自動(dòng)駕駛卡車(chē)可緩解供應鏈問(wèn)題

每天，全世界有數十萬(wàn)的司機需要半夜從床上爬起來(lái)，鉆進(jìn)大型卡車(chē)的狹小駕駛空間。這一勞動(dòng)力群體每年會(huì )向倉庫、雜貨店和港口運送數以十億噸記的貨物。運輸業(yè)每年通過(guò)人工駕駛的大卡車(chē)運輸近 110 億公噸（120 億噸）的貨物。

通過(guò)自動(dòng)駕駛卡車(chē)，TuSimple 可以把高速公路變?yōu)閷τ诳ㄜ?chē)司機和其他司機來(lái)說(shuō)都更加安全的場(chǎng)所。與此同時(shí)，自動(dòng)駕駛卡車(chē)的使用還可以節省關(guān)鍵物資的運輸費用。

盡管這些卡車(chē)對世界各地供應鏈的運轉至關(guān)重要，但該行業(yè)仍面臨著(zhù)日益嚴重的司機短缺問(wèn)題?？ㄜ?chē)運輸業(yè)一直面臨“留住老司機、發(fā)展新司機”的兩難困境，而隨著(zhù)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(chē)運力已無(wú)法滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的運輸需求，從燃油燃料到電子產(chǎn)品的供應都受到了影響。

TuSimple 的自動(dòng)駕駛卡車(chē)車(chē)隊。（圖片所有權：TuSimple）

另外，長(cháng)途運輸卡車(chē)也是司機安全的夢(mèng)魘。由于工作時(shí)間長(cháng)，經(jīng)常要在夜間或清晨駕駛，因此卡車(chē)司機比其他司機更容易產(chǎn)生疲勞感。美國疾病預防控制中心表示，疲勞駕駛與醉酒駕駛帶來(lái)的交通風(fēng)險一樣大。

正是卡車(chē)行業(yè)面臨的這些問(wèn)題，讓 TuSimple 的韓曉凌和同事們看到了一種全新解決方案的機會(huì )：重型卡車(chē)的自動(dòng)駕駛技術(shù)。

TuSimple 傳感器和車(chē)輛控制集成高級總監韓曉凌表示，這些車(chē)輛可以解決卡車(chē)運輸業(yè)面臨的棘手問(wèn)題。韓曉凌說(shuō)：“自動(dòng)駕駛卡車(chē)比自動(dòng)駕駛乘用車(chē)的商業(yè)應用前景更為廣泛，因為卡車(chē)運輸路線(xiàn)是高度可重復的，而且大部分駕駛是在高速公路上進(jìn)行。雖然卡車(chē)自動(dòng)駕駛的問(wèn)題解決起來(lái)非常困難，但和自動(dòng)駕駛汽車(chē)比起來(lái)，它需要面對的問(wèn)題就少得多了?！?/p>

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

自動(dòng)駕駛之路

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

4 級或 5 級的自動(dòng)駕駛卡車(chē)可以讓其司機在夜間空曠的道路上駕駛時(shí)有機會(huì )休息。

根據國際自動(dòng)機工程師學(xué)會(huì )的定義，汽車(chē)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(wú)自動(dòng)化到有限的自動(dòng)化，包括輔助轉向或制動(dòng)。由于功能的限制，人類(lèi)駕駛員仍然需要控制車(chē)輛并監督這些系統。要實(shí)現第 5 級自主性，即車(chē)輛獨立執行所有的駕駛任務(wù)，仍需多年時(shí)間。

自動(dòng)駕駛的六個(gè)級別（圖片所有權：NHTSA.gov）

Malleichervu 說(shuō)，“許多 OEM 提供的自動(dòng)駕駛功能達到了 2 級或 2+ 級。加號的意思是在 2 級的基礎上提高了自主性，但尚未達到 3 級。達到這種級別后，車(chē)輛上的高級駕駛輔助系統 (ADAS) 可以控制制動(dòng)系統、加速和轉向，而人類(lèi)駕駛員仍然需要負責隨時(shí)監控環(huán)境，并執行所有其他駕駛任務(wù)?！?/p>

