Беспилотные автомобили: объяснение 6 уровней автономности
Это перевод статьи John Rosevear. В оригинальном тексте используется слово self-driving, я переводил его как “автопилот”, “беспилотный”.
"Уровни" устанавливаются организацией SAE International. Это профессиональная ассоциация инженеров-автомобилестроителей, и уровни автономности кратко описывают, как далеко продвинулась конкретная система автоматизации задачи вождения транспортного средства. Стандарты SAE были приняты к использованию государственными регуляторами, инженерами и автопроизводителями, а также инвесторами.
Стандарты SAE описывают шесть уровней автоматизации: от его абсолютного отсутствия до полностью автоматизированной системы управления, что означает систему, которая в любой ситуа��ии ведет себя как квалифицированный водитель.
Инвесторам в этой область очень важно понимать, что подразумевается под разными уровнями, кто решает, какой уровень присвоить данной системе, и в чем заключаются различия между уровнями – особенно по мере того, как системы становятся более продвинутыми. (Расскажу вам тайну: иногда системы, описанные как «автопилоты», на самом деле таковыми не являются).
Уровень 0: Без автоматизации
Стандарты SAE начинаются с Уровня 0: отсутствие автоматизации. Водитель-человек несет 100% ответственности за то, что SAE называет «динамической задачей вождения», что означает работу по фактическому вождению транспортного средства на постоянной основе. (Держите слово «постоянный» в уме во время чтения - это ключевая часть того, как SAE определяет автоматизацию).
Уровень 0 не так уж трудно понять, но даже здесь есть некоторые нюансы. Вероятно, наиболее важным моментом является то, что существует много современных автомобилей с функциями помощи водителю, которые по-прежнему соответствуют Уровню 0.
Например, антиблокировочная система не считается автоматизацией, поскольку человеку все же приходится нажимать на педаль тормоза. Даже системы, которые автоматизируют мгновенную задачу – например, автоматические системы экстренного торможения, поставляемые на некоторые новые автомобили, не считаются автоматизацией, потому что они не автоматизируют «динамическую задачу вождения» – вы уже догадались – на постоянной основе.
Как старый жигуль вашего деда, так и многие современные автомобили, даже оснащенные системами помощи водителю, являются транспортными средствами одного уровня – нулевого.
Уровень 1: Некоторая помощь для водителя
SAE определяет систему Уровня 1 как систему управления либорулением либо ускорением/торможением на постоянной основе, но только при ограниченных конкретных обстоятельствах.
Что это значит? Вот пример использования технологий, которые, вероятно, вам знакомы.
Помимо очень простых моделей начального уровня, большинство автомобилей, сделанных в последние годы, имеют систему круиз-контроля. Вы почти наверняка использовали его, принцип прост: ускоряетесь до желаемой скорости, активируете круиз-контроль, и система будет удерживать автомобиль на этой скорости после того, как вы снимите ногу с педали акселератора.
Это не считается «автоматизацией» в рамках SAE, потому что динамическая часть задачи вождения не автоматизирована: человек все еще должен быть готов нажать на тормоз (и деактивировать систему), если впереди транспорт, движущийся медленнее.
В последние годы автопроизводители начали предлагать более продвинутые системы круиз-контроля, так называемый адаптивный круиз-контроль. Адаптивные системы круиз-контроля умнее – они используют радар, чтобы удерживать автомобиль на безопасном расстоянии до впереди идущего транспорта. Если автомобиль впереди замедляется, система автоматически замедляет и ваш автомобиль, чтобы сохранить безопасное расстояние.
Благодаря адаптивному управлению круиз-контролем, одна часть динамической задачи вождения – управление ускорением и торможением – автоматизирована. Конечно, это автоматизация только при определенных обстоятельствах, а именно, когда вы включаете систему во время движения по шоссе. Но этого уже достаточно, чтобы присвоить адаптивной системе круиз-контроля Уровень 1.
Уровень 2: Ограниченная помощь с рулением и торможением
Уровень 2 – «частичная автоматизация». Это касается систем ассистентов водителя, обеспечивающих управление рулением и ускорением/торможением, но опять же, только при определенных обстоятельствах. Если водитель должен регулярно вмешиваться – например, когда автомобиль съезжает с шоссе – тогда это, вероятно, система Уровня 2. Важно отметить, что это не автопилот, даже если иногда похоже на то, что машина едет сама.
Это может сделать понимание Уровня 2 более запутанным. Давайте посмотрим поближе.
