計(jì)算機(jī)建模幫助打造自動駕駛半掛卡車的未來

　　摘要:圖森未來 (TuSimple) 正在努力研發(fā)自動駕駛卡車，讓高速公路在變得更加安全高效的同時(shí)幫助降低運(yùn)輸成本及其對環(huán)境的影響。

　　每天，全世界有數(shù)十萬的司機(jī)需要半夜從床上爬起來，鉆進(jìn)大型卡車的狹小駕駛空間。這一勞動力群體每年會向倉庫、雜貨店和港口運(yùn)送數(shù)以十億噸記的貨物。運(yùn)輸業(yè)每年通過人工駕駛的大卡車運(yùn)輸近 110 億公噸（120 億噸）的貨物。

　　通過自動駕駛卡車，TuSimple 可以把高速公路變?yōu)閷τ诳ㄜ囁緳C(jī)和其他司機(jī)來說都更加安全的場所。與此同時(shí)，自動駕駛卡車的使用還可以節(jié)省關(guān)鍵物資的運(yùn)輸費(fèi)用。

　　盡管這些卡車對世界各地供應(yīng)鏈的運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要，但該行業(yè)仍面臨著日益嚴(yán)重的司機(jī)短缺問題。卡車運(yùn)輸業(yè)一直面臨“留住老司機(jī)、發(fā)展新司機(jī)”的兩難困境，而隨著新冠疫情期間許多駕駛學(xué)校的關(guān)閉，這一局面變得愈發(fā)艱難。在上述因素的綜合作用下，卡車運(yùn)力已無法滿足不斷增長的運(yùn)輸需求，從燃油燃料到電子產(chǎn)品的供應(yīng)都受到了影響。

TuSimple 的自動駕駛卡車車隊(duì)。（圖片所有權(quán)：TuSimple）

　　另外，長途運(yùn)輸卡車也是司機(jī)安全的夢魘。由于工作時(shí)間長，經(jīng)常要在夜間或清晨駕駛，因此卡車司機(jī)比其他司機(jī)更容易產(chǎn)生疲勞感。美國疾病預(yù)防控制中心表示，疲勞駕駛與醉酒駕駛帶來的交通風(fēng)險(xiǎn)一樣大。

　　正是卡車行業(yè)面臨的這些問題，讓 TuSimple 的韓曉凌和同事們看到了一種全新解決方案的機(jī)會：重型卡車的自動駕駛技術(shù)。

　　TuSimple 傳感器和車輛控制集成高級總監(jiān)韓曉凌表示，這些車輛可以解決卡車運(yùn)輸業(yè)面臨的棘手問題。韓曉凌說：“自動駕駛卡車比自動駕駛乘用車的商業(yè)應(yīng)用前景更為廣泛，因?yàn)榭ㄜ囘\(yùn)輸路線是高度可重復(fù)的，而且大部分駕駛是在高速公路上進(jìn)行。雖然卡車自動駕駛的問題解決起來非常困難，但和自動駕駛汽車比起來，它需要面對的問題就少得多了。”

　　韓曉凌還表示，TuSimple 的自動駕駛卡車可以讓高速公路在變得更加安全高效的同時(shí)幫助降低運(yùn)輸成本及其對環(huán)境的影響。

　　自動駕駛之路

　　MathWorks 公司的汽車行業(yè)經(jīng)理 Govind Malleichervu 介紹，目前各行各業(yè)都標(biāo)榜采用了自主技術(shù)，從智能掃地機(jī)器人到各式新車，不一而足；然而如果用真正的自主性標(biāo)準(zhǔn)加以衡量，許多技術(shù)并未達(dá)到嚴(yán)格意義上的自主。

　　4 級或 5 級的自動駕駛卡車可以讓其司機(jī)在夜間空曠的道路上駕駛時(shí)有機(jī)會休息。

　　根據(jù)國際自動機(jī)工程師學(xué)會的定義，汽車的自主性包括從 0 到 5 六個(gè)可能的級別。0 到 3 級是從無自動化到有限的自動化，包括輔助轉(zhuǎn)向或制動。由于功能的限制，人類駕駛員仍然需要控制車輛并監(jiān)督這些系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)第 5 級自主性，即車輛獨(dú)立執(zhí)行所有的駕駛?cè)蝿?wù)，仍需多年時(shí)間。

