自動駕駛

一文詳解自動駕駛的運行設計域（ODD）| 自動駕駛系列

第一電動大牛作者 5G行業(yè)應用 2021-09-10 15:18

來源 | 微信公眾號 5G行業(yè)應用作者 | 吳冬升

2021年4月30日，SAE發(fā)布了第四版J3016《駕駛自動化分級》，這是即2014年1月16日、2016年9月30日、2018年6月15日之后，J3016的又一次迭代更新。

2021年7月，ISO發(fā)布了ISO 22737《預定路線的低速自動駕駛（LSAD）性能要求、系統要求和性能測試規(guī)范》。

本系列將詳細解讀自動駕駛ODD、DDT、DDT fallback、OEDR、低速自動駕駛和自動駕駛分級。

基本概念

自動駕駛需要在地球上各個國家地區(qū)都能正確工作。因此要求綜合考慮各種不同類型的道路、道路標記、交通標志等，以及環(huán)境問題，如天氣狀況。確保自動駕駛汽車在其預定的運行環(huán)境中表現充分，是整個自動駕駛系統驗證的關鍵部分。運營設計域ODD（Operational Design Domain）一詞的原始定義來自SAE J3016中的定義。

SAE J3016 將 ODD 定義為"特定駕駛自動化系統或其功能專門設計的運行條件，包括但不限于環(huán)境、地理和時間限制，和/或某些交通或道路特征的存在或缺失。"[1]

簡單來說，ODD就是要定義好在哪些工況下是能夠自動駕駛的，脫離了這些工況，自動駕駛就不能保證工作。任何一臺自動駕駛車輛，都必須有一定限定的工況。而這個工況可以很寬泛，也可以很精準，并決定了自動駕駛車輛能勝任什么樣的場景。比如，一臺車的自動駕駛系統只能在高速上使用，它可以自動保持車道、自動超車、自動跟車、自動讓行、自動通過ETC、自動上下匝道等，但到了城市里就無法完全自動駕駛。同時，要確保自動駕駛測試和驗證是完整的，至少需要確保ODD所有方面已經通過確保系統安全運行，或通過確保系統能夠識別超出ODD 的范圍。

在工信部發(fā)布的《GBT 汽車駕駛自動化分級》推薦性國家標準中，ODD是設計時確定的駕駛自動化功能的本車狀態(tài)和外部環(huán)境。運行設計條件ODC（Operational Design Condition）是設計運行時確定的駕駛自動化功能可以正常工作的條件，包括ODD、駕駛員狀態(tài)以及其他必要條件。[2]

動態(tài)駕駛任務DDT（Dynamic Driving Task）是在道路交通中運行車輛所需的所有實時運行和策略功能，不包括行程安排和目的地和航路點選擇等戰(zhàn)略功能。

動態(tài)駕駛任務接管DDT fallback（Dynamic Driving Task fallback）是在相同情況下，用戶對實施DDT或達到最低風險條件的響應（1）在發(fā)生DDT性能相關系統故障后，或（2）在ODD退出時，或ADS對達到最低風險條件的響應。

目標和事件檢測與響應OEDR（Object and Event Detection and Response）是DDT的子任務，包括監(jiān)控駕駛環(huán)境（檢測，識別和分類對象和事件，并準備按需要做出響應），并對這些對象和事件執(zhí)行適當的響應（即根據需要完成DDT和/或DDT接管）。

低速自動駕駛LSAD（Lowspeed Automated Driving）是最大速度為8.89米/秒（32公里/小時）的自動駕駛系統，將被用于最后一英里的運輸、商業(yè)區(qū)的運輸、商業(yè)或機場、港口、大學校園區(qū)以及其他低速環(huán)境的應用。[3]

自動駕駛分級或類別（Levels or Categories of Driving Automation）是基于駕駛自動化系統功能，由該功能和（人工）用戶（如有）之間DDT和DDT fallback執(zhí)行中的角色劃分決定。駕駛自動化系統功能部件的制造商確定該功能的要求、ODD及運行特性，包括駕駛自動化水平。