Уровень 2 иногда может выглядеть как автопилот, но это не так
Autopilot в Tesla и Super Cruise в General Motors, которые могут ускоряться, тормозить и рулить во многих (но не во всех) обстоятельствах, могут, безусловно, дать ощущения как от автопилота. Но есть причина, по которой GM и (обычно) Tesla очень осторожны в том, чтобы не описывать их как полностью автономные системы в их нынешних формах: при использовании обеих, водитель должен быть готов взять управление на себя практически мгновенно.
Это критическое различие. Если системе даже на короткий период требуется участие человека, то система не должна описываться как автопилот. Вместо этого правильно называть ее расширенной системой поддержки водителя (ADAS, advanced driver-assist system).
Это очень важно, потому что ожидания от данной системы могут повлиять на то, насколько безопасно ее использование на практике. Модель Tesla S, оснащенная ранней версией Автопилота, участвовала в аварии со смертельным исходом в мае 2016 года, когда система автомобиля не смогла распознать трейлер, пересекающий дорогу, и водитель, судя по всему, не вмешался и не нажал педаль тормоза.
Tesla Model S
Это была первая известная авария со смертельным исходом, связанная с чем-то близким к системе автопилота. И она подчеркнула, что для этих систем необходимо сделать более эффективную работу по обеспечению того, чтобы водители были всегда готовы взять управление под контроль.
Это, в свою очередь, привело к значительным обсуждениям в отрасли: как система могла обеспечить вовлеченность водителя без чрезмерного раздражения человека?
Задача: как держать водителя начеку, но не раздражать?
Раздражение может показаться мелочью, когда мы говорим об избежании несчастных случаев со смертельным исходом. Но учтите следующее: если система слишком раздражает, она не будет использоваться.
Текущая версия автопилота Tesla предупреждает водителей не убирать руки с руля во время использования системы. Для обеспечения этого, система имеет специальные датчики, направленые на обнаружение того, находятся ли руки водителя на руле.
Если руки водителя не находятся на руле, система дает визуальное напоминание через 30 секунд, за которым следует звуковое предупреждение через 45 секунд. Через минуту без вмешательства со стороны водителя система автопилота отключается и не может быть включена, пока автомобиль не будет перезапущен.
Это неплохая система, но обзоры говорят о том, что ее легко обмануть – водители могут просто потрогать рулевое колесо, когда включается индикатор, чтобы сбросить цикл предупреждения, и продолжать езду без рук на руле.
Super Cruise GM применяет элегантное решение.
GM позволяет управлять автомобилем без рук. Вместо того, чтобы наблюдать за движениями рулевого колеса, используется камера для отслеживания положения головы водителя. Если система обнаруживает, что взгляд водителя находится не на дороге, она начинает серию предупреждений, чтобы попытаться вернуть внимание водителя на дорогу.
Cadillac CT6 с опцией Super Cruise
Подобно предупреждениям Tesla, Super Cruise проходит путь от мигающей лампочки на ободе рулевого колеса, звукового сигнала и вибрации сиденья до голосовой команды – в этот момент система Super Cruise отключается. Но GM идет дальше, чем Тесла: если водитель по-прежнему не контролирует ситуацию, система постепенно полностью остановит автомобиль, активирует предупредительные мигалки и вызовет помощь (используя систему OnStar от GM).
GM также построили множество дополнительных мер безопасности в Super Cruise, чтобы он использовался только в ситуациях, в которых он может безопасно работать. Если автомобиль не находится на шоссе, маркировка дорожных полос нечетко видна, или система думает, что водитель не сосредоточен на дороге – он даже не включится. Может звучать как рецепт постоянного раздражения, но реализовано все это элегантно. Большинство рецензентов согласились с тем, что Super Cruise приятно использовать.
Вещь, которую нужно помнить: «без рук» – это не обязательно автопилот
Подведем итог, система Уровня 2 представляет собой усовершенствованную систему помощи водителям, которая может допустить вождение в режиме без рук при определенных обстоятельствах. Но водитель должен оставаться настороже и быть готовым взять на себя «динамическую задачу вождения» в кратчайшие сроки, а системы пытаются обеспечить, чтобы водитель оставался в состоянии готовности на протяжении всего времени их использования.
Уровень 3: Немного ближе к автопилоту
SAE определяет Уровень 3 как «условный автопилот». Разница между Уровнем 2 и Уровнем 3 – в степени. На практике это зависит от ответа на вопрос: насколько должен быть человек на сиденье водителя должен быть готов взять управление машиной на себя?
