無人駕駛車輛智能水平等級(jí)劃分

國內(nèi)外無人駕駛車輛迅速興起，為加快無人駕駛車輛關(guān)鍵技術(shù)研究，進(jìn)行無人駕駛車輛智能水平等級(jí)劃分成為首要任務(wù)。本文以無人駕駛車輛、任務(wù)、環(huán)境三者構(gòu)成的復(fù)雜交互系統(tǒng)為研究對(duì)象，開展無人駕駛車輛智能水平評(píng)價(jià)研究。建立了由環(huán)境復(fù)雜度、人工干預(yù)程度、任務(wù)復(fù)雜度組成的無人駕駛車輛評(píng)測(cè)模型，并根據(jù)環(huán)境復(fù)雜度、人工干預(yù)程度、任務(wù)復(fù)雜度分別對(duì)無人駕駛車輛進(jìn)行5 個(gè)等級(jí)劃分;最后根據(jù)無人駕駛車輛行駛的環(huán)境復(fù)雜度、人工干預(yù)的程度、執(zhí)行任務(wù)的復(fù)雜度及行駛質(zhì)量，對(duì)無人駕駛車輛智能水平進(jìn)行了10 個(gè)等級(jí)劃分。

無人駕駛車輛(也稱輪式移動(dòng)機(jī)器人)是能夠依靠自身攜帶的傳感器感知車輛周圍環(huán)境，根據(jù)任務(wù)要求實(shí)時(shí)決策執(zhí)行，以保證車輛的安全性和穩(wěn)定性。美國國家科學(xué)委員會(huì)指出，無人平臺(tái)加入戰(zhàn)場(chǎng)將是未來軍事發(fā)展的一個(gè)必然趨向。世界各國也越來越關(guān)注無人駕駛車輛技術(shù)，并相繼投入相關(guān)研究和開發(fā)中。越來越多的車企也陸續(xù)將無人駕駛技術(shù)加到自己的車系中，并加大在無人駕駛方面的研究投入;各大車企無人駕駛汽車相繼出現(xiàn)，無人駕駛車輛技術(shù)在未來汽車行業(yè)將成為一個(gè)新亮點(diǎn)。

一套完善的評(píng)測(cè)系統(tǒng)對(duì)無人駕駛車輛智能水平的評(píng)價(jià)是至關(guān)重要的，評(píng)測(cè)模塊將按照給定的評(píng)測(cè)系統(tǒng)對(duì)無人駕駛車輛的智能行為做出評(píng)價(jià)。2003年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究院提出并建立了針對(duì)地面無人平臺(tái)分類和評(píng)估的無人系統(tǒng)自主級(jí)別(ALFUS)框架，從此測(cè)評(píng)體系有了規(guī)范性框架和理論指導(dǎo)。

美國舉辦了3屆美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)無人駕駛車輛比賽，分別是2004年、2005年的越野挑戰(zhàn)賽和2007年舉辦的DARPA Urban Challenge，測(cè)試題目均由第三方給出，參賽車隊(duì)賽前并未被告知測(cè)試場(chǎng)地和測(cè)試題目，根據(jù)各隊(duì)完成預(yù)定任務(wù)的耗時(shí)對(duì)無人駕駛車輛進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。這3屆DARPA賽事只是采用了簡單的定量評(píng)價(jià)，并未對(duì)無人駕駛車輛的智能水平等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2009年6月，首屆“中國智能車未來挑戰(zhàn)”大賽的舉行是中國對(duì)無人駕駛車輛首次實(shí)行第三方測(cè)試評(píng)價(jià)，對(duì)中國無人駕駛車輛探索從理論走向現(xiàn)實(shí)、加速無人駕駛車輛研發(fā)進(jìn)程做出了重大貢獻(xiàn)。從此每年均舉辦一屆“中國智能車未來挑戰(zhàn)”大賽，至2017年2月共舉辦了7屆。大賽的評(píng)價(jià)規(guī)則采用定性和人機(jī)結(jié)合的評(píng)判方法，實(shí)現(xiàn)了無人駕駛車輛智能水平的量化。通過比賽可以看到無人駕駛車輛的智能水平逐年提高，但是對(duì)其智能水平處在什么等級(jí)尚待評(píng)價(jià)。本研究組對(duì)無人駕駛車輛的定量評(píng)價(jià)做過一些嘗試，提出了基于成本函數(shù)的定性定量相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法和模糊層次分析(fuzzy-AHP)評(píng)價(jià)方法，并對(duì)無人駕駛車輛的評(píng)測(cè)體系進(jìn)行了研究。這些方法，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了無人駕駛車輛的定量評(píng)價(jià)，但是并未實(shí)現(xiàn)無人駕駛車輛智能水平的等級(jí)劃分。

