研究自動駕駛安全問題，看Waymo第一份報告就夠了

本周，Alphabet 旗下自動駕駛公司 Waymo 發布了一份長達 42 頁的安全報告，覆蓋自動駕駛車輛的基本功能、技術原理、硬體及軟體的測試過程等。此外，該報告還介紹了車輛發生碰撞後的可能發生的情況、出現事故時的應急方案、需要記錄的數據以及在網路安全方面應採取的相關措施。值得注意的是，報告最後強調技術面向無人駕駛汽車，用戶界面設計針對的是乘客，而不是司機。

整理 | 高靜宜

每年，世界上平均有 120 萬人因交通事故喪命，這一數字隨著時間的推移不斷攀升。在美國，有 94% 的交通事故由人為因素導致，每年造成的經濟損失高達 2770 億美元。自動駕駛技術可以有效改善這一現狀，提高行車安全性，挽救人類的生命。

Waymo 自動駕駛汽車解決的四個問題

通常情況下，人們對於自動駕駛汽車會產生四個疑問：我在哪？誰在我周圍？下一步會發生什麼？下一步怎麼做？

?「我在哪」

這實際上是一個感知（perception）問題。Waymo 通過感測器自主構建三維地圖，覆蓋人行道、路牌、交通燈等細節信息。相較於 GPS 解決方案，Waymo 將感測器實時採集的道路信息數據與預先構建的地圖交叉比對，實現精準定位。

?「誰在我周圍」

這個問題考察的是自動駕駛系統處理數據信息的能力。Waymo 的感測器解決及軟體方案連續不斷掃描車輛周圍的物體，包括行人、自行車、汽車、障礙物等，根據交通燈、路標等讀取行車信息，最遠可以在一個方向上看出去 300 米遠的距離。

?「下一步會發生什麼？」

這一問題涉及對周圍其他物體行為的預測。對於路面上的所有物體，Waymo 系統都會根據其當前的速度及軌跡進行下一步預測。系統理解汽車、自行車、行人的移動遵循不同規律，也會考慮變化的路況可能對物體移動造成的影響。

?「下一步怎麼做」

這意味著要根據所獲得的信息進行決策。Waymo 的系統可以選擇行車軌跡、速度、車道及行進方向。基於連續不斷的環境監測及 360 度全方位物體行為的預測分析，系統可以保證車輛能夠安全地在道路上行駛。

從設計中解決安全問題

為了減少危險事件的發生，Waymo 嘗試在設計中解決內部風險，之後通過檢驗和驗證，確保風險降低到一定水平。

首先，利用初步事故分析、故障樹分析法、設計失效模式及後果分析等手段進行風險評估，識別出危險場景。該過程與工程測試、安全工程分析等環節緊密相關。風險評估有助於找到降低風險的潛在措施，掌握系統、子系統及組件的需求，也支持系統的檢測和故障的處理。

為此，Waymo 構建了一個系統安全計劃，覆蓋五個安全領域，分別為行為安全、功能安全、碰撞安全、操作安全與非碰撞安全。每個領域結合不同的測試方法，用於完成自動駕駛汽車的安全性驗證。

行為安全：指行車時汽車的行為和相關決策。同人類駕駛員一樣，自動駕駛的車輛也需要遵守交通法規。

功能安全：在系統發生故障的情況下，車輛仍要保證安全運行。

碰撞安全：指汽車發生碰撞時保護車內乘客安全的能力，即耐撞性。包括車輛結構設計到座椅、氣囊的設置等，力求減輕傷害、防止死亡的發生。

運營安全：指車輛和乘客之間的交互，確保乘客在自動駕駛車輛中擁有安全舒適的體驗。

非碰撞安全性：從物理的角度強調乘客與車輛之間交互的安全性，包括電氣系統和感測器可能對乘客、測試員等造成的危害。

Waymo 自動駕駛技術工作原理及策略

? 感測器解決方案

為了滿足自動駕駛汽車的複雜需求，Waymo 採用多感測器融合方案，力求讓車輛可以全方位地觀察到周邊環境，並在白天與夜晚都能正常工作。這套感測器解決方案不僅可以構建 3D 地圖，還能實時掌握周圍環境信息，具體部署如下：

激光雷達系統（LiDAR）：激光雷達系統能夠日夜工作，每秒可以 360°輸出數百萬個激光脈衝，通過測量觸及物體表面後反射回來的時間，可以掌握與物體之間的實際距離。Waymo 系統包含三種類型的激光雷達：幫助車輛掌握周圍信息的短距離激光雷達、高解析度的中距離激光雷達以及可以探測三個足球場那麼遠距離的新一代長距離激光雷達。