При использовании системы Уровня 2 водитель должен быть очень внимательным, готовым сразу же взять управление, если система столкнется с чем-то, с чем она не справится. На Уровне 3 ожидается, что система может управлять движением, пока она находится в пределах своей «рабочей области разработки», что означает, что роль человека – быть в резерве.
Вот что пишет SAE:
Устойчивая и определенная [в рабочей области разработки] производительность [автоматизированной системы вождения] во всей [динамической задаче движения] с ожиданием того, что пользователь [динамической задачи движения], готовый к возврату, восприимчив как к запросу [автоматизированной системы управления] на вмешательство, так и к проблемам, связанным с ее производительностью, с системными сбоями в других системах транспортных средств, и среагирует соответствующим образом.
Понятно? Если вы думаете, что это всего лишь неопределенное отличие от Уровня 2, вы не одиноки.
Почему многие автопроизводители избегают Уровня 3
Трудность определения (и объяснения) разницы между Уровнем 2 и Уровнем 3 проявляется проблемой Уровня 3 на практике. Нам легко понять, что система Уровня 2 не является автопилотом, в то время как (как мы увидим ниже) Уровень 4 является автопилотом, и довольно легко объяснить эту разницу пользователям. Но Уровень 3 просто существует между ними. Это автопилот, за исключением случаев, когда это не так.
Это вызов для инженеров, которым поручено разработка систем. В своем выступлении в 2016 году бывший глава по продуктам Ford Motor Company Радж Наир объяснил, почему дорожная карта Ford для технологий автопилота полностью пропускает Уровень 3:
Мы обнаружили, что нам не удавалось безопасно отрабатывать некоторые сценарии, без добавления таких технологий, как LiDAR и трехмерных карт высокой четкости. Как только вы доходите до этого момента, вы в действительности ищете решение для Уровня 4. Таким образом, мы сменили наше направление, вместо улучшения drive-assist технологий на основе камеры и радара, мы совершаем прыжок до Уровня 4, и делаем все, что нужно, чтобы полностью избавиться от водителя, руля и педалей.
Проще говоря: после того, как инженеры Ford добавили все технологии, необходимые для того, чтобы их прототип Уровня 3 соответствовал их стандартам безопасности, они были, по сути, на Уровне 4. Учитывая это, они подумали, а зачем вообще предлагать Уровень 3?
Но несколько систем Уровня 3 направляются на рынок
Многие другие автопроизводители пришли к такому же выводу о Уровне 3, но не все. Есть еще одна точка зрения, а именно, что Уровень 3 можно интерпретировать как более комфортную реализацию концепций систем Eровня 2, таких как Super Cruise.
Это взгляд Audi. Audi запустит систему Уровня 3, которая называется «Traffic Jam Pilot», на своем седане A8 2019 года. Описание системы отражает то, как они видят различия между Уровнем 2 и Уровнем 3:
При запуске Traffic Jam Pilot водителям больше не нужно постоянно следить за автомобилем и дорогой. Они должны просто оставаться начеку и брать управление на себя, когда система предложит это сделать.
Но обратите внимание: в то время как Audi предложит эту систему в Германии, недавно принявшей закон о легальности подобных систем, Audi не будет поставлять ее в США – по крайней мере, пока – из-за опасений относительно ответственности и государственного регулирования.
Audi A8 2019
Нетрудно понять, почему. Даже по собственным заявлениям Ауди, различие все еще не определено. Идея, похоже, заключается в том, что система Audi даст человеку немного больше времени на взятие управления, чем система Уровня 2. Но все же: должен ли человек на месте водителя быть настороже или нет?
К счастью, следующий уровень не требует ломать над этим голову.
Уровень 4: Настоящий автопилот, но с ограничениями
SAE говорит, что Уровень 4 – это «высокая автоматизация вождения»: системе вообще не нужен резерв в виде человека, если она функционирует в пределах своего «рабочего пространства разработки». Иными словами, система Уровня 4 все еще имеет пределы, но пока она находится в этих пределах, человеческое вмешательство не понадобится – это настоящий автопилот.
Вот что это значит на практике.
Большинство современных систем автопилота зависят от высокодетализированных трехмерных карт, которые помогают «мозгу» транспортного средства знать точно, где он находится, вплоть до нескольких сантиметров (или меньше). Эти системы обычно используют несколько лидаров для фиксации окружения транспортного средства от момента к моменту. Затем изображения с лидаров сравниваются с сохраненной 3D-картой.
Некоторые из разрабатываемых систем используют метод лидары-и-карты в качестве основного метода определения местонахождения транспортного средства, в то время как другие используют его в качестве запасного. (Один из принципов полных систем автопилота, таких как системы автопилота в авиации, заключается в том, что все критические подсистемы должны дублироваться, на случай если что-то не работает).
