一文讀懂什么是協(xié)同自動(dòng)駕駛？

2020年5月，SAE J3216 《道路機(jī)動(dòng)車輛協(xié)同自動(dòng)駕駛相關(guān)術(shù)語的分類和定義》即Taxonomy and Definitions for Terms Related to Cooperative Driving Automation for On-Road Motor Vehicles，根據(jù)M2M通信對車輛DDT（Dynamic Driving Task，動(dòng)態(tài)自動(dòng)駕駛?cè)蝿?wù)）性能和交通管理的影響，將CDA（Cooperative Driving Automation，協(xié)同自動(dòng)駕駛）的協(xié)同功能進(jìn)行分類，定義了四個(gè)CDA功能類別：狀態(tài)共享、意圖共享、協(xié)同決策、協(xié)同調(diào)度。并給出了協(xié)同目標(biāo)跟蹤、協(xié)同交通信號燈、協(xié)同并道、協(xié)同交通管理和協(xié)同編隊(duì)5個(gè)案例。

2020年11月，中國汽車工程學(xué)會發(fā)布團(tuán)標(biāo)《基于車路協(xié)同的高等級自動(dòng)駕駛數(shù)據(jù)交互內(nèi)容》，給出了8個(gè)基于車路協(xié)同的高等級自動(dòng)駕駛典型應(yīng)用，其中包括了協(xié)同式感知、基于路側(cè)協(xié)同的無信號交叉口通行、基于路側(cè)協(xié)同的自動(dòng)駕駛車輛“脫困”、基于路側(cè)感知的“僵尸車”識別、基于路側(cè)感知的交通狀況識別、基于協(xié)同式感知的異常駕駛行為識別等。

01、協(xié)同自動(dòng)駕駛的四個(gè)功能類別

SAE J3216《道路機(jī)動(dòng)車輛協(xié)同自動(dòng)駕駛相關(guān)術(shù)語的分類和定義》定義了從CLASS A到CLASS D四個(gè)CDA功能類別如下：

狀態(tài)共享是由發(fā)送實(shí)體提供的，關(guān)于交通環(huán)境感知信息和發(fā)送實(shí)體的信息，以供接收實(shí)體使用。

例如配備C-ADS（Cooperative-Automated Driving System，協(xié)同自動(dòng)駕駛系統(tǒng)）的車輛與附近車輛共享其當(dāng)前速度和緊靠它前方的車輛速度。在狀態(tài)共享車后面裝有C-ADS的車輛調(diào)整其速度以改善交通流和安全。又例如協(xié)作態(tài)勢感知，其中人行橫道處的路邊CDA設(shè)備向附近車輛傳達(dá)行人正在接近人行橫道的信息。附近一輛裝備了C-ADS的車輛接收到信息，它可以利用這些信息和ADS傳感器提供的信息來規(guī)劃人行橫道附近的DDT性能。

意圖共享是由發(fā)送實(shí)體提供的，關(guān)于發(fā)送實(shí)體計(jì)劃未來行動(dòng)的信息，以供接收實(shí)體使用。例如配備C-ADS的車輛使用L3級高速公路自動(dòng)駕駛功能作為發(fā)送實(shí)體，與附近交通參與者共享車道變更的意圖，以形成附近更安全、更有效的交通流。具有L4級高速公路自動(dòng)駕駛功能的周圍車輛充當(dāng)接收實(shí)體，當(dāng)配備L3級C-ADS的自動(dòng)駕駛車輛并入前方車道時(shí)，L4級自動(dòng)駕駛車輛減速以保持所需的縱向距離。

又例如交通信號處的路邊設(shè)備（Roadside Equipment，RSE）作為發(fā)送實(shí)體，與周邊交通參與者共享計(jì)劃的信號相位變化，以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)駕駛模式功能。裝備C-ADS的周邊L3級自動(dòng)駕駛車輛充當(dāng)接收實(shí)體，并使用信號定時(shí)來調(diào)整縱向車輛運(yùn)動(dòng)控制，通過避免突然的緊急動(dòng)作來提高安全性和效率。