ODD案例

（1）ISO 22737中定義的LSAD ODD

每個LSAD系統都應由制造商定義其ODD。一個LSAD ODD的限制系統應至少指定以下屬性：

a) 低速：LSAD系統的速度應等于或小于8.89米/秒或32公里/小時；

b) 適用范圍：例如，受限通道或專用道路（公共或私人），或行人/自行車道，或限制所有或某些特定類別機動車進入的區(qū)域。限制通行的道路可以通過車道標記或速度限制或物理分界來指定；

c) 預定義路線：在LSAD系統運行之前，在LSAD系統內定義的路線。LSAD系統只能在預定路線上運行。預定路線應由相關的利益相關者共同確定（例如，地方當局、服務提供商、制造商等）。調度員應確認與預定路線的任何偏差不會導致危險情況；

d) 應用區(qū)域的照明條件；

e) 天氣狀況；

f) 路況；

g) 存在或不存在VRU；

h) 可行駛區(qū)域內可能存在靜態(tài)障礙物；

i) 網聯要求等。

LSAD系統或調度員應根據當前的ODD條件（例如霧天條件、夜間照明條件），在ODD屬性預定值的范圍內為指定的應用選擇操作值（對于LSAD系統駕駛的車輛）。例如，調度員或LSAD系統可以決定將雨天的最大允許速度限制為低于晴天的速度。

（2）B款車型的L3級ODD [4]

a) 地理限制：地理ODD包括地理圍欄的邊界和這些邊界內區(qū)域所有適用的交通規(guī)則。只能在有限的高速公路上激活和運行，與來往車輛有連續(xù)的結構隔離，沒有交叉路口和環(huán)島。這種道路類型的特點是行人和自行車出現的概率很小。對這些激活條件的遵守將由車載傳感器檢測，例如攝像頭監(jiān)測交通標志，并且還將通過高清地圖提供的信息進行保證?？紤]到法律要求等各種因素，L3級ADS被設計為在0至85mph（136.79 km/h）的速度下運行；

b) 環(huán)境限制：自動駕駛車輛持續(xù)監(jiān)測環(huán)境ODD，以確保在所有條件下安全運行。例如，車輛的速度將根據一天中的時間、光線條件、路面摩擦系數太?。ɡ缏访嫔嫌醒┗虮┗蝻L太強而調整；

c) 人類駕駛員的限制：駕駛員必須系好安全帶坐好，并保持清醒等。

（3）A款車型的L3級ODD

a) 行駛在高速公路上，或者帶有中央隔離帶和護欄的兩車道以上機動車專用公路上；

b) 所在車道和周邊車道的車間距離在較近也就是說在堵車狀態(tài)下；

c) 車的行駛速度不超過60km/h；

d) 在傳感器可檢測到的范圍內沒有信號燈，也沒有行人和騎自行車的人等。

NHTSA ODD分類框架

NHTSA在《A Framework for Automated Driving System Testable Cases and Scenarios》中采用六大要素構建設計運行域，包括基礎設施、駕駛操作限制、周邊物體、互聯、環(huán)境條件、區(qū)域。[5]

（1）基礎設施

道路類型：分隔公路、不分隔公路、主干道、城市、農村、停車場、多車道、單車道、高載客量車輛（HOV）車道、入口/出口匝道、緊急疏散路線、單向、轉彎專用車道、私家路、雙向車道、交叉口（信號燈、掉頭、四向/雙向停車、環(huán)島、合并車道、轉彎專用車道、人行橫道、收費廣場、鐵路穿越）（FHWA，2012年）。

道路表面：瀝青、混凝土、混合料、格柵、磚、泥土、礫石、刮過的道路、部分堵塞、減速帶、坑洼、草地（Gibbons，1999）。

道路邊緣：標記線、臨時標記線、路肩（鋪砌或礫石）、路肩（草）、混凝土護欄、格柵、欄桿、路緣、錐體（Sage，2016）。

道路幾何：直線、彎道、山丘、側峰、拐角（常規(guī)、死角）、負障礙物、車道寬度（Huang，2010）。

（2）駕駛操作限制

速度限制：最低和最高限速（絕對、相對于限速、相對于周圍交通）（Elpern Waxman，2016）。

交通條件：最小交通量、正常交通量、保險杠到保險杠/高峰時間交通量、交通條件變化（事故、應急車輛、施工、封閉道路、特殊事件）（加利福尼亞大學道路計劃，2016年）。