Система Уровня 4 является истинным автопилотом, пока система работает в своих пределах. Неважно, будет ли человек, сидящий на сиденье водителя, отвлекаться, спать или даже отсутствовать, система Уровня 4 безопасно доставит транспортное средство к месту назначения, если она работает внутри своих предполагаемых пределов.
Настоящие транспортные средства уровня 4 начинают появляться
Скоро появятся автомобили Уровня 4 – фактически, они уже здесь. Ранее в этом году компания Waymo, ранее известная как проект самоуправляемых автомобилей Google, начала развертывать сеть транспортных средств Уровня 4 в пилотном ride-hailing сервисе (сервис нелицензированных такси, таких как Uber и Lyft) в Чандлере, штат Аризона. General Motors заявила, что ее собственная компания по автопилотам, GM Cruise, планирует развернуть парк «тысяч» такси Уровня 4 в плотной городской среде в США с 2019 года. Другие последуют в течение нескольких лет.
Waymo от Alphabet
Но учтите, что Waymo и GM не выбирают места наугад. Waymo проводили месяцы, «обучая» свои прототипы на дорогах и в условиях движения в районе Чандлера и вокруг него; GM Cruise делает то же самое со своими автомобилями на базе Chevrolet Bolt в Сан-Франциско. Пока эти транспортные средства ограничены областями, с которыми их системы наиболее знакомы, все они были тщательно задокументированы.
Эти ограничения – то что делает автопилоты системами Уровня 4. Например, независимо от того, как используются карты, если транспортное средство зависит от карты, это означает, что оно ограничено, поскольку оно не может ездить по местам, которые еще не добавлены на карту. Конечно, система Уровня 4 может иметь другие ограничения; она может не включаться, если например обнаруживает сильный снег.
Короче говоря: если система предлагает полное автоматическое вождение в пределах ограничений, то эти ограничения и делают автопилот системой Уровня 4.
Уровень 5: Полное безусловное автоматическое вождение
Уровень 5 – это мечта: безусловное (то есть без ограничений) автоматическое вождение, без ожидания того, что водитель когда-либо будет вынужден вмешиваться.
Иными словами, система Уровня 5 должна ездить по любым местам, где может проехать квалифицированный водитель, при любых условиях, с которыми может справиться квалифицированный водитель, полностью самостоятельно.
Излишне говорить, что сейчас нет доступных систем уровня 5. Несколько автопроизводителей, в том числе Tesla и BMW, заявили, что они будут иметь системы Уровня 5 в течение нескольких лет, но многие эксперты считают, что истинная автономия пятого уровня займет годы, если это вообще произойдет.
Возможно, что системы Уровня 5 будет конечным результатом после того, как множество подключенных транспортных средств Уровня 4 будут ездить по дорогам и пройдут обучение. Помните, что я сказал об обучении машин выше? Системы, которые развертываются в тысячах автомобилей, работающих каждый день, будут собирать огромные объемы данных и сталкиваться с множеством новых ситуаций – они будут быстро развиваться самостоятельно. Между этим продолжающимся обучением и расширением хорошо отображаемых областей наиболее широко распространенные системы фактически станут Уровнем 5 – в конечном счете.
Может быть.
Также возможно, что настоящая система Уровня 5 – единая система, которая сможет безопасно ездить в метель Монтаны, пробках в Шанхае и других ситуациях, где может ездить опытный водитель, – не появится еще много лет (несмотря на смелые обещания, сделанные некоторыми руководителями).
Почему до появления настоящего автопилота могут пройти годы
Настоящий автопилот – это невероятно сложная проблема. Учтите, что даже Waymo, начавшаяся еще в 2009 году как проект Google Self-Driving Car и обладающая некоторыми из лучших и самых опытных инженеров в этой области, все еще испытывает трудности с массовым внедрением своих автомобилей для безопасного движения по повседневным дорожным ситуациям в пригородном Чандлере, где все сценарии известны, и область тщательно изучена. Как вы думаете, смогли бы они ездить в совершенно незнакомой обстановке – например, в центре Мумбаи?
Способный человек-водитель из пригорода Аризоны, вероятно, сможет хорошо ездить по Мумбаи с помощью смартфона и небольшого знакомства с городом. Но, по крайней мере сейчас, в 2018 году, похоже, что пройдет еще много лет, прежде чем система автопилота сможет сделать то же самое – и это означает, что истинного автопилота в ближайшее время не появится.