自動駕駛的六個(gè)級別（圖片所有權(quán)：NHTSA.gov）

　　Malleichervu 說，“許多 OEM 提供的自動駕駛功能達(dá)到了 2 級或 2+ 級。加號的意思是在 2 級的基礎(chǔ)上提高了自主性，但尚未達(dá)到 3 級。達(dá)到這種級別后，車輛上的高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 可以控制制動系統(tǒng)、加速和轉(zhuǎn)向，而人類駕駛員仍然需要負(fù)責(zé)隨時(shí)監(jiān)控環(huán)境，并執(zhí)行所有其他駕駛?cè)蝿?wù)。”

　　造成這種相對有限的自主性的部分原因是伴隨在城市環(huán)境中測試和開發(fā)車輛 ADAS 而來的安全顧慮。

　　韓曉凌表示，這正是 TuSimple 卡車的優(yōu)勢所在。雖然該公司預(yù)計(jì)其卡車至少要到 2024 年才能全面上路，但在駕駛密度較低的高速公路而不是市中心測試這項(xiàng)技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)完全自動駕駛提供了一條更容易的途徑。為了在城市測試自動駕駛汽車，公司必須首先與地方有關(guān)部門就測試車輛的區(qū)域、頻率以及速度達(dá)成協(xié)議。這通常意味著可用于測試的區(qū)域和時(shí)間都會減少。

　　高速公路測試的另一個(gè)好處是，與城市道路相比，它面臨的行人障礙更少，并且在很大程度上避免了走走停停的交通狀況和道路狹窄或不平坦的情形。這代表著萬一出現(xiàn)問題，雖然對其他司機(jī)造成傷害的風(fēng)險(xiǎn)并不為零，但它確實(shí)能降低發(fā)生致命事故的可能性。

　　韓曉凌表示，TuSimple 的卡車目前已達(dá)到 4 級自主性。這意味著車輛可以在有限的條件下自動駕駛，而無需人類駕駛員的幫助 — 不過 TuSimple 公司仍計(jì)劃讓人類駕駛員在駕駛座上進(jìn)行監(jiān)控。目前的卡車運(yùn)輸要求人類駕駛員時(shí)刻保持警惕，4 級或 5 級自動駕駛卡車的不同之處在于，在空曠的道路上徹夜行駛時(shí)，卡車司機(jī)會有休息的機(jī)會。

　　韓曉凌和他的團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)這種自動駕駛的關(guān)鍵技術(shù)之一：自主線控制動系統(tǒng)。大型卡車的重量以及牽引滿載拖車所帶來的動態(tài)特性，使得卡車更難快速停車。一輛滿載的卡車重達(dá) 36,000 公斤（80,000 磅），而一輛客車的重量只有 1,360 公斤（3,000 磅）。制動系統(tǒng)必須能夠安全地阻止重型卡車高速行駛時(shí)的向前沖力。

　　韓曉凌表示，“線控制動系統(tǒng)非常復(fù)雜，整個(gè)系統(tǒng)管道從感知開始，我們的程序要觀察車輛前后左右的情形。這涉及到運(yùn)動規(guī)劃、預(yù)測和控制算法。”

　　借助感知和激光雷達(dá)等傳感器，TuSimple 的 4 級自主系統(tǒng)可以 360 度地觀察車輛周圍，以及前方 1,000 米范圍的路況。這些數(shù)據(jù)隨后會傳遞到安全關(guān)鍵型線控制動控制系統(tǒng)，韓曉凌解釋說。該控制系統(tǒng)隨后會在軟件感知與卡車硬件之間建立關(guān)聯(lián)，以激活安全制動。

　　韓曉凌還表示，“制動是自動駕駛中最基礎(chǔ)的系統(tǒng)，對制動安全的要求高于所有其他系統(tǒng)。”

　　制動系統(tǒng)的這些更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)也反映在其冗余上。這意味著如果出現(xiàn)問題，人類控制者可以進(jìn)行干預(yù)并手動制動。

　　“對于車輛的其他部件，例如發(fā)動機(jī)，一定程度的冗余就足夠了，但是由于制動系統(tǒng)是關(guān)乎車輛安全性的核心部件，我們必須擁有完全的冗余，包括物理、信號、電源和軟件系統(tǒng)。” 韓曉凌繼續(xù)說道。

　　信任模型

　　TuSimple 目前已經(jīng)在真正的高速公路上測試其大型卡車，包括一段從美國亞利桑那州到俄克拉荷馬州長達(dá) 951 英里的路程。不過，韓曉凌解釋說，完全依賴道路測試會導(dǎo)致成本快速增加。做為替代，該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在主要依靠建模和仿真來作為線控開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效且安全的替代方案。據(jù)韓曉凌介紹，高達(dá) 90% 的卡車車輛控制單元的測試是使用 MATLAB®、Simulink® 和其他軟件開發(fā)的模型完成的。