縱觀國內(nèi)外的一系列無人駕駛車輛比賽，雖然實(shí)現(xiàn)了智能水平的評(píng)價(jià)，但是均未對(duì)其所處的智能水平等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)。一套完善的無人駕駛車輛智能水平測(cè)評(píng)系統(tǒng)，首先要對(duì)無人駕駛車輛智能水平等級(jí)進(jìn)行劃分，這需要進(jìn)一步的深入研究。

無人駕駛車輛智能行為的產(chǎn)生

無人駕駛車輛利用安裝在不同部位的傳感器來感知周圍環(huán)境，獲得道路、自身位姿、障礙物和背景環(huán)境等信息。傳感器捕捉到的任何細(xì)微變化都會(huì)影響無人駕駛車輛的行為，例如光線、溫度的變化及對(duì)路面平整度捕捉的變化都會(huì)對(duì)無人駕駛車輛的分析決策造成影響。無論是任務(wù)的改變還是環(huán)境的改變，均會(huì)改變無人駕駛車輛的行為。由此可得通過環(huán)境—任務(wù)—無人駕駛車輛三者交互激發(fā)無人駕駛車輛的智能行為(圖1)。

圖1 環(huán)境—任務(wù)—無人駕駛車輛交互模型

不同環(huán)境和任務(wù)對(duì)無人駕駛車輛的行為影響也不同，無人駕駛車輛必須實(shí)時(shí)捕捉周圍環(huán)境的變化，必須準(zhǔn)確判斷周圍環(huán)境中的障礙物，如行駛的車輛、走動(dòng)的行人等，并執(zhí)行相應(yīng)的安全避讓措施。同時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確識(shí)別車道線、交通燈、標(biāo)識(shí)牌、護(hù)欄等并做出準(zhǔn)確決策。當(dāng)自然環(huán)境發(fā)生變化時(shí)無人駕駛車輛也應(yīng)改變自己的行為，如遇到霧天、雨天、雪天等特殊天氣，無人駕駛車輛應(yīng)當(dāng)保持適當(dāng)?shù)能囁?、車距并且?zhǔn)確地變換燈光。遇到窄路、起伏路、坑洼路等特殊路況時(shí)，無人駕駛車輛也應(yīng)當(dāng)選擇最優(yōu)路線進(jìn)行行駛、會(huì)車及掉頭。

無人駕駛車輛評(píng)測(cè)模型

無人駕駛車輛評(píng)測(cè)模型通過人工干預(yù)程度(human intervention，HI)、完成任務(wù)復(fù)雜度(mission complexity，MC)和環(huán)境復(fù)雜度(environmental complexity，EC)表現(xiàn)(圖2)。把人工干預(yù)程度(人工進(jìn)行的決策和操作)、任務(wù)復(fù)雜度(任務(wù)難易程度、完成任務(wù)的數(shù)量)、環(huán)境復(fù)雜度(特殊天氣、特殊區(qū)域、復(fù)雜路口、道路情況、人流情況)作為評(píng)價(jià)無人駕駛車輛智能水平的3個(gè)方面，建立3維坐標(biāo)體系，3方面各自作為一軸，通過3因素在3坐標(biāo)軸上所占比例進(jìn)行無人駕駛車輛評(píng)測(cè)模型的建構(gòu)。

圖2 無人駕駛車輛評(píng)測(cè)模型

無人駕駛車輛智能水平等級(jí)劃分

ALFUS 評(píng)測(cè)框架10 等級(jí)劃分

根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院啟發(fā)式定性評(píng)價(jià)體系的ALFUS評(píng)測(cè)框架，生成10個(gè)相對(duì)應(yīng)的自主等級(jí)。當(dāng)無人系統(tǒng)完全由人工控制、無自主性時(shí)，即代表智能水平為0級(jí);第10級(jí)表征任務(wù)極其復(fù)雜、環(huán)境極端惡劣，能夠完全自主，自主水平優(yōu)秀;7~9級(jí)表征任務(wù)復(fù)雜性/協(xié)作性要求高、環(huán)境復(fù)雜、自主水平良好;4~6級(jí)表征任務(wù)難度中等、環(huán)境復(fù)雜程度中等、自主水平中等;1~3級(jí)表征環(huán)境簡單、任務(wù)要求較低、自主水平差?；谶@10級(jí)評(píng)價(jià)，智能無人系統(tǒng)的自主性程度差別可以直觀地從等級(jí)劃分中體現(xiàn)出來。

