分析自动驾驶汽车测试期间发生的自动驾驶脱离

引用

Lv, Chen, Dongpu Cao, Yifan Zhao, Daniel J. Auger, Mark Sullman, Huaji Wang, Laura Millen Dutka, Lee Skrypchuk, and Alexandros Mouzakitis. "Analysis of autopilot disengagements occurring during autonomous vehicle testing." IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica 5, no. 1 (2017): 58-68.

一、摘要

在某些情况下，驾驶系统会脱离并需要人类驾驶员接管。这对车辆的安全和乘坐舒适性非常重要。在美国加州，《自动驾驶汽车测试法规》要求每家在公共道路上测试自动驾驶汽车的制造商都必须提交一份年度报告，总结年度测试中所经历的技术的脱离情况。2016年1月1日，七家制造商提交了他们的首次脱离接触报告：博世，德尔福，谷歌，日产，奔驰，大众和特斯拉汽车。本文分析了这些脱离报告中的数据，目的是更好地了解驾驶员需要接管的情况，因为这对于改善汽车工程师协会（SAE）的2级和3级自动化技术很有用。根据属性将测试中的脱离事件分类为不同的组，并对脱离的原因进行调查和详细比较。研究了脱离中发生接管过渡的机制和时间。最后，还讨论了针对OEMs，制造商和政府组织的建议。

二、解决的问题

在2级和3级自动驾驶中，脱离过程和接管操作非常重要，然而脱离事件及其相关的接管事件在实际车辆测试场景中很少被研究。

三、实验方法

脱离的定义：加州机动车辆管理局（DMV）规定，当检测到自动驾驶技术故障，或当车辆的安全操作要求自动驾驶车辆测试驾驶员脱离自动驾驶模式并立即对车辆进行手动控制时，需要报告为自动驾驶模式停用的分离。

由于这些报告的脱离是指那些直接的脱离，发生脱离事件的自动化技术对应于SAE级别2的自动化，而不是级别3的自动化(级别3的自动化能够给驾驶员一个足够舒适的过渡时间来接管手动控制)。

脱离的分类：

①消极脱离（PDE）：当检测到自主技术故障时，自动系统要求脱离，司机立即接管；

②积极脱离（ADE）：自动化系统没识别任何故障，但司机监控情况，并主动采取立即手动控制车辆，脱离自动模式。

为了综合评估自动驾驶里程和脱离量，采用“公里每脱离量”（MPD）作为评价自动驾驶技术成熟度的指标。MPD的定义如下：MPD=S/n，其中S是测试期间的自动驾驶里程，n是测试期间发生的脱离量。

基于MPD的值，定义了两个阶段来表示2级自动化技术的不同的成熟度：阶段1，MPD低于2000，表示处于初始阶段2级自动化，自动化系统的很多基本功能需要细化和改进；阶段2，MPD 2000以上，与先进水平相对应，自动化系统二级成熟，正在接近3级自动化。实验用A-G表示不同的七家制造商（其中第七家没有进行道路测试），其中，A制造商处于第2阶段，B、C、D、E和F制造商仍处于第1阶段。很多因素都会影响自动控制性能并导致脱离，脱离的不同类型的原因如表1所示（包括但不限于）。

表1 脱离的不同类型的原因

四、实验结果

1）第2阶段脱离（DE）示例分析

在第2阶段的制造商A示例中，根据数据，PDE占了脱离示例主要部分。根据图一所示，总的来说，每一次脱离行动之间的自主里程都在稳步增加。

仔细研究这些数据，可以将造成PDE的主要原因分为四类:硬件问题、软件故障、天气状况和路面状况。如图2所示，软件故障是每月的主要PDE原因。这些软件故障包括与一级和二级自动化功能相对应的感知、决策和控制的初始阶段问题。但是，在2015年4月之后，PDE的数量明显减少，说明软件在不断的完善和发展。

ADE失败的主要原因分别是软件限制、硬件问题、紧急情况和预防干预措施。如图3所示，软件限制是每个月的主要ADE原因。软件限制导致的这些ADE并没有随着时间周期有明显的减少，因为这些软件限制导致的ADE通常跟3级自动驾驶功能相关，这是很难去提升的。除此之外，由紧急情况和预防性干预引起的脱离的本质也与软件限制密切相关。由于自动化技术目前还不够健壮和智能，该软件缺乏在复杂情况下处理高级驾驶任务的能力，比如处理紧急情况。