　　通過使用模型，該團(tuán)隊(duì)只參考唯一數(shù)據(jù)源，自動生成代碼，并可以測試具有不同車輛約束條件的自主系統(tǒng)。

　　“我們只有 10% 的時(shí)間在車輛層面測試線控制動，因?yàn)檫@樣做的成本非常高昂”，韓曉凌這樣表示。“不僅耗費(fèi)人力，還需要額外的協(xié)調(diào)工作。因此，我們利用仿真進(jìn)行大部分測試。”

　　仿真需要對不同的傳感器輸入（如激光雷達(dá)和雷達(dá)）如何通過微處理器中繼到卡車的物理控制系統(tǒng)進(jìn)行建模。使用模型來管理這些組件可以讓團(tuán)隊(duì)各成員能夠同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即使他們在不同的物理地點(diǎn)工作。

　　“團(tuán)隊(duì)成員可以使用模型來檢查車內(nèi)發(fā)生的情況”，韓曉凌表示。“這比閱讀代碼可要容易得多。這就是為什么模型是整個(gè)車輛控制單元團(tuán)隊(duì)的唯一數(shù)據(jù)源，因?yàn)槲覀兊乃邢嚓P(guān)職能團(tuán)隊(duì)均可以基于模型進(jìn)行交流。”

　　Malleichervu 稱，這些模型還可以通過自動生成代碼來實(shí)現(xiàn)在模型級別進(jìn)行的設(shè)計(jì)，從而幫助減少編程人員引入的錯誤。這種方法讓團(tuán)隊(duì)能夠測試具有不同車輛約束條件的自動駕駛系統(tǒng)，例如不同的發(fā)動機(jī)或貨物重量。該團(tuán)隊(duì)依靠 MATLAB 腳本和 GitHub 來管理變體。

　　擺脫束縛

　　韓曉凌表示，除了簡單易用之外，依靠虛擬模型來完成大多數(shù)的新設(shè)計(jì)測試還有助于他們不再依賴汽車和軟件行業(yè)稱為 V 模型的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模型。

　　“我們的迭代周期非?？?，這意味著我們軟件的發(fā)布是每月而不是每年。要在一個(gè)月內(nèi)而不是一年內(nèi)發(fā)布軟件。......如果沒有建模，在一個(gè)月內(nèi)發(fā)布一個(gè)功能是非常困難的，因?yàn)榫幊?、測試、驗(yàn)證等所有工作都需要在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)完成。”

　　韓曉凌，TuSimple 傳感器與車輛控制集成高級總監(jiān)

TuSimple 結(jié)合 V 模型和敏捷方法創(chuàng)建了理想的設(shè)計(jì)流程。（圖片所有權(quán)：TuSimple）

　　V 模型也被稱為驗(yàn)證和確認(rèn)模型，是一種在實(shí)現(xiàn)新功能之前系統(tǒng)地進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的設(shè)計(jì)方法。Malleichervu 說，使用 V 模型設(shè)計(jì)方法完成發(fā)動機(jī)或車輛項(xiàng)目的全部設(shè)計(jì)通常需要三到五年時(shí)間；對現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行升級大約需要一年時(shí)間。

　　韓曉凌說，對于 TuSimple 來說，這種方法太慢了。做為替代，該公司在開發(fā)自動駕駛系統(tǒng)時(shí)采用了一種混合方法，即將 V 模型和敏捷方法結(jié)合運(yùn)用。

　　“我們的迭代周期非?？?，這意味著我們要在幾周而不是幾年內(nèi)發(fā)布線控軟件”，韓曉凌說。“這就是為什么我們也需要遵循敏捷流程的原因。這也是我們依賴建模的原因。如果沒有建模，一個(gè)月內(nèi)很難發(fā)布一個(gè)功能，因?yàn)榫幊獭y試、驗(yàn)證等所有工作都需要在那一個(gè)月內(nèi)完成。”

　　使用這種混合方法，TuSimple 可以在 24 小時(shí)內(nèi)發(fā)布線控軟件補(bǔ)丁，并在 72 小時(shí)到兩周內(nèi)的發(fā)布新功能。韓曉凌認(rèn)為，正是這種新穎的設(shè)計(jì)方法和 TuSimple 對建模的使用，才能幫助公司實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，即自動駕駛的大型卡車可以在 2024 年馳騁于高速公路上。