無人駕駛車輛人工干預(yù)程度

根據(jù)人工干預(yù)程度在無人駕駛車輛行駛過程中所占比例將其進(jìn)行5等級(jí)劃分。一級(jí)(遠(yuǎn)程控制)：無人駕駛車輛不能進(jìn)行自我決策且無自主性，需要操控人員進(jìn)行環(huán)境感知和理解、路徑分析和規(guī)劃并由操控人員進(jìn)行決策。無人駕駛車輛的行為受操控人員干預(yù)程度較大。二級(jí)(遠(yuǎn)程操作)：操控人員根據(jù)無人駕駛車輛感知的周邊環(huán)境信息進(jìn)行分析、規(guī)劃和決策，感知任務(wù)大部分由操控人員進(jìn)行，操控人員根據(jù)無人駕駛車輛提供的感知信息控制其行為。三級(jí)(人為指導(dǎo))：操控人員接收無人駕駛車輛的環(huán)境感知報(bào)告。由操控人員進(jìn)行大部分的分析、規(guī)劃和決策任務(wù)，由操控人員和無人駕駛車輛共同進(jìn)行感知和任務(wù)執(zhí)行。四級(jí)(人為輔助)：操控人員接收無人駕駛車輛的環(huán)境感知報(bào)告。由操控人員和無人駕駛車輛共同進(jìn)行分析、規(guī)劃和決策任務(wù)，由無人駕駛車輛進(jìn)行大部分的感知和任務(wù)執(zhí)行。五級(jí)(自主)：在滿足無人駕駛車輛執(zhí)行能力的條件內(nèi)，任務(wù)分析、路徑規(guī)劃和行為決策在很大程度上由無人駕駛車輛來承擔(dān)。無人駕駛車輛不受操控人員控制，操控人員對(duì)無人駕駛車輛的行為基本無干預(yù)。操控人員接收無人駕駛車輛的環(huán)境感知報(bào)告，由無人駕駛車輛獨(dú)立承擔(dān)所有的環(huán)境感知和任務(wù)執(zhí)行，并且完成任務(wù)分析、路徑規(guī)劃和行為決策，協(xié)作可能要由操控人員來完成。

無人駕駛車輛環(huán)境復(fù)雜度

無人駕駛車輛對(duì)環(huán)境的識(shí)別往往是評(píng)價(jià)其智能水平最緊密的參數(shù)之一。無人駕駛車輛的智能水平等級(jí)根據(jù)對(duì)無人駕駛車輛的行車行為表現(xiàn)以及交通行為表現(xiàn)的分析來進(jìn)行劃分。真實(shí)道路具有復(fù)雜性和不可預(yù)測(cè)性。無人駕駛車輛的認(rèn)知能力與交通環(huán)境的變化有關(guān)。根據(jù)車輛行駛環(huán)境，將環(huán)境復(fù)雜度進(jìn)行5等級(jí)劃分。一級(jí)(環(huán)境復(fù)雜度最低)：簡單道路(直道)，路況平坦(無坑洼)，天氣良好，光照良好，行人少，路口少，交通燈、交通標(biāo)志少。二級(jí)(環(huán)境復(fù)雜度低)：一般道路(直道，彎道)，路況一般(有較小坑洼)，光照一般，動(dòng)態(tài)行人較多，較復(fù)雜路口，有交通燈、交通標(biāo)志。三級(jí)(環(huán)境復(fù)雜度中等)：較復(fù)雜道路(簡單車道線，減速帶等)，路況較惡劣(車轍，坑槽，路面破損等)，光照較弱，動(dòng)態(tài)行人多，相對(duì)復(fù)雜路口，交通燈、交通標(biāo)志較多。四級(jí)(環(huán)境復(fù)雜度高)：復(fù)雜道路(復(fù)雜車道線，綠化帶，分離帶等)，路況惡劣(泥濘土路，松散沙路，水坑等)，陰天，光照弱，較多動(dòng)態(tài)的行人、機(jī)動(dòng)車及非機(jī)動(dòng)車等，復(fù)雜路口，交通燈、交通標(biāo)志多。五級(jí)(環(huán)境復(fù)雜度最高)：特別復(fù)雜道路(立交橋，各種車道、匝道，指示牌，道路信息牌等)，路況極端惡劣(積水，積雪，落葉、遺撒物等障礙物覆蓋)，雨天、雪天、霧天等極端天氣，光照最弱，動(dòng)態(tài)行人最多(學(xué)校，醫(yī)院，擁擠路口等)，有高速行駛車輛，極其復(fù)雜路口，交通燈、交通標(biāo)志最多。