協(xié)同決策是在特定CDA設(shè)備之間的一系列協(xié)作信息，旨在影響特定DDT相關(guān)行動(dòng)的本地計(jì)劃。協(xié)同決策包括為其他交通參與者提出計(jì)劃（即，“我希望你做什么”）。相反，意圖共享僅包括共享發(fā)送實(shí)體的計(jì)劃（即，“我計(jì)劃做什么”）。例如車輛1和臨近車道的車輛2、車輛3之間實(shí)現(xiàn)協(xié)同并道（所有車輛均配備C-ADS），可按以下步驟進(jìn)行：

（1）車輛1分享與車輛2、車輛3意圖共享協(xié)同并道的計(jì)劃；

（2）車輛1分享一個(gè)提議的動(dòng)作，該動(dòng)作將啟用協(xié)同并道，例如，車輛2和車輛3之間指定縱向間距，以便車輛1可以改變車道；

（3）車輛2和車輛3同意參與協(xié)同并道，這可能導(dǎo)致多種結(jié)果：場景A：車輛2和車輛3確認(rèn)同意允許提議的行動(dòng)，并且所有實(shí)體在執(zhí)行預(yù)期機(jī)動(dòng)時(shí)進(jìn)行預(yù)定的操作（即，車輛3減速，和/或車輛2加速，車輛1改變車道）。場景B：車輛2和/或車輛3不允許擬定行動(dòng)或目標(biāo)的意圖共享，車輛1不執(zhí)行預(yù)期機(jī)動(dòng)。

又例如協(xié)同交叉口通行：

（1）代表交通管理機(jī)構(gòu)的CDA設(shè)備向附近道路用戶提供SPaT（Signal Phase and Timing，信號相位和時(shí)間）信息；

（2）停在交叉口配備C-ADS的車輛收到SPaT信息，第二列車輛請求與第一列車輛進(jìn)行協(xié)同決策；

（3）首列車輛為C-ADS，同意進(jìn)行協(xié)同決策；

（4）第二列車輛根據(jù)SPaT信息提出駛離交叉口的加速度和最終速度；(5）第一列車輛同意建議的加速度和最終速度；

（5）這兩種車輛在按照約定的加速度和最終速度行駛時(shí)，都能進(jìn)行有效的操作，從而實(shí)現(xiàn)更安全、更有效的交叉口導(dǎo)航，以及更有效的交叉口通行和導(dǎo)航。

又例如兩輛C-ADS車輛從相反方向同時(shí)到達(dá)交叉路口，可按以下步驟進(jìn)行交叉口協(xié)同決策管理：

（1）車輛1表示有意進(jìn)行協(xié)同決策；

（2）車輛2同意進(jìn)行協(xié)同決策；

（3）車輛1共享執(zhí)行左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)的意圖，車輛2共享執(zhí)行直行機(jī)動(dòng)的意圖；

（4）車輛1提供車輛1先行車輛2后行的計(jì)劃；

（5）車輛2同意該計(jì)劃；

（6）兩輛車在執(zhí)行計(jì)劃時(shí)都能進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮鳎窜囕v1左轉(zhuǎn)，然后車輛2直行）。這種協(xié)調(diào)會縮短兩輛車在交叉口的總行駛時(shí)間，并避免潛在的沖突。

協(xié)同調(diào)度是由指定的CDA設(shè)備提供，并由接收CDA設(shè)備遵守，針對特定交通參與者的特定行動(dòng)指示，以便道路運(yùn)營商立即執(zhí)行DDT或執(zhí)行特定任務(wù)（例如，改變交通信號相位）。例如協(xié)同事故現(xiàn)場管理，其中與事故響應(yīng)相關(guān)聯(lián)的CDA設(shè)備，發(fā)送臨時(shí)關(guān)閉交通的地理圍欄區(qū)域和不能超過的減速限制。

周圍配備CDA裝置的C-ADS車輛根據(jù)地理圍欄區(qū)域內(nèi)的減速限制，來執(zhí)行DDT。又例如緊急車輛通行，應(yīng)急車輛指示配備C-ADS的車輛行駛至無人車道或路肩，將其車道騰空，或在綠燈交叉口停車（或保持停車），以便向應(yīng)急車輛讓行。又例如急救車引導(dǎo)交通管制信號燈將相位轉(zhuǎn)換為綠色，以便更快地到達(dá)醫(yī)院急診室。