图1 每月A公司的每一次脱离的自动驾驶里程

图2 A公司PDE的不同原因比例

图3 A公司ADE的每个原因的比例

2）第1阶段制造商DE示例细节分析

一起分析了5家第1阶段公司制造商的脱离接触事件的数量，以便在更大的数据集的基础上找到一些共性和特征。如图4所示，PDE在每月的脱离案例中占主导地位。然而，考虑到行驶距离，这5家第1阶段公司的总自动驾驶里程不到A公司在公共道路上总自动驾驶里程的1/10。因此，两次脱离接触之间的自主里程数仅为10英里左右（A公司：约2800英里），这清楚地表明了他们在自动驾驶技术方面的不成熟，也表明了道路测试对高度自动化车辆发展的重要性。

第1阶段制造商的PDE原因也由于硬件问题、软件故障、天气条件和路面条件。如图5所示，最常见的原因是软件故障，但是其他三个原因总是与PDE的数量有关。可以看出，PDE案例中，天气条件和路面条件占比超过9%，说明这些阶段1的公司在2级和3级自动化功能上存在不足。

如图6所示，与A公司相似，软件故障是第一阶段制造商最常见的ADE原因。这一现象反映了发展高水平自动化技术的难度，也表明了他们目前的状态与第1阶段企业的高自动化目标之间的巨大差距。

根据上述分析，软件问题或限制是造成脱离的主要原因。

图4每月阶段1公司的每一次脱离的自动驾驶里程

图5 阶段1公司PDE原因比例

图6 阶段1公司ADE不同原因比例

3）接管机制和时间：自动系统无法处理的情况，驾驶员必须以安全方式接管驾驶任务。对接管动作的机理和运行时间进行研究，可以帮助我们更好地理解在什么情况下驾驶员的注意力必须回到驾驶任务上，并合成合适的换档控制算法。

接管机制：①接管请求，通常在检测到故障后通过不同的音频和/或视觉反馈发出警报，这表明驾驶员需要立即进行手动控制；②接管操作，当接收到自动系统发出的接管请求，或者当驾驶员想要手动控制车辆时，可以通过按下自动/手动开关，或操纵方向盘、刹车或油门等动作来触发接管过渡。

接管时间：一般来说，接管时间可以定义为从驾驶员收到技术故障警报到驾驶员开始手动控制车辆所经过的时间。目前还没有标准的方法来衡量接管时间。此外，制造商的报告没有充分说明他们记录这些数据的方法。

表2 每个制造商的脱离所报告的接管时间

4）讨论和建议：基于上面分析，本文认为不同类型的脱离对应于所开发的自动化技术的不同成熟阶段。PDE对应于2级的初始开发阶段。充分解决PDE故障将导致制造商达到2级自动化的成熟度I阶段。ADE的产生往往表明自动化功能的问题更难解决。如果能很好地处理ADE的问题，这项技术几乎达到了3级自动化。

①对原始设备制造商（OEMS）：应考虑如何将驾驶员注意力、注意力不集中和参与监控纳入自动化系统。

②对制造商：为了集成自动化车辆中的所有部件，制造商应根据国际汽车工程师学会（SAE International）公布的定义，适当确定其系统的AV水平。

③对政府组织：应保留其在车辆牌照和登记、交通法和执法、机动车辆保险和自动车辆责任制度方面的传统责任。应建立和升级更多的测试区域和设施，以支持自动化技术发展。

五、总结

为了更好地了解驾驶员与车辆之间的相互作用，并有助于改进2级和3级自动化技术，本文回顾了在公共道路上进行自动车辆测试的主要公司报告的七份脱离文件。本研究首先提出脱离接触事件的定义。根据脱离事件的不同属性，将其分为pde和ade两类。介绍了制造商报告的脱离接触的总体情况。然后，揭示了脱离接触事件发生的主要原因。在这些原因中，软件问题和限制是最常见的。此外，还详细调查了制造商脱离接触的案件。讨论了各公司脱离接触事件中报告的接管机制和接管时间。根据分析，向原始设备制造商、制造商和政府机构提供了建议。