無人駕駛車輛任務(wù)復(fù)雜度

任務(wù)規(guī)劃能力的自主性體現(xiàn)在無人駕駛車輛根據(jù)突發(fā)狀況進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃與重規(guī)劃的能力。對(duì)無人駕駛車輛完成單項(xiàng)多組任務(wù)的能力進(jìn)行測(cè)試，以獨(dú)立完成任務(wù)的數(shù)量和質(zhì)量為依據(jù)對(duì)無人駕駛車輛任務(wù)復(fù)雜度進(jìn)行5等級(jí)劃分。一級(jí)遠(yuǎn)程控制啟動(dòng)、剎車、停車，無感知能力和決策能力。二級(jí)直線車道保持、停車線停車、GPS導(dǎo)航性能、限速，能夠?qū)嚨谰€、停車線進(jìn)行識(shí)別，完成路徑規(guī)劃及停車行為決策。三級(jí)車距保持、彎道車道保持、避讓靜態(tài)障礙物并返回原車道，能夠?qū)β访嫱負(fù)浣Y(jié)構(gòu)、車輛、障礙物進(jìn)行識(shí)別及車距檢測(cè)，完成彎道、跟車行為決策及路徑規(guī)劃。四級(jí)語音指令停車、避讓動(dòng)態(tài)障礙物并返回原車道、泊車、緊急制動(dòng)、GPS信號(hào)缺失時(shí)的導(dǎo)航性能，能夠?qū)φ系K物、語音、車道線、停車位進(jìn)行識(shí)別并具有車輛位置信息丟失下的基本行車行為的魯棒性，完成局部路徑規(guī)劃及泊車行為決策。五級(jí)識(shí)別道路標(biāo)志后的車速和路徑規(guī)劃、緊急聲音的車速和路徑規(guī)劃、信號(hào)燈停車排隊(duì)，能夠?qū)Φ缆窐?biāo)志、警車、救護(hù)車、救火車鳴笛語音、交通信號(hào)燈標(biāo)志、車輛識(shí)別，完成道路標(biāo)志、緊急聲音、交通信號(hào)燈認(rèn)知下的行為決策、局部路徑規(guī)劃及全局路徑規(guī)劃。

無人駕駛車輛智能水平等級(jí)劃分

無人駕駛車輛智能行為的表現(xiàn)直接決定了無人駕駛車輛智能水平等級(jí)。對(duì)無人駕駛車輛智能水平的評(píng)價(jià)取決于環(huán)境復(fù)雜度、任務(wù)復(fù)雜度、人工干預(yù)程度、行駛質(zhì)量(表1)。如表1所示，無人駕駛車輛的綜合等級(jí)對(duì)應(yīng)10個(gè)智能水平等級(jí)，根據(jù)綜合等級(jí)的高低(A最高，E最低)來評(píng)價(jià)無人駕駛車輛智能水平高低(例如，如果任務(wù)復(fù)雜度最高、環(huán)境復(fù)雜度最高、人工干預(yù)度最小，則綜合等級(jí)為(A，A，A))。

表1 無人駕駛車輛智能水平等級(jí)劃分

結(jié) 論

1)無人駕駛車輛智能水平的等級(jí)由它表現(xiàn)出來的智能行為來決定。無人駕駛車輛的智能行為是由無人駕駛車輛自身、所處環(huán)境和所執(zhí)行的任務(wù)三者交互共同作用激發(fā)的。

2)根據(jù)無人駕駛車輛的人工干預(yù)程度、任務(wù)復(fù)雜度、環(huán)境復(fù)雜度在評(píng)測(cè)模型各坐標(biāo)軸上所占的比例，可以直觀地對(duì)無人駕駛車輛的智能水平做出評(píng)價(jià)。

3)通過對(duì)無人駕駛車輛行駛環(huán)境的復(fù)雜程度、任務(wù)的復(fù)雜程度、人工干預(yù)的程度及行駛質(zhì)量的評(píng)價(jià)，可對(duì)無人駕駛車輛智能水平進(jìn)行10等級(jí)劃分。