增加，接踵而至的是无休止的诉讼、来自联邦政府机构的调查以及将最新的自动驾驶软件从数十万辆特斯拉汽车召回。特斯拉的困境，以及2022年10月福特和大众放弃全自动驾驶汽车计划，映射出整个行业的严重担忧，即制造商的全自动驾驶汽车到底还需要多长时间才能走入千家万户。“四五年前，我们似乎一门心思地朝着将全自动驾驶汽车驶入道路的方向发展。”康涅狄格大学（美国康涅狄格州斯托尔斯）土木工程副教授兼康涅狄格州交通安全研究中心主任Eric Jackson说，“在过去六个月里，这个事情似乎越来越没有可能实现。” 2014年，特斯拉推出Autopilot软件。这是一套允许驾驶员交出电动汽车实际控制权的系统，条件是需要驾驶员在汽车行使过程中保持警惕（图1）。八个摄像头会对汽车周围活动的实时画面进行捕捉，使汽车能够对行人、骑自行车的人或其他车辆等危险进行评估并做出相应的操控。Autopilot会引导汽车保持安全车速并与其他车辆保持安全距离，将车身保持在车道线内，并能够在高速公路上进行变道。2020年10月，特斯拉推出了一套扩展的Autopilot自动辅助驾驶功能，名为全自动驾驶测试版（Full Self-Driving Beta）。这些功能包括在城市和居民区街道上行驶、在停车标志和交通信号灯前停车，以及在从一点到另一点的导航过程中进行转弯操作（图2）。 
图1. 2017年款特斯拉Model X 75D在特斯拉的Autopilot自动辅助驾驶系统的控制下行驶于高速公路上。驾驶辅助系统可以使车辆保持安全车速并与前车保持安全距离。Autopilot还能使车辆在车道上保持居中行驶并进行车道变换操作。图片来源：Ian Maddox, English Wikipedia (CC BY-SA 4.0)。
图2. 安装在2022年款特斯拉Model S上的一套扩展的Autopilot自动辅助驾驶功能，名为全自动驾驶测试版（Full Self-Driving Beta）。该全自动驾驶测试版由特斯拉于2020年10月推出，允许汽车在城市和住宅区街道上行驶、在停车标志和交通信号灯前停车以及转弯等。图片来源：Ted Drake, Flickr (CC BY-NA 2.0)。特斯拉首席执行官Elon Musk曾表示，Autopilot比普通驾驶更安全，并援引美国国家公路交通安全管理局（NHTSA）的数据称，2021年美国因道路交通事故死亡的人数高达42915人。然而，在2021年7月至2022年6月期间报告的392起涉及高级驾驶辅助系统的车祸中，运行Autopilot系统的特斯拉汽车占了近70%，特斯拉事故也造成了大部分死亡以及重伤。截至2022年6月，约有83万辆特斯拉汽车安装了Autopilot系统，这也使特斯拉成为所有自动驾驶汽车制造商中碰撞事故比例最高的公司。同期相比之下，600万辆装有驾驶辅助系统的本田汽车在美国发生了90起碰撞事故。斯巴鲁（Subaru）发生了10起驾驶辅助系统事故，其他汽车制造商报告的事故为五起或更少。这些数据均来自2022年美国政府的一项规定，该项规定要求汽车制造商对涉及驾驶辅助系统的碰撞事故进行报告，用以评估其潜在的安全风险。NHTSA要求汽车制造商对于车辆发生事故前后30秒内自动驾驶系统处于开启状态的事故进行披露，此举的部分原因是为了防止制造商通过声称车祸发生时未使用软件来隐瞒事故。NHTSA声称，特斯拉车辆在很多情况下会在撞击的前一秒关闭Autopilot系统。根据NHTSA的要求，2023年2月特斯拉自愿暂停对造价15 000美元的全自动驾驶测试版软件进行新的安装。已安装并激活全自动驾驶测试版软件的车主仍可使用该软件，但须在2023年3月底才能进行无线升级（实际上是对旧版软件的召回），以此解决NHTSA发现的汽车违反交通法规以及做出危险操作等问题。此次召回对近36.3万辆Model S、Model 3、Model X和Model Y汽车造成了影响。“许多测试版用户自称遭遇了令自己感觉不适或违反所在地区交通法规的情况，如违规转弯等。”Jackson道。第一起针对特斯拉Autopilot碰撞事故的诉讼于2023年2月进入庭审阶段；未来几个月还将有四起诉讼。这些诉讼的诉求均围绕着一个共同点：特斯拉一直过度承诺Autopilot的功能，并淡化了其风险。自2015年10月Autopilot发布以来，Musk一直鼓励驾驶员相信Autopilot技术要优于实际展示。不过，驾驶员手册明确指出，全自动驾驶软件为“美国汽车工程学会（SAE）L2级驾驶员支持功能”。这说明它可以控制自动转向、制动以及加速，但驾驶员必须参与并随时准备接管汽车；驾驶员也要对系统可能犯下的任何错误承担全部责任。但相对于Musk的说法，这一条款鲜少有人关注，这也导致许多驾驶员对自动驾驶汽车的局限性感到十分困惑。该技术的名称暗示着它可以独立运行。美国证券交易委员会目前正在对Musk声明的合法性进行审查。