（3）周邊物體

標志標牌：標志（例如，停車、讓行、行人、鐵路、學校區(qū)域等）、交通信號（閃光、學校區(qū)域、消防部門區(qū)域等）、人行橫道、鐵路交叉口、停止的公共汽車、施工標志、急救信號、遇險信號、道路用戶信號、手勢信號（FHWA，2012）。

道路使用者：車輛類型（轎車、輕型卡車、大型卡車、公共汽車、摩托車、寬載、應急車輛、施工設備、馬車/四輪馬車）、停車車輛、移動車輛（手動、自動）、行人、自行車手（CA DMV，2016）。

非道路使用者障礙物/物體：動物（如狗、鹿等）、購物車、碎片（如輪胎碎片、垃圾、梯子）、施工設備、行人、自行車手。

（4）互聯

車輛：V2V通信（如C-V2X/DSRC、Wi-Fi）、應急車輛。

交通密集信息：眾包數據（如Waze）和V2I。

遠程車隊管理系統：車輛由可執(zhí)行遠程操作的操作中心支持（Aljaafreh等人，2011年）。

設施傳感器等：工作區(qū)警報、易受傷害的道路使用者、路線和事件管理、GPS、三維高清地圖（Ellicipuram，2016）、坑洞位置、天氣數據、云端數據等。

（5）環(huán)境條件

天氣：風、雨、雪、雨夾雪、溫度。在高速公路上，小雨或小雪可使平均速度降低3%至13%。大雨會使平均速度降低3%到16%。在大雪中，高速公路的平均速度會下降5%到40%。小雨時自由流速度可降低2%至13%，大雨時可降低6%至17%。雪會導致自由流速度降低5%至64%。降雨期間，速度變化可降低25%（FHWA，2017c）。

天氣導致的路面條件：積水、道路被淹、道路結冰、道路積雪。洪水導致車道浸沒，積雪和風吹碎屑導致車道阻塞，可能導致通行能力降低。由于危險條件（如大風中的大型卡車）造成的道路封閉和通行限制也會降低道路通行能力（FHWA，2017）。

顆粒物：霧、煙、煙霧、灰塵/污垢、泥。低能見度可導致速度降低10%至12%。霧和強降水以及風吹雪、灰塵和煙霧會縮短能見度距離。低能見度條件會導致速度差異增大，從而增加碰撞風險。每年在霧中發(fā)生的車禍超過38700起，每年有600多人在這些車禍中喪生，16300多人受傷（FHWA，2017b）。

光照：白天（太陽：頭頂、后照燈和前照燈）、黎明、黃昏、夜晚、路燈、前照燈（常規(guī)和遠光）、迎面而來的車輛燈光（頭頂照明、后照燈和前照燈）（FHWA，2017a）。

（6）區(qū)域

地理圍欄：中央商務區(qū)、校園和退休社區(qū)（例如，CityMobil2是固定路線，包括道路上和人行道上的<20 mph路線）。

交通管控區(qū)域：可能包括臨時車道封閉、動態(tài)交通標志、可變限速、臨時或不存在的車道標志、人工引導交通、裝卸區(qū)。

學校區(qū)域：動態(tài)限速、不穩(wěn)定的行人和車輛行為（Marshall，2017）。

國家/州：任何法律、監(jiān)管、執(zhí)法、侵權或其他考慮因素（例如，跟蹤距離、許可等）（Bomey&Zambito，2017）。

干擾區(qū)域：隧道、停車場、茂密的樹葉、高層建筑和大氣條件限制的GPS。

英國 PAS1883 標準

2020年8月，英國標準協會BSI發(fā)布 PAS1883 標準《Operational Design Domain (ODD) taxonomy for an automated driving system (ADS) – Specification》，采用三大要素構建設計運行域，包括景觀（區(qū)域、可行駛區(qū)域、交叉口、特殊結構、固定道路結構、臨時道路結構），環(huán)境條件（天氣、微粒、照明、互聯），動態(tài)元素（交通、目標車輛）。[6]