協(xié)同自動(dòng)駕駛與自動(dòng)駕駛等級關(guān)系如下表所示，合作的性質(zhì)因駕駛自動(dòng)化程度不同而不同。駕駛自動(dòng)化水平如SAE J3016所述。對于駕駛員支持功能（SAE駕駛自動(dòng)化1級和2級），由于自動(dòng)化無法執(zhí)行完整的對象和事件檢測和響應(yīng)，因此只能實(shí)現(xiàn)有限的合作，這依賴于人工駕駛員至少執(zhí)行其中一些功能，以及實(shí)時(shí)監(jiān)督功能性能。對于C-ADS（第3級至第5級），可以實(shí)現(xiàn)更實(shí)質(zhì)性的合作，C-ADS在規(guī)定的條件下完成DDT。

02、協(xié)同自動(dòng)駕駛典型案例

SAE J3216《道路機(jī)動(dòng)車輛協(xié)同自動(dòng)駕駛相關(guān)術(shù)語的分類和定義》給出了5個(gè)典型的協(xié)同自動(dòng)駕駛案例。

（1）協(xié)同目標(biāo)跟蹤協(xié)同目標(biāo)跟蹤是共享環(huán)境中鄰近目標(biāo)的信息。交通參與者關(guān)心駕駛環(huán)境中的許多不同對象，如車輛、行人、交通控制裝置（如信號和標(biāo)牌）和車道標(biāo)志。裝備了C-ADS的車輛可以使用這些信息來提高目標(biāo)和事件的檢測和響應(yīng)精度、可靠性、視線和視野。道路運(yùn)營商可以利用這些信息來提高吞吐量，促進(jìn)響應(yīng)和維護(hù)操作，并支持基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃。例如兩輛C-ADS車輛交換行人位置信息，以提高態(tài)勢感知能力。

（2）協(xié)同交通信號燈

協(xié)同交通信號燈共享支持交叉口導(dǎo)航和信號相位控制?？山粨Q的信息類型包括與路邊設(shè)備（RSE）的信號相位和定時(shí)、建議速度、以及與建議速度的一致性。CDA設(shè)備代理可以使用這些信息來提高效率、出行時(shí)間和安全性。

（3）協(xié)同并道協(xié)作車道變換描述了一個(gè)或多個(gè)支持導(dǎo)航到新車道位置的消息共享?？山粨Q的信息類型包括并道意圖、提議的機(jī)動(dòng)和同意提議的機(jī)動(dòng)。CDA代理可以利用這些信息來提高能源效率和出行時(shí)間。

（4）協(xié)同交通管理

協(xié)同交通管理共享一個(gè)或多個(gè)消息，這些消息支持潛在挑戰(zhàn)性路段的導(dǎo)航。這些路段可能在幾何結(jié)構(gòu)和交通規(guī)律上與先驗(yàn)地圖不同，并會利用到交通控制設(shè)備?？山粨Q的信息類型包括車道配置幾何和速度限制。CDA設(shè)備代理可以使用這些信息來提高態(tài)勢感知并擴(kuò)展ODD（Operational Design Domain，設(shè)計(jì)運(yùn)行域）。

（5）協(xié)同編隊(duì)協(xié)同編隊(duì)描述了一個(gè)或多個(gè)支持協(xié)調(diào)車輛縱向運(yùn)動(dòng)的消息共享，還可以包括車輛的橫向控制?？梢越粨Q的信息類型包括位置、軌跡、車頭時(shí)距和排位狀態(tài)。CDA設(shè)備代理可以使用這些信息來提高效率、流量和安全性。

03、基于路側(cè)設(shè)備的協(xié)同自動(dòng)駕駛典型案例

《基于車路協(xié)同的高等級自動(dòng)駕駛數(shù)據(jù)交互內(nèi)容》給出了8個(gè)基于車路協(xié)同的高等級自動(dòng)駕駛典型應(yīng)用。

（1）協(xié)同式感知

自動(dòng)駕駛車輛在真實(shí)路況行駛時(shí)，常因其他物體遮擋而存在感知盲區(qū)，借助路側(cè)或其他車輛的感知到的信息，能夠幫助車輛更好得得到全局的路況信息。協(xié)同式感知是指在混合交通環(huán)境下，由路側(cè)感知設(shè)備或車載感知設(shè)備感知周邊道路交通信息，通過RSU或OBU將感知結(jié)果發(fā)送給自動(dòng)駕駛車輛，自動(dòng)駕駛車輛接收到這些信息后可以增強(qiáng)自身感知能力，輔助車輛做出正確的決策控制，并在特定場景下實(shí)現(xiàn)僅通過路側(cè)感知設(shè)備的感知信息也能完成自動(dòng)駕駛的功能，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛車輛可以低成本的安全通信。