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(kāi)發(fā)車(chē)輛 ADAS 而來(lái)的安全顧慮。

韓曉凌表示，這正是 TuSimple 卡車(chē)的優(yōu)勢所在。雖然該公司預計其卡車(chē)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技術(shù)，為實(shí)現完全自動(dòng)駕駛提供了一條更容易的途徑。為了在城市測試自動(dòng)駕駛汽車(chē)，公司必須首先與地方有關(guān)部門(mén)就測試車(chē)輛的區域、頻率以及速度達成協(xié)議。這通常意味著(zhù)可用于測試的區域和時(shí)間都會(huì )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(zhù)萬(wàn)一出現問(wèn)題，雖然對其他司機造成傷害的風(fēng)險并不為零，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(chē)目前已達到 4 級自主性。這意味著(zhù)車(chē)輛可以在有限的條件下自動(dòng)駕駛，而無(wú)需人類(lèi)駕駛員的幫助 — 不過(guò) TuSimple 公司仍計劃讓人類(lèi)駕駛員在駕駛座上進(jìn)行監控。目前的卡車(chē)運輸要求人類(lèi)駕駛員時(shí)刻保持警惕，4 級或 5 級自動(dòng)駕駛卡車(chē)的不同之處在于，在空曠的道路上徹夜行駛時(shí)，卡車(chē)司機會(huì )有休息的機會(huì )。

韓曉凌和他的團隊正在開(kāi)發(fā)這種自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵技術(shù)之一：自主線(xiàn)控制動(dòng)系統。大型卡車(chē)的重量以及牽引滿(mǎn)載拖車(chē)所帶來(lái)的動(dòng)態(tài)特性，使得卡車(chē)更難快速停車(chē)。一輛滿(mǎn)載的卡車(chē)重達 36,000 公斤（80,000 磅），而一輛客車(chē)的重量只有 1,360 公斤（3,000 磅）。制動(dòng)系統必須能夠安全地阻止重型卡車(chē)高速行駛時(shí)的向前沖力。

韓曉凌表示，“線(xiàn)控制動(dòng)系統非常復雜，整個(gè)系統管道從感知開(kāi)始，我們的程序要觀(guān)察車(chē)輛前后左右的情形。這涉及到運動(dòng)規劃、預測和控制算法?！?/p>

借助感知和激光雷達等傳感器，TuSimple 的 4 級自主系統可以 360 度地觀(guān)察車(chē)輛周?chē)?，以及前?1,000 米范圍的路況。這些數據隨后會(huì )傳遞到安全關(guān)鍵型線(xiàn)控制動(dòng)控制系統，韓曉凌解釋說(shuō)。該控制系統隨后會(huì )在軟件感知與卡車(chē)硬件之間建立關(guān)聯(lián)，以激活安全制動(dòng)。

韓曉凌還表示，“制動(dòng)是自動(dòng)駕駛中最基礎的系統，對制動(dòng)安全的要求高于所有其他系統?！?/p>

制動(dòng)系統的這些更嚴格的標準也反映在其冗余上。這意味著(zhù)如果出現問(wèn)題，人類(lèi)控制者可以進(jìn)行干預并手動(dòng)制動(dòng)。

“對于車(chē)輛的其他部件，例如發(fā)動(dòng)機，一定程度的冗余就足夠了，但是由于制動(dòng)系統是關(guān)乎車(chē)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?！?韓曉凌繼續說(shuō)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(chē)，包括一段從美國亞利桑那州到俄克拉荷馬州長(cháng)達 951 英里的路程。不過(guò)，韓曉凌解釋說(shuō)，完全依賴(lài)道路測試會(huì )導致成本快速增加。做為替代，該團隊現在主要依靠建模和仿真來(lái)作為線(xiàn)控開(kāi)發(fā)經(jīng)濟高效且安全的替代方案。據韓曉凌介紹，高達 90% 的卡車(chē)車(chē)輛控制單元的測試是使用 MATLAB?、Simulink? 和其他軟件開(kāi)發(fā)的模型完成的。