（1）景觀

區(qū)域：a）地理圍欄區(qū)；b）交通管理區(qū)；c）學校區(qū)域；d）國家或區(qū)域；e）干擾區(qū)，例如茂密的樹葉或高層建筑導致的定位信號丟失。

可行駛區(qū)域：a）可行駛區(qū)域類型；b）可駕駛區(qū)域幾何結構；c）可行駛區(qū)域車道規(guī)格；d）可行駛區(qū)域標志；e）可駕駛區(qū)域邊緣；f）可駕駛區(qū)域表面。

可行駛區(qū)域類型：高速公路、放射狀道路（A道路是高密度交通道路，將高速公路連接到分配道路或城市中心）、分配道路（B道路將A道路與次要道路或地方道路連接起來，通常具有低至中等通行能力）、次要道路（次要道路或地方道路為居民區(qū)和其他地方發(fā)展提供通道）、支路、停車場、共享空間；

可駕駛區(qū)域幾何結構：水平面（直線和曲線）；橫切面（分割、不可分割、行人路、邊緣障礙物、不同類型的車道）；縱向平面（上坡（正坡度）、下坡（負坡度）、水平面）。

可行駛區(qū)域車道規(guī)格：車道尺寸、車道標志、車道類型（公交車道、交通車道、自行車道、有軌電車車道、應急車道或其他專用車道）、車道數、行駛方向。

可行駛區(qū)域標志：信息標志、監(jiān)管標志、警告標志。

可駕駛區(qū)域邊緣：標記線、路肩（鋪砌或礫石）、路肩（草）、固體屏障（例如格柵、軌道、路緣、錐體）、臨時標記線、沒有。

可駕駛區(qū)域表面：可行駛區(qū)域表面類型（松散（如礫石、泥土、沙子）、分段式（如混凝土板、花崗巖、鵝卵石）、均勻（如瀝青））、可駕駛區(qū)域表面特征（包括交通和天氣造成的損壞，分類為裂縫、坑洞、車轍或隆起）、可行駛區(qū)域引起的路面狀況（結冰、淹沒的道路、海市蜃樓、可行駛區(qū)域的積雪、死水、濕路、表面污染）。

交叉口：環(huán)形交叉口、交叉口（T型交叉口、Y形交叉口、十字交叉口、交錯交叉口、立體交叉口）。

特殊結構：自動訪問控制、橋梁、行人過路處、鐵路道口、隧道、收費廣場。

固定道路結構：建筑物、街燈、街道設施（例如護柱）、植被。

臨時道路結構：施工現場繞道、垃圾收集、道路工程、道路標志。

（2）環(huán)境條件

天氣：風、降雨、降雪。

微粒：海洋（僅沿海地區(qū)）、非沉淀水滴或冰晶（即，霧/霧）、沙塵、煙霧和污染、火山灰。

照明：白天、夜間或低環(huán)境照明條件、云、人工照明（可能是路燈或迎面而來的車輛燈）。

互聯：V2X。

（3）動態(tài)元素

交通：實體密度、交通量、流量、實體類型、有特殊車輛（如救護車或警察車輛）。

主題車輛：主題車輛的速度是額外的ODD屬性。

SAE J2980 ODD分類框架

SAE J2980標準中推薦使用六大要素構建運行設計域，包括位置（公路、鄉(xiāng)村道路、城市道路、交叉口、土路、越野、停車場、車道、維修車庫），道路狀況（道路摩擦（干、冰、雪、濕、裂）、坡度、道路寬度），駕駛操作（啟動、停車、向前行駛、向后行駛、直行、轉彎、避開車道、變道、關閉），車輛狀態(tài)（滑行、爬行、加速、減速、駐車、停止、碰撞），其他考慮因素（側風，即將來臨的交通，施工區(qū)域，事故場景，交通堵塞，行人），其他車輛特征（其他車輛系統的狀態(tài)：故障代碼、拖車、重載、啟動關閉/打開、遠程車輛啟動、其他技術）。[7]