专家们认为，在2021年5月，Musk不顾几名前员工的反对，决定取消昂贵的雷达和超声波传感器——可探测汽车周围几英寸（1英寸=2.54厘米）范围内障碍物的短程设备，转而使用多个光学摄像头，这是导致特斯拉汽车停留在SAE L2级的主要原因，也是该品牌汽车在过去两年中车祸数量急剧上升的原因。Musk声称，单纯依靠摄像头可以减少集成摄像头以及雷达的复杂性，使系统更加安全。但行业观察家猜测，这一转变是由于雷达和超声波组件成本飙升所致。由于特斯拉转向所谓的Tesla Vision方法，使车辆在雨滴、强光或进出隧道时容易出现感知错误，因此NHTSA下调了特斯拉车辆的安全评级。而全自动驾驶测试版测试项目从数千名驾驶员扩展到数万名驾驶员的情况也印证了这一变化。“这些车辆在隧道中会遇到困难，因为摄像头会突然变暗；当汽车驶入和驶离隧道时，白平衡会完全失效，这是特斯拉要面对的一个巨大的问题。”美国亚利桑那州坦佩市亚利桑那州立大学研究自动驾驶汽车的计算与增强智能教授Aviral Shrivastava表示，“如果你使用以视觉为基础的系统，那么真的会掉进这个陷阱。”除了放弃雷达和超声波传感器外，特斯拉还选择放弃在汽车上安装光探测和测距（LiDAR）传感器。摄像头需要在人工标记的图像上进行计算机视觉算法训练来解释二维输入，而LiDAR则不同，它可以极其精确地捕捉三维深度尺寸。然而，LiDAR只能构建线框三维环境，无法读取交通标志、交通信号灯或任何没有深度的物体。Shrivastava认为，这就是大多数其他汽车制造商的自动驾驶辅助系统——包括通用汽车、梅赛德斯和谷歌母公司Alphabet旗下的Waymo公司（美国加利福尼亚州山景城）所使用的自动驾驶辅助系统——都同时使用了摄像头和LiDAR的原因。“只使用摄像头是非常危险的。”Jackson说，“没有任何备用传感器会带来很多责任。”Shrivastava称Tesla Vision是一项商业决策。“如果他们专注于制造自动驾驶汽车，那么他们会使用LiDAR。”他说道。他还补充称，全套摄像头、LiDAR和雷达的成本可高达2.5万美元。“但相反，他们专注于汽车配置，这可以让他们以较低成本出售汽车，但依旧可以声称汽车拥有全自动驾驶技术。”特斯拉改用纯摄像头系统后，问题即刻接踵而至。例如，NHTSA的数据显示，在取消雷达后的三个月内，接到了107起“幽灵刹车”（phantom braking）投诉，而在此前的22个月内，该类投诉仅有34起。2022年12月，特斯拉表示可能会放弃只配备摄像头的立场，转而在新车型上配备高清雷达装置，并声称该装置比市场上任何其他雷达装置都更先进。尽管一些原型车采用了更先进的传感器，如多个雷达和LiDAR装置以及十余个摄像头，但似乎并没有哪家制造商能够制造出可供消费者购买的全自动驾驶汽车。2022年10月，福特和大众汽车公司关闭了价值数十亿美元的Argo AI（美国宾夕法尼亚州匹兹堡）自动驾驶初创公司，这也反映了该行业内存在的巨大技术和经济挑战。不过，一些公司已经在无人驾驶“机器人出租车”方面小有突破，如通用汽车的Cruise公司（美国加利福尼亚州旧金山）于2022年6月获得加州公用事业委员会（California Public Utilities Commission）的许可，可以在旧金山对无人驾驶乘车服务进行收费。另外，Alphabet旗下的Waymo公司自2017年年初以来一直在凤凰城对其自动驾驶出租车进行测试并于2022年11月获准在旧金山提供无人驾驶出租车乘车服务。为了最大限度地降低风险，目前为止这些城市对自动驾驶车辆的运营区域和运营时间都加以限制（例如，只能在晚上10点到早上6点之间，行人和骑车人较少、汽车流量较小的情况下运行）。在凤凰城，Waymo的自动驾驶汽车的付费乘车服务区域约为260 km2，但其全无人驾驶出租车的服务区域仅为该区域面积的一半。“Waymo的出租车为自动驾驶，但只能在高度规划、高度协调的路线上运行，并在指定的区域供乘客上下车。这并不是说他们会把一辆车扔在一个陌生城市中央，指望它自己导航自己开。”Jackson道，“这也许是最安全的方式，但我不知道这种模式能否在全美进行推广。”目前，Waymo汽车的传感器成本高昂，可高达数万美元，这意味着该公司的全自动驾驶汽车只能以“机器人出租车”的方式运行，目前还没有推出消费者版本的计划。“这些车每天可在路上行驶22小时。它们只需要停下来充电。只有这样，你才能从这些高度专业化、超级昂贵的车辆上获得真正的投资回报。” Shrivastava说，“离普通消费者购买和驾驶真正安全的自动驾驶汽车依旧任重道远。” Jackson认同自动驾驶的未来依旧遥远：“我们正走在实现完全自动化的道路上，但这可能需要很长时间。我们可能还需要30~50年的时间才能拥有一辆可以在全国范围内行驶的全自动驾驶汽车。”
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