通過(guò)使用模型，該團隊只參考唯一數據源，自動(dòng)生成代碼，并可以測試具有不同車(chē)輛約束條件的自主系統。

“我們只有 10% 的時(shí)間在車(chē)輛層面測試線(xiàn)控制動(dòng)，因為這樣做的成本非常高昂”，韓曉凌這樣表示?！安粌H耗費人力，還需要額外的協(xié)調工作。因此，我們利用仿真進(jìn)行大部分測試?！?/p>

仿真需要對不同的傳感器輸入（如激光雷達和雷達）如何通過(guò)微處理器中繼到卡車(chē)的物理控制系統進(jìn)行建模。使用模型來(lái)管理這些組件可以讓團隊各成員能夠同時(shí)進(jìn)行設計，即使他們在不同的物理地點(diǎn)工作。

TuSimple 司機讓車(chē)子自動(dòng)駕駛。（視頻所有權：TuSimple）

“團隊成員可以使用模型來(lái)檢查車(chē)內發(fā)生的情況”，韓曉凌表示?！斑@比閱讀代碼可要容易得多。這就是為什么模型是整個(gè)車(chē)輛控制單元團隊的唯一數據源，因為我們的所有相關(guān)職能團隊均可以基于模型進(jìn)行交流?！?/p>

Malleichervu 稱(chēng)，這些模型還可以通過(guò)自動(dòng)生成代碼來(lái)實(shí)現在模型級別進(jìn)行的設計，從而幫助減少編程人員引入的錯誤。這種方法讓團隊能夠測試具有不同車(chē)輛約束條件的自動(dòng)駕駛系統，例如不同的發(fā)動(dòng)機或貨物重量。該團隊依靠 MATLAB 腳本和 GitHub 來(lái)管理變體。

擺脫束縛

韓曉凌表示，除了簡(jiǎn)單易用之外，依靠虛擬模型來(lái)完成大多數的新設計測試還有助于他們不再依賴(lài)汽車(chē)和軟件行業(yè)稱(chēng)為 V 模型的標準設計模型。

“我們的迭代周期非?？?，這意味著(zhù)我們軟件的發(fā)布是每月而不是每年。要在一個(gè)月內而不是一年內發(fā)布軟件。......如果沒(méi)有建模，在一個(gè)月內發(fā)布一個(gè)功能是非常困難的，因為編程、測試、驗證等所有工作都需要在這個(gè)時(shí)間段內完成?！?/p>

韓曉凌，TuSimple 傳感器與車(chē)輛控制集成高級總監

TuSimple 結合 V 模型和敏捷方法創(chuàng )建了理想的設計流程。（圖片所有權：TuSimple）

V 模型也被稱(chēng)為驗證和確認模型，是一種在實(shí)現新功能之前系統地進(jìn)行分析、設計和驗證的設計方法。Malleichervu 說(shuō)，使用 V 模型設計方法完成發(fā)動(dòng)機或車(chē)輛項目的全部設計通常需要三到五年時(shí)間；對現有設計進(jìn)行升級大約需要一年時(shí)間。

韓曉凌說(shuō)，對于 TuSimple 來(lái)說(shuō)，這種方法太慢了。做為替代，該公司在開(kāi)發(fā)自動(dòng)駕駛系統時(shí)采用了一種混合方法，即將 V 模型和敏捷方法結合運用。

“我們的迭代周期非?？?，這意味著(zhù)我們要在幾周而不是幾年內發(fā)布線(xiàn)控軟件”，韓曉凌說(shuō)?！斑@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(lài)建模的原因。如果沒(méi)有建模，一個(gè)月內很難發(fā)布一個(gè)功能，因為編程、測試、驗證等所有工作都需要在那一個(gè)月內完成?！?/p>

使用這種混合方法，TuSimple 可以在 24 小時(shí)內發(fā)布線(xiàn)控軟件補丁，并在 72 小時(shí)到兩周內的發(fā)布新功能。韓曉凌認為，正是這種新穎的設計方法和 TuSimple 對建模的使用，才能幫助公司實(shí)現目標，即自動(dòng)駕駛的大型卡車(chē)可以在 2024 年馳騁于高速公路上。

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