視覺系統：視覺系統包括可以 360°持續進行觀測的攝像頭。相比之下，人類司機的視野只有 120°。基於高解析度的視覺檢測技術，系統可以檢測到交通燈、建築區域、校車以及急救車等。Waymo 的視覺系統由許多組高解析度的攝像頭組成，能夠有效完成遠距離物體的檢測，在白天和低光照條件下執行任務。

雷達系統：雷達系統通過波長感知物體及運動。激光雷達發出的波不僅能夠在下雨時傳播，在白天、黑夜、雨天、霧天和雪天中均有效。Waymo 的雷達系統擁有 360°連續視角，可以追蹤前車、後車及兩邊車輛的的行車速度。

其他感測器：Waymo 也有一些其他種類的感測器，包括可以聽到幾百英尺開外的警車和急救車警報聲的音頻檢測系統以及支持車輛掌握其在物理世界中定位的 GPS 系統等。

? 軟體系統

軟體系統是自動駕駛車輛的大腦，能夠通過處理感測器採集的數據，在不同情境下做出最佳決策。Waymo 的系統採用了機器學習及其他先進的工程技術，Waymo 花費了八年的時間對其進行搭建及完善工作。為了訓練這套系統，Waymo 每年都在不斷進行實地測試，模擬測試里程累積超過 10 億英里，上路測試里程超過 350 萬英里。

以下是軟體系統中的三個重要組成部分：

感知：系統通過感知環節檢測路面上的物體並對其進行分類，也實現路面物體速度、行進方向、加速度的評估。Waymo 的感知部分把感測器獲得的海量細節轉化成現實世界中的視圖，幫助汽車區分行人、車輛，以及不同靜態物體的顏色，如交通燈。換句話說，感知環節可以讓系統理解車輛周圍的環境，比如交通燈是否是綠色，道路是否受阻等。

行為預測：系統構建模型並對其展開預測，用於掌握路面物體的下一步動向。由於 Waymo 積累了豐富的行車經驗，其自動駕駛汽車的預測模型精準度較高。例如，系統可以知道，即便行人、自行車和電動自行車的長相相近但行進速度不同。行人的移動速度最慢，但是能夠突然改變方向。

規劃：系統的規劃部分需要對從感知及行為預測環節中掌握的全部信息進行考量。基於經驗，Waymo 認為最好的司機是防禦型的司機。這也是 Waymo 的自動駕駛車輛會偏向表現防禦型行為的原因，比如遠離其他司機的盲點、給騎車人和行人留出額外的空間等。例如，如果軟體認為前方的車道因施工而關閉，並預測到車道上的自行車會移動，那麼系統的規劃環節將做出放慢速度的決定，並為自行車讓出空間，讓車輛的行駛更為流暢。

? 運行設計區域

運行設計區域指的是自動駕駛系統可以安全運行的區域。Waymo 針對地理條件、路況環境、速度範圍、天氣狀況、在一天中所處的時間、州立及當地的交通法律法規等指定這一區域。

事實上，現在這樣的區域可能非常有限，例如，條限速街道的固定路段或是白天才允許進入的私人場地。Waymo 的目標是擴大自動駕駛汽車能夠安全行駛的範圍，最終覆蓋所有區域。Waymo 也正在開發可以在廣闊地理區域內實現自動駕駛的技術，並在雨天、黑夜等惡劣天氣條件下完成行駛。

Waymo 設計的運行區域並不允許自動駕駛系統在範圍外運行。例如，乘客不能選擇認可範圍外的目的地，軟體不會創建相應的線路。車輛可以自動檢測可能導致行車安全性降低的突如其來的變化，如暴風雪等，並及時停下，在環境安全性提升後再繼續行駛。

? 最小化風險

如果道路情況過於複雜，自動駕駛技術無法勝任，或者技術失靈，那麼人類駕駛員需要恢復對車輛的控制權。Waymo 自動駕駛技術的魯棒性必須足以應對各種複雜局面。

在自動駕駛車輛無法繼續規劃旅程時，它必須能夠安全地停止。可能是車輛發生撞擊，也可能是車輛超出了上述提到的運行設計區域，這種情況下的停車就被稱為最小化風險。為此，Waymo 系統每秒都在其系統上數以千次地進行檢測，從而尋找故障，並構建了一個應急系統，包括感測器以及其他各模塊（如計算模塊、剎車模塊等）的備份，以期應對各種可能發生的情況。