（2）基于路側(cè)協(xié)同的無信號交叉口通行在沒有信號燈控制的交叉路口，只依賴自動(dòng)駕駛車輛自身的決策控制時(shí)，則可能會出現(xiàn)自動(dòng)駕駛車輛之間不斷“博弈”的問題，影響通行效率?；诼穫?cè)控制的無信號交叉路口通行是指通過路側(cè)感知設(shè)備感知或通過V2X通信的方式獲取周邊的道路交通信息，根據(jù)全局的交通信息對車輛的通行進(jìn)行決策規(guī)劃，路側(cè)可按照車道級別對同一車道上的車輛進(jìn)行通行的決策規(guī)劃，也可針對車輛進(jìn)行車輛級別的決策規(guī)劃，自動(dòng)駕駛車輛按照RSS（Road Side Sub-system，路側(cè)子系統(tǒng)）的決策規(guī)劃信息安全的通行，并提升通行效率。

（3）基于路側(cè)協(xié)同的自動(dòng)駕駛車輛“脫困”正常情況下，自動(dòng)駕駛車輛在行駛過程中依賴車輛感知設(shè)備感知周邊環(huán)境，并將感知結(jié)果作為車輛決策控制的輸入，即自動(dòng)駕駛車輛自身輸出決策控制策略，在某些極端情況下，出現(xiàn)自動(dòng)駕駛車輛無法應(yīng)對的場景時(shí)，自動(dòng)駕駛車輛停止自動(dòng)駕駛?；诼穫?cè)協(xié)同的自動(dòng)駕駛車輛“脫困”是指通過RSS對受困車輛或周邊車輛協(xié)同的方式，幫助自動(dòng)駕駛車輛擺脫極端場景下自動(dòng)駕駛停止的情況。

（4）基于路側(cè)感知的“僵尸車”識別“僵尸車”指一定時(shí)間內(nèi)停放到道路禁停區(qū)域內(nèi)的車輛?；诼穫?cè)感知的“僵尸車”識別指在混合交通環(huán)境下，由路側(cè)感知設(shè)備不斷感知周邊道路交通信息，動(dòng)態(tài)的識別出其覆蓋范圍內(nèi)的“僵尸車”，并通過RSU將感知結(jié)果發(fā)送給自動(dòng)駕駛車輛，輔助車輛做出正確的決策控制。

（5）基于路側(cè)感知的交通狀況識別自動(dòng)駕駛車輛在真實(shí)路況行駛時(shí)，如果能提前得知前方路段的交通情況，則可以更好的輔助車輛進(jìn)行路徑的規(guī)劃?；诼穫?cè)感知的交通狀況識別指在混合交通環(huán)境下，由路側(cè)感知設(shè)備不斷感知周邊道路交通信息，實(shí)時(shí)的識別當(dāng)前路段的交通流及擁堵狀況，并通過RSU將感知結(jié)果發(fā)送給自動(dòng)駕駛車輛，輔助車輛做出正確的決策控制。

（6）基于協(xié)同式感知的異常駕駛行為識別自動(dòng)駕駛車輛在真實(shí)路況行駛時(shí)，如果能提前得知周邊存在的異常駕駛的車輛，則可以更好的輔助車輛進(jìn)行路徑的規(guī)劃?；趨f(xié)同式感知的異常駕駛行為識別指在混合交通環(huán)境下，可以通過路側(cè)感知設(shè)備/車端感知設(shè)備不斷感知周邊車輛的運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)的識別當(dāng)前范圍內(nèi)所存在的異常行駛的車輛，例如逆行車輛、慢行車輛（行駛速度明顯低于其他車輛）、快行車輛（行駛速度明顯高于其他車輛）等，并通過RSU/OBU將感知結(jié)果發(fā)送給自動(dòng)駕駛車輛，輔助車輛做出正確的決策控制。

參考文獻(xiàn)：

[1] Taxonomy and Definitions for Terms Related to Cooperative Driving Automation for On-Road Motor Vehicles.

[2] 基于車路協(xié)同的高等級自動(dòng)駕駛數(shù)據(jù)交互內(nèi)容.

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