? 數據記錄及碰撞後行為

一直以來，Waymo 的自動駕駛技術在不斷提升，系統可以採集並分析行車路面的海量信息，在檢測到可能發生碰撞時啟動應急方案並自動發出預警信號。在發生碰撞並啟動程序後，Waymo 將派遣當地的工作人員去事故往現場，操作中心還會通過車載語音與乘客進行溝通聯絡。

在碰撞後，系統將分析視頻、感測器數據等所有信息，評估可能造成事故的原因。之後會對軟體進行適當的更改並對車隊中車輛的系統進行及時的更新和升級。再次上路之前，所有車輛都將進行維修並需要通過安全監測。

? 汽車網路安全

Waymo 已經開發出了一個用於識別、排序、降低網路安全威脅的程序，這個程序建立在谷歌安全策略之上，遵循 NHTSA 及 Auto-ISAC 發布的指導策略。為了進一步提升網路安全性，Waymo 還加入了 Auto-ISAC。

Waymo 的車輛測試

Waymo 的車輛測試主要有四個部分，包括車輛本身的檢測、感測器、計算模塊等 Waymo 硬體部分的測試，完成自動駕駛決策的 Waymo 軟體部分的測試，以及整合好的自動駕駛整車測試。

? 車輛本身

目前，Waymo 用於自動駕駛測試的車輛主要是改裝版的 2017 款克萊斯勒混合動力車。

? 硬體測試

基於同克萊斯勒汽車公司的合作，Waymo 將感測器等硬體部署在其自動駕駛車輛上。為了保證系統安裝的合理性，Waymo 進行了上千次的後續測試。Waymo 在自己的測試場、實驗室及模擬環境中進行測試，評估汽車行駛的安全性、驗證剎車制動、控制等功能。

? 軟體測試

Waymo 的自動駕駛技術不斷迭代優化，軟體也在持續更新升級。軟體的每一次更新都需要經過一系列測試流程，包括模擬環境模擬、封閉路段測試以及公共道路檢測。

模擬模擬：在模擬環境中，在部署車隊更新的軟體之前，Waymo 會先在虛擬環境中測試運行，還會把現實環境中最具難度的場景放在虛擬環境下進行測驗。

封閉路段測試：更新後的軟體會首先部署在幾輛車上，由經驗豐富的駕駛員控制，在專用的測試場進行測試。Waymo 會在不同的車輛上測試不同版本的軟體，這有助於讓車輛在不同的運行設計區域中測試系統的某一新功能或特定的功能。

上路測試：一旦研發人員確認軟體可以正常運行，Waymo 就會把新的軟體安裝在路測車上。開始，Waymo 只會把軟體安裝在一小部分車上，在確保這些車能夠安全、可續航地行駛後，新軟體才會被部署在整個車隊的系統上。路測里程越長，系統就能更好地監測、評估軟體的性能。與此同時，Waymo 還會進一步做出調整，這種持續的閉環反饋機制能夠使軟體持續升級完善，讓車輛在 L4 級別下安全運行。

目前，Waymo 已在美國的四個州展開過測試，涵蓋 20 個城市。

? 整車測試

完成對車輛本身、硬體及軟體部分的測試後，Waymo 將測試整合好的自動駕駛車輛，包括封閉路段防撞擊測試、硬體可靠性及耐久度測試以及受訓練的駕駛員上路進行測試。

防撞擊測試：Waymo 在自己的測試場中已經完成了上千次的防撞擊測試。每次測試都會構建不同的撞擊場景，幫助研發人員分析汽車的響應行為，有助於提升整個軟體系統的可用性。事實上，除了防撞擊測試，Waymo 也會針對其他特殊情況展開測試，如在極端溫度下的響應等。

硬體可靠性及耐久度測試：我們用紫外線照射我們的部件，用強力的水噴射他們，把它們泡進幾乎冰凍的大桶里，在充滿鹽霧的房間里腐蝕它們，用強大的震動震動和震動它們，然後加熱並在溫度和時間上凍結它們數周。

自動駕駛汽車必須具備一定的可靠性，這意味著汽車每一個部分的功能都能夠經受住極端環境和成千上百次使用的考驗。Waymo 的工程師設計了一種獨一無二的壓力測試方案，對汽車及其部件進行紫外線照射、強力水流的衝擊，冰桶浸泡、化學物腐蝕、強力振動、加熱，把現實世界中成年累月對汽車及組件造成的磨損壓縮在幾天或是幾周內完成。

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